O USO DE ESTRUTURAS METÁLICAS NA CONSTRUÇÃO CIVIL

Para tanto, realizou-se uma pesquisa documental, teórica, de revisão de literatura, utilizando artigos científicos, estudos e documentos diversos obtidos principalmente através da internet. Após o levantamento dos dados foi possível evidenciar que o aparecimento do aço contribuiu significativamente para o desenvolvimento da história da humanidade. Sobre os aspectos do aço foi possível verificar que características como a elasticidade, a plasticidade, a ductilidade e a tenacidade são de extrema importância na escolha das ligas que irão compor as estruturas metálicas. Verificou-se também que existem inúmeros métodos de união entre metais, sendo que o mais utilizado é a soldagem. Em relação aos perfis metálicos, constatou-se que perfis soldados apesar de menos resistentes, são os mais utilizados principalmente pelos tamanhos variados e desenhos que permitem.

On the aspects of steel it was possible to verify that characteristics such as elasticity, plasticity, ductility and toughness are of extreme importance in the choice of alloys that will make up the metallic structures. It was also verified that there are numerous methods of union between metals, being the most used is the welding. In relation to the metallic profiles, it was found that welded profiles, although less resistant, are the most used mainly for the varied sizes and designs that allow. Finally, through this study, it was verified that the use of metallic structures is very important for the development of innovative architectural projects, however, it is necessary a lot of criteria and knowledge to elaborate the structural projects. Keywords: Steel. Figura 7: Esquema exibindo as soldas de penetração total e parcial.

Figura 8: Exemplos de solda em filete. Em vermelho a face de fusão que representa a região da superfície original do metal base onde ocorreu a fusão do metal base e do metal da solda; Em azul a raiz da solda que é uma linha comum às duas faces de fusão; Em verde a perna da solda que é o menor dos lados medidos na face de fusão. Figura 9: Exemplos de solda em entalhe, com seus respectivos chanfros. Figura 10: Tipos de chanfro para posterior aplicação das soldas de entalhe. Objetivos 11 1. Metodologia 12 2. AÇO: UMA BREVE HISTÓRIA 13 2. O aço no Brasil 16 3. ASPECTOS DO AÇO UTILIZADO NA CONSTRUÇÃO CIVIL 22 4. Mais especificamente esse trabalho propõe: • Fazer um breve histórico sobre o uso do aço; • Comentar sobre os aspectos do aço utilizado na construção civil; • Esclarecer sobre os processos de união entre os metais, enfatizando os processos de soldagem e parafusagem; • Fazer uma abordagem sobre os perfis metálicos.

Metodologia Para desenvolvimento deste trabalho, com o intuito de atingir os objetivos propostos, realizou-se uma pesquisa documental, teórica, de revisão de literatura, utilizando artigos científicos, estudos e documentos diversos obtidos principalmente através da internet. Para busca destes documentos forma utilizadas palavras-chaves como estruturas metálicas, aço, perfil metálico e perfis laminados. Optou-se por se descartar conteúdos que não possuíam fontes devidamente identificadas. Após o levantamento, os dados foram divididos em capítulos, afim de facilitar a organização do trabalho e melhorar a compreensão do texto, procurando responder aos objetivos propostos. O responsável por essa descoberta foi o inglês Henry Bessemer, em 1856, que ao injetar ar sob pressão no ferro em fusão verificou que praticamente todo carbono do banho era eliminado, convertendo o ferro-gusa em aço.

Tal processo permitiu a produção do aço em escala realmente industrial, baixando seu preço a um sétimo do valor que vigorava antes da introdução do novo processo (DIAS, 2001). Figura 1:Ponto sobre o rio Severn, também chamada de “Ironbridge”. Possui de 30 metros de vão e um peso total de 378 toneladas, é composta por cinco nervuras paralelas, arco de um círculo feito por montagem em obra. Fonte: http://www. Exatamente em 1830, entra em operação a ferrovia Liverpool- Manchester. O auge da atividade de construção ferroviária se deu em 1847, quando a construção de 10. km de ferrovias estava em andamento. Após a consolidação d malha ferroviária britânica, a siderurgia foi ampliada, conseguindo fornecer matéria-prima para construção de ferrovias em outros países.

Assim, de acordo com Silva (1986) em 1850 as exportações ultrapassaram a média de 25% atingindo o auge de 39% do produto industrial inglês, aquecendo o mercado e aumentado os investimentos britânicos em ferrovias fora da Inglaterra. Além da baixa qualidade, o custo do ferro era muito elevado devido à logística. Dessa maneira, o ferro nacional não conseguiu competir com o material importado da Inglaterra. A transferência da corte portuguesa para o Brasil intensificou o comércio com os ingleses, através de diversos tratados assinados por Portugal, o que contribuiu para que a concorrência com os produtos ingleses impedisse o desenvolvimento da metalurgia no país. Assim, o Brasil passou, então, a receber objetos “modernos”, fruto de uma tecnologia de ponta para a época, sem passar por um processo de industrialização, o que gerou ao longo da história do país uma série de problemas (TEOBALDO, 2004).

