Introdução aos metais

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Introdução aos metais
Um metal é um aglomerado de átomos metálicos cujos elétrons da camada de valência fluem livremente. São elementos químicos, encontrados em estado solido (exceto o mercúrio).
As suas principais características físicas são:
Maleabilidade: Capacidade que os metais têm de produzir lâminas e chapas muito finas.
Ductibilidade: Se aplicarmos uma pressão adequada em regiões específicas na superfície de um metal, esse pode se transformar em fios e lâminas.
Condutibilidade: Os metais são excelentes condutores de corrente elétrica e de calor. Os metais possuem a capacidade de conduzir calor e eletricidade de 10 a 100 vezes mais rápido do que outras substâncias. Exemplos: Os fios de transmissão elétrica são feitos de alumínio ou cobre, panelas que usamos para cozinhar alimentos são feitas de alumínio.
Brilho: Os elétrons livres localizados na superfície dos objetos de metal absorvem e irradiam a luz, por isso os objetos metálicos, quando polidos, apresentam um brilho característico.
As ligas metálicas são formadas por fusão de dois ou mais metais, com a finalidade de aumentar a resistência, criar uma camada de proteção, etc.
O metal mais usado na construção civil é o aço. O aço é essencial à vida moderna, ele está presente em larga escala ao nosso redor, como em linhas de transmissão energética, tubulações de água, redes de telefonia, automóveis, aviões, navios entre outros. A construção civil faz grande uso do aço para garantir a estabilidade de suas estruturas, aplicando aço em todas suas edificações, casa, prédios, indústrias e etc.
Aço é um metal muito dúctil e forte, feito da fusão de ferro e carbono. O primeiro é um metal extraído do minério de ferro, passando pela siderúrgica que o transforma em ferro como o conhecemos e depois misturado com carbono para confecção do aço. Cada tipo de aço tem uma porcentagem diferente de cada componente, como veremos mais a diante.
O ferro se originou por diversas formas, na forma de meteoritos, que recolhidos por tribos nômades nos desertos da Ásia Menor há cerca de 4500 anos. A extração do minério de ferro deu sua origem aos armamentos e a vida em sociedade por volta de 1200 a.C na Europa e Oriente Médio, promovendo grandes mudanças na sociedade. A agricultura que se desenvolveu rapidamente a partir de utensílios de ferro, a confecção de armas mais modernas viabilizou a expansão territorial de diversos povos. Mais a fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial.
Propriedades dos perfis estruturais.
O formato geométrico das peças é uma das principais características dos elementos estruturais de aço e devem ser de total domínio de um projetista, pois é ela que define qual seção usar para cada caso. A seguir falaremos um pouco sobre elas:	
Momento de Inércia (I): Em mecânica, o momento de inércia, ou momento de inércia de massa, expressa o grau de dificuldade em se alterar o estado de movimento de um corpo em rotação. Diferentemente da massa inercial (que é um escalar), o momento de inércia ou Tensor de Inércia também depende da distribuição da massa em torno de um eixo de rotação escolhido arbitrariamente. Quanto maior for o momento de inércia de um corpo, mais difícil será fazê-lo girar ou alterar sua rotação. Contribui mais para o aumento do valor do momento de inércia a porção de massa que está afastada do eixo de giro. Sua unidade de media no S.I. é o m^4, encontrada geralmente em cm^4.
Raio de Giração (i): É a distância uniforme de um eixo de referência na qual se supõe que toda a área esteja distribuída. O raio de giração representa a distância ao eixo ou ponto correspondente na qual se pode concentrar toda a área da superfície estudada de modo que se tenha o mesmo momento de inércia. A unidade de medida no S.I. é o metro, mas usualmente encontrada em cm.
Momento resistente (w): módulo resistente é uma quantidade geométrica expressa geralmente tem cm³, caracterizando uma resistência mecânica à flexão. De fato, o momento resistente é calculável a partir da forma e dimensões da secção transversal, e representa a relação entre as tensões máximas na referida secção transversal e as tensões de flexão aplicadas a essa seção. Essa propriedade é usada no calculo do momento fletor da peça.
Essas características, assim como a massa por metro da peça, área, etc, são descritas nas tabelas de perfis metálicos, onde escolhemos uma peça que atenda as necessidades de carga de projeto.
