3 MATERIAIS3.1 AÇOS ESTRUTURAIS PARA CHAPAS    

É na aciaria que fica definido o tipo de aço, a partir da adequação de sua composição química. Os aços podem ser classificados em: aços-carbono, aço de alta resistência e baixa liga sem tratamento térmico e aço de alta resistência e baixa liga com tratamento térmico

Os tipos de aço estruturais são especificados em normas brasileiras e internacionais ou em normas elaboradas pelas próprias siderúrgicas.    

3.1.1 AÇOS-CARBONO    

Os aços-carbono são aqueles que não contém elementos de liga, podendo ainda, ser divididos

em baixo, médio e alto carbono, sendo os de baixo carbono  , os mais adequados à construção civil. A seguir serão destacados os principais deles.    

- ASTM-A36, o aço mais utilizado na fabricação de perfis soldados (chapas com t  4,57mm) ou laminados, especificado pela American Society for Testing and Materials;

- NBR 6648/CG-26, o aço, especificado pela ABNT, utilizado na fabricação de perfis soldados e que mais se assemelha ao anterior;

- NBR 7007/MR-250, aço para fabricação de perfis laminados, que mais se assemelha ao ASTM A-36;

- ASTM-A570, o aço mais utilizado na fabricação de perfis formados a frio (chapas com t  5,84);

- NBR 6650/CF-26, é o aço especificado pela ABNT, utilizado na fabricação de perfis estruturais formados a frio que mais se assemelha ao anterior.    

Na tabela 3.1 são fornecidos os valores da resistência ao escoamento (fy) e da resistência à ruptura (fu) dos aços apresentados.     

Tabela 3.1 – Resistência de alguns tipos de aço-carbono

Tipo de Aço fy

(MPa)

fu

(MPa)

ASTM-A36 250 400

ASTM-A570 (gr.36) 250 365

NBR 6648/CG-26 255* 410*

245** 410**

NBR 6650/CF-26 260 410

NBR 7007/MR-250 250 400

* Válido para espessuras t 16mm ** Válido para espessuras 16mm<t 40mmmm

3.1.2 AÇOS DE BAIXA LIGA SEM TRATAMENTO TÉRMICO    

Os aços de baixa liga sem tratamento térmico são aqueles que recebem elementos de liga, com teor inferior a 2%, suficientes para adquirirem ou maior resistência mecânica (fy  300MPa), ou maior resistência à corrosão, ou ambos . São adequados à utilização na construção civil, fazendo-se necessária uma análise econômica comparativa com os aços-carbono, pois esses, têm menor resistência, mas menor custo por unidade de peso. A seguir serão destacados os principais deles.

COS-AR-COR 500, aço de alta resistência mecânica e de alta resistência à corrosão atmosférica, especificado pela COSIPA;

COS-AR-COR 400, aço de média resistência mecânica e alta resistência à corrosão atmosférica, especificado pela COSIPA;

USI-SAC-350, anteriormente denominado SAC-50, aço de alta resistência mecânica e de alta resistência à corrosão atmosférica, especificado pela USIMINAS;

USI-SAC-250, anteriormente denominado SAC-41, aço de média resistência mecânica e de alta resistência à corrosão atmosférica, especificado pela USIMINAS;

CSN-COR-420 e CSN-COR-500, aços de alta resistência mecânica e de alta resistência à corrosão atmosférica, especificados pela CSN.

Esses aços não estão incluídos na NBR 8800/86. Na tabela 3.2 são fornecidos os valores da resistência ao escoamento (fy) e da resistência à ruptura (fu) desses aços.     

Tabela 3.2 – Resistência de alguns tipos de aços de baixa-liga

Tipo de Aço fy

(MPa)

fu

(MPa)

COS-AR-COR 500 375 490

COS-AR-COR 400 250 380

USI-SAC-350 (SAC 50) 373 490

USI-SAC-250 (SAC-41) 250 402

CSN-COR-500 380 500

CSN-COR-420 300 420

 

3.1.3 AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA COM TRATAMENTO TÉRMICO    

Os aços de alta resistência e baixa liga com tratamento térmico são aqueles, que além de possuírem em sua constituição os elementos de liga com teor inferior a 2%, recebem um tratamento térmico especial, posterior à laminação, necessário para adquirirem alta resistência mecânica (fy  300Mpa) e sua aplicação está restrita a tanques, vasos de pressão, dutos forçados, ou onde os elevados esforços justifiquem economicamente sua utilização.    

