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Materiais de Construção METAIS série MATERIAIS joão guerra martins alberto marinho pereira 3.ª edição / 2006

Apresentação

Este texto resulta inicialmente do trabalho de aplicação realizado pelos alunos da disciplina de Materiais de Construção I do curso de Engenharia Civil, sendo baseado no esforço daqueles que frequentaram a disciplina no ano lectivo de 1999/2000, vindo a ser anualmente melhorado e actualizado pelos cursos seguintes, não tendo qualquer outro objectivo para além do restritamente académico, sendo excluída, liminarmente, qualquer futura utilização para fins comerciais.

No final do processo de pesquisa e compilação, o presente documento acaba por ser, genericamente, o repositório da Monografia do Eng.º Alberto Pereira que, partindo do trabalho acima identificado, o reviu totalmente, reorganizando, contraindo e aumentando em função dos muitos acertos que o mesmo carecia.

Pretende, contudo, o seu teor evoluir permanentemente, no sentido de responder quer à especificidade dos cursos da UFP, como contrair-se ainda mais ao que se julga pertinente e alargarse ao que se pensa omitido.

Esta sebenta insere-se num conjunto que perfaz o total do programa da disciplina, existindo uma por cada um dos temas base do mesmo, ou seja:

I. Metais I. Pedras naturais I. Ligantes IV. Argamassas V. Betões VI. Aglomerados VII. Produtos cerâmicos VIII. Madeiras

IX. Derivados de Madeira X. Vidros XI. Plásticos XII. Tintas, ceras e vernizes XIII. Colas e mastiques

Embora o texto tenha sido revisto, esta versão não é considerada definitiva, sendo de supor a existência de erros e imprecisões. Conta-se não só com uma crítica atenta, como com todos os contributos técnicos que possam ser endereçados. Ambos se aceitam e agradecem.

João Guerra Martins

Os Metais na Construção Civil

ÍNDICE GERAL2
ÍNDICE DE FIGURAS5
ÍNDICE DE TABELAS7
INTRODUÇÃO8
INTRODUÇÃO8
1. PROPRIEDADES10
1.1. PROPRIEDADES GERAIS10
1.2. PROPRIEDADES MECÂNICAS1
1.2.1. Tensão12
1.2.2. Deformação12
1.2.3. Falha de um material12
1.2.4. Fractura12
1.2.5. Resistência estática12
1.2.6. Resistência à tracção13
1.2.7. Resistência à compressão13
1.2.8. Resistência à flexão, torção e outros esforços isolados ou combinados13
1.2.9. Módulo de elasticidade14
1.2.10. Deformação plástica14
1.2.1. Tenacidade14
1.2.12. Flexibilidade15
1.2.13. Elasticidade15
1.2.14. Plasticidade15
1.2.15. Ductilidade15
1.2.16. Maleabilidade16
1.2.17. Friabilidade16
1.2.18. Fusibilidade16
1.2.19. Resistência à fadiga17
1.2.20. Dureza17
1.2.21. Resistência ao desgaste17
1.2.2. Resistência a danos17
1.2.23. Relaxação18
1.2.24. Fluência18
1.2.25. Coeficiente de dilatação térmico18
1.3. PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS18
1.3.1. Aspecto/textura18
1.3.2. Cor19
1.3.3. Brilho19
1.3.4. Densidade19
1.3.5. Sensibilidade19
1.3.6. Durabilidade20
1.3.7. Propriedades eléctricas e magnéticas20
1.3.8. Propriedades térmicas20
1.3.9. Propriedades acústicas21
1.3.10. Propriedades químicas21
2. METAIS FERROSOS2
2.1. O FERRO2
2.1.1. Propriedades Químicas24
2.1.2. Propriedades Físicas26
2.1.3. Usos e Aplicações - Ferro27
2.2. O AÇO28
2.2.1. Fabrico do aço28
2.2.2. Tratamentos do Aço (térmicos, mecânicos e químicos)36

