ESTRUTURAS METÁLICAS ESTUDO DE VIABILIDADE EM EDIFÍCIOS COMERCIAIS

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1 MÁRCIA LIE ITO ESTRUTURAS METÁLICAS ESTUDO DE VIABILIDADE EM EDIFÍCIOS COMERCIAIS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. SÃO PAULO 2005

2 MÁRCIA LIE ITO ESTRUTURAS METÁLICAS ESTUDO DE VIABILIDADE EM EDIFÍCIOS COMERCIAIS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. Orientador: Prof. Tiago Garcia Carmona SÃO PAULO 2005

3 Aos meus queridos pais Hiroshi e Yuriko i

4 ii AGRADECIMENTOS Aos meus colegas de faculdade e serviço que colaboraram na busca de informações e contatos para elaboração deste trabalho, em especial aos meus amigos Emerson, Penha e Luciano. Ao CBCA Centro Brasileiro da Construção em Aço, COSIPA (Companhia Siderúrgica Paulista), Açominas e ABCEM (Associação Brasileira da Construção Metálica) pelo apoio e materiais fornecidos. Aos professores da Universidade Anhembi Morumbi, especialmente ao prof. Tiago Garcia Carmona e Dr. Antônio Carlos da Fonseca Bragança Pinheiro que coordenou as idéias e orientou na busca de informações para elaboração deste trabalho e a professora mestra Jane Luchtenberg Vieira, professor mestre Célio Daroncho e Dr. Wilson Shoji Iyomasa sempre nos incentivando e contribuindo com todas as normas e conhecimentos para elaboração e formatação deste documento. A Construtora Inpar, a Codeme e ao Escritório de arquitetura Roberto Candusso, em especial a arquiteta Malu e ao engenheiro Faversani, pelas informações e imagens cedidas e ao Fagner por toda a paciência, o incentivo e a colaboração às visitas e fotos da obra estudada.

5 iii RESUMO As edificações tem apresentado sistemas industrializados de construção em vários segmentos, porém quanto a execução da estrutura, é comum a utilização do concreto armado. Este trabalho visou apresentar fatores que devem ser analisados na escolha do método estrutural de estruturas metálicas para construção de prédios comerciais. Os sistemas de estruturas de concreto armado e as estruturas metálicas não devem ser comparadas de modo competitivo mas sim a de tirar proveito do melhor de cada um dos sistemas, portanto, são apresentadas as vantagens proporcionadas com a utilização do sistema de estrutura metálica em diversas atividades executadas em uma obra. No estudo de caso apresentado neste trabalho, a rapidez da construção em estruturas metálicas não foi a característica que motivou a construtora a optar por este sistema e sim a redução do consumo de concreto devido a dificuldade de logística de acesso dos caminhões betoneira. Palavras Chave: Estruturas Metálicas, Construção em Aço

6 iv ABSTRACT The building have presented industrialized systems of construction in some segments, how ever the execution of the structure is common the use of the armed concrete. This work aimed at to present factors that must be analyzed in the choice of the structural method of metallic structures for construction of commercial building. The systems of structures of armed concrete and the metallic structures do not have to be compared in competitive way but to take off advantage of the best of each one of the systems, therefore, the proportionate advantages with the use of the system of metallic structure in diverse activities executed in a workmanship are presented. In the study of case presented in this work, the speed of the construction in metallic structures was not the characteristic that motivated the constructor to choose this system and yes, the reduction in the concrete consumption because the access of the concrete truck mixer was too difficulty and restricted. Key Worlds: Metallic structures, Steel building

7 v LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 5.1: Treliças telescópicas apoiadas na mesa superior do perfil. 25 Figura 5.2: Balizamento da alvenaria pelos pilares de aço. 26 Figura 5.3: Assentamento de alvenaria com blocos de concreto, utilizando barras de espera, soldadas nos pilares. 26 Figura 5.4: Lajes de painéis armados de concreto celular. 27 Figura 5.7: Detalhe da marquise. 43 Figura 5.8: Projeto de Montagem, planta da marquise. 46 Figura 6.1: Fachada frontal do Hotel Íbis Paulista. 49 Figura 6.2: Comparativo de custo entre as estrutura quanto ao tipo. 52 Figura 6.3: Comparativo de custo entre as estrutura quanto a fundação. 53 Figura 6.4: Comparativo de custo entre as estrutura de aço e convencional, considerando as instalações e manutenção de canteiro de obra. 56 Figura 6.5: Comparativo de custo entre as estrutura de aço e convencional em relação aos itens comuns. 57 Figura 6.6: Economia obtida entre as estrutura de aço e concreto armado 59 Figura 6.7: Ilustração da laje Steel Deck. 61 Figura 6.8: Concretagem de laje Steel Deck. 61 Figura 6.9: Cobertura em policarbonato e estrutura metálica. 62 Figura 6.10: Execução da estrutura metálica. 63 Figura 6.11: Montagem da cobertura em estruturas metálicas. 64 Figura 6.12: Ambiente limpo em estrutura steel frame para receber placas de gesso acartonado. 64 Figura 6.13: Ambiente fachada pré-fabricada GFRC. 65

8 vi LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Consumo de aço bruto de alguns países...17 Tabela 5.1: Comparativo quanto a administração da obra...30 Tabela 5.2: Comparativo quanto a Fundação Tabela 5.3: Comparativo quanto a execução das lajes...32 Tabela 5.4: Comparativo quanto a execução das paredes Tabela 5.5: Comparativo quanto a execução dos revestimentos...33 Tabela 5.6: Comparativo quanto as Instalações Tabela 5.7: Comparativo quanto aos prazos de execução Tabela 5.8: Comparativo quanto aos custos financeiros...35 Tabela 5.9: Critérios para utilização do aço....36

9 vii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS a.c CET CSN FEM GFRC SMT SPEM PMSP PVC Antes de Cristo Companhia de Engenharia de Tráfego Companhia Siderúrgica Nacional Fábrica de Estruturas Metálicas Glass Fiber Reinforced Concrete Secretaria Municipal dos Transportes São Paulo Estruturas Metálicas Prefeitura do Município de São Paulo Policloreto de Vinila

