ESTRUTURAS DE CONCRETO CAPÍTULO 3 Libânio M. Pinheiro, Andreilton P. Santos, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos Março de 2010 AÇOS PARA ARMADURAS 3.1 DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA O aço é uma liga de ferrocarbono com outros elementos adicionais (silício, manganês, fósforo, enxofre etc.), resultante da eliminação total ou parcial de elementos inconvenientes que se fazem presentes no produto obtido na primeira redução do minério de ferro. O teor de carbono nessa liga varia de 0 a 1,7%. Os aços estruturais para construção civil possuem teores de carbono da ordem de 0,18% a 0,25%. Esse material tem grande aplicação na Engenharia graças às seguintes características: ductilidade; incombustibilidade; facilidade de ser trabalhado; resistência a tração, compressão, flexão e torção; resistência a impacto, abrasão e desgaste. Em condições adequadas, apresenta também resistência a variações de temperatura, intempéries e agressões químicas. Como o concreto simples apresenta pequena resistência a tração e é frágil, é altamente conveniente a associação do aço ao concreto, obtendo-se o concreto armado. Esse 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 do concreto à compressão. 3.2 OBTENÇÃO DO PRODUTO SIDERÚRGICO O ponto de partida para obtenção do aço é o minério de ferro. A hematita (Fe 2 O 3 ) é atualmente o minério de ferro de maior emprego na siderurgia, sendo o Brasil um dos grandes produtores mundiais.
Generalizando, pode-se resumir o processo de transformação do minério em aço em quatro grandes estágios: preparação ou tratamento do minério e do carvão; redução do minério de ferro; refino e tratamento mecânico. a) Preparação ou tratamento do minério e do carvão A primeira fase consiste na preparação do mineral extraído da natureza, geralmente feita a céu aberto, visto que a sua ocorrência é em grande quantidade. Nessa fase o material é passado por britadeiras, seguida de classificação pelo tamanho. É lavado com jato de água, para eliminar argila, terra etc. Como o minério deve entrar no alto forno com granulometria padronizada, os pedaços pequenos são submetidos à sintetização ou pelotização, para se aglutinarem em pedaços maiores. O coque é um combustível obtido com o aquecimento do carvão mineral, resultando carbono e cinzas. Atualmente costuma-se misturar, já nesta fase, um fundente (como o calcário), necessário à formação da escória de alto forno, que abaixa o ponto de fusão da mistura, e com isso se obtém maior eficiência das operações de alto forno. b) Redução do minério de ferro A redução tem como objetivo retirar o oxigênio do minério, que assim será reduzido a ferro, e o separa da ganga. Esta é o resultado da combinação de carbono (coque) com o oxigênio do minério. 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. Simultaneamente, a combustão do carvão e o oxigênio do ar fornecem calor para fundir o metal reduzido e a ganga, que se combina ao mesmo tempo com os fundentes, formando a escória que se separa do ferro no estado líquido, em virtude do seu menor peso específico. 3.2
Esse processo se passa no alto forno, com altura de 50 m a 100 m. Um elevador alimenta o forno, pela boca superior, com o minério de ferro, coque e o fundente. Na sua base é injetado ar quente. A temperatura varia de 1000 C no topo a 1500 C na base. Na base do alto forno obtém-se a escória de alto forno e o 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. c) Refino O refino é a transformação do ferro gusa em aço. Essa etapa é processada nas aciarias, com a diminuição de teor de carbono e de outros materiais. A transformação é feita pela introdução controlada de oxigênio. O aço líquido é transferido para a segunda etapa do processo na aciaria, que é o lingoteamento contínuo, em que são produzidos os tarugos, que são barras de aço de seção quadrada e comprimento de acordo com sua finalidade. Nas lingoteiras, inicia-se o processo de solidificação do aço, com a formação de uma fina casca sólida na superfície do material. Após a passagem pela lingoteira, existe a câmara de refrigeração, onde é feita a aspersão de água que se encontra sobre a superfície sólida e ainda rubra do material, auxiliando sua solidificação até o núcleo. d) Tratamento mecânico As próprias leis que regem a solidificação do aço líquido nas lingoteiras impedem a obtenção de um material homogêneo, resultando sempre num material com granulação grosseira, quebradiço e de baixa resistência. Por isso, a etapa final é o tratamento mecânico dos tarugos, que os transformam em produtos com características adequadas à sua utilização. 3.3