Os Metais na Construção Civil

2.2.4. Estudo das deformações do aço4
2.2.5. Aços inoxidáveis63
2.2.6. Protecção dos aços contra a corrosão68
2.2.7. Protecção dos aços contra o fogo80
2.2.8. Tipos de ligações nas peças de aço81
2.2.9. Síntese de avarias em ferro e aços100
3. METAIS NÃO FERROSOS102
3.1. ALUMÍNIO102
Características e propriedadesErro! Marcador não definido.
3.1.1. Características102
3.1.2. Tecnologia de fabrico103
3.1.3. Tecnologia de transformação104
3.1.4. Tecnologia de tratamento105
3.1.5. Anodização106
Decapagem e acetinagemErro! Marcador não definido.
Decapagem alcalinaErro! Marcador não definido.
Acetinagem químicaErro! Marcador não definido.
Ácido nítricoErro! Marcador não definido.
3.1.6. Tecnologia da FundiçãoErro! Marcador não definido.
CONFORMAÇÃOERRO! MARCADOR NÃO DEFINIDO.
FUNDIÇÃOERRO! MARCADOR NÃO DEFINIDO.
USINAGEMERRO! MARCADOR NÃO DEFINIDO.
3.1.7. Tecnologia da PulverometriaErro! Marcador não definido.
3.1.8. Controle e garantia107
3.1.9. Controlo de qualidade107
3.2.0. Termolacagem108
3.3. COBRE1
3.4. ZINCO112
3.5. CHUMBO113
3.6. ESTANHO114
3.7. CÁDMIO115
3.8. MERCÚRIO115
3.9. NÍQUEL116
4.0. COBALTO116
3.10. ANTIMÓNIO116
3.1. BISMUTO16
3.12. PRATA117
3.13. OURO117
3.14. PLATINA117
3.15. IRÍDIO118
3.16. RÓDIO118
3.17. RUTÉNIO118
3.18. ÓSMIO118
3.19. PALÁDIO118
3.20. MAGNÉSIO119
3.21. CRÓMIO119
3.2. MANGANÉS119
3.23. TUNGSTÉNIO119
3.24. MOLIBDÉNIO119
3.25. TÂNTALO120
3.26. TITÂNIO120
3.27. LIGAS METÁLICAS120
3.27.1. Latão121
3.27.2. Bronze121
3.27.3. Alumínio122
BIBLIOGRAFIA123

Os Metais na Construção Civil

ANEXO I - Vantagens do aço na Construção Civil138
ANEXO I – Algumas aplicações dos aços na construção civil142
ANEXO I – Algumas notas sobre METAIS NÃO FERROSOS157
ALUMÍNIO157
Alumínio anodizado167
Alumínio lacado167
COBRE168
O Cobre e suas Ligas170
ZINCO179

Os Metais na Construção Civil

Figura 1 – Ferro: Vista sobre chapas de amostra24
Figura 2 - Estrutura Cristalográfica do Ferro: Cúbico de corpo centrado27
Figura 3 - Produção de Aço35
Figura 4 – Estiramento40
Figura 5 – Relação ente tenacidade e resilência num aço macio e num de alta resistência41
Figura 6 – Relação ente tensão e deformação em função da percentagem de carbono43
Figura 7 – Relação figurativa entre dimensões de uma peça e a sua esbelteza45
Figura 8 – Exemplo de um caso de perda de equilíbrio por esforço axial de compressão45
Figura 9 – Provete de ensaio mecânico de resistência46
Figura 10 – Provete preparado para ensaio de resistência46
Figura 1 – Diagrama de forças/deslocamentos de um aço47
Figura 12 – Diagrama força-deslocamento em fase elástica pura (Limite de Proporcionalidade)48
Figura 13 – Rotura do provete49
Figura 14 – Diagrama tensões-deformações50
Figura 15 – Colo de estricção50
Figura 16 - Oscilações devidas a reacções da máquina à mudança de comportamento do provete51
Figura 17 – Significado gráfico do Módulo de Elasticidade52
Figura 18 – Configuração do troço CD (oscilações devidas a reacções da máquina de ensaios)52
Figura 19 – Diagrama tensões-deformações de um aço macio53
Figura 20 – Relações tensões-deformações (σ-ε) para um aço duro56
Figura 21 – Pontos notáveis das relações tensões-deformações para um aço duro57
Figura 2 – Endurecimento58
Figura 23 – Ensaios de dobragem59
Figura 24 – Relaxação de tensões60
Figura 25 - St. Louis Arch – Arq.º Eero Saarinen64
Figura 26 – Ligação de peças metálicas por rebitagem81
Figura 27 – Pormenor de ligação de peça metálica por rebitagem82
Figura 28 – Sequência de ligação de peça metálica por rebitagem83
Figura 29 – Pormenor do remate de peça metálica por rebitagem83
Figura 30 – Cabos presos a rebites83
Figura 31 – Ligação rebitada em estrutura metálica84
Figura 32 – Ligação aparafusada de base de pilar85
Figura 3 – Ligação aparafusada de guarda corpo85
Figura 34 – Esquema da soldadura oxi-acetilénica86
Figura 35 – Aplicação de soldaduras por eléctrodo revestido86
Figura 36 – Aparelhagem de soldar por eléctrodos revestidos87
Figura 37 – Soldadura TIG esquema de princípio90
Figura 38 - Cordões com solda TIG91

