Aços Estruturais

O aço é a mais versátil e a mais importante das ligas metálicas.

O aço é produzido em uma grande variedade de tipos e formas, cada qual atendendo eficientemente a uma ou mais aplicações. Esta variedade decorre da necessidade de contínua adequação do produto às exigências de aplicações específicas que vão surgindo no mercado, seja pelo controle da composição química, seja pela garantia de propriedades específicas ou, ainda, na forma final (chapas, perfis, tubos, barras, etc.).

Existem mais de 3500 tipos diferentes de aços e cerca de 75% deles foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. Isso mostra a grande evolução que o setor tem experimentado.

Os aços-carbono possuem em sua composição apenas quantidades limitadas dos elementos químicos carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo. Outros elementos químicos existem apenas em quantidades residuais.

A quantidade de carbono presente no aço define sua classificação. Os aços de baixo carbono possuem um máximo de 0,3% deste elemento e apresentam grande ductilidade. São bons para o trabalho mecânico e soldagem, não sendo temperáveis, utilizados na construção de edifícios, pontes, navios, automóveis, dentre outros usos. Os aços de médio carbono possuem de 0,3% a 0,6% de carbono e são utilizados em engrenagens, bielas e outros componentes mecânicos. São aços que, temperados e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência. Aços de alto carbono possuem mais do que 0,6% de carbono e apresentam elevada dureza e resistência após têmpera. São comumente utilizados em trilhos, molas, engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas etc.

Na construção civil, o interesse maior recai sobre os chamados aços estruturais de média e alta resistência mecânica, termo designativo de todos os aços que, devido à sua resistência, ductilidade e outras propriedades, são adequados para a utilização em elementos da construção sujeitos a carregamento. Os principais requisitos para os aços destinados à aplicação estrutural são: elevada tensão de escoamento, elevada tenacidade, boa soldabilidade, homogeneidade microestrutural, susceptibilidade de corte por chama sem endurecimento e boa trabalhabilidade em operações tais como corte, furação e dobramento, sem que se originem fissuras ou outros defeitos.

Os aços estruturais podem ser classificados em três grupos principais, conforme a tensão de escoamento mínima especificada:

Dentre os aços estruturais existentes atualmente, o mais utilizado e conhecido é o ASTM A36, que é classificado como um aço carbono de média resistência mecânica.

Entretanto, a tendência moderna no sentido de se utilizar estruturas cada vez maiores tem levado os engenheiros, projetistas e construtores a utilizar aços de maior resistência, os chamados aços de alta resistência e baixa liga, de modo a evitar estruturas cada vez mais pesadas.

Os aços de alta resistência e baixa liga são utilizados toda vez que se deseja:

Aumentar a resistência mecânica permitindo um acréscimo da carga unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional da seção, ou seja, o emprego de seções mais leves;

Melhorar a resistência à corrosão atmosférica;

Melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga;

Elevar a relação do limite de escoamento para o limite de resistência à tração, sem perda apreciável da ductilidade.

Dentre os aços pertencentes a esta categoria, merecem destaque os aços de alta resistência e baixa liga resistentes à corrosão atmosférica. Estes aços foram apresentados ao mercado norte-americano em 1932, tendo como aplicação específica a fabricação de vagões de carga. Desde o seu lançamento até nossos dias, desenvolveram-se outros aços com comportamentos semelhantes, que constituem a família dos aços conhecidos como patináveis. Enquadrados em diversas normas, tais como as normas brasileiras NBR 5008, 5920, 5921 e 7007 e as norte-americanas ASTM A242, A588 e A709, que especificam limites de composição química e propriedades mecânicas, estes aços têm sido utilizados no mundo inteiro na construção de pontes, viadutos, silos, torres de transmissão de energia, etc. Sua grande vantagem, além de dispensarem a pintura em certos ambientes, é possuírem uma resistência mecânica maior que a dos aços carbono. Em ambientes extremamente agressivos, como regiões que apresentam grande poluição por dióxido de enxofre ou aquelas próximas da orla marítima, a pintura lhes confere um desempenho superior àquele conferido aos aços carbono.

O que distinguia o novo produto dos aços carbono, no que diz respeito à resistência à corrosão, era o fato de que, sob certas condições ambientais de exposição, ele podia desenvolver em sua superfície uma película de óxidos aderente e protetora, chamada de pátina, que atuava reduzindo a velocidade do ataque dos agentes corrosivos presentes no meio ambiente. A Figura 1 mostra as curvas típicas de avaliação da resistência à corrosão de um aço patinável e de um aço carbono comum expostos às atmosferas industrial, urbana, rural e marinha.