10 viii SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Primeiras Evidências da Utilização do Aço Construções em Aço dos Séculos 19 e Construções em Aço no Brasil OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos METODOLOGIA DO TRABALHO JUSTIFICATIVA ESTRUTURAS METÁLICAS Vantagens no Uso do Aço Comparação entre Estruturas Metálicas com Estruturas de Concreto Armado Critérios para a Utilização de uma Estrutura de Aço Critérios de Viabilidade Econômica Projeto da Estrutura Projeto de Engenharia Projeto de Fabricação Projeto de Montagem...45

11 ix 6 ESTUDO DE CASO Apresentação Custo das estruturas Custo de fundações Custo de alvenarias e revestimentos Custo de instalações de unidades, equipamentos e manutenção de canteiro Custos comuns Custos financeiros Logistica da obra Fornecimento e montagem da estrutura Fechamentos internos e externos CONCLUSÕES...66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...70 APÊNDICE...74 ANEXO...78

12 10 1 INTRODUÇÃO No início do século 21, principalmente em regiões desenvolvidas como os Estados Unidos, a Europa e o Japão, a utilização de sistemas de estruturas metálicas em aço, vem sendo implementada em grande escala, devido às vantagens proporcionadas e a boa performance construtiva em vários tipos de edificações. Porém, a utilização de aço no Brasil ainda é pequena se comparada com estes países, não passa de 5 kg de aço estrutural por habitante. Em média, o consumo na Europa é de 20 kg de aço estrutural por habitante e nos Estados Unidos, aproximase a 30 kg de aço estrutural por habitante (FREITAS, 2005). 1.1 Primeiras Evidências da Utilização do Aço Aproximadamente a 6 mil anos a.c., em civilizações como as do Egito, Babilônia e Índia, encontraram-se as primeiras evidências da obtenção do ferro para fins militares, ou como elemento de adorno nas construções, pois era considerado um material nobre devido a sua raridade (BELLEI et al., 2004). Muito tempo depois, com a Revolução Industrial, em meados do século 19, em países mais desenvolvidos como Inglaterra, França e Alemanha, ocorreu um aumento da utilização do ferro em escala industrial. Paralelamente, desenvolveram- -se progressos na elaboração e conformação deste metal. Em 1830, eram laminadas para utilização em trilhos para estradas de ferro e, em 1854, na França surgem os perfis de seção I de ferro forjável, peça fundamental na construção civil em aço.

13 11 Em 1779, foi construída a ponte sobre a Severn em Coalbrokdale, na Ingleterra, que foi considerada como a primeira obra importante em ferro. Em 1851, inicia-se a era dos grandes edifícios metálicos, com o Palácio de Cristal em Paris, e em Londres, em 1872, Jules Saulnier construiu a fábrica de chocolates de Noisiel-Sur-Name. Trata-se de um edifício de andares múltiplos, construído sobre quatro pilares da antiga ponte sobre o rio Marne, de forma a aproveitar a energia hidráulica do rio. Este edifício antecipa alguns elementos estruturais da construção em aço, devido à estabilidade lateral do prédio garantida por uma rede de diagonais. O sistema é idêntico ao de contraventamento encontrado em construções em estruturas metálicas existentes no ano de 2005 (BELLEI et al., 2004). 1.2 Construções em Aço dos Séculos 19 e 20 Em 1868, fundador e líder da Escola de Chicago, Willian le Baron Jenney, abriu seu escritório de Arquitetura em Chicago e, em 1879, no Leiter Bulding 1, provou suas teorias sobre a estrutura de ferro. O Home Insurance Building, projetado por Jenney em 1885, apresentou um sistema estrutural pioneiro das modernas estruturas de aço do ano Neste projeto, o peso das paredes era transferido para um vigamento de ferro e respectivas colunas embutidas em alvenaria que, por sua vez, só serviu de enchimento do vão livre (BELLEI et al., 2004). Holaird e Roche construíram, em 1884, o Tocama Building, o primeiro edifício com ligações rebitadas que resultaram maior rigidez nas estruturas metálicas, o que não era possível de se obter anteriormente com parafusos comuns (BELLEI et al., 2004).

14 12 As estruturas metálicas construídas em Chicago nos anos de 1890 a 1893, apresentavam características típicas como as ligações rebitadas, os contraventamentos verticais e janelas salientes. Com o salto tecnológico em 1885, as vigas de ferro forjado foram substituídas pelas vigas laminadas de aço doce, produzidas pela primeira vez nos Estados Unidos pela Carnegie Steel Company. Após essa inovação, a coluna de ferro fundido caiu rapidamente na obsolência, bem como os perfis complexos de colunas compostas de perfis padronizados, laminados ou caixão. Entre 1890 e 1930, devido às condições materiais e intelectuais favoráveis na França e na Bélgica, se desenvolveram as primeiras construções em aço de edifícios de vários andares. Na França, foram construídas as primeiras estruturas de cobertura em ferro forjado, antes das pontes em ferro fundido terem sido construídos na Inglaterra. Muitos progressos foram feitos nos métodos de executar ligações nas estruturas de aço, quando se fez a transição do rebite para a solda e para os parafusos de alta resistência (BELLEI et al., 2004). Nos Estados Unidos, a posição de liderança na construção de edifícios altos foi assumida por Nova York, batendo recordes de altura e mérito arquitetônico. Em 1913 foi construído o Woolworth Tower, com 234 metros de altura e 55 andares. Em 1929 foi construído o Chrysler Building, com 320 metros de altura e 75 andares e em 1931 o Empire State, com 380 metros de altura e 102 andares. O maior edifício do mundo foi construído em Chicago, o Sears Tower, em 1972 com 109 andares e 445 metros de altura, projetado por B. Graham, (BELLEI et al., 2004).

