Aula Unidade 5 Metais

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Materiais de Construção I
Profa. M.Sc. Maria Letícia C. L. Beinichis
Curso – Engenharia Civil
Unidade 5 – Materiais Metálicos
05.01 – Aço e ferros fundidos;
05.02 – Tratamento de aço e ferro fundidos;
05.03 – Ensaio de tração;
05.04 – Aço para construção civil;
05.05 – Ferragens para construção civil;
05.06 – Atividade prática em laboratório.
Conteúdo Programático
Encontramos materiais metálicos na construção civil desde a armadura do concreto até cobertas, pisos, esquadrias, revestimentos, como elemento estrutural e de decoração.
Os principais Materiais Metálicos utilizados na arquitetura são o aço – elemento estrutural e esquadrias, e o alumínio – esquadrias e elementos de decoração, porém outros como cobre, bronze, zinco e metais ferrosos também são utilizados.
Materiais Metálicos
Há indícios da utilização de Materiais Metálicos a cerca de 4.000 e 5.000 anos a.C. Provavelmente sua descoberta tenha sido casual, a partir de um incêndio, por exemplo, onde se identificou sua existência e algumas características próprias para o uso comum.
O cobre foi o primeiro metal a ser utilizado na fabricação de armas e ferramentas, em substituição à madeira e à pedra.
Materiais Metálicos
Porém, é apenas no século XIX que surge a Metalurgia, arte e ciência que estuda os Materiais Metálicos e suas ligas a partir dos minerais, de sua elaboração e de seu tratamento.
Inicialmente os Materiais Metálicos eram aplicados em detalhes ou como elemento de proteção das edificações.
Materiais Metálicos
O primeiro material metálico, ou seja siderúrgico, empregado na construção civil no mundo foi o ferro fundido, entre 1780 e 1820, para construção de pontes em arco ou treliças. 
Materiais Metálicos
Ponte Coalbrookdale,
Inglaterra (1779)
Vão 30m
Ponte Wearmouth, 
Inglaterra (1796) . reconstruída em 1929
Vão 70m
Em edificações, a utilização de estruturas metálicas ficou mais intensa a partir da execução da cúpula de ferro fundido do Mercado do Trigo em Paris (1802), depois que a cúpula original em madeira foi destruída em um incêndio. 
Materiais Metálicos
Materiais Metálicos
A partir do século XIX o ferro fundido é substituído pelo ferro laminado (ou ferro forjado). Passou a ser utilizado em conjunto com o vidro, como material construtivo, amplamente empregado em edifícios públicos, mercados, estações de trens, galerias, etc.
Estação de trem que se tornou o museu D’Orsay.
Paris
Materiais Metálicos
Galeria Lafayette
Paris
O uso do ferro laminado estava, principalmente, em pontes ferroviárias em treliças. Mesmo assim, em virtude do elevado número de acidentes, outras ligas metálicas precisavam ser estudadas.
Os primeiros fornos para produção do aço em larga escala surgiram na Inglaterra, entre 1860 e 1870. A partir daí o aço rapidamente substituiu o ferro fundido e laminado na indústria da construção.
Viaduto de Garabit – Sul da França.
Construído por G. Eifflel (1884)
Ponte Firth of Forth, Escócia. (1890)
Recorde mundial de vão livre – 521m
Materiais Metálicos
No Brasil, a primeira obra em estrutura metálica, a ponte sobre o rio Parnaíba do Sul, no Rio de Janeiro, foi inaugurada em 1857.
Materiais Metálicos
Ponte sobre rio Parnaíba do Sul
Rio de Janeiro, Brasil (1857)
A indústria siderúrgica brasileira foi implantada com a construção da Usina Presidente Vargas da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), após a 2ª Guerra Mundial. 
O primeiro edifício alto em estrutura metálica foi o Edifício Avenida Central, no Rio de Janeiro (1961). Um marco é a ponte Rio-Niteroi, com vão central metálico de 300m, recorde mundial em viga reta.