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 39- Esquema de princípio soldadura MIG e MAG....................................................................................93

Os Metais na Construção Civil

Figura 40 – Estrutura soldada e pormenor de cordões de soldadura93
Figura 41 - Soldadura arco submerso94
Figura 42 - Pormenor de soldadura95
Figura 43 - Soldadura por roletes esquema de principio97
Figura 4 - Soldadura por pontos esquema de princípio97
Figura 45 - Operação de soldadura por pontos9
Figura 46 - Perfil de alumínio para aplicação em Janelas102
Figura 47 - Billetes armazenados104
Figura 48 - Perfis simples tubulares anodizados para andaimes em alumínio107
Figura 49 - Pormenor de um perfil de alumínio termolacado de uma persiana fixa108
Figura 50 - Secção de uma caixilharia em alumínio lacado110
Figura 51 - Chapa de aço zincada de perfil sinusoidal113
Figura 52 - Museu Guggenheim em Bilbau120
Figura 53 - Formas comuns de rebites143
Figura 54 - Exemplos de perfis em aço144
Figura 5 - Vigas de aço preparadas para montagem145
Figura 56 - Cúpula executada com combinação de perfis145
Figura 57 - Exemplo das possibilidades construtivas com perfis metálicas145
Figura 58 - Pormenores de encaixe de perfis tubulares simples (sistema de andaimes)147
Figura 59 - Pormenores de encaixe de perfis tubulares simples (sistema de andaimes)147
Figura 60 - Configuração geométrica da superfície dos varões nervurados148
Figura 61 - Varões de aço para betão: diagramas tensões-deformações149
Figura 62 - Rolos de armaduras electro-soldadas151
Figura 63 - Reforço de pavimento com armadura tipo “Malhasol”152
Figura 64 - Deformação de uma viga para uma carga pontual centrada152
Figura 65 - Secção de um cabo de pré-esforço153
Figura 6 - Diagrama de tensões-deformações modificado para aço trefilado154

6 Figura 67 - Aplicações de estruturas em aço.......................................................................................................155

Os Metais na Construção Civil

Tabela 1 – Ferro / Química25
Tabela 2 - Ferro / FísicaErro! Marcador não definido.
Tabela 3 - Ferro / Energias26
Tabela 4 – Aplicação dos Aços em função do teor de Carbono43
Tabela 5 – Comparação entre Aços Macios e Aços Duros57
Tabela 6 – Comparação entre Ensaios Destrutivos e não Destrutivos63
Tabela 7 – Estruturas aparentes e seus acabamentos71
Tabela 8 – Estruturas submersas e seus acabamentos71
Tabela 9 – Chapas de piso e seus acabamentos72
Tabela 10 – Resumo comparativo de processos de soldadura98
Tabela 1 – Tipos e causas de deterioração em metais101

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 12 – Características dos aços (tensões-deformações).............................................................................. 149

Os Metais na Construção Civil

A evolução cientifico - metalúrgica dos dias de hoje faz-nos deparar com metais cujas propriedades não se encaixam na classificação tradicional (dúcteis, bons condutores e relativamente pesados), como é o caso das ligas metálicas leves, dos metais orgânicos ou dos compósitos.