15 13 Em 1973, foram construídas as torres gêmeas do World Trade Center, com 110 andares e 417 metros de altura no centro de Manhatan que foram alvo de um ataque terrorista em 11 de setembro de 2001 e em 2005 o prédio considerado como mais alto construído em estrutura metálica foi a Torre Taipei 101 em Taiwan, com 101 andares e 508 metros de altura, concluída sua construção no final do ano de 2004 (CAMBRIDGE, 2005). 1.3 Construções em Aço no Brasil Na década de 20, o Brasil começou realmente a desenvolver sua incipiente indústria siderúrgica, com a criação da Companhia Siderúrgica Belgo Mineira. Nesta mesma década, considerando-se também a produção de outras pequenas fundições, a produção de aço atingiu a casa de 35 mil toneladas. No final da década, já alcançava a casa de 96 mil toneladas (BELLEI et al., 2004). Em plena segunda guerra mundial, foi fundada a CSN - Companhia Siderúrgica Nacional, que entrou em operação em 12 de outubro de 1945, com a finalidade de produzir chapas, trilhos e perfis, nas bitolas americanas. Para consolidar o mercado, entraram em operação na década de 60 as usinas da Usiminas e Cosipa, para produção de chapas, e mais recentemente a entrada da Açominas para produção de perfis laminados de abas paralelas. A partir daí, grandes expansões foram realizadas no setor siderúrgico, produzindo o Brasil, em 2005, perto de 25 milhões de toneladas de aço. O Brasil, que até a década de 70 ainda importava, passou a exportar, devido ao baixo consumo interno.

16 14 Para difundir o uso do aço nas construções, a CSN criou em 1953, como um dos seus departamentos, a FEM Fábrica de Estruturas Metálicas (desativada em 1998), que iniciou a formação de mão-de-obra especializada, bem como do ciclo completo de produção das estruturas metálicas (BELLEI et al., 2004). Em 1957, foi construído o Edifício Garagem América, projetado pelo arquiteto Rino Levi e Paulo R. Fragoso, trata-se de uma garagem coletiva construída em terreno de 1024 m², com frente para duas vias públicas, apresentando um desnível de 17 m entre a entrada principal, no pavimento térreo, que situa na Avenida 23 de Maio. Foi a primeira garagem coletiva de grande proporções construída em São Paulo na década de 50 e o primeiro edifício de andares múltiplos pavimentos de estruturas metálicas do país fabricado pela FEM. Ainda em São Paulo, em 1959, ao lado do Teatro Municipal, ergue-se o Palácio do Comércio, primeiro edifício comercial em estruturas metálicas construído no País pelo arquiteto Lucjan Korngold e estrutura projetada por Paulo R. Fragoso. Com vinte e quatro pavimentos e 73 m de altura, sua montagem foi iniciada em 24 de setembro de 1956, com fabricação e montagem pela FEM. A estrutura metálica compreende colunas compostas de quatro perfis L laminados, chapa de alma e chapas de mesa; em alguns casos, de dois perfis U interligados por chapas reforçadas na alma e por vigas, na sua maioria de perfis I laminados, toda a estrutura é rebitada e foi executada em noventa e três dias efetivos de trabalho. Em 1961, no Rio de Janeiro, é construído o Edifício Avenida Central, pelo arquiteto Henrique E. Mindlin e estrutura por Paulo R. Fragoso, com montagem e fabricação pela FEM. A estabilidade vertical do edifício é garantida por contraventamentos

17 15 localizados nas paredes divisórias de lojas e salas, no sentido transversal, e junto aos elevadores, no sentido longitudinal. A estrutura está protegida contra incêndio pelo revestimento das vigas com concreto, dos pilares internos com tijolos furados e dos pilares e vigas externos com asbesto projetado (DIAS, 1999). No centro da cidade de Porto Alegre, no Rio Grande do Sul, em 1964, foi construído o Edifício Santa Cruz, com trinta e três pavimentos para fins comerciais pelo arquiteto Jayme Luna dos Santos e estrutura por Paulo R. Fragoso. Foi estruturado com aço desde as fundações com fabricação e montagem pela FEM. Foi executada em duas etapas: a primeira, iniciada em 4 de abril de 1960, terminado em 20 de agosto de 1961, e a segunda, iniciada em 25 de fevereiro de 1962, encerrando-se em 8 de março do ano seguinte. Em 1965, arquitetado por Affonso Eduardo Reidy e projeto estrutural por Paulo R. Fragoso, com fabricação e montagem pela FEM, foi construído no centro do Rio de Janeiro o edifício sede do IPERJ, sede de instituição destinada a conceder pensão e benefícios de assistência social aos empregados municipais, o edifício tem 24 pavimentos e 76,5 m de altura. Em 1966 é construído o escritório central da CSN, em Volta Redonda, no Rio de Janeiro. Nesta obra foram empregados pela primeira vez, forros de bandeja de aço perfuradas, revestidas na parte superior com mantas de lãs-de-rocha ensacadas, para dar proteção acústica aos ambientes de trabalho. A arquitetura é de Glauco do Couto Oliveira com estrutura, fabricação e montagem pela FEM.

18 16 Projetado por Oscar Niemeyer e estrutura por Paulo Franco Rocha, em 1973 é construído em Brasília o edifício Palácio do Desenvolvimento, com estrutura em concreto armada até o quarto pavimento e estrutura metálica nos pavimentos superiores. Em 1979, é construído na Praia da Armação, em Salvador, na Bahia, o Palácio de Congressos da Bahia projetado pelos arquitetos Jader Tavares, Oton Gomes, Fernando Frank e Márcio Roberto, estrutura de Carlos Emílio Strauch com fabricação e montagem pela Fichet. Tem seu sistema estrutural constituído por duas grandes treliças que se desenvolvem paralelamente ao eixo longitudinal, distantes 38,5 m entre si, apoiando-se em duas linhas de quatro torres de circulação vertical de concreto armado formando três vãos de 50 m, enquanto as extremidades se apóiam, de um lado nas torres e, de outro, nas sobrelevações artificiais do terreno, com vãos de 60 a 70 m (DIAS, 1999). Foram surgindo em todo o país um grande número de fabricantes, projetistas, desenhistas e outros profissionais do ramo e o Brasil chegou, na década de 1970, a produzir cerca de 500 mil toneladas de estruturas metálicas, mas totalmente voltada para o setor industrial (BELLEI et al., 2004).

19 17 2 OBJETIVOS O Brasil, apesar de ser o sétimo maior produtor em aço do mundo, não apresenta níveis de utilização de estruturas metálicas significativos (Tabela 2.1), isto pode ser devido a fatores como a não existência de uma cultura voltada para o uso de estruturas metálicas (DIAS, 1998). Tabela 2.1: Consumo de aço bruto de alguns países CONSUMO PER CAPITA DE AÇO BRUTO 2001 Países Consumo Per Capita de Aço Bruto (Kg/hab) Japão 557 EUA 458 Alemanha 469 Coréia do Sul 757 Itália 552 Espanha 469 Brasil 105 México 123 Argentina 91 Chile 122 Fonte: Anuário Estatístico IBS 2001 A elaboração deste trabalho visa apresentar as estruturas metálicas incentivando a sua utilização como sistema estrutural para edifícios comerciais.

