As propriedades do aço estrutural resultam tanto da sua composição química como do seu método de fabrico , incluindo o processamento durante o fabrico. As normas de produto definem os limites de composição, qualidade e desempenho e estes limites são utilizados ou presumidos pelos projectistas de estruturas. Este artigo analisa as principais propriedades que são de interesse para o projectista e indica as normas relevantes para determinados produtos. A especificação do trabalho em aço é coberta por um artigo separado.
Stress - Strain graph.png
Propriedades do material necessárias para o desenho
As propriedades que devem ser consideradas pelos projectistas quando especificam produtos de construção em aço são:
- Força
- Tureza
- Ductilidade
- Soldabilidade
- Durabilidade.
br>Para o desenho, as propriedades mecânicas são derivadas dos valores mínimos especificados na norma do produto relevante. A soldabilidade é determinada pelo conteúdo químico da liga, que é regido por limites na norma do produto. A durabilidade depende do tipo particular de liga – aço carbono normal, aço de resistência ao desgaste ou aço inoxidável .
Factores que influenciam as propriedades mecânicas
Aço deriva as suas propriedades mecânicas de uma combinação de composição química, tratamento térmico e processos de fabrico. Enquanto o principal constituinte do aço é o ferro, a adição de quantidades muito pequenas de outros elementos pode ter um efeito marcante sobre as propriedades do aço. A resistência do aço pode ser aumentada pela adição de ligas como o manganês, nióbio e vanádio. Contudo, estas adições de ligas podem também afectar negativamente outras propriedades, tais como ductilidade, tenacidade e soldabilidade .
Minimizar o nível de enxofre pode aumentar a ductilidade, e a tenacidade pode ser melhorada através da adição de níquel. A composição química de cada especificação do aço é, portanto, cuidadosamente equilibrada e testada durante a sua produção para assegurar que as propriedades apropriadas são alcançadas.
Os elementos de liga também produzem uma resposta diferente quando o material é submetido a tratamentos térmicos que envolvem o arrefecimento a uma taxa prescrita a partir de um determinado pico de temperatura. O processo de fabrico pode envolver combinações de tratamento térmico e trabalho mecânico que são de importância crítica para o desempenho do aço.
Trabalho mecânico ocorre à medida que o aço está a ser laminado ou formado. Quanto mais aço é laminado, mais forte ele se torna. Este efeito é visível nas normas de material, que tendem a especificar a redução dos níveis de resistência ao escoamento com o aumento da espessura do material.
O efeito do tratamento térmico é melhor explicado por referência às várias vias do processo de produção que podem ser utilizadas no fabrico do aço, sendo as principais as seguintes:
- Aço laminado
- Aço normalizado
- Aço laminado normalizado
- Aço laminado termomecanicamente (TMR)
- Aço temperado e revenido (Q&T).
br>Aço arrefece à medida que é laminado, com uma temperatura de laminagem típica de cerca de 750°C. O aço que é depois permitido arrefecer naturalmente é denominado material “as-rolado”. A normalização ocorre quando o material “as-rolado” é aquecido até aproximadamente 900°C, e mantido a essa temperatura durante um tempo específico, antes de ser autorizado a arrefecer naturalmente. Este processo afina o tamanho do grão e melhora as propriedades mecânicas, especificamente a tenacidade. O laminado normalizado é um processo em que a temperatura é superior a 900°C após a laminagem. Isto tem um efeito semelhante nas propriedades como normalizador, mas elimina o processo extra de reaquecimento do material. Os aços normalizados e laminados normalizados têm uma designação ‘N’.
A utilização de aço de alta resistência pode reduzir o volume de aço necessário, mas o aço tem de ser resistente a temperaturas de funcionamento, e deve também exibir ductilidade suficiente para resistir a qualquer propagação de fissuras dúcteis. Portanto, os aços de maior resistência requerem maior tenacidade e ductilidade, o que só pode ser conseguido com aços limpos de baixo carbono e maximizando o refinamento dos grãos. A implementação do processo de laminagem termomecânico (TMR) é uma forma eficiente de o conseguir.
Aço laminado termomecânico utiliza uma química particular do aço para permitir uma temperatura de acabamento de laminagem mais baixa de cerca de 700°C. É necessária uma maior força para laminar o aço a estas temperaturas mais baixas, e as propriedades são mantidas, a menos que sejam reaquecidas acima de 650°C. O aço laminado termomecanicamente tem uma designação “M”.
O processo para o aço revenido e temperado começa com um material normalizado a 900°C. É rapidamente arrefecido ou ‘revenido’ para produzir aço com alta resistência e dureza, mas baixa tenacidade. A dureza é restaurada reaquecendo-o a 600°C, mantendo a temperatura durante um tempo específico, e depois permitindo o seu arrefecimento natural (Temperamento). Os aços revenidos e temperados têm uma designação ‘Q’.