No entanto, a consequência do desenvolvimento da ciência e engenharia dos metais não é apenas a sua simples implementação, mas também a introdução de novas técnicas de aplicação e acrescidos resultados de exploração, tais como: alteração cirúrgica das suas propriedades, como é o caso da resistência ao desgaste, à corrosão e à oxidação mas não alterando significativamente o seu custo de fabrico.

Muitos destes metais influenciaram tanto o modo de vida das populações que se tornaram indispensáveis ao funcionamento das sociedades modernas.

Há, porém, que ter em conta a selecção racional dos materiais e o modo de processamento tecnológico que deverá ser económico quer em custos, quer em tempo, como na consciência dos aspectos ambiental.

Do ponto de vista organizacional, o texto está dividido em três capítulos fundamentais:

• O primeiro capítulo é dedicado, fundamentalmente, às características dos metais, fazendo referência às propriedades gerais desses materiais, quer estas sejam mecânicas, físicas ou químicas;

• No segundo capítulo são abordados os metais ferrosos, com natural destaque para uma abordagem sobre o Ferro e o Aço;

• No terceiro capítulo são analisados um vasto leque de metais não ferrosos, como o alumínio e o cobre, entre outros.

Na primeira parte, após identificadas as principais propriedades genéricas dos metais, procura-se percorrer os metais mais aplicados em construção civil, efectuando-se uma separação entre as duas principais famílias: metais ferrosos e não ferrosos.

No primeiro grupo encontram-se os dois mais tradicionais e quase desde sempre aplicados nas construções e artefactos construídos pelo Homem: o ferro e o aço. Estudam-se as suas principais propriedades químicas e físicas, bem como as suas principais aplicações. No caso

Os Metais na Construção Civil do aço, elemento actualmente preponderante, analisa-se ainda o seu processo de fabrico do aço, tipos de tratamento (térmicos, mecânicos e químicos), as indicações que se podem retirar do seu comportamento em deformação, as suas ligas (nas quais de destaca o aço inoxidável), métodos de protecção (contra a corrosão e o fogo), tipos de ligações nas peças mais correntes e mesmo uma pequena síntese das avarias mais habituais.

No que trata dos metais não ferrosos mais aplicados, dá-se particular ênfase ao alumínio, dado ser o mais empregue na actualidade nas edificações, não esquecendo outros igualmente importantes, isolados (como o cobre e o zinco) ou ligados (como o latão e o bronze).

Em complemento, adiciona-se ainda um léxico bastante completo sobre esta temática, bem como um anexo sobre as vantagens da adopção do aço na construção civil e outro sobre as suas aplicações nesta actividade industrial

Acredita-se que o trabalho desenvolvido contém informação actualizada, abarcando a os títulos mais importantes do tema. Desta forma, este texto contribuirá para a sensibilização e esclarecimento de soluções, quer na fase de concepção, como na imediata e posterior selecção de produtos aconselháveis para uma correcta utilização dos metais.

Os Metais na Construção Civil

1. PROPRIEDADES

1.1. Propriedades gerais

Os metais são utilizados pela sua capacidade de executar determinadas funções. São largamente utilizados em edifícios como suporte estrutural, para conter e levar líquidos quentes e frios, conduzir electricidade, excluir o ambiente externo (e conter alguns ambientes internos) e para providenciar uma aparência agradável. Em princípio os metais já deviam ser disponíveis na forma e acabamento desejado. Também não deviam apresentar problemas quando é necessário juntá-los. Outros requisitos são o de serem capazes de resistir ao fogo e não serem prejudiciais à saúde.