O ferro importado pelo país vinha em forma de produtos acabados, como grades, guarda-corpos, máquinas industriais e agrícolas. Em 1922 a empresa se transformou na Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, e em 1937, inaugurou uma fabrica em João Monlevade/MG, que passa a produzir pequenos perfilados e arames (DIAS, 2001; FERREIRA, 1998; TEOBALDO 2004). Figura 4: Vista da Fachada do Palácio de Cristal. Na década de 1930, o governo de Getúlio Vargas investiu na industrialização do país, e o setor siderúrgico desenvolveu-se para sustentar a construção de novas fábricas. Nesse período, a indústria pesada acabou gerando altos lucros para as usinas siderúrgicas, que cresceram voltadas para atender setores industriais como o automobilístico, deixando de fora a construção civil (BANDEIRA, 2008). Em 1942, é criada a Usina da CSN (Companhia Siderúrgica Nacional), em Volta Redonda, no Estado do Rio de Janeiro, e a Companhia Vale do Rio Doce, para exploração do minério de ferro, possibilitando a existência de matéria-prima para a construção do primeiro edifício de múltiplos pavimentos de estrutura em aço, construído no país com tecnologia nacional, que foi o Edifício Garagem América, em 1957 (Figura 5).

A consolidação do setor também passa o país de importador para exportador de produtos siderúrgicos. No entanto, as maiores usinas siderúrgicas criadas, até então, eram empresas estatais, cujas mudanças e necessidades de expansão são percebidas, mas sua atuação no mercado acontece de forma mais lenta, devido à grande burocracia do governo. Sendo assim, a construção civil deixou de ser, por muito tempo, um cliente para o seto r (BANDEIRA, 2008). Por fim, na década de 1990, inicia-se a privatização das empresas, que passam a possuir uma filosofia de atuação diferente da anterior, com a necessidade de expansão do seu mercado. Neste momento, a construção civil passa a ser um grande consumidor em potencial. ASPECTOS DO AÇO UTILIZADO NA CONSTRUÇÃO CIVIL Como qualquer outro material, a característica dos aços utilizados na construção civil depende de sua composição química.

Assim, modificando os elementos que compõem esse material, mesmo de maneira pequena acabam modificando as propriedades do aço (ANDRADE, 1994). O aço é uma liga metálica na qual existe a união dos elementos ferro e carbono. Apesar dessa junção, o teor de carbono não poderá ser superior a 2%, afim de não elevar muito a dureza do material, dificultando sua aplicação. Além desses elementos, outros constituintes do aço são o manganês (Mn), o silício (Si), o fósforo (P) e o enxofre (S), que são residuais do processo de fabricação (DIAS, 2001). O níquel aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e a resistência à corrosão, além dos limites de escoamento e resistência, porém reduz a soldabilidade e a ductilidade.

O cromo reduz a soldabilidade e a ductilidade, mas aumenta a resistência à corrosão atmosférica e mecânica à abrasão, melhorando o desempenho do material a temperaturas elevadas, além de aumentar os limites de escoamento e resistência. O nióbio permite elevada resistência mecânica e boa soldabilidade, aumentando o limite de resistência e de escoamento, melhorando a soldabilidade e a tenacidade através da redução dos teores de carbono e manganês, sendo, porém, desfavorável para a ductilidade. O titânio aumenta o limite de resistência, a resistência à abrasão, melhora o desempenho do aço a elevadas temperaturas e evita o envelhecimento precoce”. Os aços comuns, principalmente aqueles utilizados nas armaduras de concreto armado, se diferem dos especiais pela proporção de seus elementos e adição de novos elementos de acordo com sua finalidade de uso.

O procedimento experimental consiste na deformação de uma amostra de determinado material até a sua fratura (TEOBALDO, 2014). Esses ensaios são ferramentas fundamentais para avaliação do aço com qual se deseja trabalhar e avaliar suas características de resistência a forças que são aplicadas nesses materiais. Nesse contexto, podem ser definidas algumas características do material como é o caso da elasticidade, da plasticidade, da tenacidade e da ductilidade (MODENESI, MARQUES, BRACARENSE, 2012). A elasticidade, é a capacidade do aço de voltar à forma original após sucessivos ciclos de tração ou compressão. Assim, as deformidades sofridas pelo material podem ser elásticas, quando o material volta a seu estado inicial quando a força aplicada desaparece (DIAS, 2001; ANDRADE, 1994; MODENESI, 2008). A soldabilidade permite que peças de aço sejam ampliadas ou modificadas, transformando ou moldando elementos estruturais.

