Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas Ouro Preto - MG Construções Metálicas I AULA 1 - Introdução
Definições e histórico O aço e o ferro fundido são ligas de ferro e carbono, com outros elementos de dois tipos: - Elementos residuais decorrentes do processo de fabricação, como silício, manganês, fósforo e enxofre; - Elementos adicionados com o intuito de melhorar as características físicas e mecânicas do material denominados elementos de liga. O aço é a liga ferro-carbono em que o teor de carbono varia desde 0,008% até 2,11%. O carbono aumenta a resistência do aço, porém o torna mais frágil. Os aços com baixo teor de carbono têm menor resistência à tração, porém são mais dúcteis.
Em função da presença, na composição química, de elementos de liga e do teor de elementos residuais, os aços são classificados em: - aços-carbono, que contêm teores normais de elementos residuais; - aços-liga, que são aços-carbono acrescidos de elementos de liga ou apresentando altos teores de elementos residuais. O primeiro material siderúrgico empregado na construção foi o ferro fundido. Entre 1780 e 1820 construíram-se pontes em arco ou treliçadas, com elementos em ferro fundido trabalhando em compressão. O ferro fundido comercial possui 2% a 4,3% de carbono. Tem boa resistência à compressão (mínimo 500MPa), porém a resistência à tração é apenas cerca de 30% da primeira. A primeira ponte em ferro fundido foi construída em 1779 na Inglaterra sobre o rio Severn. Trata-se de um arco com vão de 30 metros.
Ponte de Coalbrookdale sobre o rio Severn na Inglaterra, 1779 No Brasil, a ponte sobre o rio Paraíba do Sul, foi inaugurada em 1857: - vãos de 30 metros; - arcos atirantados, constituídos de peças de ferro fundido montadas por encaixe e o tirante em ferro forjado.
Ponte sobre o rio Paraíba do Sul, 1857
O aço já era conhecido desde a Antiguidade. O inglês Henry Bessemer inventou em 1856, um forno que permitiu a produção do aço em larga escala a partir das décadas de 1860/1870. 1864: Os irmãos Martin desenvolveram um outro tipo de forno de maior capacidade. Em 1880 foram introduzidos os laminadores para barras. Viaduc de Garabit, Sul da França, com 165m de vão, 1884 Estação Ferroviária Quai d Orsay em Paris, 1900
Recorde mundial com vão livre de 521m. Ponte Firth of Forth na Escócia, 1890
Até meados do século XX, utilizou-se nas construções quase que exclusivamente o aço-carbono com resistência à ruptura de cerca de 370MPa. A partir de 1950 começou-se a utilizar aços com maior resistência. No Brasil, a indústria siderúrgica foi implantada após a Segunda Guerra Mundial com a construção da Usina Presidente Vargas da CSN Companhia Siderúrgica Nacional, em Volta Redonda, no Estado do Rio de Janeiro. Edifício Avenida Central, 1961. Ponte Rio Niterói: vãos laterais de 200 m e vão central de 300 m.
Edifício Avenida Central
Ponte Rio Niterói, Rio de Janeiro
O Ferro e o Aço na Construção Ferrovias: pontes e estações ferroviárias Obras notáveis: estruturas ainda em uso atualmente Utilização atual: pontes ferroviárias e rodoviárias; edifícios industriais, comerciais e residenciais; galpões, hangares, garagens e estações; coberturas de grandes vãos; torres de transmissão e subestações; plataformas off-shore; construção naval; guindastes e pontes rolantes; instalações para exploração e tratamento de minério; etc.