Aços para perfis
Os perfis são fabricados com aços de acordo com normas estabelecidas de acordo com cada pais. No Brasil usamos aços de acordo com a ABNT ( norma brasileira), ASTM ( norma norte americana e ES ( norma europeia). Os mais usados no Brasil são o padrão ASTM e ABNT.
Aço para perfis padrão americano.
Os perfis padrão americano são fabricados com aços nas qualidades:
ASTM A 36 de média resistência mecânica (limite de escoamento mínimo de 250 Mpa),
ASTM A 572 GR de alta resistência mecânica (limite de escoamento mínimo de 345 Mpa),
ASTM A 572 GR 60 de alta resistência mecânica ( limite de escoamento mínimo de 415 Mpa).
Aço para perfis padrão ABNT
Segundo a especificação NBR 7007 - Aços para perfis laminados para uso estrutural da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), os aços podem ser enquadrados nas seguintes categorias, designadas a partir do limite de escoamento de aço f:
MR250, aço de média resistência (f = 250 MPa; f,, = 400 MPa)
AR350, aço de alta resistência (f=350 MPa; f = 450 MPa)
AR-COR415, aço de alta resistência (f = 415 MPa; f = 520 MPa), resistente à corrosão.
O aço MR250 corresponde ao aço ASTM A36.
SAE
Há também a classificação SAE, porem é mais usada na indústria mecânica do que na civil, levado em consideração a quantidade de elementos misturados ao ferro. O primeiro dígito representa o elemento ou elementos de liga característicos:
aço-carbono	6. aço-cromo-vanádio
aço-níquel	7. aço-tungstênio
aço-cromo-níquel	8. aço-níquel-manganês
aço-molibdênio	9. aço-silício-manganês
aço-cromo
Os dois últimos dígitos representam uma porcentagem de carbono em 0,01 %. Os dígitos intermediários restantes (em geral um só dígito) representam a porcentagem aproximada do elemento de liga predominante. Por exemplo:
-Aço SAE 1020 (aço-carbono, com 0,20% de carbono)
-Aço SAE 2320 (aço-níquel, com 3,5% de níquel e 0,20% de carbono).
Por isso o mais interessante para a engenharia civil de estruturas metálicas é levar em consideração a tensão de escoamento do aço, mais do que saber exatamente seus componentes, pois a tensão de escoamento é onde sabemos a resistência a tração do aço, onde ele vai se deformar e voltar a estado inicial ou entrar em regime plástico e não voltar mais, ou seja, permanecer escoado.
O modulo de elasticidade, para todos os aços são praticamente o mesmo, variando de 200 a 210 GPa.
Perfis
Perfis laminados
São peças únicas, obtidas pela laminação de blocos ou tarugos provenientes de lingotamento contínuo. Produzidos por meio de deformação mecânica a quente, com secções transversais nos formatos I e H, obtidos pelo sistema universal de laminação.
O processo deste perfil consiste em um conjunto principal de três cadeiras em sequencia, conhecido como processo X-H. Processo eficiente, com menor ciclo de laminação, maior produtividade, obtenção de produtos homogêneos e de laminação de maior comprimento.
As principais características dos perfis laminados são as abas paralelas e retilíneas, quais facilitam as soluções de conexões e encaixes e a uniformidade estrutural por não possuir solda ou emendas. São produzidos segundo as especificações da norma ASTM.
Note que a diferença entreambas é a largura das abas (chapas horizontais), onde a do perfil I é menor que a do perfil H. os perfis de mesma massa I são mais altos que o H e por isso apresentam maior momento resistente, ou seja, tem desempenho melhor a flexão. Caso forem da mesma altura, o perfil H tem mais massa e com abas maiores, o que resulta em inercia maior, ou seja, mais dificuldade de girar.
As cantoneiras podem ser de abas iguais ou abas diferentes, ou seja, pode um lado ser maior que o outro ou igual.
Não é difícil se fazer uma pequena confusão quando vamos procurar uma peça em uma tabela de perfis, pois há diversas particularidades em cada forma geométrica e sua especificação.