Uma importante divisão classificativa para os materiais mais correntes utilizados na construção civil é entre o grupo dos dúcteis e dos frágeis:

• Material dúctil é aquele que apresenta grandes deformações antes da rotura (como o aço, o alumínio, o cobre, etc.). O diagrama tensão-deformação dos materiais dúcteis caracteriza-se basicamente por inicialmente apresentar uma zona linear onde existe proporcionalidade entre a tensão e a deformação, sendo a deformação reversível. Numa segunda fase verifica-se um grande aumento de deformação (geralmente muito superior à verificada até ai) com uma variação relativamente pequena da tensão, onde a deformação não é reversível apresentando deformações residuais permanentes. Os diagramas tensão-deformação dos materiais dúcteis, obtidos em ensaios de tracção e de compressão, apresentam as mesmas características, exibindo os mesmos valores das tensões limite de proporcionalidade e de cedência;

Material Dúctil

Deformação

Tensão Material Frágil

Zona recta (relação linear entre tensão e deformação)

Os Metais na Construção Civil

• Material frágil é aquele que se deforma pouco antes da rotura (caso do ferro fundido, do betão, das pedras, do vidro, dos materiais cerâmicos, etc.), ou seja, é um material que fractura praticamente sem previamente sofrer alterações geométricas e superficiais visíveis, tendo como característica o facto de a rotura em tracção se dar com um valor de tensão mais baixo que na compressão. Além disso, o diagrama tensão-deformação dos materiais frágeis caracteriza-se por apresentar uma zona linear menos definida, mais próxima de uma curvatura discreta que vai aumentando gradualmente até à rotura (embora nem sempre assim seja, podendo surgir relações lineares entre tensões e deformações até muito próximo da rotura, mas sempre sem grandes deformações totais). Não apresenta deformações residuais significativas, mesmo após a rotura.

Dado que uma rotura dúctil pressupõe significativas deformações antes do colapso, essa antecipação pode servir como anúncio do eventual futuro acidente, ou seja, um sintoma do estado deficiente da estrutura com eventual indicação da sua próxima fractura (como exemplos temos a fissuração de elemento estruturais ou alvenarias e rebocos; fendas em pavimentos ou flechas excessivas; empenos de caixilharias ou quebra de vidraças; etc.).

Já numa rotura frágil esse alerta não é facilmente aparente, ou muitas vezes sequer minimamente perceptível, conduzindo esta ausência de sinais de alarme a uma situação sempre de temer, pois ocorre sem qualquer aviso.

Esta diferença constitui-se numa das maiores vantagens dos materiais dúcteis sobre os frágeis.

1.2. Propriedades mecânicas

Procede-se à apresentação das principais propriedades mecânicas dos metais, muito embora estas sejam abrangentes da generalidade dos materiais construtivos, com menor ou maior pertinência, aplicam-se com toda a justeza aos agora em análise.

Diga-se que estamos a usar o termo “propriedades” no seu sentido mais lato, pois algumas das entidades apresentadas são, por norma, habitualmente definidas como grandezas e não propriamente como propriedades. A nossa atitude visa a simplificação e a objectividade, sem a perda do rigor formal indispensável.

Os Metais na Construção Civil

1.2.1. Tensão

À grandeza mecânica ou energia que causa ou produz deformação ou fractura de um material dá-se o nome de tensão (σ). Na realidade, a tensão refere-se ás forças inter-atómicas que reagem a uma força externa aplicada.

1.2.2. Deformação

Todos os materiais, sem excepção, deformam-se quando sujeitos a cargas ou forças mecânicas. O valor dessa deformação depende, evidentemente, do tipo de material, das dimensões da peça e do valor das acções solicitantes.

Existem dois tipos básicos de deformação (ε): a deformação elástica, recuperável, e a deformação plástica, não recuperável ou permanente (ainda que parcialmente restaurável se em fase elásto-plástica).

1.2.3. Falha de um material

Existem três condições diferentes sob as quais se pode considerar que um material falhou na sua missão:

¾ Por fractura, ou seja pela separação ou rotura do material; ¾ Por encurvadura ou colapso, como no caso de uma coluna ou pilar sujeita a cargas excessivas (superiores à carga crítica);

¾ Por deformação plástica superior à admissível, mesmo nos casos em que uma determinada deformação plástica ainda é aceitável.