3.3 TRATAMENTO MECÂNICO DOS AÇOS Como foi visto, 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 por dois tipos de tratamento: a quente e a frio. a) Tratamento a quente Chama-se tratamento mecânico a quente quando a temperatura de trabalho é maior 720 (zona crítica), em que ocorre a recristalização do aço. Nessa situação o aço é mais mole, sendo mais fácil de trabalhar, pois os grãos deformados recristalizam-se em seguida sob a forma de pequenos grãos. Este tratamento consiste na laminação, no forjamento e na extrusão, realizados em temperaturas acima de 720 C. Nessas temperaturas há uma modificação da estrutura interna do aço, ocorrendo homogeneização e recristalização com a 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. Perde resistência, apenas, com temperaturas acima de 1150 C (Figura 3.1). Estão incluídos neste grupo os aços CA-25 e CA-50. A laminação consiste na passagem do material entre dois rolos que gira com a mesma velocidade periférica em sentidos opostos e estão espaçados de uma distância algo inferior à espessura da peça a laminar. Nessas condições, em função do atrito entre o metal e os rolos, a peça é puxada pelos rolos, tendo sua espessura reduzida, o comprimento alongado e a largura levemente aumentada. O controle do atrito é fundamental, na medida que ele define a maior redução possível, sem forças externas que empurrem a peça. 3.4
O forjamento é o processo de conformação com que se obtém a forma desejada da peça por martelamento ou por aplicação gradativa de pressão. A maioria das operações de forjamento ocorre a quente, embora certos metais possam ser forjados a frio. 800 700 600 Tensão (MPa) 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Deformação ( ) Figura 3.1 Diagrama de aço tratado a quente (Fonte: Toshiaki Takeya). Na Figura 3.1 tem-se: Aço CA 50 e diâmetro de 6,3 mm; Valores nominais: A s = 31,2 mm 2 ; f yk = 500 MPa; f stk = 550 MPa; Valores medidos: A s = 31,2 mm 2 ; f y = 640 MPa; f st = 750 MPa; Ø eq = 6,3 mm. 3.5
Existem duas classes principais de equipamentos de forjamento: os martelos e as prensas. Os martelos provocam deformação do metal por impacto, e as prensas submetem o metal a uma força de compressão a baixa velocidade. O processo de forjamento subdivide-se em duas categorias: o forjamento livre e o forjamento em matriz. No forjamento livre o material é deformado entre ferramentas planas ou de formato simples. O processo de deformação é efetuado por compressão direta e o material escoa no sentido perpendicular à direção de aplicação da força. Esse processo é usado geralmente para grandes peças, ou quando o número a ser produzido é pequeno, não compensando a confecção de matrizes, que são caras. No forjamento em matriz o material é deformado entre duas metades de matriz, que fornecem a forma desejada à peça. O forjamento é possivelmente o processo mais antigo de tratamento mecânico. No processo da extrusão, o tarugo é refundido e forçado a passar, sob pressão, por orifícios com a forma desejada. b) Tratamento a frio ou encruamento Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos por meio de tração, compressão ou torção. 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 tensão-deformação dos aços apresentam patamar de escoamento convencional, a solda torna-se mais difícil e, à temperatura da ordem de 600 C, o encruamento é perdido (Figura 3.2). Neste grupo está incluído o aço CA-60. 3.6
O trefilamento é o mais utilizado processo de tratamento mecânico a frio. Nesse processo o metal é forçado a passar por orifícios de moldagem. É o processo das fieiras de arames e geralmente é realizado a frio. No trefilamento de arames, os fios endurecem rapidamente e têm que ser recozidos a cada passagem. 800 700 600 Tensão (MPa) 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Deformação ( ) Figura 3.2 - Diagrama de aço tratado a frio (Fonte: Toshiaki Takeya). Na Figura 3.2 tem-se: Aço CA 60 e diâmetro de 8 mm; Valores nominais: A s = 50,0 mm 2 ; f yk = 600 MPa; f stk = 630 MPa; E s = 210 GPa; Valores medidos: A s = 49,6 mm 2 ; f y = 750 MPa; f st = 757 MPa; E s = 188 GPa; Ø eq = 7,94 mm. 3.7
A Figura 3.3 ilustra os tipos de tratamento mecânico realizados no aço. Figura 3.3 Tipos de tratamento mecânico no aço. 3.4 BARRAS E FIOS A NBR 7480:2007 Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado fixa as condições exigíveis na encomenda, fabricação e fornecimento de barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado, com ou sem revestimento superficial. Classificam-se como barras os produtos de diâmetro nominal 6,3 mm ou superior, obtidos exclusivamente por laminação a quente, sem processo posterior de deformação mecânica, sendo permitido o endireitamento do material produzido em rolos. O diâmetro nominal de 5 mm foi retirado em relação à versão anterior dessa norma, a NBR 7480:1996. De acordo com o valor característico da resistência de escoamento, as barras de aço são classificadas nas categorias: CA-25 e CA-50. Os fios são aqueles de diâmetro nominal 10 mm ou inferior, obtidos a partir de fio-máquina por trefilação ou laminação a frio. Segundo o valor característico da resistência de escoamento, os fios são classificados na categoria CA-60. Esta classificação pode ser visualizada na Tabela 3.1. 3.8