Figura 1. Resistência à corrosão de um aço patinável (ASTM A242) e de um aço carbono comum (ASTM A36) expostos às atmosferas industrial (Cubatão, S.P.), marinha (Bertioga, S.P.), urbana (Santo André, S.P.) e rural (Itararé, S.P.). A medida é feita em termos da perda de massa metálica em função do tempo de exposição em meses. Fonte: Fabio Domingos Pannoni, M.Sc., Ph.D.

A formação da pátina é função de três tipos de fatores. Os primeiros a destacar estão ligados à composição química do próprio aço. Os principais elementos de liga que contribuem para aumentar-lhe a resistência frente à corrosão atmosférica, favorecendo a formação da pátina, são o cobre e o fósforo. O cromo, o níquel, e o silício também exercem efeitos secundários. Cabe observar, no entanto, que o fósforo deve ser mantido em baixos teores (menores que 0,1%), sob pena de prejudicar certas propriedades mecânicas do aço e sua soldabilidade.

Em segundo lugar vêem os fatores ambientais, entre os quais sobressaem a presença de dióxido de enxofre e de cloreto de sódio na atmosfera, a temperatura, a força (direção, velocidade e freqüência) dos ventos, os ciclos de umedecimento e secagem etc.. Assim, enquanto a presença de dióxido de enxofre, até certos limites, favorece o desenvolvimento da pátina, o cloreto de sódio em suspensão nas atmosferas marítimas prejudica suas propriedades protetoras. Não se recomenda a utilização de aços patináveis não protegidos em ambientes industriais onde a concentração de dióxido de enxofre atmosférico seja superior a 168mgSO2/m2.dia (Estados Unidos e Reino Unido) e em atmosferas marinhas onde a taxa de deposição de cloretos exceda 50mg/m2.dia (Estados Unidos) ou 10 mg/m2.dia (Reino Unido).

Finalmente, há fatores ligados à geometria da peça, que explicam por que diferentes estruturas do mesmo aço dispostas lado a lado podem ser atacadas de maneira distinta.

Esse fenômeno é atribuído à influência de seções abertas/fechadas, drenagem correta das águas de chuva e outros fatores que atuam diretamente sobre os ciclos de umidecimento e secagem. Assim, por exemplo, sob condições de contínuo molhamento, determinadas por secagem insatisfatória, a formação da pátina fica gravemente prejudicada. Em muitas destas situações, a velocidade de corrosão do aço patinável é semelhante àquela encontrada para os aços carbono. Exemplos incluem aços patináveis imersos em água, enterrados no solo ou recobertos por vegetação.

A Tabela 1 relaciona a composição química e propriedades mecânicas de um aço de carbono de média resistência mecânica (ASTM A36), um aço de alta resistência mecânica e baixa liga (ASTM A572 Grau 50) e dois aços de baixa liga e alta resistência mecânica resistentes à corrosão atmosférica (ASTM A588 Grau B e ASTM A242).

Aços de baixa liga e alta resistência resistentes à corrosão são produzidos no Brasil por várias siderúrgicas. A Tabela 2 traz a relação dos produtores e seus aços patináveis. Recomenda-se a visita ao site para a obtenção de informações adicionais.

Tabela 1: Comparativo de composição química e propriedades mecânicas de aços

(1): Para perfis de peso superior a 634 kg/m, o teor de manganês deve estar situado entre 0,85 e 1,35% e o teor de silício entre 0,15 e 0,40%. (2): Mínimo quando o cobre for especificado. (3): Para perfis de até 634 kg/m. (4): Espessuras entre 20 mm e abaixo.

Tabela 2: Os aços patináveis produzidos no Brasil.

Estruturas Metálicas

As estruturas metálicas são muito utilizadas na construção civil, elas aumentam a produtividade e velocidade da obra. Se comparado com a alvenaria, o tempo de execução da obra podem ser reduzidas em até 40 %.

Todas as obras precisam de uma quantidade mínima de aço, esses elementos podem ser produzidos de diversas formas, como soldados, laminados, perfis formados a frio, entre outros, são elementos aplicados no sistema construtivo do em aço.

