ESTRUTURAS DE CONCRETO – CAPÍTULO 3 Libânio M. Pinheiro, Andreilton P. Santos, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos Março de 2017 AÇOS PARA ARMADURAS 3.1 DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA O aço é uma liga de ferrocarbono em que o teor de carbono varia de zero a 1,7%. Nessa liga há elementos adicionais: silício, manganês, fósforo, enxofre etc. O aço é resultante da eliminação total ou parcial de elementos inconvenientes que se fazem presentes no produto obtido na primeira redução do minério de ferro. 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 muito conveniente sua associação com o aço, 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 (Fe2O3) 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. USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 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 (CO2), 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. Esse processo ocorre no alto forno, com altura de 50 m a 100 m. Um elevador alimenta o forno com o minério de ferro, coque e o fundente. Na base é injetado ar quente. A temperatura varia de 1000C no topo a 1500C na base. 3.2 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 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 ocorre nas aciarias. Ele consiste na transformação do ferro gusa em aço, com a diminuição de teor de carbono e de outros materiais. Essa transformação é feita pela introdução controlada de oxigênio. O aço líquido é transferido para a segunda etapa do processo na aciaria, que é o lingotamento 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 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. 3.3 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras a) Tratamento a quente Chama-se tratamento mecânico a quente quando a temperatura de trabalho é maior 720C (zona crítica), situação o aço é mais mole, sendo mais fácil de trabalhar. 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. Os tipos de tratamento a quente são: forjamento, laminação e extrusão (Figura 3.1). A trefilação é usada em tratamento a frio, como será visto mais adiante. Figura 3.1 – Tipos de tratamento mecânico no aço. No forjamento a forma desejada da peça é obtida 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. A laminação consiste na passagem do material entre dois rolos que giram em sentidos opostos e estão espaçados de uma distância 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. 3.4 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras Na laminação, o controle do atrito entre os rolos é fundamental, pois ele define a maior redução possível, sem forças externas que empurrem a peça. Na extrusão o tarugo é refundido e forçado a passar por orifício com a forma desejada. São tratados a quente os aços CA-25 e CA-50. A sigla CA refere-se a concreto armado, e o número que a sucede corresponde à resistência característica de escoamento em kN/cm2 (ou kgf/mm2). Por exemplo, para o CA-50, fyk é igual a 50 kN/cm2 ou a 500 MPa. Esses aços tratados a quente apresentam como principais características: melhor trabalhabilidade, aceitam solda comum, possuem diagrama tensãodeformação com patamar de escoamento e resistem a incêndios moderados. Perdem resistência, apenas, com temperaturas acima de 1150 C. A Figura 3.2 apresenta um diagrama tensão versus deformação para uma barra de aço CA-50. 800 700 Tensão (MPa) 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Deformação (‰) Figura 3.2 – Diagrama de aço tratado a quente (Fonte: Toshiaki Takeya). 3.5 90 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras Nessa Figura 3.2 tem-se: Aço CA 50 e diâmetro de 6,3 mm; Valores nominais As = 31,2 mm2; fyk = 500 MPa; fstk = 550 MPa; Valores medidos As = 31,2 mm2; fy = 640 MPa; fst = 750 MPa; Øeq = 6,3 mm. b) Tratamento a frio ou encruamento Neste tratamento é imposta uma deformação dos grãos por meio de tração, compressão ou torção. Suas consequências são: 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 são deformados e diz-se que o aço está encruado. O trefilamento é o processo mais utilizado de tratamento mecânico a frio. Nesse processo o metal é forçado a passar por orifícios de moldagem. É o processo das fieiras de arames. No trefilamento, os fios endurecem rapidamente e têm que ser recozidos a cada passagem. As principais características dos aços tratados a frio são: o diagrama tensão versus deformação não apresenta patamar de escoamento (é considerado um escoamento convencional), a solda torna-se mais difícil e, à temperatura da ordem de 600C, o encruamento é perdido, ou seja, o aço volta a ter as características anteriores às do tratamento a frio. O aço CA-60 é tratado a frio. Na Figura 3.3 apresenta-se um diagrama tensão versus deformação para esse tipo de aço. Nessa figura tem-se: Aço CA 60 e diâmetro de 8 mm; Valores nominais As = 50 mm2; fyk = 600 MPa; fstk = 630 MPa; Es = 210 GPa; Valores medidos As = 49,6 mm2; fy = 750 MPa; fst = 757 MPa; Es = 188 GPa; Øeq = 7,94 mm. 3.6 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 800 700 Tensão (MPa) 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Deformação (‰) Figura 3.2 - Diagrama de aço tratado a frio (Fonte: Toshiaki Takeya). 3.4 BARRAS E FIOS A ABNT 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. 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. 3.7 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras Tabela 3.1 – Diâmetros nominais conforme a ABNT NBR 7480 (2007). As barras da categoria CA-50 são obrigatoriamente providas de nervuras transversais oblíquas. Os fios podem ser lisos, entalhados ou nervurados. Os de diâmetro nominal igual a 10 mm devem ter obrigatoriamente entalhes ou nervuras. 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 moldados in loco, 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. 3.5 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. 