Tabela 3.1 Diâmetros nominais conforme a NBR 7480 (2007). As barras da categoria CA-50 são obrigatoriamente providas de nervuras transversais oblíquas. Os valores de coeficiente de conformação superficial para cada diâmetro são determinados em ensaios em laboratório e devem atender aos parâmetros mínimos de aderência. Na falta desses ensaios, para barras de diâmetro menor que 10 mm, deve-se adotar o coeficiente de conformação superficial mínimo igual a 1 ( = 1), e para barras com diâmetro maior ou igual a 10 mm, = 1,5. Os fios podem ser lisos, entalhados ou nervurados. Os de diâmetro nominal 10 mm devem ter obrigatoriamente entalhes ou nervuras. O coeficiente de conformação superficial mínimo, quando não for obtido por ensaio, pode ser tomado igual a 1 para diâmetro menor que 10 mm, e 1,5 para diâmetro igual a 10 mm. A categoria CA-25 deve ter superfície obrigatoriamente lisa, desprovida de quaisquer tipos de nervuras ou entalhes. Deve-se adotar como coeficiente de conformação superficial mínimo, para todos os diâmetros, = 1. Não é aconselhável o emprego de diâmetros inferiores a 5 mm em elementos estruturais, pois os inconvenientes de seu manuseio durante a obra, tais como transporte desde a central de armação até sua colocação na fôrma e posterior concretagem, podem comprometer o bom funcionamento da armadura. O comprimento de fornecimento das barras e fios retos deve ser de 12 m e a tolerância de ± 1 %. São fornecidos em peças, feixes, rolos ou conforme acordo entre fornecedor e comprador. 3.9
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 em 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. 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 específico ( ) 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. Adota-se, para aço destinado a armadura passiva (para concreto armado), massa específica de 7850 kg/m 3, coeficiente de dilatação térmica = 10-5 / C, para temperatura entre -20 C e 150 C, e módulo de elasticidade de 210 GPa. 3.10
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 de ligações físico-químicas que se estabelecem na interface dos dois materiais, durante as reações de pega do cimento. O atrito é notado ao se processar o arrancamento da barra de aço do volume 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 e pela retração do concreto. 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 melhor atuação conjunta do aço e do concreto. A influência desse comportamento solidário entre o concreto simples e as barras de aço é medida quantitativamente pelo coeficiente de conformação superficial das barras ( ). A NBR 7480:2007 estabelece os valores mínimos para, apresentados na Tabela 3.2. Tabela 3.2 Valores mínimos de para 10 mm conforme a NBR 7480:2007 3.11
A NBR 6118:2003 Projeto de Estruturas de Concreto estabelece coeficiente de conformação superficial 1 para cálculo, de acordo com o estabelecido na Tabela 3.3. Tabela 3.3 Valores mínimos de 1 conforme a NBR 6118:2003 3.7 DIAGRAMA DE CÁLCULO O diagrama a ser empregado no cálculo, tanto para aço tratado a quente quanto o tratado a frio, é o indicado na Figura 3.4. Nessa figura, tem-se: 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, considera-se f yck = f yk ; f ycd : resistência de cálculo do aço à compressão, igual a f yck /1,15 yd : deformação específica de escoamento (valor de cálculo) O diagrama indicado na Figura 3.4 representa um material elastoplástico perfeito. Os alongamentos ( 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. 3.12
Tensão (MPa) 800 700 600 500 400 300 200 100 0-90 -80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90-200 -300-400 -500-600 -700-800 Deformação ( ) Figura 3.4 - Diagrama tensão-deformação para cálculo 3.13
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto. Rio de Janeiro, 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7480: Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado. Rio de Janeiro, 2007. SUSSEKIND, J. C. Curso de Concreto. v.1. 6.ed. São Paulo: Globo, 1989. PETRUCCI, E. G. R. Materiais de construção civil. 10.ed. São Paulo: Globo, 1995. GÓIS, W.. Seminário apresentado junto à disciplina: Fundamentos do Concreto I. Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2002. 3.14