20 Objetivo Geral Este Trabalho de Conclusão de Curso, tem como objetivo geral apresentar os sistemas estruturais em aço, conceituando suas principais características para aplicações em edifícios comerciais construídos no Brasil. 2.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos deste trabalho são: - Apresentar as principais características mecânicas e geométricas dos sistemas de estruturas metálicas; - Identificar parâmetros para relação custo x benefício em edifícios comerciais; - Comparar as vantagens e desvantagens principais de uma estrutura metálica com a estrutura de concreto armado; - Indicar fatores para o reaproveitamento de materiais e a conseqüente redução no impacto ambiental ao utilizar as estruturas metálicas.

21 19 3 METODOLOGIA DO TRABALHO Este Trabalho de Conclusão de Curso, foi baseado em teses de doutorado, dissertações de mestrado, trabalhos de conclusão de curso, livros técnicos, catálogos de empresas e sites da Internet. A pesquisa, também, foi desenvolvida considerando visitas as obras para verificação de sistemas utilizados na atualidade e entrevistas com profissionais e empresas que executam obras utilizando sistemas de estruturas metálicas em edificações comerciais, citando as vantagens e desvantagens na utilização deste sistema. Para realização do estudo de caso, foram realizadas visitas ao local da obra, ao escritório de arquitetura que desenvolveu a concepção do projeto, a construtora Inpar e correspondências via correio eletrônico com a empresa fabricante da estrutura metálica CODEME.

22 20 4 JUSTIFICATIVA Nas metrópoles brasileiras, a grande maioria das edificações são de concreto armado. Apesar de todas as vantagens proporcionadas pela utilização dos sistemas em estruturas metálicas são poucas as obras já executadas até o ano de A cultura, assim como nas próprias universidades, a enfatização nas estruturas de concreto armado e protendido são maiores em comparação com a cadeira de estruturas metálicas (DIAS, 1998). Segundo Rezende (2003), a construção em estruturas metálicas apresentou um suave crescimento até 1998 e a tendência no aumento de construções em estruturas metálicas para os próximos anos é aumentar. Em outros países desenvolvidos, de acordo com Dias (1998), o sistema metálico é muito mais utilizado, pois é comprovado que adotando este processo construtivo as etapas de construção são simplificadas, além de executadas rapidamente em relação ao processo convencional em concreto armado. A estrutura é fabricada nas instalações metalúrgicas, deixando o canteiro de obras livre, resumindo apenas na montagem da estrutura no canteiro de obras, que é feita com equipamentos e mão de obra especializada do fabricante. Os estoques de cimento, areia e brita no canteiro de obras ficam reduzidos consideravelmente além de reduzir, também, a movimentação de pessoas na obra. Com a utilização do sistema de estruturas metálicas, o peso próprio da edificação é reduzida a 1/5 da estrutura convencional, com este alívio de cargas temos uma redução nas fundações (SPEM, 2004).

23 21 A inexistência de formas para as colunas e vigas, reduz entulhos, bota-foras, conseqüentemente uma redução em custos de formas e mão-de-obra. Devido a precisão milimétrica de prumo e nível, as argamassas de nivelamento e regularização são dispensadas (SPEM, 2004). O sistema de estrutura metálica proporciona melhor aproveitamento das áreas úteis, reduzindo números de pilares e aumento de vagas na garagem. Todas as facilidades construtivas apresentadas, fazem com que um edifício comercial seja executado num prazo bastante curto e com estes meses ganhos na execução da obra, o retorno financeiro para o cliente representa substancial vantagem (SPEM, 2004). Devido as grandes vantagens apresentadas na utilização do sistema construtivo em estruturas metálicas e a tendência em industrializar as etapas de execução das obras, o aço tem sido utilizado em grande escala nos países europeus e asiáticos, países estes que apresentaram grande desenvolvimento e avanços tecnológicos. No Brasil, a grande maioria dos projetistas e engenheiros de estruturas optam pelo método tradicional de concreto armado devido ao fator custo da obra, pois, as construções em aço ainda possuem custo elevado devido à falta de mão de obra especializada e produção da estruturas em si. Estes sistemas apesar de ainda apresentarem um custo elevado, proporcionam um prazo de entrega inferior além de minimizar os impactos ambientais devido a mínima utilização de madeira e proporcionar menos perdas e desperdícios de materiais durante a obra (SPEM, 2004).

24 22 5 ESTRUTURAS METÁLICAS A tendência na área de construção é de aumentar a utilização da estrutura metálica, ainda carente no Brasil por um fato cultural e histórico (ANDRADE, 2000). Segundo Dias (1999), a utilização de estruturas metálicas é mais antiga que o concreto armado. É uma solução largamente utilizada e consagrada nos países industrializados, como Inglaterra, Japão, França, Canadá e Estados Unidos, de onde vêm os grandes exemplos de edificações construídas em aço. A comparação entre os sistemas de estruturas de concreto armado e as estruturas metálicas, segundo Andrade (2000) existe para cada tipo de construção, não devendo existir uma mentalidade competitiva, mas sim a de se tirar proveito do melhor de cada um dos sistemas, podendo ainda as soluções mistas serem as mais proveitosas, onde cada material é adequadamente utilizado num trabalho conjunto. Cada caso deve ser examinado tecnicamente, visando o satisfatório resultado custobenefício. Em modernas cidades, megalópoles, a disponibilidade e o custo dos terrenos em suas áreas mais centrais, passaram a exigir a implantação de edifícios cada vez mais altos e para a viabilização destas edificações, com o avanço tecnológico foram desenvolvidos esqueletos metálicos, transporte vertical de cargas e pessoas como elevadores, escadas rolantes, e de sistemas adequados de utilidades prediais como a energia elétrica, água, esgoto, telecomunicações, condicionamento de ar etc (SALÉS, 1999).