Têmpera envolve o arrefecimento rápido de um produto por imersão directamente em água ou óleo. É frequentemente utilizado em conjunto com a têmpera que é uma segunda fase de tratamento térmico a temperaturas abaixo da gama de austenitização. O efeito da têmpera é suavizar estruturas previamente endurecidas e torná-las mais duras e dúcteis.
Time - Temperature Rolling Chart 1.png
Força
Força de rendimento
Força de rendimento é a propriedade mais comum que o desenhador necessitará, pois é a base utilizada para a maioria das regras dadas nos códigos de desenho . Nas Normas Europeias para aços de carbono estruturais (incluindo aço de resistência ao desgaste), a designação primária refere-se à resistência ao limite de elasticidade, por exemplo, o aço S355 é um aço estrutural com uma resistência de elasticidade mínima especificada de 355 N/mm².
As normas de produto também especificam a gama de valores permitidos para a tensão de ruptura máxima (UTS). O UTS mínimo é relevante para alguns aspectos da concepção.
Aços laminados a quente
Para os aços de carbono laminados a quente, o número citado na designação é o valor da tensão de ruptura para materiais até 16 mm de espessura. Os projectistas devem notar que a tensão de cedência se reduz com o aumento da espessura da chapa ou secção (o material mais fino é trabalhado mais do que o material grosso e o trabalho aumenta a tensão de cedência). Para as duas qualidades de aço mais comuns utilizadas no Reino Unido, a tensão de ruptura mínima especificada e a tensão de ruptura mínima são mostradas na tabela abaixo para os aços de acordo com a norma BS EN 10025-2 .
| Grade | Força de rendimento (N/mm2) para espessura nominal t (mm) | Tensile resistência (N/mm2) para espessura nominal t (mm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| t ≤ 16 | < t ≤ 40 | < t ≤ 63 | < t ≤ 80 | < t ≤ 100 | < t ≤ 150 | |
| S275 | 275 | 265 | 255 | 245 | 410 | 400 |
| S355 | 355 | 345 | 335 | 325 | 470 | 450 |
O Anexo Nacional do Reino Unido à BS PT 1993-1-1 permite que o valor mínimo de rendimento para a espessura específica seja utilizado como a resistência ao rendimento nominal (característica) fy e a resistência mínima à tracção fu seja utilizada como a resistência nominal (característica) final.
Valores semelhantes são dados para outras qualidades noutras partes de BS EN 10025 e para secções ocas de BS EN 10210-1 .
Aços conformados a frio
Existe uma vasta gama de qualidades de aço para tiras de aço adequadas à conformação a frio. Os valores mínimos de tensão de ruptura e resistência à tracção são especificados na norma de produto relevante BS EN 10346.
BS EN 1993-1-3 tabula valores de tensão de ruptura básica fyb e tensão de ruptura fu que devem ser utilizados como valores característicos na concepção.
Aços inoxidáveis
As qualidades de aço inoxidável são designadas por um ‘número de aço’ numérico (tal como 1,4401 para um aço austenítico típico) em vez do sistema de designação ‘S’ para os aços de carbono. A relação tensão-deformação não tem a distinção clara de um ponto de rendimento e as resistências de ‘rendimento’ do aço inoxidável são geralmente citadas em termos de uma resistência à prova definida para uma tensão permanente de compensação específica (convencionalmente a tensão de 0,2%).
As resistências dos aços inoxidáveis estruturais habitualmente utilizados variam de 170 a 450 N/mm². Os aços austeníticos têm uma tensão de ruptura inferior à dos aços de carbono comummente utilizados; os aços duplex têm uma tensão de ruptura superior à dos aços de carbono comuns. Tanto para os aços inoxidáveis austeníticos como para os aços inoxidáveis duplex, a relação entre a tensão de ruptura final e a tensão de cedência é maior do que para os aços de carbono.
BS EN 1993-1-4 tabula os valores nominais (característicos) da tensão de ruptura fy e da tensão de ruptura fu mínima para os aços de acordo com a norma BS EN 10088-1 para utilização na concepção.
Resistência à ruptura
Image of V-notch impact test piece.jpg
É da natureza de todos os materiais conter algumas imperfeições. No aço, estas imperfeições assumem a forma de fissuras muito pequenas. Se o aço não for suficientemente resistente, a ‘fissura’ pode propagar-se rapidamente, sem deformação plástica e resultar numa ‘fractura quebradiça’. O risco de fractura por fragilização aumenta com a espessura, tensão de tracção, factores de tensão e a temperaturas mais frias. A tenacidade do aço e a sua capacidade de resistir à fractura frágil dependem de uma série de factores que devem ser considerados na fase de especificação. Uma medida conveniente da tenacidade é o teste de impacto Charpy V-notch – ver imagem à direita. Este teste mede a energia de impacto necessária para quebrar uma pequena amostra entalhada, a uma temperatura especificada, por um único golpe de impacto de um pêndulo.
