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Estruturas Metálicas - Aços estruturais

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Aços estruturais
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Entre os materiais de construção, o aço tem uma posição de relevo: combina resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo custo. 
A aplicação dos aços é de extrema importância em todos os campos da engenharia, nas estruturas, sejam fixas, como edifícios, pontes, etc., sejam móveis, na indústria ferroviária, automobilística, naval, aeronáutica, etc. 
Os aços-carbono comuns, simplesmente laminados, sem quaisquer tra-
mentos térmicos, são plenamente satisfatórios e constituem porcentagem considerável dentro do grupo de aços estruturais (cerca de 80%). 
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Em outras aplicações, entretanto, exige-se uma relação resistência/peso mais satisfatória.
É o caso da indústria de transporte onde o equipamento utilizado — caminhões, ônibus, aviões, equipamento ferroviário, equipamento rodoviário, navios, etc. — devido às condições do serviço, deve caracterizar-se por peso relativamente baixo e alta resistência, por estar sujeito a esforços severos e choques repentinos, além de resistência à corrosão adequada. 
Nestas aplicações, os aços indicados são os de baixo teor em liga conhecidos como "de alta resistência e baixo teor de liga".
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Divisão dos aços utilizados em estruturas:
- aços-carbono;
- aços de alta resistência e baixo teor em liga.
Aços carbono para estruturas 
Os requisitos fundamentais a que devem obedecer esses aços são:
- ductilidade e homogeneidade;
- valor satisfatório de limite de escoamento;
- soldabilidade;
- resistência razoável à corrosão.
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Com exceção da resistência à corrosão, todos os outros requisitos são satisfeitos pelos aços-carbono, de baixo a médio carbono, obtidos por laminação, cujos limites de resistência à tração variam de 40 a 50 kgf/mm2 e cujo alongamento gira em torno de 20%.
A ductilidade que esses aços apresentam garante excelente trabalhabilidade em operações tais como corte, furação, dobramento, etc., sem que se originem fissuras ou outros defeitos.
O limite de escoamento, assim como o módulo de elasticidade, são nos aços carbono perfeitamente satisfatórios.
A soldabilidade é uma característica muito importante para esse tipo de material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é comum. Os aços-carbono comuns também satisfazem plenamente esse requisito, pois podem ser soldados sem alteração da estrutura. 
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Finalmente, a resistência à corrosão só é alcançada com adição de pequenos teores de cobre, (da ordem de 0,25%): melhora a propriedade em aproximadamente duas vezes em relação ao mesmo aço sem cobre.
Para a maioria das aplicações estruturais, o teor de carbono desses aços varia de 0,15% a 0,40%, com os outros elementos (Mn, Si, P e S) nos teores considerados normais. 
Nas estruturas, os perfis de aço-carbono utilizados são os mais diversos: barras redondas (inclusive as empregadas em concreto armado), quadradas, hexagonais, ovais, barras chatas, cantoneiras, tês, eles, duplos tês, etc. 
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Os aços de alto carbono — em torno do eutetóide ou mesmo acima —são considerados materiais de natureza e aplicações especiais, pois são utilizados na forma de fios ou barras, geralmente com tratamento térmico particular ou no estado encruado, em estruturas do tipo de pontes pênseis, concreto protendido, cabos, etc. 
Aços de alta resistência e baixo teor em liga 
A tendência moderna no sentido de utilizar estruturas cada vez maiores, tem levado ao emprego de aços cada vez mais resistentes, para evitar o uso de estruturas cada vez mais pesadas. 
Tais considerações não se aplicam somente ao caso de estruturas fixas, (edifícios ou pontes), mas igualmente e principalmente em estruturas móveis, no setor de transportes, onde o maior interesse se concentra na redução do peso da estrutura. 
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Esses aços são de grande utilidade toda a vez que se deseja:
a) 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;
b) melhorar a resistência à corrosão atmosférica. Esse é um fator importante a considerar, porque a utilização de seções mais finas pode significar vida mais curta da estrutura, a não ser que a redução da seção seja acompanhada por um aumento correspondente da resistência à corrosão do material;
c) melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga.