Os principais meios de ligação utilizados entre os elementos de aço são soldas, parafusos, barras roscadas, como por exemplo os chumbadores. No canteiro de obras o parafuso é o mais utilizado, já nas fábricas a solda é o mais comum. As ligações por solda são consideradas permanentes e resistem a tensões de tração, compreensão e cisalhamento, já as ligações por parafusos são caracterizadas como desmontáveis, e devem resistir a esforços de tração e cisalhamento.

A estruturas em aço possuem a vantagem de chegar prontas no canteiro de obras, onde serão montadas, esse processo acelera a execução do projeto. Além disso, as estruturas metálicas possuem versatilidade e flexibilidade, pois permitem ganho de espaço.

As construções em aço costumam ser mais sustentáveis, pois esse material pode ser reciclado. Outra vantagem é a menor utilização de água e madeira nas construções. Como a construção com estruturas metálicas é mais rápida, o impacto ambiental causado pelo canteiro de obras também é menor.

Existem alguns cuidados que devemos tomar ao usar estruturas metálicas, o cálculo estrutural necessita ser preciso e também é necessário pensar na logística, pois as estruturas são grandes e chegam prontas no canteiro.

O custo das estruturas de aço possui um custo elevado, mas é preciso levar em consideração que o gasto com mão de obra será menor e também existe economia de tempo. Os resíduos também são menores, sendo assim os gastos com limpeza também serão reduzidos. Com menos tempo de obra, o investidor recebe seu retorno financeiro antecipadamente.

Falhas em Estruturas Metálicas: Conceitos e Estudo de Casos

Introdução

Projetar uma estrutura significa resolver integralmente os seguintes aspectos: segurança, funcionalidade e durabilidade, todos eles igualmente prioritários. As falhas ou acidentes estruturais podem ter suas origens em qualquer uma das atividades inerentes ao processo de construção. Na construção metálica podem se definir as seguintes etapas: concepção estrutural (projeto, detalhamento e dimensionamento), fabricação, montagem, utilização e manutenção. Pode-se visualizar as falhas como uma conseqüência de ações humanas, como: a falta de capacitação técnica do pessoal envolvido no processo de construção, em todas suas etapas, utilização de materiais de baixa qualidade, de causas naturais ligadas ao envelhecimento dos materiais componentes das estruturas (por exemplo, corrosão) e de ações externas ambientais. Evitar a repetição dos acidentes ou falhas é um desafio para todos os envolvidos no processo da construção metálica. Uma das formas para reduzir o número de falhas é a

divulgação delas, já que pode-se aprender a partir da análise das causas que conduziram uma estrutura metálica ao colapso ou a um funcionamento inadequado.

Principais Causas das Falhas

Nas estruturas metálicas pode-se citar como causas e consequências principais as seguintes:

Falhas de projeto e de detalhamento, que podem causar danos e deterioração da estrutura até o comprometimento precoce e alto risco de colapso da estrutura em serviço;

Falhas nos processos e detalhes construtivos, podendo originar desde redução da durabilidade da obra até risco de colapso durante a construção;

Qualidade ou utilização inadequada dos materiais, originando desde deterioração precoce até redução na vida útil da estrutura;

Falhas de manutenção ou ausência de manutenção preventiva, derivando numa possível degradação acelerada da estrutura, podendo comprometer a sua segurança;

Utilização indevida da estrutura, originado danos e redução da vida útil, com comprometimento da segurança estrutural.

Em cada etapa de uma obra, pode-se verificar a existência de ocorrências de falhas, porém a etapa de projeto ainda é a maior fonte delas. Em geral, as falhas no projeto (considerando dentro do projeto: o cálculo, detalhamento, as plantas executivas e construtivas, e as plantas de montagem) são as principais responsáveis pelos danos localizados e pela degradação precoce de uma estrutura.

A falta de um bom detalhamento impede e dificulta a manutenção. Segundo MESEGUER (1991), a origem das falhas em edificações é distribuída conforme:

Os dados são valores médios de vários países europeus, e demonstram que é na etapa de desenvolvimento do projeto onde se geram a maior quantidade de fontes das falhas em estruturas metálicas.

Patologias Comuns nas Estruturas Metálicas

As patologias mais comuns em estruturas de aço são:

Corrosão localizada: causada por deficiência de drenagem das águas pluviais e deficiências de detalhes construtivos, permitindo o acúmulo de umidade e de agentes agressivos;

Corrosão generalizada: causada pela ausência de proteção contra o processo de corrosão;

Deformações excessivas: causadas por sobrecargas ou efeitos térmicos não previstas no projeto original, ou ainda, deficiências na disposição de travejamentos;

Flambagem local ou global: causadas pelo uso de modelos estruturais incorretos para verificação da estabilidade, ou deficiências no enrijecimento local de chapas, ou efeitos de imperfeições geométricas não considerados no projeto e cálculo;

Fratura e propagação de fraturas: Falhas estas iniciadas por concentração de tensões, devido a detalhes de projeto inadequados, defeitos de solda, ou variações de tensão não previstas no projeto.