Edifício Avenida Central.
Rio de Janeiro, 1961.
Materiais Metálicos
Materiais Metálicos
Em química, metal é um elemento, substância ou liga encontrado como cristal ou agregado de cristais em estado sólido, com as seguintes propriedades.
Tenacidade – suportam cargas elevadas e bruscas sem romper;
Dúcteis – se deformam antes do rompimento;
Dureza – possuem elevada resistência à abrasão;
Maleáveis – podem adquirir formas diversas;
Resistência mecânica – tração, compressão, flexão e torção.
Materiais Metálicos
Metalurgia é a ciência que estuda o processo de fabricação do metal para utilização geral, quer seja na construção civil ou não. Ela tem início na mineração – extração do minério puro das jazidas, e conclusão na fabricação das peças metálicas. Entre o início e fim há um conjunto de procedimentos e técnicas de fabricação, fundição e tratamento desse metal.
Ligas metálicas são misturas de Materiais Metálicos cujo objetivo é melhorar as propriedades dos Materiais Metálicos puros. Alguns exemplos de Materiais Metálicos adicionados que formam ligas metálicas:
Silício – melhora resistência elétrica e aumenta a fragilidade;
Níquel – melhora a ductibilidade;
Cobre – melhora a resistência à corrosão;
Materiais Metálicos
Origem dos materiais metálicos
Minerais são os metais encontrados diretamente na natureza ou na forma combinada com outros elementos.
Minérios são minerais dos quais é possível extrair os metais. Os metais podem estar puros em alguns minérios ou serem misturas de vários metais ou ainda metais e impurezas.
Jazida ou depósito é a massa de minérios ou misturas de minérios existentes na superfície ou no interior da Terra com possibilidade de exploração econômica.
Materiais Metálicos
Obtenção dos metais
Aço
Liga metálica constituída eminentemente de ferro e carbono, obtido do refino de ferro-gusa em equipamentos próprios. Ferro-gusa, ou apenas gusa, é o produto da primeira fusão do minério de ferro.
As matérias-primas básicas para produção do aço são minério de ferro e carvão coque. A esses produtos é adicionado o calcário, com função específica de retira impurezas. O uso do minério se deve ao fato do ferro ser dificilmente encontrado puro na natureza.
Materiais Metálicos
Menores dimensões e peso das peças;
Liberdade no projeto e facilidade para cumprir vãos de grandes dimensões;
Precisão no dimensionamento dos componentes estruturais, bem como na locação dos elementos;
Facilidade de montagem e menor preço de transporte que o Concreto Armado pré-moldado;
Permite acréscimos e reforços sem muito dificuldade;
Permite desmontagem para reuso ou venda como sucata;
Limpeza da obra;
Rapidez na execução da etapa estrutural.
Materiais Metálicos
Vantagens do uso do aço
Desvantagens do uso do aço
Materiais Metálicos
Exige maior conservação que o C.A.
Exige maior especialização da mão-de-obra de montagem, elevando os custos.
Exige proteção contra incêndio, aumentando os custos.
Estrutura de aço é mais onerosa que o C.A.
ELASTICIDADE: capacidade do material voltar ao comprimento inicial, após sucessivos ciclos de carregamento/descarregamento.
PLASTICIDADE: deformação permanente do material, provocada por tensão igual ou superior ao limite de escoamento.
DUCTILIDADE: capacidade do material se deformar, sobre, tensão, sem se romper.
FRAGILIDADE: é o rompimento do material sem que haja deformação.
TENACIDADE: capacidade do material absorver energia, com deformação elástica e plástica, quando submetido a carga de impacto.
RESILIÊNCIA: capacidade do material absorver energia, com deformação elástica, quando submetido a carga de impacto.
FADIGA: é a resistência a ruptura do material quando submetido a uma carga dinâmica. Normalmente, o valo da resistência a fadiga é inferior ao da resistência a tração.