3.1.4 AÇOS SEM QUALIFICAÇÃO ESTRUTURAL    

Apesar de não serem considerados "aços estruturais", os tipos de aço especificado pela SAE são freqüentemente empregados na construção civil como componentes de telhas, caixilhos, chapas xadrez e até indevidamente em estruturas.

Esses tipos de aço são designados por um número de quatro algarismos (por exemplo SAE 1020), sendo que o primeiro representa o elemento de liga (para o aço-carbono o algarismo é 1), o segundo indica a porcentagem aproximada da liga (zero significa a ausência de liga) e os demais dígitos representam o teor médio de carbono (20 significa 0,20% médio de carbono).

A norma brasileira equivalente à SAE é a NBR 6006/80 "Classificação por composição química de aço para a construção mecânica", cuja designação é similar à SAE. Por exemplo ABNT 1020/NBR 6006 = SAE 1020.

Segundo a Norma Brasileira "Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio", em elaboração, a utilização de aços sem qualificação estrutural para perfis é tolerada se o aço possuir propriedades mecânicas adequadas para receber o trabalho a frio. Não devem ser adotados no projeto valores superiores a 180MPa e 300MPa para a resistência ao escoamento fy e a resistência à ruptura fu, respectivamente.    

3.2 CHAPAS    

Chapas são produtos planos laminados de aço com largura superior a 500mm, sendo classificados como chapas grossas (espessura superior a 5mm) e chapas finas (espessura inferior ou igual a 5mm).

As chapas grossas são fabricadas pelas siderúrgicas com espessuras variando entre 5,00mm e 150,00mm, largura-padrão entre 1,00m a 3,80m e comprimento-padrão entre 6,00 a 12,00m.

As dimensões preferenciais, ou seja as mais econômicas, são: 2,44m de largura, 12,00m de comprimento e espessuras, conforme indicadas na tabela 3.3.     

Tabela 3.3- espessuras-padrão das chapas grossas de aço

6,30 mm 25,0 mm

8,00 mm 31,5 mm

9,50 mm 37,5 mm

12,5 mm 50,0 mm

16,0 mm 63,0 mm

19,0 mm 75,0 mm

22,4 mm 100,0 mm

As chapas grossas são utilizadas geralmente para a fabricação dos perfis soldados, mas também podem ser utilizadas, dependendo da disponibilidade de equipamento adequado para dobramento, em perfis formados a frio.    

As chapas finas são fabricadas pelas siderúrgicas com espessuras variando entre 0,60 mm e 5,00 mm. As chapas com espessuras maiores (1,80 mm a 5,00 mm) são laminadas a quente e denominadas chapas finas a quente, enquanto as com menores espessuras (0,60 mm a 3,00 mm)

são relaminadas a frio e denominadas chapas finas a frio. As chapas finas apresentam largura-padrão entre 1,00m e 1,50m e comprimento-padrão entre 2,00m e 3,00m (chapas a frio) e de 2,00m a 6,00m (chapas a quente).

As dimensões preferências fornecidas pelas siderúrgicas, na forma plana, são: chapas finas a quente 1,20m por 3,00m e chapas finas a frio 1,20m por 2,00m. As chapas finas podem também ser fornecidas em bobinas, possuindo nesse caso custo unitário menor. As espessuras preferenciais são as fornecidas na tabela 3.4.

Tabela 3.4 - Espessuras-padrão das chapas grossas de aço

0,60 mm 2,25 mm

0,75 mm 2,65 mm

0,85 mm 3,00 mm

0,90 mm 3,35 mm

1,06 mm 3,75 mm

1,20 mm 4,25 mm

1,50 mm 4,50 mm

1,70 mm 4,75 mm

1,90 mm 5,00 mm

 

Para fins estruturais, na obtenção de perfis formados a frio, são empregadas as chapas finas a quente, enquanto as chapas finas a frio são utilizadas na fabricação de elementos complementares na construção, tais como: telhas, calhas, esquadrias, dutos, etc.    