Para tanto, o conhecimento sobre as ligações entre os metais é de extrema importância e será discutido no próximo capítulo (DIAS, 2000). UNIÃO ENTRE METAIS Os métodos de união dos metais podem ser divididos em duas categorias, sendo uma baseada na ação de forças macroscópicas e outra na ação de forças microscópicas. MARQUES, MODENESI, BRACASENSE, 2011) No caso da união por forças macroscópicas utiliza-se a aplicação de parafusos ou rebites, assim a resistência da junta é dada pela resistência ao cisalhamento destas estruturas mais as forças de atrito entre o contato das superfícies unidas. MARQUES, MODENESI, BRACASENSE, 2011) Na união microscópica, realiza-se a aproximação de átomos ou moléculas das peças a serem unidas ou a aproximação das peças e de um metal intermediário de ligação inserido na junta, até distâncias suficientemente pequenas para a formação de ligações químicas, como as metálicas e as de Van der Waals.

As soldas de penetração total possuem maior complexidade de execução, quando comparadas às de de penetração parcial e por esse motivo acabam sendo menos utilizadas, embora apresentem um melhor comportamento mecânico. MONDENESI, 2008). Além dos tipos de juntas e do grau de penetração das soldas, um outro fator importante no processo de soldagem são os tipos de solda, que podem ser em filete, em entalhe ou em tampão, sendo que a diferença entre elas está no posicionamento do metal de solda (MACHADO, 2011). Na solda em filete, o metal de solda é colocado externamente aos elementos a serem conectados e segundo Machado (2011, p. “Juntas soldadas de filete são largamente utilizadas para transmitir cargas entre seus membros e podem ser dos tipos sobreposta, cruciforme, ou em “T” — esta última geralmente circunscrita para faces de fusão formando ângulo entre 60 e 120°.

Devido ao fato de na solda em entalhe o metal de solda ser aplicado entre os elementos, os efeitos de esforços e fadiga do material diminuem, o que a torna mais eficiente que as soldas em filete (MODENESI, 2008; MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2011). Figura 9: Exemplos de solda em entalhe, com seus respectivos chanfros. Fonte: https://ecivilufes. files. wordpress. Fonte: Modenesi (2008) Além dos processos de união entre metais por soldagem, as ligações parafusadas apresentam grande importância, uma vez que são mais utilizadas como meio de ligação nas uniões utilizadas a campo. Para tanto, esse tipo de ligação deve resistir às forças de tração e cisalhamento (MODENESI, 2008; TEOBALDO, 2004). Para realizar tal união são utilizados parafusos sendo denominados comuns aqueles parafusos que possuem baixa resistência (415 MPa) à ruptura por tração, cuja instalação pode ser realizada com uso de chave comum, sem especificação de torque de montagem, e os parafusos de alta resistência (725 MPa e 825 MPa), que são instalados com torque específico de montagem, além de requererem cuidados especiais com relação às arruelas e ao acabamento das superfícies.

As ligações parafusadas podem ser classificadas de acordo com o tipo de transmissão de esforços. Na ligação parafusada por cisalhamento e contato, a força é transferida através do cisalhamento do corpo do parafuso de uma chapa para a outra, ocasionando solicitação de corte no mesmo, devendo haver em ambas chapas pressão de contato entre a superfície lateral do parafuso e a parede do furo para que o cisalhamento ocorra. Assim, considera-se que que o processo ou técnica utilizado é essencial para o bom funcionamento da estrutura como um todo (ALMEIDA, 2009). Nesse contexto, é importante frisar que o conhecimento sobre o processo de união entre os metais estruturais é fundamental, pois soldagem ou parafusamento utilizados sem critério podem colocar em risco o projeto arquitetônico e as pessoas que utilizarão o espaço, seja no momento da construção, seja no momento de habitação/ visitação (ALMEIDA, 2009; BANDEIRA, 2008; MODENESI, 2008).

Na ligação por parafusos, por exemplo, se os furos das peças forem comprimidos de forma irregular pode ocorrer o rasgamento da chapa, uma vez que nessa condição ocorre concentração de tensão em alguns pontos e uma redução na área da seção transversal da peça. Por sua vez, se a ligação for realizada entre todos os elementos do perfil de forma adequada, não ocorrerá alterações no fluxo de tensão do perfil metálico, mantendo sua resistência (ALMEIDA, 2009; TEOBALDO, 2004). Outro fator a ser considerado nos processos de parafusagem é o posicionamento correto dos parafusos afim de anular os esforços. Em relação ao processo siderúrgico podem ser apresentados na forma de chapas, barras e perfis laminados a quente enquanto que em relação aos processos metalúrgicos são aqueles obtidos pela dobra de tiras de aço ou ainda por composição de chapas dobradas (MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2011).