Materiais Metálicos
Propriedades Mecânicas
Materiais Metálicos
Antes de iniciar a produção do aço, o carvão mineral é queimado na coqueria e transformado em blocos denominados coque ou carvão coque. Por sua vez, para transformar o minério em ferro é necessário queimá-lo, em alto forno, com quantidades pré-definidas de minério, coque e calcário.
Preparo das matérias-primas.
Produção do ferro gusa (alto forno).
Produção do aço ( aciaria).
Conformação mecânica (laminação)
Laminação é o processo onde o aço é efetivamente transformado em barras, chapas,
fios ou perfis de aço.
Materiais Metálicos
Principais tipos de aço
Aço inoxidável – elevada resistência à corrosão, abrasão e dureza, além do quesito estético. São ligas metálicas com alto teor cromo e níquel.
Aço especiais – resistente à corrosão.
Aços estruturais – utilizados em estruturas metálicas e como composição do concreto armado
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aços estruturais são todos os aços que, em função de sua resistência e demais propriedades, são adequados para utilização em elementos que suportam cargas. 
São eles:
Aço-carbono
Aço de baixa liga (ou patináveis)
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aço-carbono
Tipo de aço mais utilizado, pois, o aumento de teor de carbono no ferro fundido eleva a resistência. Em contrapartida, diminui sua capacidade de se deformar (ductibilidade), o que prejudica no processo de solda.
Tipos de aço-carbono
Tipode aço
Resistênciamecânica
Limite de escoamentofy(MPa)
Resistência à rupturafu(MPa)
ABNT MR250
Média
250
400
AR350
Alta
350
450
AR-COR415 (resistenteà corrosão)
Alta
415
520
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aço-carbono
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aço-carbono
As estruturas em concreto armado e protendido utilizam o aço carbono em sua composição.
Aços laminados a quente com resfriamento natural – CA25 e CA32
Aços de ligas especiais laminados a quentes e temperados – CA 50A e 60A. Os aços 50B e 60B são mais baratos e laminados a quente, porém encruados a frio.
Aços para protensão – CP 80 à CP160, conforme definição de resistência em projeto.
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aço de baixa liga (patinável, ou comercialmente aço Corten)
Tipo de aço com baixo teor de carbono e com adição de elementos de liga que melhoram algumas propriedades, dentre elas, a resistência à corrosão e resistência mecânica. Sua coloração marrom escura é função da exposição do material à atmosfera (frequência com que se molha e seca)
Materiais Metálicos
Classificação dos aços estruturais
Aço de baixa liga (patinável)
Utilização
Na engenharia civil sua principal utilização é em torres de transmissão. Na arquitetura, em estruturas de edifícios comerciais e residenciais.
Pode ser disposto com ou sem revestimento. Quando não há revestimento, é formada sob sua superfície uma pátina (camada de óxido protetor), que confere proteção anticorrosiva.
É possível utilizar aço patinável sem revestimento:
Atmosfera industrial não muito agressiva;
Área rural;
Área marítima, distante mais de 600 m da orla.
Deve haver revestimento, pintura para a estrutura em aço patinável :
Atmosfera industrial altamente agressiva;
Área marinha severa ou moderada (distância até 600m da orla).
Materiais Metálicos
Aplicações do aço
Materiais Metálicos
Aplicações do aço
Materiais Metálicos
Alumínio
Um dos Materiais Metálicos mais jovens tem uso em escala industrial, o alumínio é o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre. 
Cronologicamente temos a evolução do alumínio.
Materiais Metálicos
Alumínio
Cronologia
Materiais Metálicos
Alumínio
Cronologia
A primeira empresa beneficiadora do alumínio foi a Companhia Paulista de Artefatos de Alumínio, que registrou a marca Rochedo, datada de 1917. 
Materiais Metálicos
A produção fabril, entretanto, só teve início a partir dos anos 50. Nesta década a Elquisa foi adquirida pela Aluminium Limited do Canada – Alcan, tornando-se a 1ª empresa multinacional a participar do mercado brasileiro.