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A trabalhabilidade e a soldabilidade do aço não devem ser muito afetadas, pois as aplicações desses materiais exigem:
a) que os aços possam ser fabricados facilmente e economicamente por deformação mecânica a frio ou a quente, além de poderem sofrer rapidamente deformações e operações tais como dobramento, corte, furação, rebitagem e qualquer tipo de usinagem;
b) que possam ser facilmente soldados pelos processos normais de soldagem, devendo ainda a solda resultante apresentar suficiente resistência e ductilidade, correspondentes pelo menos à do aço comum.
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Os aços alta resistência e baixa liga apresentam sua composição nestas faixas:
C - 0,06 a 0,28%
P - 0,01 a 0,12%
Si - 0,01 a 0,90% 
Mn - 0,35 a 1,60%
Cu - O a 1,25%
Cr - O a 1,80%
Ni - O a 5,25%
Mo - O a 0,65%
Zr - O a 0,12%
Al - O a 0,20%
S - O a 0,03%
Ti - O a 0,05%
B - O a 0,005%
Nb - O a 0,10%
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Função dos elementos:
Carbono — É o principal responsável pelo aumento da resistência mecânica e pela queda da ductilidade, trabalhabilidade, resistência ao choque e soldabilidade. Pelos seus efeitos negativos, é mantido baixo.
Manganês — Atua como o carbono, embora em escala menor. Se dissolve na ferrita e ainda contribui para aumentar a endurecibili-dade, em aços endurecíveis. 
Geralmente, nos aços-liga de alta resistência para estruturas, o manganês aparece em teores mais elevados do que nos aços-carbono estruturais.
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Quando o manganês é introduzido em teores acima de 1%, não há necessidade de adicionar outros elementos de liga com o objetivo de melhorar a resistência mecânica. 
Fósforo - Aumenta a resistência mecânica, mas prejudica a ductilidade do aço, produzindo a chamada "fragilidade a frio" .
O fósforo em quantidades acima do teor considerado normal — isto é, até 0,12% —contribui para melhorar sua resistência à corrosão atmosférica, sobretudo quando o cobre também está presente em pequenas quantidades. 
Do mesmo modo que o carbono e o manganês, o fósforo também melhora o limite de fadiga dos aços, aproximadamente na mesma proporção que o aumento da resistência.
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Silício — Aumenta a resistência mecânica e a resistência à oxidação a temperaturas elevadas. É geralmente mantido baixo, adicionado nas quantidades suficientes para acalmar os aços.
Cobre — Seu principal efeito é melhorar a resistência à corrosão atmosférica do aço; tal efeito é mais acentuado pelo aumento simultâneo do teor de fósforo. 
O cobre exerce ainda considerável influência na resistência mecânica do aço, aumentando-a apreciavelmente, com somente ligeiro decréscimo da ductilidade. Para isso é preciso que o seu teor seja superior a 0,60%. 
Nos aços com cobre relativamente alto — acima de 1,0% e mais acentuadamente na faixa entre 1,20% e 1,50% — ocorre o fenômeno de "endurecimento por precipitação".
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Cromo — Em teores baixos aumenta a resistência, a tenacidade e resistência ao choque do aço. Em teores mais elevados, aumenta a resistência ao desgaste, por formar carbonetos duros. 
Geralmente é associado ao níquel e ao cobre, quando também melhora a resistência à corrosão atmosférica.
Níquel — A introdução do níquel beneficia o aço no sentido da melhora das suas propriedades mecânicas, da resistência à corrosão, além de refinar o grão.
 
Sob o ponto de vista de resistência à corrosão atmosférica, o níquel é quase tão benéfico quanto o cobre. 
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De fato, quando o aço está sendo aquecido para
a laminação, a uma temperatura que é geralmente superior à de fusão do cobre, se este metal estiver presente, pode fundir e penetrar nos seus contornos de grão, causando fissuras por ocasião do trabalho mecânico. 
Tal fenômeno limita as adições de cobre a 0,40%-0,50%, a não ser que se tomem cuidados especiais no aquecimento, e que um teor de cobre mais elevado seja acompanhado pela introdução de níquel, em quantidade de pelo menos um terço da do cobre. 
O níquel liga-se ao cobre e o composto formado é de ponto de fusão mais alto, mantendo-se sólido durante o aquecimento do aço para a laminação, evitando-se assim sua penetração nos contornos dos grãos.
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Molibdênio — Além de aumentar a resistência mecânica, sua ação é de melhorar as propriedades a temperaturas mais elevadas.