1.2.4. Fractura

A situação final que resulta da aplicação de forças mecânicas e a separação completa ou fractura do material. A fractura pode ser descrita de formas diferentes. O termos dúctil e frágil caracteriza o comportamento do material antes da ocorrência da fractura, conceitos dos quais se falará à frente no texto.

1.2.5. Resistência estática

É a resistência (Fd) que um material apresenta a um ou diversos tipos de esforços exercidos de forma estática, ou seja, admitindo que a acção da carga aplicada não encerra componentes dinâmicas nem de velocidade. No fundo, trata-se de reconhecer que as deformações

Os Metais na Construção Civil produzidas são pequenas, ficando a caracterização da situação limitada à admissão de pequenos deslocamentos.

A resistência como termo em si não é caracterizadora de nenhuma qualidade específica, ela tem que ser relacionada com a acção que a motiva, como uma tracção, uma resistência máxima à flexão, etc. Em termos de elementos estruturais esta pode assumir designações directa segundo os efeitos solicitantes, como resistência ao vento, a movimentos térmicos ou a vibrações (sejam sísmicas, com origem em máquinas ou motivadas pelo trânsito).

1.2.6. Resistência à tracção

A resistência à tracção (Ftd) de um material é a oposição que este exerce a uma solicitação que o tende a deformar na direcção em que é aplicada e no sentido de lhe provocar uma deformação por alongamento.

1.2.7. Resistência à compressão

A resistência à compressão (Fcd) de um material é a oposição que este exerce a uma solicitação que o tende a deformar na direcção em que é aplicada e no sentido de lhe provocar uma deformação por encurtamento. A resistência à compressão de um metal é normalmente semelhante à resistência à tracção, mas de sinal contrário: primeiro ocorre uma deformação elástica à qual se segue uma deformação plástica.

Contudo, e dado que a compressão é o tipo de esforço mais exigente para os materiais, podem-se colocar problemas de instabilidade por encurvadura de secções e elementos, dai que circunstâncias há que nem o limite elástico do material chega a ser atingido, dado que a peça já, entretanto, instabilizou por não linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem do tipo

1.2.8. Resistência à flexão, torção e outros esforços isolados ou combinados

A resistência à flexão, torção e outros esforços, isolados ou combinados, pode sempre decompor-se nos dois elementares que atrás de definiram. Na verdade, os tipos de esforços identificados no parágrafo anterior são mais caracterizadores de problemas mecânicos e estruturais do que do material no sentido restrito, propriamente dito. Todavia, podemos adiantar que, de uma forma genérica, secções, elementos e até estruturas metálicas (sobretudo de aço), são muito utilizados e tem bom desempenho no que à resistência a estas acções

Os Metais na Construção Civil respeita. Designadamente o aço, isolado (nomeadamente em perfis metálicos), ou combinado (por exemplo com o betão), é dos materiais estruturais mais utilizados na Construção Civil.

1.2.9. Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade (E) serve de parâmetro característico do comportamento de um material na zona elástica, é uma das propriedades mecânicas mais importantes dos materiais, representa a relação entre a tensão e a extensão no domínio elástico.

Esta relação é linear para a maioria dos materiais, mas outros, como o betão, o ferro fundido e alguns metais não ferrosos, exibem uma relação de proporcionalidade tensão-extensão que é linear apenas numa curta gama de valores.

Podemos, de uma forma simplificativa, instituir diferentes valores de E em função da zona de relacionamento entre tensões e deformações (σ-ε), em regime elástico temos a conhecida lei de Hook, em que: σ=E×ε.

1.2.10. Deformação plástica

O comportamento dos metais a temperaturas normais durante a deformação plástica pode ser medido. Esta avaliação é usualmente feita em termos de percentagem de alongamento e redução de área, de um provete sujeito a um ensaio de tracção ou pela capacidade do provete de suportar uma dobragem a frio. A deformação plástica vincula uma modificação permanente da peça, não recuperando mais esta a sua forma inicial, ou seja, o regresso à forma anterior à da existência da acção que lhe provocou a alteração geométrica, mesmo que esta solicitação seja completamente retirada.

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