25 Vantagens no Uso do Aço A utilização de estruturas metálicas na construção civil tem possibilitado aos arquitetos, engenheiros e construtores, soluções arrojadas, eficientes e de alta qualidade segundo Inaba (2003). A arquitetura em aço sempre esteve associada à idéia de modernidade, inovação e vanguarda, traduzida em obras de grande expressão arquitetônica e que invariavelmente traziam o aço aparente. Segundo Inaba (2003), as vantagens na utilização de sistemas construtivos em aço vão muito além da linguagem estética de expressão marcante; redução do tempo de construção, racionalização no uso de materiais e mão de obra e aumento da produtividade, passaram a ser fatores-chave para o sucesso de qualquer empreendimento. O sistema construtivo em aço apresenta vantagens significativas sobre o sistema construtivo convencional, segundo Inaba (2003), mas a simples comparação entre as estruturas metálicas ou de concreto, para cada tipo de construção existiram vantagens e desvantagens podendo as soluções mistas serem as mais proveitosas (ANDRADE, 2000). A tecnologia do aço confere aos arquitetos liberdade no projeto de arquitetura, permitindo a elaboração de projetos arrojados e de expressão arquitetônica marcante. Devido as seções das colunas e vigas de aço apresentarem seções mais esbeltas do que as equivalentes em concreto, resultando em melhor aproveitamento do espaço interno e aumento da área útil, fator muito importantes principalmente em garagens (INABA, 2003).

26 24 Quanto a flexibilidade, a estrutura metálica mostra-se especialmente indicada nos casos onde há necessidade de adaptações, ampliações, reformas e mudança de ocupação de edifícios. Torna mais fácil a passagem de utilidades como água, ar condicionado, eletricidade, esgoto, telefonia, informática etc (COSIPA, 2003). A empresa SPEM São Paulo Estruturas Metálicas (2004), verificou que utilizando o sistema de estruturas metálicas, as etapas de construção ficaram muito bem definidas e simplificadas, além de executadas muito mais rapidamente do que no processo convencional em concreto armado, pois a estrutura é executada nas instalações do fabricante, deixando o canteiro de obras livre, para a execução das fundações. A construção se resume apenas na montagem da estrutura no canteiro de obras, que é feita com equipamentos e mão-de-obra especializada, do fabricante. Os estoques de cimento, areia e brita no canteiro de obras ficam reduzidos consideravelmente. A movimentação de pessoas e materiais no canteiro é extremamente reduzida com a conseqüente redução do custo administrativo. A estrutura metálica tem peso próprio aproximadamente 1/5 da estrutura convencional de concreto armado, o que permite uma redução nas cargas de fundações. Esta economia pode ser quantificada em torno de 25%, em condições normais, ou mais em casos específicos. Como no processo convencional, as lajes podem ser moldadas in loco ou prémoldadas, o que deve ser analisado caso a caso. A estrutura metálica, permite que as formas sejam executadas imediatamente após sua montagem, através de treliças telescópios apoiadas diretamente nas abas inferiores ou superiores das vigas conforme figura 5.1, ou mesmo utilizando pré-lajes apoiadas diretamente sobre as

27 25 abas superiores. O uso de pontaletes pode ser dispensado. A inexistência de formas para as colunas e vigas, reduz entulhos e bota-foras. Tudo isso imprime maior velocidade e facilidade na execução das lajes, reduzindo os custos de formas e mão-de-obra (SPEM, 2004). Figura 5.1: Treliças telescópicas apoiadas na mesa superior do perfil. Fonte: Dias (1998) A precisão milimétrica de prumo e nível, permite que a estrutura metálica já sirva como referência para se estabelecer o prumo das alvenarias (Figura 5.2). A fixação das alvenarias à estrutura metálica é feita com simplicidade, soldando-se nos pilares metálicos vergalhões com comprimento de aproximadamente 30 cm, que são embutidos entre os tijolos da parede de elevação (Figura 5.3).

28 26 Figura 5.2: Balizamento da alvenaria pelos pilares de aço. Fonte: Dias (1998) Figura 5.3: Assentamento de alvenaria com blocos de concreto, utilizando barras de espera, soldadas nos pilares. Fonte: Dias (1998) Como as lajes ficam niveladas com grande precisão, a argamassa de nivelamento da parte superior é dispensada e a argamassa de revestimento inferior pode ser feita com espessura de até 0,5 cm. No sistema de lajes de painéis de concreto celular

29 27 (Figura 5.4), ao final, necessitam receber um capeamento de argamassa da ordem de 25 a 40 mm de espessura, para maior solidarização, que irá servir também como contrapiso (DIAS; 1998). Figura 5.4: Lajes de painéis armados de concreto celular. Fonte: Dias (1998) A economia nesta argamassa de nivelamento e revestimento da laje é considerável. Da mesma forma, devido ao prumo, as alvenarias podem ser revestidas com argamassa de espessura 0,5 cm, dando acabamento perfeito. Isto faz com que o volume de argamassa de nivelamento e revestimento de um edifício, seja reduzido à quinta parte do que se gasta no processo convencional, onde é comum se observar excesso de argamassa de regularização em paredes externas, de até 10 cm de espessura. É importante salientar que utiliza-se a precisão em milímetros na estrutura metálica, quando no processo convencional utiliza-se centímetro. Excessos na obra, não só trazem como conseqüência a perda de materiais e mão-de-obra

30 28 desnecessária, como fatalmente, vários metros cúbicos de entulhos gerados na obra. As escadas são pré-fabricadas e de extrema facilidade de montagem, permitindo o seu uso imediato durante a execução da obra, o que dificilmente ocorre na construção convencional, onde as formas são elaboradas num processo artesanal de carpintaria, demandando tempo a custos elevadíssimos. Quando da elaboração dos projetos estrutural, hidráulico, elétrico, ar condicionado, telefonia etc, deve-se à localização das passagens de dutos. As vigas metálicas podem vir de fábrica com estas passagens, evitando-se improvisações na obra, racionalizando o emprego de materiais, evitando-se desperdícios e agilizando sua execução. As vigas e colunas metálicas, em comparação a outros processos construtivos, proporcionam melhor aproveitamento das áreas úteis, reduzindo números de pilares e, conseqüentemente, aumentando número de vagas na garagem. Todas as vantagens apresentadas anteriormente, além de inúmeras outras que são observadas durante o andamento da obra, traduzem sistematicamente em três fatores de economia (ANDRADE, 2000): De mão-de-obra De materiais De prazo de construção Fabricada em paralelo aos serviços de movimentação de terra e fundações, a estrutura metálica tem sua montagem iniciada imediatamente após o término das