Os vários padrões de produto especificam valores mínimos de energia de impacto para diferentes subclasses de cada grau de resistência. Para os aços estruturais não ligados, as principais designações das subclassificações são JR, J0, J2 e K2. Para aços de grão fino e aços temperados e revenidos (que são geralmente mais resistentes, com maior energia de impacto) são utilizadas designações diferentes. Um resumo das designações de dureza é apresentado no quadro abaixo.
| BS EN 10025-2 BS EN 10210-1 |
27J | ||
| 27J | |||
| 27J | |||
| 40J | |||
| BS EN 10025-3 | N | 40J | -20oc |
| NL | 27J | -50oc | |
| BS EN 10025-4 | M | 40J | -20oc |
| ML | 27J | -50oc | |
| BS EN 10025-5 | 27J | ||
| J2 | 27J | -20oC | |
| K2 | 40J | ||
| J4 | 27J | -40oC | |
| J5 | 27J | -50oC | |
| BS EN 10025-6 | Q | 30J | -20oc |
| QL | 30J | -40oc | |
| QL1 | 30J | -60oc |
Para aços de calibre fino para conformação a frio, não são especificados requisitos de energia de impacto para material com menos de 6 mm de espessura.
A selecção de uma subclassificação apropriada, para proporcionar uma tenacidade adequada em situações de concepção é dada em BS EN 1993-1-10 e a sua NA britânica associada. As regras relacionam a temperatura de exposição, nível de tensão, etc., com uma “espessura limite” para cada subclasse de aço. O PD 6695-1-10 contém tabelas úteis de observação e orientações sobre a selecção de uma subclasse adequada é dada em ED007.
Estas regras de concepção foram desenvolvidas para estruturas sujeitas a fadiga, tais como pontes e estruturas de suporte de gruas, e reconhece-se que a sua utilização em edifícios onde a fadiga desempenha um papel menor é extremamente segura.
a publicação P419 daSCI apresenta limites de espessura de aço modificados que podem ser utilizados em edifícios onde a fadiga não é uma consideração de concepção. Estes novos limites foram derivados utilizando exactamente a mesma abordagem por detrás das regras de concepção do Eurocódigo, mas de forma crucial reduzem o crescimento da fenda devido à fadiga. A palavra “reduzir” é utilizada, uma vez que assumir que não há crescimento seria eliminar completamente o efeito da fadiga. É permitida alguma fadiga (20.000 ciclos), com base em orientações indicativas de uma norma DIN.
O termo “quase-estático” abrangeria tais estruturas – na realidade, pode haver algum ciclo limitado de carga, mas isso não seria normalmente considerado – a abordagem de concepção é considerar todas as cargas como estáticas. A chave para a nova abordagem é a fórmula para expressar o crescimento da fenda abaixo dos 20.000 ciclos. Especialistas da Universidade de Aachen (que estiveram envolvidos no desenvolvimento do Eurocódigo) forneceram esta expressão tão importante.
Outros antecedentes estão disponíveis num artigo técnico na edição de Setembro de 2017 da revista NSC.
Os aços inoxidáveis são geralmente muito mais resistentes do que os aços de carbono; os valores mínimos estão especificados na norma BS EN 10088-4. BS EN 1993-1-4 afirma que os aços austeníticos e duplex são adequadamente resistentes e não susceptíveis à fractura por fragilização para temperaturas de serviço até -40°C.
Ductilidade
Ductilidade é uma medida do grau em que um material pode esticar ou alongar entre o início do rendimento e a eventual fractura sob carga de tracção, como demonstrado na figura abaixo. O projectista depende da ductilidade para vários aspectos da concepção, incluindo a redistribuição da tensão no estado limite final, concepção de grupos de parafusos, redução do risco de propagação de fissuras por fadiga e nos processos de fabrico de soldadura, dobragem e endireitamento. As várias normas para as qualidades de aço na tabela acima insistem num valor mínimo de ductilidade para que as hipóteses de concepção sejam válidas e, se estas forem especificadas correctamente, o projectista pode ter a certeza do seu desempenho adequado.
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Soldabilidade
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(Imagem cortesia da Mabey Bridge Ltd)
Todos os aços estruturais são essencialmente soldáveis. No entanto, a soldadura envolve a fusão local do aço, que subsequentemente arrefece. O arrefecimento pode ser bastante rápido porque o material circundante, por exemplo a viga, oferece um grande ‘dissipador de calor’ e a soldadura (e o calor introduzido) é normalmente relativamente pequena. Isto pode levar ao endurecimento da “zona afectada pelo calor” (HAZ) e à redução da tenacidade. Quanto maior for a espessura do material, maior será a redução da tenacidade.