3.3 PERFIS    

Entre os vários componentes de uma estrutura metálica, tais como: chapas de ligação, parafusos, chumbadores e perfis, são os últimos, evidentemente, os mais importantes para o projeto, fabricação e montagem.

Os perfis de utilização corrente são aqueles cuja seção transversal se assemelha às formas das letras I, H, U e Z, recebendo denominação análoga a essas letras, e à letra L, nesse caso denominados cantoneiras.

Os perfis podem ser obtidos diretamente por laminação ou a partir de operação de formação a frio ou de soldagem de chapas denominados respectivamente perfis laminados, formados a frio e soldados.    

3.3.1 PERFIS SOLDADOS    

Perfil soldado é o perfil constituído por chapas de aço estrutural, unidas entre si por soldagem a arco elétrico.

Os perfis soldados são largamente empregados na construção de estruturas de aço, em face da grande versatilidade de combinações possíveis de espessuras, alturas e larguras, levando à redução do peso da estrutura, comparativamente aos perfis laminados disponíveis no mercado brasileiro. O custo para a fabricação dos perfis soldados é maior do que para a laminação dos perfis laminados, no entanto, esses últimos não estão disponíveis em quantidade e dimensões necessárias às obras civis.

Eles são produzidos pelos fabricantes de estruturas metálicas a partir do corte e soldagem das chapas fabricadas pelas usinas siderúrgicas. O material de solda, seja a soldagem executada por eletrodo revestido, arco submerso ou qualquer outro tipo, deve ser especificado, compatibilizando-o com o tipo de aço a ser soldado, isto é, deve ter características similares de resistência mecânica, resistência à corrosão, etc.

A norma NBR 5884 - "Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico", apresenta as características geométricas de uma série de perfis I e H soldados e tolerâncias na fabricação.    

3.3.1.1 Séries de perfis "I" soldados    

Série simétrica é a série composta por perfis que apresentam simetria na sua seção transversal em relação aos eixos X-X e Y-Y, conforme ilustrado na figura 3.1.

A série simétrica, conforme a Norma Brasileira NBR 5884 "Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico" é dividida em:

- Série CS, formada por perfis soldados tipo pilar, com relação d/bf = 1, cujas dimensões estão indicadas na NBR 5884

- Série CVS, formada por perfis soldados tipo viga-pilar, com relação 1 < d/bf  1,5, cujas dimensões estão indicadas na NBR 5884

- Série VS, formada por perfis soldados tipo viga, com relação 1,5 < d/bf  4, cujas dimensões estão indicadas na NBR 5884

- Série PS, formada por perfis soldados simétricos cujas dimensões não estão indicadas na NBR 5884    

Série monossimétrica é a série composta por perfis soldados que não apresentam simetria na sua seção transversal em relação ao eixo X-X e apresentam simetria em relação ao eixo Y-Y, conforme ilustrado na figura 3.1.

A série monossimétrica, conforme a NBR 5884 é dividida em:

- Série VSM, formada por perfis soldados monossimétricos tipo viga, com relação 1 < d/bf  4, cujas mesas apresentam larguras idênticas e espessuras diferentes, com dimensões indicadas na NBR 5884.

- Série PSM, formada por perfis soldados monossimétricos, inclusive os perfis com larguras de mesas diferentes entre si, cujas dimensões não estão indicadas na NBR 5884    

3.3.1.2 Designações    

A designação dos perfis I soldados faz-se pela série, seguido da altura em milímetros e da massa aproximada em quilogramas por metro.

Exemplos:

A designação de um perfil série CS com 300mm de altura por 300mm de largura de mesa e 62,4 kg/m é CS300x62.

A designação de um perfil série VSM com 450mm de altura por 200mm de largura de mesa e 48,9 kg/m é VSM450x49.    

Os perfis I soldados cujas dimensões não estejam indicadas na NBR 5884 pode ser adotado com a designação de PS ou PSM, seguida da altura em milímetros e da massa em quilogramas por metro.