Brooklyn Bridge, 486 m de vão livre, 1883 Britannia Bridge, 1850 Torre Eiffel, 312 m de altura, 1889 Empire State Building, 380 m de altura, 1933
O Ferro e o Aço no Brasil 1554: comunicação de existência de depósitos de minério de ferro 1556: instalação de forja em São Paulo 1587: início da siderurgia brasileira (Santo Amaro / SP) Final do séc. XVIII: produção nacional insuficiente 1792: autorização para a instalação de indústria de ferro primário 1808: Corte Portuguesa no Brasil - impulso à siderurgia brasileira 1825: instalação de fábrica no Arraial de São Miguel (João Monlevade) 1876: criação da Escola de Minas de Ouro Preto 1911: instalação de usina integradora de aço (150000t) 1917: 1ª corrida de aço na Companhia Ferrum (RJ) 1918: 1ª corrida de aço na Usina de São Caetano do Sul (SP) 1919: fundação da Fábrica de Aço Paulista (fornos elétricos)
O Ferro e o Aço no Brasil 1920: criado na Europa, pela ARBED, o Sindicato do Brasil 1921: criação da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira (CSBM) Anos 30: - 2ª Usina integrada da CSBM (João Monlevade) - Companhia Ferro Brasileiro (Caeté) - Eletro Aço Altona (Blumenau) - Siderúrgica Barra Mansa (RJ) - Metalúrgica Barbará (Barra Mansa / RJ) - Siderúrgica Riograndense (Porto Alegre / RS) Período pós-guerra: - expansão das usinas existentes - novas usinas: Mannesmann, COSIPA, USIMINAS e COFAVI
1960/1970: - aceleração de projetos de desenvolvimento de usinas em operação - novas usinas: USIBA, Piratini, CST, Mendes Jr. e AÇOMINAS Outros fatos marcantes: - 1988/1989: privatização de pequenas/médias siderúrgicas - 1990: extinção da SIDERBRÁS - Anos 90: privatização das grandes siderúrgicas (COSIPA, USIMINAS, CSN, CST e AÇOMINAS)
Considerações sobre o Projeto de Edificações Estruturadas em Aço Vantagens: - fabricação com precisão milimétrica; - garantia de dimensões e propriedades dos materiais; - resistência a vibração e choques; - execução rápida e limpa; - possibilidade de desmontagem e nova montagem; - estruturas mais leves e com maiores vãos. Desvantagens: - limitação de execução em fábrica; - transporte até o local da obra; - necessidade de tratamento superficial; - necessidade de mão-de-obra especializada; - necessidade de equipamentos especiais; - limitações de oferecimento de perfis.
Processo de fabricação O principal processo de fabricação do aço consiste na produção de ferro fundido no alto forno e o posterior refinamento em aço no conversor de oxigênio. Outro processo utilizado consiste em fundir sucata de ferro em forno elétrico. Alto-forno Os metais ferrosos são obtidos por redução dos minérios de ferro no alto-forno. Carrega-se o alto-forno pela sua parte superior com minério, calcário e coque. Pela parte inferior do forno insufla-se ar quente. Queima do coque produzindo calor e monóxido de carbono, que reduzem o óxido de ferro a ferro liquefeito, com excesso de carbono. O calcário converte o pó de coque e a ganga em escória fundida. Pela parte inferior do forno são drenadas a liga de ferro-carbono e a escória.
O produto do alto-forno chamase ferro fundido ou gusa. É uma liga de ferro com alto teor de carbono e diversas impurezas. O refinamento do ferro fundido em aço é feito no conversor de oxigênio. Esquema de funcionamento do alto-forno
O refinamento consiste em remover o excesso de carbono e reduzir a quantidade de impurezas a limites prefixados. Elementos como manganês, silício e fósforo são oxidados e combinados com cal e óxido de ferro, formando a escória que sobrenada o aço liquefeito. O conversor de oxigênio baseia-se na injeção de oxigênio dentro da massa líquida de ferro fundido. Esquema do conversor de oxigênio O ar queima o carbono na forma de monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO 2 ).
Tratamento do aço na panela Para evitar a formação de grandes vazios no aço durante o processo de resfriamento elementos como alumínio e silício são adicionados na panela, em um processo conhecido por desgaseificação. Lingoteamento Da panela o aço fundido é descarregado nas lingoteiras, que são fôrmas metálicas especiais permitindo a confecção de blocos denominados lingotes. Laminação Processo pelo qual o aço é transformado nos principais produtos siderúrgicos utilizados pela indústria de construção, a saber, chapas e perfis laminados.
Tipos de aços estruturais Aços-carbono São os mais usados e o aumento da resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono e em menor escala pelo manganês. Os principais tipos de aço-carbono usados em estruturas, segundo os padrões da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), da ASTM (American Society for Testing and Materials) e das normas europeias EM são:
Tipos de aços estruturais Aços de Baixa Liga São aços-carbono acrescidos de elementos de liga (cromo, cobre, manganês, níquel, fósforo), os quais melhoram algumas propriedades mecânicas.