Alumínio - Fabricação
Obtido da mineração da bauxita, seguida de refinação e redução, o alumínio não é um tipo de minério encontrado livremente na natureza. 
Materiais Metálicos
Alumínio - Fabricação
Uma das grandes vantagens desse metal é poder se transformado com facilidade, ou seja, pode ser laminado, forjado ou impactado para gerar chapas, perfis de diferentes seções e comprimentos, vergalhões, fios e, para a maioria das peças, sem necessidade de revestimento de proteção. Também é material infinitamente reciclável.
São características do metal:
Leveza;
Elevada condutibilidade;
Durabilidade;
Maleabilidade e soldabilidade;
Resistência à corrosão e dureza;
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Esquadrias – leveza, versatilidade e durabilidade. 
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Coberturas – as telhas apresentam boa refletividade e condutividade térmica, o que favorece o conforto térmico. Possui acabamento natural, pintado ou envernizado.
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Estrutura – o alumínio puro possui resistência mecânica limitada, porém quando à ele são adicionadas ligas de cobre, magnésio, silício e zinco, sua resistência e durabilidade aumentam, podendo ser utilizada como elemento estrutural.
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Revestimento – em chapas e/ou perfis, podendo ser aplicado em ambientes internos e fachadas, em função da sua durabilidade e versátil.
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Revestimento – perfis de alumínio.
Materiais Metálicos
Alumínio – Produtos
Área elétrica – composição de fios e cabos. O alumínio possui alta condutibilidade e resistência à altas temperaturas, sem perda de suas propriedades físicas.
Materiais Metálicos
Alumínio – Tipos de acabamentos
Natural
Brilhante
Anodizado fosco
Anodizado colorido
Envernizado
Pintado com tinta a base de poliéster
Materiais Metálicos
Cobre
A palavra cobre deriva de cuprum que significa metal da ilha de Chipre, onde foi descoberto em estado natural durante a Antiguidade. O cobre foi, historicamente, o primeiro metal a ser minerado e forjado pelo homem. Sua obtenção a partir da extração direta da jazida e abundância na natureza tornaram esse metal tão importante a ponto de ter uma era demarcada como Era do Cobre e Bronze
Materiais Metálicos
A metalurgia desse metal iniciou-se por volta de 5.000 a.C. e, posteriormente, surgiram as primeiras ligas com outros Materiais Metálicos, como o estanho, que deu origem ao bronze.
Cobre – Fabricação
O cobre é encontrada na natureza em filões, ou seja, depósitos de rochas. O minério extraído é moído, lavado e por flotação, processo em que o metal é pulverizado na presença de um óleo que o envolve, ele é separado dos elementos sulfurados. 
Em seguida o metal passa pelas etapas de:
Calcinação – queima para eliminação do enxofre e oxigênio;
Fusão para obtenção de massa com cerca de 25 a 45% de cobre;
Refinação da massa para obtenção do cobre bruto;
Refinação do cobre bruto.
Materiais Metálicos
Cobre – Aplicação
A principal aplicação do cobre está no campo da eletricidade. Mais de 60% do cobre refinado consumido no mundo destina-se a confecção de arames e cabos.
Podemos encontrar o cobre ainda em:
Instalações de água e aquecimento, calhas e condutores de águas pluviais;
Revestimento de coberturas e fachadas;
Revestimento de interiores
Peças ornamentais, esculturas, equipamentos e utensílios domésticos.
Materiais Metálicos
Cobre – Aplicação
Materiais Metálicos
Bronze 
Obtido a partir de uma liga de 85 a 95% de cobre e de 5 a 15% de estanho, o bronze é um metal que apresenta boa resistência à oxidação dureza e flexibilidade.
O uso do bronze data de 6 milênios atrás e corresponde à Idade ou Era do Bronze. 
Possui características acústicas e de geração de ondas puras, o que o torna excelente metal para fabricação de instrumentos musicais e de sopro.
Materiais Metálicos
Bronze - Aplicação
Na construção civil o bronze é utilizado principalmente em peças de esculturas (elemento de decoração), torneiras e dobradiças.
