Aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro e de pequenas quantidades de carbono (em torno de 0,002% até 2%).

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1 ESTRUTURAS DE CONCRETO CAPÍTULO 3 Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos. 31 de março, AÇOS PARA ARMADURAS 3.1 DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA Aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro e de pequenas quantidades de carbono (em torno de 0,002% até 2%). Os aços estruturais para construção civil possuem teores de carbono da ordem de 0,18% a 0,25%. Entre outras propriedades, o aço apresenta resistência e ductilidade, muito importantes para a Engenharia Civil. Como o concreto simples apresenta pequena resistência à tração e é frágil, é altamente conveniente a associação do aço ao concreto, obtendo-se o concreto armado. Este material, adequadamente dimensionado e detalhado, resiste muito bem à maioria dos tipos de solicitação. Mesmo em peças comprimidas, além de fornecer ductilidade, o aço aumenta a resistência à compressão. 3.2 OBTENÇÃO DO PRODUTO SIDERÚRGICO Para a obtenção do aço são necessárias basicamente duas matérias-primas: minério de ferro e coque. O processo de obtenção denomina-se siderurgia, que começa com a chegada do minério de ferro e vai até o produto final a ser utilizado no mercado. O minério de ferro de maior emprego na siderurgia é a hematita (Fe 2 O 3 ), sendo o Brasil um dos grandes produtores mundiais.

2 Coque é o resíduo sólido da destilação do carvão mineral. É combustível e possui carbono. Em temperaturas elevadas, as reações químicas que ocorrem entre o coque e o minério de ferro, separam o ferro do oxigênio. Este reage com o carbono do coque, formando dióxido de carbono (CO 2 ), principalmente. Também é utilizado um fundente, como o calcário, que abaixa o ponto de fusão da mistura. Minério de ferro, coque e fundente são colocados pelo topo dos altos-fornos, e na base é injetado ar quente. Um alto forno chega a ter altura de 50m a 100m. A temperatura varia de 1000 C no topo a 1500 C na base. A combinação do carbono do coque com o oxigênio do minério libera calor. Simultaneamente, a combustão do carvão com o oxigênio do ar fornece calor para fundir o metal. O ponto de fusão é diminuído pelo fundente. Na base do alto forno obtém-se ferro gusa, que é quebradiço e tem baixa resistência, por apresentar altos teores de carbono e de outros materiais, entre os quais silício, manganês, fósforo e enxofre. A transformação de gusa em aço ocorre nas aciarias, com a diminuição do teor de carbono. São introduzidas quantidades controladas de oxigênio, que reagem com o carbono formando CO TRATAMENTO MECÂNICO DOS AÇOS O aço obtido nas aciarias apresenta granulação grosseira, é quebradiço e de baixa resistência. Para aplicações estruturais, ele precisa sofrer modificações, o que é feito basicamente por dois tipos de tratamento: a quente e a frio. a) Tratamento a quente Este tratamento consiste na laminação, forjamento ou estiramento do aço, realizado em temperaturas acima de 720 C (zona crítica). 3.2

3 Nessas temperaturas há uma modificação da estrutura interna do aço, ocorrendo homogeneização e recristalização com redução do tamanho dos grãos, melhorando as características mecânicas do material. O aço obtido nessa situação apresenta melhor trabalhabilidade, aceita solda comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento, e resiste a incêndios moderados, perdendo resistência, apenas, com temperaturas acima de 1150 C (Figura 3.1). Estão incluídos neste grupo os aços CA-25 e CA-50. Figura Diagrama tensão-deformação de aços tratados a quente Na Figura 3.1 tem-se: P: força aplicada; A: área da seção em cada instante; A 0 : área inicial da seção; a: ponto da curva correspondente à resistência convencional; b: ponto da curva correspondente à resistência aparente; c: ponto da curva correspondente à resistência real. 3.3

4 b) Tratamento a frio ou encruamento Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos por meio de tração, compressão ou torção, e resulta no aumento da resistência mecânica e da dureza, e diminuição da resistência à corrosão e da ductilidade, ou seja, decréscimo do alongamento e da estricção. O processo é realizado abaixo da zona de temperatura crítica (720 C). Os grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado. Nesta situação, os diagramas de tensão-deformação dos aços apresentam patamar de escoamento convencional, torna-se mais difícil a solda e, à temperatura da ordem de 600 C, o encruamento é perdido (Figura 3.2). Está incluído neste grupo o aço CA-60. Figura Diagrama tensão-deformação de aços tratados a frio Na Figura 3.2, tem-se: P: força aplicada; A: área da seção em cada instante; A 0 : área inicial da seção; a: ponto da curva correspondente à resistência convencional; b: ponto da curva correspondente à resistência aparente; c: ponto da curva correspondente à resistência real. 3.4