Segundo os perfis estruturais se diferenciam pelo tipo de fabricação, sendo eles os perfis laminados, os perfis soldados, os perfis estruturais formados a frio e os perfis tubulares (TEOBALDO, 2004; BORGES, 2015). Os perfis laminados a quente são produzidos através da laminação de blocos de aço, em sistema de laminação contínua. Podem ser aplicados nos mais diversos segmentos da construção civil, indústria, construção naval e fundações, sendo produzidos em diversos formatos. No Brasil, são produzidos segundo o padrão americano, nas seguintes formas: H, I, U e L (BORGES, 2015). gerdau. com/br/pt/produtos/perfil-u-gerdau#ad-image-0 Além dos perfis laminados nacionais, alguns perfis laminados importados entram no país por intermédio de distribuidoras de aço. Os perfis de padrão europeu possuem melhores propriedades estruturais – se comparado com um perfil padrão americano de peso aproximado – devido à melhor distribuição de material na seção transversal.

Há também simplificação de ligações feitas nos perfis I e H, já que as faces internas de suas abas são paralelas às externas (BORGES, 2015; TEOBALDO, 2004). Os perfis soldados são obtidos pelo corte, composição e soldagem de chapas planas de aço, permitindo grande variedade de formas e dimensões de seções, sempre padronizados visando a redução de custos.   A vantagem desse tipo de perfil é a maior flexibilidade de especificações, pois alturas dos perfis podem ser as mais variadas, fator que influencia no projeto arquitetônico. Frequentemente estes perfis são utilizados em pilares, tesouras ou pórticos de seção variável (Figura 15) (TEOBALDO, 2014).   Figura 15: Pórtico de seção variável, exibindo utilização de perfis soldados. Fonte: http://felipeschmitzhaus. blogspot. Fonte: RODRIGUES, 2000.

Figura 17: Perfis estruturais formados a frio quando fletidos. Fonte: RODRIGUES, 2000. Os perfis tubulares podem ser obtidos por processo de extrusão, chamados perfis tubulares sem costura; e por calandragem ou prensagem das chapas com soldagem por arco submerso, e pela conformação contínua com soldagem por eletrofusão, chamados perfis tubulares com costura (BORGES, 2015; MARQUES, MODENESI, BRACARENSE, 2011). Os perfis tubulares (Figura 18) são mais aplicados em gasodutos, oleodutos, transporte de água, mas também podem ser utilizados para fins estruturais. Outro fator é a possibilidade de peças de aço entrarem em colapso com tensões muito inferiores ao limite de escoamento. Isso acontece quando esta peça é submetida a cargas variáveis e de modo cíclico, o que acarreta a formação de trincas, iniciada nos pontos de concentração de tensões que se propagam a medida que o tempo passa, e trazem a redução da seção resistente até a ruptura.

Este fenômeno é chamado de fadiga do aço, influenciada principalmente pela amplitude de variação de tensões; pela freqüência de aplicação das cargas, o chamado número de ciclos de carregamento; pelo tipo de ciclo (simétricos ou assimétricos) e pela concentração de tensões na seção (TEOBALDO, 2004; BORGES, 2015). Apesar desses pontos negativos é importante ressaltar que o uso dos aços estruturais também apresenta muitas vantagens como o fato de serem pré-fabricados, possuírem reversibilidade, dimensões reduzidas com maior sensação de leveza, isotropia mecânica. Os elementos pré-fabricados são executados em fábricas onde a produtividade é otimizada, sendo padronizados e executados em grande quantidade. Curso Básico de Estruturas de Aço. ed. Belo Horizonte: IEA Editora, 1994. p.

BANDEIRA, A. CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos, 7 ed. Publicação da Associação Brasileira de metais, 2005, pp. DIAS, L. A. O uso adequado do aço e sua contribuição na racionalização da construção. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1998. MACHADO, I. G. Dimensionamento de Juntas Soldadas de Filete: Uma Revisão Crítica. Q. Introdução à Metalurgia da Soldagem. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2011. p. ufmg. br/wp-content/uploads/2012/10/metalurgia. pdf>. Acesso em: 05 de maio, 2017. MODENESI, P. N. C. Estudo do aço como objeto de reforço estrutural em edificações antigas. f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas) - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2004.