Série simétrica Série monossimétrica

Figura 3.1 - Perfis soldados

 

3.3.1.3 Requisitos do processo de fabricação dos perfis "I" soldados    

3.3.1.3.1 Preparação do material para fabricação    

Corte: As chapas para a fabricação dos perfis I soldados devem ser cortadas nas dimensões requeridas, mediante processo de corte térmico (maçarico) ou mecânico, observando-se respectivamente as exigências dos itens 9.2.1.2 (corte por meio térmico) e 9.2.1.3 (aplainamento de bordas) da NBR-8800/1986, de forma a garantir as tolerâncias especificadas em 3.3.1.3.3.

Desempeno: As peças cortadas nas dimensões requeridas, quando necessário, devem ser desempenadas mediante métodos mecânicos apropriados, tais como: desempenadeiras, prensas, etc, ou pela aplicação de uma quantidade limitada de calor localizado, de modo que a temperatura nessas regiões não exceda 650 oC.

Limpeza: Os materiais que vão formar os perfis I soldados devem ser submetidos a uma limpeza prévia, principalmente nas regiões próximas às soldas, com o objetivo de evitar porosidade ao soldar. Para limpeza devem ser empregados métodos apropriados tais como: jato de granalha ou areia, escova de aço, esmerilhamento, solventes, etc.    

3.3.1.3.2 Soldagem

Ver seção 4.2.4    

3.3.1.3.3 Tolerâncias    

- Chapas: As tolerâncias dimensionais na fabricação de chapas devem estar de acordo com a NBR-11889/1992 "Bobinas grossas e chapas grossas de aço-carbono e de aço de baixa-liga e alta resistência - Requisitos gerais". Caso haja divergência entre a NBR-11889 e a especificação particular do produto, prevalece o especificado nessa última.

- Cordão de solda: Ver item 4.2.4.

- Perfil I soldado: Consideram-se três padrões de tolerâncias dimensionais para perfis soldados conforme a tabelas 3.5 e NBR 5884:     

Tabela 3.5 Padrões de tolerância

Padrões de tolerância Aplicações usuais

I Elementos estruturais sujeitos a cargas cíclicas, como vigas de rolamento para ponte rolante altamente solicitada;

II Estruturas convencionais como galpões industriais e edifícios comerciais e residenciais;

III Estruturas secundárias e complementares como estacas e postes.

Nota: Para estruturas que requerem um maior rigor de tolerância, especificações adequadas devem ser indicadas em projeto    

O perfil soldado deve estar livre de respingos de solda, rebarbas de corte e marcas provenientes do processo.

As não-conformidades dimensionais do perfil, como flechas, ondulações, etc. com relação aos limites indicados na NBR 5884, podem ser corrigidas conforme indicado no item 3.3.4.1. Para as não-conformidades em soldas, ver seção 4.2.4

Cada perfil ou lote de perfis deve ser submetido à inspeção em todas as suas faces e no cordão de solda conforme especificado na tabela 4.1 e na figura 4.5. O lote de perfis deve ser definido de comum acordo entre fabricante e consumidor.

Cada perfil ou lote de perfis deve ser submetido à verificação das dimensões de acordo com as tolerâncias indicadas na NBR 5884.    

3.3.1.3.4 Pedidos e identificação    

Nos pedidos de perfis devem ser indicados:

número da NBR 5884; quantidade do perfil (número de peças) designação do perfil comprimento de cada perfil especificação do aço, conforme norma correspondente dimensão do cordão de solda; (caso sejam utilizados perfis não-padronizados ou perfis

padronizados com dimensões do cordão de solda superiores aos indicados na NBR 5884) padrão de tolerância outros requisitos quando solicitados

Os perfis que terão aplicação em estruturas sujeitas a cargas cíclicas deverão ser indicados nos pedidos. Salvo indicação contrária, os perfis serão considerados para aplicação em estruturas sujeitas a cargas estáticas.    

Os perfis devem ser identificados com os seguintes dados :

número da NBR5688 designação do perfil especificação do aço marca do fabricante outros dados quando solicitados

Os dados indicados devem ser pintados ou tipados na alma ou mesa do perfil, ou de forma diferente, se acordado entre o fabricante e o consumidor.

Os perfis devem ser acondicionados de forma a não sofrerem danos em seu manuseio e transporte.    