Padronização ABNT Segundo a especificação da NBR7007 Aços para Perfis Laminados para o Uso Estrutural, da ABNT, os aços podem ser enquadrados nas seguintes categorias, designadas a partir do limite de escoamento: MR250, aço de média resistência (f y = 250 MPa ; f u = 400 MPa) (corresponde ao aço ASTM36) AR350, aço de alta resistência (f y = 350 MPa ; f u = 450 MPa) AR-COR415, aço de alta resistência (f y = 415 MPa ; f u = 520 MPa), resistente à corrosão
Ensaios de Tração e Cisalhamento Simples Ensaio de tração simples
Ensaios de Tração e Cisalhamento Simples Ensaio de cisalhamento simples G E 2 1 0,3 G 77GPa
Propriedades dos Aços Propriedades físicas Módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade: E 200GPa Coeficiente de Poisson : 0,3 Coeficiente de dilatação térmica: 6 12 10 /º C Massa específica: 7850kg m a 3 Ductilidade A capacidade de o material se deformar sob ação das cargas. Os aços dúcteis, quando sujeitos a tensões locais elevadas, sofrem deformações plásticas capazes de redistribuir as tensões.
Propriedades dos Aços Fragilidade É o oposto da ductilidade. Os aços podem se tornar frágeis pela ação de diversos agentes: baixas temperaturas ambientes, efeitos térmicos locais causados, por exemplo, por solda elétrica. Resiliência e tenacidade Estas propriedades se relacionam com a capacidade do metal de absorver energia mecânica. Resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico, ou a capacidade de restituir energia mecânica absorvida. Tenacidade é a energia total, elástica e plástica que o material pode absorver por unidade de volume até a sua ruptura.
Propriedades dos Aços Dureza Resistência ao risco ou abrasão. Efeito de temperatura elevada As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos aços. Reduzem as resistências ao escoamento e ruptura, bem como o módulo de elasticidade. Fadiga A resistência à ruptura dos materiais é, em geral, medida em ensaios estáticos. Quando as peças metálicas trabalham sob efeito de esforços repetidos em grande número, pode haver ruptura em tensões inferiores às obtidas em ensaios estáticos. Esse efeito denomina-se fadiga do material.
Propriedades dos Aços Corrosão Processo de reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente em que se encontra exposto, sendo o produto muito similar ao minério de ferro. Corrosão é o processo de oxidação do aço, resultante de reações químicas quando submetido a ação climática. O resultado observado é a geração de produtos de corrosão, conhecidos como ferrugem. A corrosão promove a perda de seção das peças de aço -> colapso Principais tipos de proteção: pintura ou galvanização. Pintura: A vida útil da estrutura de aço protegida por pintura depende dos procedimentos adotados para sua execução: - limpeza das superfícies; - especificação da tinta e sua aplicação.
Propriedades dos Aços Em geral as peças recebem uma ou duas demãos de tinta de fundo após a limpeza e antes de se iniciar a fabricação em oficina, e posteriormente, são aplicadas uma ou duas demãos de tinta de acabamento. A tinta cria uma barreira impermeável protetora na superfície exposta do aço. A Limpeza da superfície pode ser feita por escovamento, aplicação de solventes ou jateamento; Aplicação de primer: confere grande aderência à camada subsequente; Camada intermediária: fornece espessura ao sistema de proteção; Camada final: atua como barreira protetora, além da finalidade estética.
Propriedades dos Aços Galvanização: consiste na adição, por imersão, de uma camada de zinco às superfícies de aço após a adequada limpeza das mesmas. A proteção do aço pelo revestimento de zinco se desenvolve segundo dois mecanismos: - Proteção por meio de barreira mecânica exercida pela camada de revestimento: O zinco cobre a superfície do aço através da formação de uma camada de liga Fe- Zn, sobre a qual se deposita uma camada de zinco pura. - Proteção pelo efeito sacrificial do zinco: perda de massa de zinco em relação ao aço base. Portanto, na galvanização, além do zinco atuar como uma barreira protetora evitando o contato do aço com a água e o ar atmosférico, ele sofrerá corrosão antes do aço. Este processo garante ao aço uma grande durabilidade contra corrosão, mesmo nas condições mais severas (atmosfera marinha) permitindo-se que se trabalhe com espessuras de chapas bem finas (0,3 a 2,70mm).