Zircônio — É eventualmente adicionado para desoxidar, atuando igualmente no sentido de garantir granulação fina.
Alumínio — Utilizado para desoxidar e refinar o grão. De todos os elementos de liga, é considerado o mais eficiente para controlar o crescimento de grão.
Vanádio — Aumenta a resistência dos aços considerados, porque fortalece a ferrita por endurecimento por precipitação. O endurecimento mencionado deve-se à precipitação de carboneto e de nitreto de vanádio na ferrita.
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Nitrogênio — Até cerca de 0,2% atua, de modo econômico, para melhorar a resistência mecânica. Junto com o vanádio promove o endurecimento por precipitação.
Nióbio — Pequenos teores de nióbio elevam o limite de escoamento do aço e, em menor proporção, o limite de resistência à tração. Com 0,02% de nióbio, esse incremento do limite de escoamento pode ser da ordem de 7 a 10,5 kgf/mm2.
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Esses aços são geralmente fornecidos no estado laminado a quente ou a frio e recozidos ou normalizados. Sua utilização é feita, geralmente, sem necessidade de qualquer outro tratamento térmico.
Alguns tipos são tratados por têmpera e revenido ou por endurecimento por precipitação.
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Esses aços, pertencendo à categoria de aços estruturais, encontram seu principal campo de aplicação nos setores de transporte, incluindo o automobilístico e o ferroviário, e construção civil.
No primeiro caso, o interesse reside no fato de que, na construção do equipamento de transporte, podem ser adotadas as duas soluções seguintes:
— redução das dimensões dos perfis das peças, com conseqüente redução do peso das estruturas de transporte, principalmente para transporte de carga;
— aumento da capacidade de carga e da vida do equipamento de transporte, sem decréscimo do peso, mas com melhora da resistência mecânica e da resistência à corrosão atmosférica.
Tais soluções podem aplicar-se não só ao equipamento de transporte ferroviário, como também em transporte rodoviário, em equipamento pesado para movimento de terras e outras aplicações de maquinário para construção.
Aplicações
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O segundo setor mencionado — da engenharia civil — compreende a construção de edifícios, pontes, torres metálicas e estruturas análogas. 
O cálculo das estruturas é feito dividindo-se um valor relativo à resistência mecânica — limite de escoamento geralmente — por um conveniente fator de segurança. 
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A vantagem inicial, é a economia de peso, pois 2/3 de aço de alta resistência são necessários para conferir à estrutura a mesma resistência de um aço-carbono comum.
Convém lembrar a característica de boa soldabilidade que esses aços apresentam, podendo ser prontamente soldados pelos processos a arco, a resistência, ou a gás, sem qualquer endurecimento prejudicial, desde que o carbono seja mantido abaixo de 0,20-0,25%.
Finalmente, a resistência à corrosão é bem superior à dos aços-carbono para estruturas.
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Conclusões
A maioria das aplicações comuns da engenharia requer aços estruturais de custo moderado e resistência mecânica razoável; tais requisitos são preenchidos satisfatoriamente pelos aços-carbono comuns.
Para melhores propriedades mecânicas e certa resistência à corrosão atmosférica, são utilizados os chamados "aços de alta resistência e baixo teor em liga" que se caracterizam pela presença em teores relativamente baixos dos elementos cobre, níquel, cromo e molibdênio principalmente, além da elevação acima das porcentagens normais dos elementos fósforo, silício e manganês, procurando-se manter sempre o teor de carbono a níveis relativamente baixos.
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Alta resistência mecânica e superior resistência à corrosão permitem:
projetar a estrutura com a mesma vida que a do aço comum, com apreciável redução do seu peso;
projetar a estrutura com o mesmo peso que a de aço-carbono, mas com maior resistência e vida mais longa;
projetar a estrutura com o menor peso que assegure as maiores vantagens econômicas, mas com o risco de se obter uma vida mais curta.
Essas características tornam esses tipos de aços de emprego importante nas estruturas do tipo móvel, tais como vagões de passageiros e carga, reboques, caminhões, ônibus, navios, botes e lanchas, além do equipamento utilizado em manuseio de carga, construção de estradas, mineração, etc. Além dessas, outras aplicações desses tipos de aços incluem estruturas de pontes, reservatórios, máquinas agrícolas etc.

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