Materiais Metálicos
Patologias
A principal patologia referente aos materiais metálicos é a corrosão.
Materiais Metálicos
Corrosão é o conjunto de reações entre um material (usualmente um metal) e seu ambiente, que produz deterioração do material e de suas propriedades.
Materiais Metálicos
O que
afeta a velocidade de corrosão é:
Tempo de umedecimento
Poluentes atmosféficos
Presença de cloretos e dióxidos de enxofre
Agressividade ambiental - (ISO 9223:1992)
Materiais Metálicos
Classificação dos ambientes
Materiais Metálicos
Como controlar a corrosão
Materiais Metálicos
O detalhamento do projeto deve garantir a aplicação do sistema de proteção e não promover a corrosão.
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Tratamento de frestas e retenção de água na estrutura
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Deve-se evitar a retenção de água sobre a estrutura
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Deve-se evitar a retenção de água sobre a estrutura
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Tratamento de arestas
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Corrosão galvânica – ocorre no contato entre dois materiais de constituição diferente. 
Parafusos, porcas, rebites e peça metálica.
Materiais Metálicos
Materiais Metálicos
Detalhamento de projeto
Corrosão galvânica
Revestimentos Protetores
Pintura
A preparação da superfície para aplicação de proteção física, como a pintura, é vital para maximizar a vida da peça metálica.
Nenhuma proteção física será boa o suficiente se aplicada sobre base inadequada.
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Tipos de Pintura – Proteção por barreira
Pinturas poliuretânicas
Indicada para aço carbono, concreto e madeira. Pode ser utilizada como primer, camada intermediária ou acabamento.
Características:
Secagem ao ar.
Alta impermeabilidade.
Alta resistência química.
Flexibilidade, dureza e aderência.
Preço elevado.
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Tipos de Pintura – Proteção por barreira
Pinturas Epoxídicas
Indicada para aço carbono e galvanizado, concreto, fibra de vidro. Pode ser utilizada como primer, camada intermediária ou acabamento.
Características:
Secagem ao ar.
Alta resistência química.
Flexibilidade e aderência.
Resistência a solventes.
Preço mais elevado.
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Tipos de Pintura – Proteção por barreira
Pinturas Alquídicas
Indicada para interiores secos e abrigados, exteriores não poluídos e pintura predial – portas, esquadrias, janelas de madeira ou aço.
Características:
Secagem ao ar
Baixo custo inicial
Fácil aplicação
Baixa resistência a altas umidades e imersão em água, meio alcalino, solventes fortes e produtos químicos.
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Escolha do Tipo de Pintura
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Escolha do Tipo de Pintura
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Galvanização
É o processo de revestimento de um metal por outro a fim de protegê-lo contra a corrosão ou melhorar sua aparência. Trata-se de um processo de revestimento de superfícies por meio da eletrólise  onde o metal a ser revestido funciona como cátodo e o metal que irá revestir a peça funciona como o ânodo (também pode ser utilizado como ânodo algum material inerte).
Galvanização a quente
Tratamento anticorrosivo, através da aplicação de zinco fundido, formando uma camada protetora com espessura mínima de 60 microns.
Indicada para superfícies de ferro em regiões litorâneas ou locais sujeitos à atmosfera corrosiva (NBR 6181) e superfícies de ferro em áreas externas, sujeitas a intempéries (tais como: gradis, portões, alambrados, postes, etc.).
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Galvanização a Quente
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Galvanização a Quente
Materiais Metálicos
Revestimentos Protetores
Galvanização a Frio
Tratamento anticorrosivo, através da aplicação, a pincel, de um produto composto de zinco.
Materiais Metálicos
Indicado  para frigoríficos por resistir à ação corrosiva de sangue e à grande variação de temperatura. Proteção de estruturas metálicas ao ar livre (Torres, Plataformas Marítimas, Tanques e Silos, Antenas, Portões - Resiste à urina). Ideal para superfícies enterradas ou submersas