3.3.2 PERFIS ESTRUTURAIS FORMADOS A FRIO    

Os perfis estruturais formados a frio, também conhecidos como perfis de chapas dobradas, vêm sendo utilizados de forma crescente na execução de estruturas metálicas leves, pois podem ser projetados para cada aplicação específica, enquanto que os perfis laminados estão limitados a dimensões predeterminadas.

Nem sempre são encontrados no mercado os perfis laminados com dimensões adequadas às necessidades do projeto de elementos estruturais leves, pouco solicitados, tais como terças,

montantes e diagonais de treliças, travamentos, etc., enquanto os perfis estruturais formados a frio podem ser fabricados nas dimensões desejadas.

Os perfis formados a frio, sendo compostos por chapas finas, possuem leveza, facilidade de fabricação, de manuseio e de transporte, além de possuirem resistência e ductilidade adequadas ao uso em estruturas civis.

A Norma NBR 6355 – "Perfis Estruturais de Aço Formados a Frio", padroniza uma série de perfis formados com chapas de espessuras entre 1,50mm a 4,75mm, indicando suas características geométricas, pesos e tolerâncias de fabricação.

No caso de estruturas de maior porte, a utilização de perfis formados a frio duplos, em seção unicelular (tubular retangular) também conhecidos como seção-caixão, podem resultar, em algumas situações, estruturas mais econômicas. Isso se deve à boa rigidez à torção (eliminando travamentos), menor área exposta, (reduzindo a área de pintura), menor área de estagnação de líquidos ou detritos (reduzindo a probabilidade de corrosão).    

3.3.2.1 Processos de fabricação    

Dois são os processos de fabricação dos perfis formados a frio: contínuo e descontínuo.

O processo contínuo, adequado à fabricação em série, é realizado a partir do deslocamento longitudinal de uma chapa de aço, sobre os roletes de uma linha de perfilação. Os roletes vão conferindo pouco a pouco à chapa, a forma definitiva do perfil. Quando o perfil deixa a linha de perfilação, ele é cortado no comprimento indicado no projeto.

O processo descontínuo, adequado a pequenas quantidades de perfis, é realizado mediante o emprego de uma prensa dobradeira. A "faca" da dobradeira é prensada contra a chapa de aço, obrigando-a a formar uma dobra. Várias operações similares a essa, sobre a mesma chapa, fornecem à seção do perfil a geometria exigida no projeto. O comprimento do perfil está limitado à largura da prensa.

O processo contínuo é utilizado por fabricantes especializados em perfis formados a frio e o processo descontínuo é utilizado pelos fabricantes de estruturas metálicas.    

3.3.2.1.1 Efeito do dobramento na espessura da chapa    

A chapa, quando dobrada, sofre uma estricção na região da curvatura. Várias bibliografias procuram apresentar fórmulas para representar essa variação de espessura (a norma alemã, por exemplo, a representa de forma exponencial).

A norma NBR 6355, na apresentação das características geométricas dos perfis, apesar de não explicitar a referência, baseia-se na norma britânica BS 2994 que recomenda a exp. 3.1 para a determinação da redução de seção conforme figura 3.2.

 (3.1)

sendo:

r - raio interno

x = 0,30 para r = t

x = 0,35 para r = 1,5t.

Figura 3.2- Modelo para cálculo da estricção na região da dobra de um perfil de aço, segundo a norma BS 2994:1976.    

A partir da exp. 3.1 têm-se:

tred = 0,87t para r = t

tred = 0,93t para r=1,5t

Essa diferença pode ter algum significado na fabricação do perfil, dependendo das tolerâncias dimensionais exigidas, isto é, a compatibilização entre a largura da chapa e o perímetro final do perfil. Levando em conta a estricção, pode haver diferença da ordem de 2%. Para efeito de dimensionamento, adotar-se tred = t, isto é, admitir-se toda a seção do perfil com espessura constante e igual à da chapa que lhe deu origem, não afeta significativamente os valores das características geométricas da seção transversal..    