Quando pegamos uma tabela de perfis laminados, vemos que temos a seguinte as seguintes opções:
Perfil H
Perfil I
Perfil U
Cantoneiras de abas iguas
Cantoneiras de abas desiguais
Trilhos ferroviários
Perfil W ou HP (tipo I)
Perfil W ou HP (tipo H)
A diferença entre o perfil I e o perfil w tipo I, é que os perfis I têm abas inclinadas e o perfil W tipo I tem abas paralelas. Isso também vale para o perfil H e W tipo H. 
Podemos compreender isso com as figuras abaixo:
Outras variações na denominação também podem ocorrer, mas devido a como cada geometria é conhecida em determinado pais, por exemplo, a tipo I nos Estados Unidos é
Outras variações no formato da peça podem ocorrer, para solucionar cada tipo de carga. Para pontes por exemplo se faz uma nova forma, acrescentando mais algum componente, como mostrado na figura abaixo, onde temos um formato muito usado em pontes, pois aguentam muito mais carga que os perfis convencionais, a chamada viga tipo “caixão”.
		
Perfis soldados
Os perfis soldados são aqueles obtidos pelo corte, composição e soldagem de chapas planas de aço, permitindo uma grande variedade de formas e dimensões de secções.
A fabricação desse tipo de perfil obedece a NBR 5884 Perfis estruturais de aço soldados por arco elétrico, que pode ser artesanal ou convencional e processo industrializado. Podem ser fabricados utilizando aço-carbono – especificação ASTM A 36, ASTM A 572, ASTM A 242 ou ASTM A 588.
Os perfis soldados são classificados em séries, de acordo com a sua utilização na estrutura. Como as seguintes nomenclaturas das séries empregadas:
Série VS: Compreende os perfis soldados para vigas
Série CVS: Compreende os perfis soldados para vigas e pilares
Série CS: Compreende os perfis soldados para pilares.
Todas as series dos perfis soldados, o formato geométrico da peça é tipo I.
Perfis conformados a frio:
São chapas dobradas a frio formando diversos tipos de perfis, e empregam em sua composição aços-carbono de especificações: ASTM A570 GR 33 e GR 40 ( limite de escoamento de 230 e 280 Mpa) a norma que assegura a normalização dos perfis é a NBR 6355, já a NBR 14762 dos procedimentos para o dimensionamento de estruturas em aço utilizado perfis conformados a frio. Mesmo que possua varias dimensões padronizadas é possível solicitar ao fabricante formas e tamanhos diferentes, sobre tudo as limitações dimensionais das linhas de processo.
O perfil formado ou dobrado é o perfil obtido por conformação a frio de produtos planos, sendo chapas e tiras, quais podem ser dobradas por dobradeiras ou perfiladeiras, enquanto as dobradeiras se limitam a comprimentos de 3 e 6m, com capacidade de dobrar chapas até 12,5 mm de espessura, as perfiladeiras podem produzir perfis de qualquer comprimento, mais se limitando a espessura de no máxima de 3 mm e com dimensões dos perfis 50 x 150 x 50 mm para perfis enrijecidos.
Aços para concreto armado e concreto protendido:
Os aços para concreto armado e protendido, assim como protendido, não é o tema principal deste trabalho, então vamos apenas apresenta-los.
São eles:
CA– aços para concreto armado 
CP – aços para concreto protendido Cordoalhas – cabos de aço CP para proteção.
CA- Os aços para concreto armado estão disponíveis em 3 classes: CA -25, CA-50 e CA-60
CA-25 - Os Vergalhões CA-25 são barras ou fios de aço com superfície lisa com tensão de escoamento de 250 MPa.
CA- 50 – os vergalhões CA-50 são barras ou fios de aço nervuradas com tensão de escoamento de 500 MPa.
CA – 60 – os vergalhões CA – 60 são barras de aço lisas, nervuradas ou entalhadas com tensão de escoamento de 600 MPa.
Aços CA-50 e CA-60 são usados para fabricação de treliças para lajes treliçadas e outros fins.
CP
Os aços para concreto protendido devem aguentar maior escoamento, visto que sofrem uma pretensão antes das sobrecargas. Encontramos esses aços basicamente com tensão de escoamento de 1900 MPa ( CP – 190) e 2100 MPa ( CP – 210).
A união dessas barras, enroladas, formam as cordoalhas, podendo obter diversos diâmetros.
Tabela Perfis H												
Tabelas perfis I
											
Tabelas perfis U