31 29 fundações, dispensando formas, escoramentos e tempo de cura. A execução das lajes, fechamento e instalações, simultaneamente, implica em redução no prazo final da obra. A ocupação antecipada do imóvel tem que ser considerada, através de um estudo comparativo de custo X benefício, para cada processo construtivo. Segundo a empresa SPEM (2004), todas as facilidades construtivas apresentadas, fazem com que um edifício seja executado num prazo bastante reduzido. Os meses ganhos, sobre o tempo normal de construção representam substancial vantagem para o cliente, à medida que este avanço lhe permite dispor das instalações mais cedo que o previsto. Logo, o capital investido na construção tem um menor custo. Alem disso, há um investimento antecipado deste capital, decorrente da antecipação da exploração do imóvel. 5.2 Comparação entre Estruturas Metálicas com Estruturas de Concreto Armado Andrade (2000), informa que é quase impossível afirmar que a estrutura metálica seja melhor ou pior que a de concreto armado pois para cada caso deverá ser examinado tecnicamente, visando o satisfatório resultado custo-benefício.

32 30 Na tabela 5.1 é apresentado um comparativo entre um edifício de estruturas metálicas e de concreto armado quanto a administração da obra. Tabela 5.1: Comparativo quanto a administração da obra. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Na administração da obra Execução em fábrica Apenas montada no canteiro Grande precisão dimensional Grande precisão quantitativa dos materiais Poucos itens de materiais (aço, parafusos, eletrodos) (tintas) Qualidade garantida das matérias primas (pelas usinas) Uniformidade das matérias primas Pouca quantidade de homens na obra (menos problemas trabalhistas) com maior qualificação Canteiro diminuto (material chega pronto no tempo certo) Simplificação do canteiro (minimização ou exclusão de escoramento para forros de laje) Obra seca Maior facilidade de fiscalização Execução predominantemente no canteiro Menor precisão dimensional Maior dificuldade de precisão de quantidades Maior diversificação de materiais (cimento, areia, brita, água, formas de madeira, ferros, aceleradores, etc.) Dificuldade de garantia de qualidade - maior controle necessário Variedade dependendo da procedência Maior quantidade de pessoal na obra, com menor qualificação (mais do dobro ou triplo) Canteiro maior para matérias primas e manuseio Canteiro mais completo, existência de escoramento com pontaletes Obra com muito uso de água Fiscalização mais completa Fonte: ANDRADE (2000). A execução da estrutura é realizada na fábrica e montada no canteiro de obra, é um sistema industrializado, fazendo com que o desperdício seja sensivelmente reduzido.

33 31 Na tabela 5.2 são apresentados os benefícios proporcionados pelo uso do sistema de estruturas metálicas na fundação. Tabela 5.2: Comparativo quanto a Fundação. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Nas fundações Leveza estrutural Peso estrutural maior 40 a 80 kg/m2 (vigas e colunas) 250 a 350 kg/m2 (vigas e colunas) Menores cargas nas bases Volumes menores nos blocos Sistemas mais econômicos Bases mais solicitadas Maiores volumes Sistemas mais onerosos Fonte: ANDRADE (2000). Devido a leveza estrutural da estrutura metálica, as cargas nas bases de fundação são menores proporcionando volumes menores de blocos e sistemas de fundações mais econômicos.

34 32 As lajes são executadas com maior rapidez conforme apresentado na tabela 5.3. Tabela 5.3: Comparativo quanto a execução das lajes. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Nas lajes As fôrmas são apoiadas direto nas vigas metálicas podendo ser dispensando o uso de pontaletes Grande rigor nos níveis Liberação antecipada dos pavimentos para outras operações Maior velocidade da construção Facilidade de escadas pré-fabricadas Necessita maior escoramento para fôrmas Menor rigor nos níveis Impedimento de trânsito enquanto escorado Velocidade dependendo da cura do concreto das colunas Dificuldade na execução de formas para escadas Fonte: ANDRADE (2000). A estrutura metálica aceita praticamente qualquer sistema de laje, industrializada ou não. Para o cimbramento das fôrmas podem ser empregados sistemas de treliças telescópicas como apoios dos caibros e dos compensados. Estas se apóiam diretamente sobre as vigas de aço da laje a ser concretada, dispensando o uso de pontaletes (DIAS, 1998).

35 33 Na tabela 5.4 são apresentadas as vantagens proporcionadas quanto a alvenaria ao utilizar o sistemas de estruturas metálicas. Tabela 5.4: Comparativo quanto a execução das paredes. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Nas paredes (alvenarias ou outros materiais) Precisão milimétrica Esquadros e prumos exatos resultando em maior perfeição da execução, com tempo reduzido Sensível economia na mão de obra de execução Maior variação dimensional Irregularidade de prumos e esquadro, aumentando o tempo de execução com enchimentos Custo de execução mais onerosa em vista de imperfeições Fonte: ANDRADE (2000). A nivelação das lajes e prumos são precisas proporcionando economia conforme tabela 5.5. Tabela 5.5: Comparativo quanto a execução dos revestimentos. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Nos revestimentos Níveis precisos nas lajes e prumos exatos, minimiza massas de revestimento em pisos e paredes com economia do peso morto Facilita o uso de materiais completares préfabricados (painéis, forros, etc.) Necessidade de maior espessura de revestimento em lajes e paredes Necessita aplicação de insertes e elementos de regulagem na fixação Fonte: ANDRADE (2000).