3.3.2.1.2 Efeito do dobramento na resistência do perfil    

O dobramento de uma chapa, seja por perfilação ou utilizando-se dobradeira, provoca, devido ao fenômeno conhecido como envelhecimento (carregamento até a zona plástica, descarregamento, e posteriormente, porém não imediato, o carregamento), um aumento da resistência ao escoamento (fy) e da resistência à ruptura (fu), conforme demonstram os gráficos apresentados na figuras 3.3 e 3.4, com conseqüente redução de ductilidade, isto é, o diagrama tensão-deformação sofre uma elevação na direção das resistências limites, mas acompanhado de um estreitamento no patamar de escoamento.    

Figura 3.3 - Aumento da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura, num perfil formado a frio por perfiladeira    

Figura 3.4 - Aumento da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura, num perfil formado a frio por prensa dobradeira.        

O aumento das resistências ao escoamento e à ruptura se concentra na região das curvas quando o processo é descontínuo, enquanto que no processo contínuo esse acréscimo atinge outras regiões do perfil, pois no processo descontínuo, apenas a região da curva está sob carregamento, enquanto na linha de perfilação a parte do perfil entre roletes está toda sob tensão.

O aumento da resistência ao escoamento pode ser utilizado no dimensionamento de elementos que não estejam sujeitos à redução de capacidade devido a flambagem local, conforme a exp. 3.2.     

 (3.2)

sendo:    

 fy = acréscimo permitido à fy

fy = resistência ao escoamento do aço virgem

fyc = resistência ao escoamento na região da curva

fu = resistência à ruptura do aço virgem

r - raio interno de dobramento;

t - espessura.

C - relação entre a área total das dobras e a área total da seção para barras submetidas à compressão; ou a relação entre a área das dobras da mesa comprimida e a área total da mesa comprimida para barras submetidas à flexão    

Apresentam-se na tabela 3.7 alguns valores de  fy, em função de C, para aço com fy = 250MPa (fu = 360 MPa) e fy = 375 MPa (fu = 490 MPa ).     

Tabela 3.7 - Valores de  fy

C  fy (1)

MPa

 fy (2)

MPa

0,01 2,10 1,90

0,02 4,10 3,90

0,05 10,30 9,70

0,10 20,60 19,40

0,15 30,90 29,10

1. fy = 250Mpa, fu=360Mpa, r=t2. fy = 375Mpa, fu=490Mpa, r=1,5 t

   

Como já foi mencionado, o dobramento de uma chapa, por qualquer dos dois processos citados, provoca um aumento na resistência e redução de ductilidade. A redução de ductilidade significa uma menor capacidade do material deformar-se; por essa razão a chapa deve ser conformada com raio de dobramento adequado ao material e a sua espessura, a fim de se evitar o aparecimento de fissuras.

Atenção especial deve ser dada ao cálculo das características geométricas dos perfis formados a frio. A existência da curva, no lugar do "ângulo reto" dos perfis laminados, faz com que os valores da área, momento de inércia e módulo resistente possam ser, dependendo das dimensões da seção, sensivelmente reduzidos. A variação nas dimensões da seção devida à estricção ocorrida na chapa quando dobrada pode, para efeito de dimensionamento, ser desconsiderada.    

3.3.3 PERFIS LAMINADOS    

Perfis laminados são aqueles fabricados a quente nas usinas siderúrgicas e seriam os mais adequados para utilização em edificações de estruturas metálicas, pois dispensariam a fabricação "artesanal" dos perfis soldados ou dos perfis formados a frio.

No Brasil, porém, os perfis laminados disponíveis são de pequenas dimensões, fabricados por usinas siderúrgicas de pequeno e médio porte, e com características geométricas que trazem algumas dificuldades à construção civil. São perfis cujas faces internas das mesas não são paralelas às faces externas, dificultando a execução das conexões. A espessura de alma desses perfis, está em geral, acima dos valores normalmente adequados para o projeto econômico de vigas.

Os perfis laminados médios e pesados que eram fabricados exclusivamente pela CSN, tiveram sua produção paralisada. A Siderúrgica Aço Minas Gerais - AÇOMINAS foi projetada para suprir o mercado com perfis laminados adequados ao uso na construção civil, porém, sua linha de laminação ainda não entrou em operação.

Algumas empresas estão importando perfis laminados, porém para o uso em projeto, deve-se garantir a disponibilidade dos perfis no instante da fabricação.