Casos de Estudo

Os casos de estudo apresentados a seguir, foram coletados de diferentes obras. Para cada caso, apresenta-se detalhes do tipo de projeto e descreve-se a falha, oferecendo alternativas de solução e prevenção para evitá-las em projetos similares.

Caso 1: Falha no gabarito de furação

A Figura 1 apresenta a união de uma viga secundária com uma viga principal, numa edificação comercial.

A viga principal é um perfil VS300x61 (I300x150x12,5x16), e a viga secundária é um perfil VS300x33 (I300x150x6,3x8).

A conexão é feita através de 4 parafusos Æ5/8" ASTM A-325. Na Figura 1, apresenta-se problemas de ajuste nos parafusos, a furação da viga principal foi feita conforme plantas executivas, enquanto na viga secundária um dos furos foi deslocado para cima 12mm.

Foi constatado, neste caso, que o erro foi de fabricação, já que nas dimensões e detalhes de projeto, os gabaritos de furação das vigas eram coincidentes.

Este tipo de falha poderia ser evitada com um maior controle dimensional de produção na fábrica.

Caso 2: Furos não previstos no projeto

A Figura 2 apresenta dois furos na coluna (3), tais aberturas foram executadas para permitir a passagem de tubulações elétricas, não previstas no projeto original.

A viga (1) é um perfil VS250x28 (I250x130x6,3x8), a viga (2) um VS300x33 (I300x150x6,3x8), e a coluna um perfil CVS350x73 (I350x250x9,5x12,5).

Neste caso deveria ser avaliada a influência dessas aberturas na resistência do perfil da coluna, principalmente, sendo que tais aberturas reduzem as abas das mesas do perfil.

Caso 3: Falta de parafusos na conexão

A Figura 3 apresenta a falta de um parafuso de cada lado de uma ligação viga/coluna.

Neste caso, as furações foram conferidas conforme plantas, e constatou-se um erro de projeto, pois os gabaritos de furação da viga e da coluna não coincidiam. Uma revisão das plantas na fábrica poderia ter evitado a falha.

Porém a falha foi produzida no detalhamento do projeto.

Caso 4: Subdimensionamento de elementos

A Figura 4 mostra a flambagem global de uma diagonal composta de uma treliça. Pode-se afirmar que no dimensionamento desse elemento não foram consideradas todas

as possibilidades de carregamento, e não foi realizada uma revisão de flambagem no elemento global e seus componentes.

Os perfis do banzo superior são U120x60x6,3, o elemento da diagonal é composto por duas cantoneiras L35x35x2,65, travejadas com chapas de dimensões 4,8x30x90.

A estrutura foi projetada para a cobertura de um Shopping Center.

Após acontecer a falha, o fabricante da estrutura reforçou os elementos da diagonal, substituindo todas as diagonais nas treliças da cobertura.

O uso correto de normas ou especificações reconhecidas, além da consideração de todos os estados limites possíveis, teria permitido na etapa de projeto evitar este tipo de falha. Na Figura 5 apresenta-se um caso semelhante.

Caso 5: Incompatibilidade de projetos estruturais de concreto e metálico

A Figura 6 mostra um dos problemas mais comuns na execução de projetos de estrutura metálica: a incompatibilidade dos projetos de estrutura metálica com os de concreto (em galpões, esta falha acontece nas bases de colunas).

A solução dada foi complementar o apoio de concreto.

É evidente que deve existir uma interação entre os projetistas de obras metálicas e de obras de concreto, ou ao menos quem projeta as bases de acordo com os dados do

projeto metálico deveria se ajustar às dimensões fornecidas no projeto da estrutura metálica.

Caso 6: Falta de concordância em emendas

A Figura 7 apresenta a emenda de uma treliça realizada no canteiro de obra, sendo que o banzo tem duas seções de tubo quadrado diferentes, a seção da peça (1) com dimensões 120x4,8, e a seção (2) 120x115x4,8.

Este tipo de falha gera excentricidades na transmissão de esforços, no caso de tais esforços serem de compressão a redução na capacidade resistente do banzo é evidente, já que aparecem esforços adicionais de flexão.