36 34 Na tabela 5.6 é apresentado as facilidades proporcionadas quanto as instalações. Tabela 5.6: Comparativo quanto as Instalações. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Instalações elétricas - hidráulicas - proteção contra fogo e instalação do canteiro Pilares e vigas podem ser furados na fábrica ou na obra Facilita passagem de tubulações, permite alteração nas instalações na obra Necessita proteções contra fogo mais sofisticadas Dificuldade de execução de furos nas colunas e vigas Impossibilidade de alteração após a execução da estrutura Proteção contra fogo simplificada Fonte: ANDRADE (2000). O sistema de estruturas metálicas otimiza o tempo de execução em várias etapas da obra conforme apresentado na tabela 5.7. Tabela 5.7: Comparativo quanto aos prazos de execução. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Prazos Simultaneidade de execução da estrutura e fundações Avanços da montagem de 3 em 3 pavimentos Possibilidade de alvenarias acompanharem a montagem Dependência de terminar as fundações para iniciar execução da estrutura Avanços de um em um pavimento Dificuldade de execução de paredes enquanto a estrutura estiver escorada Fonte: ANDRADE (2000).

37 35 Na tabela 5.8 é apresentado que a utilização de estruturas metálicas, reduz o prazo de execução, antecipando o uso da edificação proporcionando um retorno financeiro antecipado. Tabela 5.8: Comparativo quanto aos custos financeiros. Edifício Estruturas metálicas Edifício com estruturas de concreto Custo financeiro Prazos finais reduzidos Antecipação de utilização Maiores prazos aumentam os custos Retorno mais rápido e utilização antecipada - Fonte: ANDRADE (2000). Além das vantagens citadas acima, a utilização do sistema de estruturas metálicas proporciona um reaproveitamento das estruturas em aço e a preservação do meio ambiente. O aço é 100% reciclável e as estruturas podem ser desmontadas e reaproveitadas com menor geração de rejeitos. A estrutura metálica é menos agressiva ao meio ambiente pois além de reduzir o consumo de madeira na obra, diminui a emissão de material particulado e poluição sonora geradas pelas serras e outros equipamentos destinados a trabalhar a madeira (COSIPA, 2004). 5.3 Critérios para a Utilização de uma Estrutura de Aço A estrutura de aço é a alternativa mais econômica quando um ou mais requisitos listados na tabela 5.9 for necessário ser atendidos (SALÉS, 1999).

38 36 Tabela 5.9: Critérios para utilização do aço. Critérios para utilização da estrutura em aço Grandes vãos de pisos Grande altura do edifício Baixo peso próprio, considerando solos de baixa qualidade Quando um sistema complexo de utilidade deve ser instalado em cada andar Grandes esforços nos pilares Flexibilidade no layout interno Sistemas de escritórios panorâmicos Possibilidades de alterar a estrutura Redução nos prazos de construção Montagem, praticamente sob quaisquer condições meteorológicas Tolerâncias restritas nos acabamentos Montagem em áreas restritas com pequena área ou sem área de armazenamento Fonte: SALÉS (1999). 5.4 Critérios de Viabilidade Econômica Para Salés (1999), a medida de economia de uma estrutura de aço é expressa pela quantidade de aço consumido na estrutura em kg/m² de área de piso ou por m³ de volume de construção. Esse peso depende de muitos fatores, como o número de andares, as cargas impostas, os espaçamentos de pilares nas duas direções, o tipo de estrutura de piso, a altura total dos pisos, o método de enrijecimento ou contraventamento da estrutura e a qualidade do aço escolhido. A otimização de custos depende, também, da escolha correta dos elementos de fechamentos (pisos, paredes, coberturas, sistemas de circulação vertical, etc.)

39 37 compatíveis com a estrutura de aço. É, portanto, necessário que esses elementos preencham certas condições (SALÉS,1999): sejam constituídos de unidades com um máximo de pré-fabricação, de modo a acompanhar a velocidade de montagem que é peculiar às estruturas de aço, resultando no encurtamento do prazo global da construção; sejam leves, de modo a minimizar o peso global do edifício; sejam adaptáveis a um layout interno flexível e as modificações de seus componentes; sejam projetados de modo a se adaptar às propriedades e às características específicas da estrutura de aço; sejam condizentes com um sistema econômico de proteção ao fogo. Para Salés (1999), um projeto cuidadoso de todos esses componentes, permite otimizar o custo do edifício como um todo. O sistema estrutural e o layout das instalações são de certa forma interdependentes. Um arranjo amplo e aberto da estrutura de aço, facilita a instalação de utilidades e serviços tanto na vertical quanto na horizontal. 5.5 Projeto da Estrutura Para Bellei (2004), o projeto das estruturas é a escolha dos arranjos e dimensões dos elementos estruturais de forma que as cargas de serviço decorrentes estejam dentro de limites aceitáveis. Segundo Romano (2003), uma vez adotado o sistema estrutural metálico, deverá ser elaborado o projeto estrutural mostrando todas as indicações para locação dos

40 38 insertos, chumbadores e cargas, plantas e elevações, desenhos unifilares com representação esquemática dos perfis componentes e seu posicionamento, detalhes típicos de ligações com indicações dos esforços a serem transmitidos, detalhes típicos de interfaces e interferências com outros componentes de obra, cortes e detalhes executivos dos chumbadores e insertos, lista preliminar de materiais por tipo de material e por conjunto estrutural. O procedimento para projeto completo da estrutura de uma obra em aço, segundo Dias (1998), envolve três atividades distintas, o projeto de engenharia, o projeto de fabricação e o projeto de montagem Projeto de Engenharia No projeto de engenharia de uma estrutura são definidos os carregamentos e a concepção estrutural onde serão discriminados os tipos de perfis a serem utilizados, com os comprimentos correspondentes e as características geométricas das seções transversais, a caracterização teórica dos vínculos, que deverão corresponder à realidade física da estrutura, o cálculo dos esforços atuantes nas seções ou nos pontos mais importantes da estrutura, o dimensionamento, o plano de carga nas fundações, a estimativa aproximada do consumo de aço, etc. Ao final, são elaborados os desenhos de acordo com o nível desejado de projeto, com a representação da definição estrutural, por meio de desenhos unifilares elaborados por escritórios de engenharia especializados em estruturas metálicas (DIAS, 1998). Como exemplo ilustrativo, é apresentado a seguir um desenho de elevação de uma marquise, num projeto de engenharia básico é representado na figura 5.5, consiste

41 39 numa elevação de duas marquises iguais F1 e F2, projetado pela empresa Poliaço, onde são indicadas as chapas trapezoidais de aço galvanizado como cobertura, os rufos e perfis definidos para a construção da estrutura da marquise.