5 3.4 BARRAS E FIOS A NBR 7480 (1996) fixa as condições exigíveis na encomenda, fabricação e fornecimento de barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado. Essa Norma classifica barras os produtos de diâmetro nominal 5 ou superior, obtidos exclusivamente por laminação a quente, e como fios aqueles de diâmetro nominal 10 ou inferior, obtidos por trefilação ou processo equivalente, como por exemplo estiramento. Esta classificação pode ser visualizada na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Diâmetros nominais conforme a NBR 7480 (1996) BARRAS Ø >= 5 Laminação a Quente CA - 25 CA , , FIOS Ø <= 10 Laminação a Frio CA ,4 3,4 3,8 4,2 4,6 5,0 5,5 6,0 6,4 7,0 8,0 9,5 10 O comprimento normal de fabricação de barras e fios é de 11m, com tolerância de 9%, mas nunca inferior a 6m. Porém, comercialmente são encontradas barras de 12m, levando-se em consideração possíveis perdas que ocorrem no processo de corte. 3.5 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS As características mecânicas mais importantes para a definição de um aço são o limite elástico, a resistência e o alongamento na ruptura. Essas características são determinadas através de ensaios de tração. O limite elástico é a máxima tensão que o material pode suportar sem que se produzam deformações plásticas ou remanescentes, além de certos limites. 3.5

6 Resistência é a máxima força de tração que a barra suporta, dividida pela área de seção transversal inicial do corpo-de-prova. Alongamento na ruptura é o aumento do comprimento do corpo-de-prova correspondente à ruptura, expresso em porcentagem. Os aços para concreto armado devem obedecer aos requisitos: Ductilidade e homogeneidade; Valor elevado da relação entre limite de resistência e limite de escoamento; Soldabilidade; Resistência razoável a corrosão. A ductilidade é a capacidade do material de se deformar plasticamente sem romper. Pode ser medida por meio do alongamento (ε) ou da estricção. Quanto mais dúctil o aço, maior é a redução de área ou o alongamento antes da ruptura. Um material não dúctil, como por exemplo o ferro fundido, não se deforma plasticamente antes da ruptura. Diz-se, então, que o material possui comportamento frágil. O aço para armadura passiva tem massa específica de 7850 kg/m 3, coeficiente de dilatação térmica α = 10-5 / C para -20 C < T < 150 C e módulo de elasticidade de 210 GPa. 3.6 ADERÊNCIA A própria existência do material concreto armado decorre da solidariedade existente entre o concreto simples e as barras de aço. Qualitativamente, a aderência pode ser dividida em: aderência por adesão, aderência por atrito e aderência mecânica. A adesão resulta das ligações físico-químicas que se estabelecem na interface dos dois materiais, durante as reações de pega do cimento. 3.6

7 O atrito é notado ao se processar o arrancamento da barra de aço do bloco de concreto que a envolve. As forças de atrito dependem do coeficiente de atrito entre aço e o concreto, o qual é função da rugosidade superficial da barra, e decorrem da existência de uma pressão transversal, exercida pelo concreto sobre a barra. A aderência mecânica é decorrente da existência de nervuras ou entalhes na superfície da barra. Este efeito também é encontrado nas barras lisas, em razão da existência de irregularidades próprias originadas no processo de laminação das barras. As nervuras e os entalhes têm como função aumentar a aderência da barra ao concreto, proporcionando a atuação conjunta do aço e do concreto. A influência desse comportamento solidário entre o concreto simples e as barras de aço é medida quantitativamente através do coeficiente de conformação superficial das barras (η). A NBR 7480 (1996) estabelece os valores mínimos para η 1, apresentados na Tabela 3.2. Tabela 3.2 Valores mínimos de η para φ 10mm Categoria Coeficiente de conformação superficial mínimo para Ø >= 10mm CA-25 CA-50 CA-60 1,0 1,5 1,5 As barras da categoria CA 50 são obrigatoriamente providas de nervuras transversais ou oblíquas. Os fios de diâmetro nominal inferior a 10mm (CA 60) podem ser lisos (η = 1,0), mas os fios de diâmetro nominal igual a 10mm ou superior devem ter obrigatoriamente entalhes ou nervuras, de forma a atender o coeficiente de conformação superficial η. 3.7

8 3.7 DIAGRAMA DE CÁLCULO O diagrama de cálculo, tanto para aço tratado a quente quanto tratado a frio, é o indicado na Figura 3.3. Figura Diagrama tensão-deformação para cálculo f yk : resistência característica do aço à tração f yd : resistência de cálculo do aço à tração, igual a f yk / 1,15 f yck : resistência característica do aço à compressão; se não houver determinação experimental: f yck = f yk f ycd : resistência de cálculo do aço à compressão, igual a f yck /1,15 ε yd : deformação específica de escoamento (valor de cálculo) O diagrama indicado na Figura 3.3 representa um material elastoplástico perfeito. Os alongamentos (ε s ) são limitados a 10%o e os encurtamentos a 3,5%o, no caso de flexão simples ou composta, e a 2%o, no caso de compressão simples. Esses encurtamentos são fixados em função dos valores máximos adotados para o material concreto. 3.8