3.8 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 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 os limites de resistência e 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 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/m3, coeficiente de dilatação térmica = 10-5/C, para temperatura entre -20C e 150C, e módulo de elasticidade de 210 GPa. 3.6 ADERÊNCIA A própria existência do concreto armado decorre da solidariedade entre o concreto e o aço, que é proporcionada pela aderência. As nervuras e os entalhes nas barras melhoram a aderência, pois garantem maior eficiência na ligação dos dois materiais. 3.9 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Esse comportamento solidário é quantificado Aços para armaduras pelo coeficiente de conformação superficial de barras e fios, , também conhecido como coeficiente de aderência. A ABNT NBR 7480:2007 indica valores mínimos de para 10 mm (Tabela 3.2). Tabela 3.2 – Valores mínimos de para 10 mm (ABNT NBR 7480:2007) A ABNT NBR 6118:2007 considera um coeficiente semelhante para cálculo, 1, cujos valores encontram-se na Tabela 3.3. Nessa tabela, as barras de CA-25 são admitidas lisas, as de CA-50, de alta aderência, e as de CA-60, entalhadas. Tabela 3.3 – Valores mínimos de 1 conforme a ABNT NBR 6118:2007 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, que representa um material elastoplástico perfeito. Nessa figura, tem-se: fyk: resistência característica do aço à tração; fyd: resistência de cálculo do aço à tração, igual a fyk / 1,15; fyck: resistência característica do aço à compressão; se não houver determinação experimental, considera-se fyck = fyk ; fycd: resistência de cálculo do aço à compressão, igual a fyck /1,15; yd: deformação específica de escoamento (valor de cálculo). 3.10 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras Os alongamentos (s) são limitados a 10‰, valor que é admitido como relativo a deformação plástica excessiva, e os encurtamentos a 3,5‰, no caso de flexão simples ou composta, e a 2‰, no caso de compressão simples. Esses valores limites de encurtamento são fixados em função dos valores máximos admitidos para o concreto. Figura 3.4 - Diagrama tensão-deformação dos aços para cálculo 3.8 QUESTIONÁRIO 1. O que é aço? Quais seus elementos adicionais? 2. Quais os teores de carbono dos aços estruturais para construção civil? Quais as características desses aços? 3. Qual a função do aço em peças de concreto tracionadas ou fletidas? E em peças comprimidas? 4. Qual o minério de ferro de maior emprego na siderurgia? 5. Quais os estágios de transformação do minério de ferro em aço? 6. Em que consiste a primeira fase? O que significa sintetização ou pelotização? 7. O que é e como é obtido o coque? 8. Por que é necessário usar um fundente? Qual é o geralmente utilizado? 3.11 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 9. O que significa redução do minério de ferro? E ganga? 10. Na obtenção do aço, como se forma o CO2? E a escória? 11. Qual a faixa de altura de um alto forno? Quais os materiais colocados nele? Qual sua variação de temperatura? 12. Que materiais são obtidos na base do alto forno? 13. Quais as principais características do ferro gusa? Quais as causas delas? 14. Onde ocorre o refino do aço e o que isto significa? Como é feita essa transformação? 15. Qual a segunda etapa do processo na aciaria? 16. Durante o refino, o que acontece nas lingoteiras? E na câmara de refrigeração? 17. Na etapa final de produção, por que é necessário um tratamento mecânico? 18. A que temperatura é feito o tratamento a quente? Por quê? 19. Quais os tipos de tratamento a quente? O que é forjamento, laminação e extrusão? 20. Quais os aços para concreto armado (CA) que são tratados a quente? 21. Para concreto armado, quais os aços tratados a quente? O que significa CA-50? 22. Quais as principais características dos aços tratados a quente? A que temperatura ocorre perda de resistência? 23. Como é feito o tratamento a frio? Quais suas consequências? 24. Qual a máxima temperatura em que o tratamento é admitido como feito a frio? 25. O que é trefilamento? Quais as principais características dos aços tratados a frio? A que temperatura ocorre perda de resistência? 26. Para concreto armado, qual o tipo de aço tratado a frio? 27. Qual a norma brasileira que fixa as exigências relativas às armaduras de aço para estruturas de concreto armado? 28. Como se classificam as barras? Quais seus diâmetros nominais? 29. Como se classificam os fios? Quais seus diâmetros nominais? 30. Que tipo de armadura que deve ser provida de nervuras transversais oblíquas? 31. Quais os tipos de conformação superficial dos fios? Para qual diâmetro nominal o fio deve obrigatoriamente ter entalhes ou nervuras? 32. Qual a categoria de aço que deve ter superfície obrigatoriamente lisa? 33. Qual o diâmetro mínimo aconselhável para peças moldadas in loco? Por quê? 3.12 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras 34. Qual o comprimento de fornecimento das barras e fios retos? 35. Quais as mais importantes características mecânicas exigíveis para o aço? Como elas são determinadas? 36. Quais os requisitos que os aços para concreto armado devem obedecer? 37. O que significa ductilidade? Como pode ser medida? O que é um material frágil? 38. Qual a massa específica adotada para o aço? E para o módulo de elasticidade? 39. O que garante a solidariedade entre o concreto e o aço? Qual função das nervuras e dos entalhes? 40. Como é quantificado o comportamento solidário entre o aço e o concreto? 41. Esquematizar o diagrama tensão versus deformação do aço para o cálculo? Qual o significado das grandezas nele indicados? 42. Por que o alongamento do aço é limitado a 10 ‰? 43. Quais os valores limites de encurtamento do aço? Como eles foram fixados? REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto. Rio de Janeiro, 2007. 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. Aços para armaduras. 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. 3.13