Esta falha ocorreu durante a produção das peças componentes da treliça.

Uma operação de pré-montagem, poderia ter evitado a falha, assim como, um controle dimensional. Em alguns casos, faz-se necessária uma verificação de concordância entre as peças a serem montadas no canteiro de obra.

Na Figura 8 apresenta um caso semelhante ao exposto.

Caso 7: Detalhamentos incompatíveis

Nas Figuras 9, 10 e 11 apresentam-se falhas que vieram a ocorrer apenas na fase de montagem da estrutura.

Os detalhes registrados no projeto executivo não coincidiam na montagem e tiveram que ser solucionados em campo.

Um detalhamento consistente, na etapa de projeto, evitaria as falhas mostradas nessas figuras, assim como um controle de concordância na fábrica antes de construir os elementos e suas ligações.

É bom lembrar que as conexões são pontos críticos no desempenho de um sistema estrutural, e as modificações realizadas no canteiro para ajustar as coincidências entre elementos e ligações podem gerar pontos indesejáveis de fontes de falhas súbitas.

Com as ferramentas já consagradas de desenho por computador (CAD), tais erros não deveriam acontecer na prática atual dos projetistas de estruturas metálicas.

Além do necessário reparo nas peças, existe a possibilidade de o conjunto ficar com prováveis concentrações de esforços, ou redução das características mecânicas.

Conclusões e Recomendações

Os casos de falhas localizadas ou globais em estruturas metálicas podem levar estas ao colapso ao atingir algum dos estados limites de resistência, ou ainda, estado limite de utilização, provocando perdas humanas ou perdas econômicas importantes.

Pequenas falhas afetam a confiabilidade e credibilidade das empresas, reduzindo a qualidade de seus produtos. Devido a esses aspectos e pela riqueza de experiências que geram as falhas, elas devem ser avaliadas, estudadas e compartilhadas no meio técnico através de publicações técnicas, permitindo que os profissionais possam evitá-las, ou ao menos, minimizá-las.

No ensino universitário, deve-se enfatizar os possíveis modos de falha que podem vir a acontecer nas construções metálicas, para que o estudantes, futuros engenheiros e arquitetos, possam entender a importância de seguir recomendações e normas, e até compreender, em certos casos, a necessidade de realizar estudos específicos em

aplicações especiais em estruturas metálicas (por exemplo, em sistemas reticulados espaciais). O sucesso de uma obra em estrutura metálica inicia-se na sua concepção e no desenvolver de seu projeto detalhado para fabricação e montagem. As empresas que trabalham em estruturas metálicas, sejam estas de projeto, fabricação ou montagem, devem prever revisões de projetos conscientes e minuciosas no que diz respeito aos detalhes e conjuntos, em geral.

Já, especificamente nas fábricas, devem existir controles rigorosos das plantas executivas, assim como, controle dimensional, sendo recomendável efetuar pré-montagens para assegurar o mínimo de falhas possíveis na montagem definitiva. No curso de Eng. Civil da Universidade de Passo Fundo, está sendo desenvolvida uma linha de trabalho para estudar a patologia em estruturas de aço. Este trabalho faz parte dos esforços desenvolvidos (Projeto de Graduação do Aluno Evandro Betinelli). O desejo dos autores é o de captar a maior quantidade possível de falhas, bem documentadas com fotos, e até vídeos, para criar um banco de dados que permita quantificar quais são as falhas mais comuns nas estruturas metálicas.

Para esse objetivo ser atingido, há necessidade de informações que venham de indústrias, projetistas e construtores que trabalham no ramo da indústria metálica.

Bibliografia

[1] ANDRADE, P.A., A construção com Estruturas Metálicas, São Paulo: Revista do Instituto de Engenharia, No. 500, 1994.

[2] CHAMBERLAIN, Z.M., Notas sobre Patologia das Estruturas Metálicas. Passo Fundo: FEAR/UPF, 1998.

[3] CUNHA, A.J.P et ali, Acidentes Estruturais na Construção Civil, Vol. I, São Paulo: Editora PINI, 1997.

[4] DELATLE, N.J., Failure Case Studies and Ethics in Engineering Mechanic Courses, Journal of Profissional Issues in Engineering Education and Practice, Vol. 123, No. 3, 1997.

[5] MESEGUER, A.G., Controle e Garantia da Qualidade na Construção. São Paulo: SINDUSCON/SP 1991.