42 40 Figura 5.5: Desenho de elevação da marquise. Fonte: Dias (1998)

43 Projeto de Fabricação No projeto de fabricação é elaborado o detalhamento de todos os elementos componentes da estrutura. As peças são mostradas isoladamente ou em conjunto. Para uma treliça, por exemplo, são indicados os comprimentos das peças, a localização dos furos, os parafusos, as listas de materiais, etc. Toda a representação gráfica normalmente vem acompanhada de medidas não-acumuladas e acumuladas, critério adotado por muitos fabricantes para obter maior precisão de marcação. Por isso, esses desenhos são elaborados sem escala (DIAS, 1998). Na figura 5.6 são apresentados o desenho de elevação com as marcações de furos para parafuso, comprimento das barras, as cantoneiras e materiais para montagem da estrutura e na figura 5.7, a ampliação de um trecho da estrutura da marquise com as indicações dos diâmetros para furação, dimensões das peças e especificações de um projeto de fabricação executado pela empresa Poliaço.

44 42 Figura 5.6: Projeto de execução da marquise. Fonte: Dias (1998)

45 43 Figura 5.7: Detalhe da marquise. Fonte: Dias (1998) Nas fábricas de estruturas, os componentes estruturais são produzidos segundo um processo industrializado, que se caracteriza pela mecanização e racionalização, com conseqüentes ganhos de produtividade, prazos, custos, e menor desperdício de material (DIAS, 1998). A partir dos desenhos detalhados para fabricação, são preparados os traçados das peças, com todas as informações necessárias para a fabricação, tais como: linhas de centro, linhas de furação, posicionamentos das furações, linhas de corte devidamente cotadas, detalhes das chapas de ligação e das demais chaparias envolvidas. Esses detalhes são executados em tamanho real para que na fábrica possam servir de moldes para a fabricação.

46 44 De maneira geral, segundo Dias (1998), as operações típicas no processo de fabricação das estruturas metálicas consiste em: verificar a disponibilidade de estoque, com o abastecimento de matériasprimas e o suprimento às linhas de fábrica tais como: o aço, na forma de chapas, bobinas e perfis, parafusos, porcas, arruelas, eletrodos, arames, etc; preparação das chapas para corte racionalizado, pois as chapas são comercializadas no mercado nas dimensões-padrão de comprimento, largura e espessura pelas usinas siderúrgicas; traçagem sobre a superfície da chapa com riscadores de giz ou de pedra sabão, e marcação dos centros dos furos, mediante puncionamento; usinagem ou preparação das peças é a seção em que são gerados os cortes, recortes, furações, dobramentos, desempenos e ajustes que forem requeridos; pré-montagem ou agrupamento dos componentes de um mesmo subconjunto, dando forma final às peças da estrutura; soldagem, esta etapa envolve um grande contingente de soldadores, pois as operações são quase sempre muito trabalhosas e demoradas; acabamento, correção das peças empenadas, esmerilhamento das bordas; tratamento da superfície e pintura e; expedição para o local onde a estrutura será montada. Essa operação deve ser coordenada com as necessidades da execução da obra, evitando estocagens desnecessárias no canteiro ou a remessa de peças em ordem não adequada à montagem.

47 Projeto de Montagem O projeto de montagem é elaborado pela empresa fabricante e montadora da estrutura segundo Dias (1998). Nesse projeto é apresentado uma representação mais esquemática, sob a forma de diagramas, mostrando o sistema estrutural, a indicação das numerações ou marcas de cada peça, o seu posicionamento e a seqüência de montagem, a metodologia de montagem, etc (Figura 5.8).

48 46 Figura 5.8: Projeto de Montagem, planta da marquise. Fonte: Dias (1998) Geralmente os desenhos de montagem contém marcas de todas as peças a serem montadas, elevações, detalhes, seqüências de montagem, indicações de solda, referências, notas, recomendações especiais sobre os procedimentos de montagem,

49 47 enfim, todas as informações necessárias para que a estrutura seja montada rapidamente e sem erro. Em decorrência destas informações, outras providencias podem ser tomadas, correlacionadas com o acesso externo e interno à obra, implantação do canteiro, estocagem das peças, escolha de equipamentos, execução das bases, locação dos chumbadores, programação de embarques prioritários, etc (SALÉS, 1999). 5.6 Estruturas metálicas e o Meio Ambiente O aço é 100% reciclável, pode ser indefinidamente reciclado em sua totalidade sem perder nenhuma de suas qualidades. Mais da metade do aço produzido na França e na União Européia e 40% da produção mundial de aço é obtida de aço reciclado. Este índice vem aumentando ano após ano, preservando recursos e o meioambiente (LEMOINE, 2002). A vida útil de qualquer edificação não é ilimitada. Feita com uma pá mecânica, uma britadeira ou explosivos, a demolição gera ruídos, poeira, poluição e outros aspectos adversos prejudiciais ao ambiente. Estes problemas são evitados com a utilização de edificações em aço por serem facilmente desmontáveis, de maneira segura e limpa, permitindo despojo seletivo. O baixo peso das estruturas previne a deterioração do solo e quando um prédio é demolido, de acordo com Lemoine (2002), o peso dos materiais a serem removidos é mais baixo e os custos com aterro são reduzidos. As estruturas metálicas podem ser desmontadas e reaproveitadas com menor geração de rejeitos. É menos agressiva ao meio ambiente pois além de reduzir o

50 48 consumo de madeira na obra, diminui a emissão de material particulado e a poluição sonora geradas pelas serras e outros equipamentos destinados a trabalhar a madeira (COSIPA, 2004). Apresenta um balanço ecológico positivo, para Lemoine (2002), a análise do ciclo vital de uma edificação feita em aço comparada à de uma feita em concreto armado revela uma redução de 41% no consumo de água durante a construção. A construção em aço faz cair pela metade o movimento de caminhões na locação e resulta em menos de 57% de detritos inertes. Ao longo da vida útil da edificação, devido a valiosas técnicas de isolamento externo, o aço possibilita economia significativa de energia, facilidade de manutenção e adaptabilidade. Ao final de sua vida útil, é facilmente reciclável. No total, a economia gerada durante a vida útil de uma edificação (i.e. 92% da energia consumida) contribui para um balanço ecológico altamente favorável ao aço.