A susceptibilidade à fragilização depende também dos elementos de liga principalmente, mas não exclusivamente, do teor de carbono. Esta susceptibilidade pode ser expressa como o “Valor Equivalente de Carbono” (VCE), e as várias normas de produto para os aços de carbono dão expressões para determinar este valor.
BS EN 10025 estabelece limites obrigatórios para o VCE para todos os produtos de aço estrutural abrangidos, e é uma tarefa simples para aqueles que controlam a soldadura, assegurar que as especificações de procedimento de soldadura utilizadas são qualificadas para a qualidade de aço apropriada, e o VCE.
Outras propriedades mecânicas do aço
Outras propriedades mecânicas do aço estrutural que são importantes para o projectista incluem:
- Módulo de elasticidade, E = 210.000 N/mm²
- Módulo de elasticidade, G = E/ N/mm², muitas vezes tomado como 81.000 N/mm²
- Rácio de Poisson, ν = 0,3
- Coeficiente de expansão térmica, α = 12 x 10-6/°C (na gama de temperatura ambiente).
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Durabilidade
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(Imagem cortesia da Hempel UK Ltd.)
Uma outra propriedade importante é a da prevenção da corrosão. Embora estejam disponíveis aços especiais resistentes à corrosão, estes não são normalmente utilizados na construção de edifícios. A excepção é o aço anti-corrosivo.
O meio mais comum de fornecer protecção anticorrosiva ao aço de construção é através de pintura ou galvanização. O tipo e grau de protecção do revestimento requerido depende do grau de exposição, localização, vida útil do projecto, etc. Em muitos casos, em situações internas secas, não são necessários revestimentos de protecção anticorrosiva para além da protecção adequada contra incêndios. Estão disponíveis informações detalhadas sobre a protecção anticorrosiva do aço estrutural.
Aço de protecção contra a corrosão
Aço de protecção contra a corrosão é um aço de baixa liga de alta resistência que resiste à corrosão ao formar uma ‘patina’ de protecção aderente contra a ferrugem, que inibe a corrosão adicional. Não é necessário revestimento protector. É amplamente utilizado no Reino Unido para pontes e tem sido utilizado no exterior em alguns edifícios. É também utilizado para características arquitectónicas e estruturas escultóricas, tais como o Anjo do Norte.
Angel of the North 1.png
Aço inoxidável
C3Fig4.JPG
Aço inoxidável é um material altamente resistente à corrosão que pode ser utilizado estruturalmente, particularmente quando é necessário um acabamento superficial de alta qualidade. As classificações adequadas para exposição em ambientes típicos são dadas abaixo.
O comportamento de tensão-deformação dos aços inoxidáveis difere do dos aços de carbono em vários aspectos. A diferença mais importante está na forma da curva tensão-deformação. Enquanto o aço carbono apresenta tipicamente um comportamento elástico linear até à tensão de ruptura e um platô antes de se encontrar o endurecimento por deformação, o aço inoxidável tem uma resposta mais arredondada, sem tensão de ruptura bem definida. Por conseguinte, as resistências de “tensão de cedência” do aço inoxidável são geralmente definidas para uma tensão permanente de compensação específica (convencionalmente a tensão de 0,2%), como indicado na figura à direita, que mostra curvas de tensão-deformação experimentais típicas para aços inoxidáveis austeníticos e duplex comuns. As curvas apresentadas são representativas da gama de material susceptível de ser fornecido e não devem ser utilizadas na concepção.
| Grade | Mínimo 0.2% de resistência à prova (N/mm2) | Ultima resistência à tracção (N/mm2) | Elongamento à fractura (%) | |
|---|---|---|---|---|
| Basic cromo-níquel austenítico | 1.4301 | 210 | 520 – 720 | 45 |
| 1.4307 | 200 | 500 – 700 | 45 | |
| Aços austeníticos de molibdénio-cromo-níquel | 1.4401 | 220 | 520 – 670 | 45 |
| 1.4404 | 220 | 520 – 670 | 45 | |
| Aços duplex | 1.4162 | 450 | 650 – 850 | 30 |
| 1.4462 | 460 | 640 – 840 | 25 |
As propriedades mecânicas aplicam-se à chapa laminada a quente. Para a chapa laminada a frio e a quente, as resistências especificadas são 10-17% superiores.
| BS PT ISO 9223 Classe de Corrosão Atmosférica | Tipical outdoor environment | Suitable stainless steel |
|---|---|---|
| C1 (Very low) | Deserts and arctic areas (very low humidity) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C2 (Baixo) | Árido ou baixa poluição (rural) | 1.4301/1.4307, 1.4162 |
| C3 (Médio) | Áreas costeiras com baixos depósitos de sal Urban ou áreas industrializadas com poluição moderada |
1.4401/1.4404, 1.4162 (1.4301/1.4307) |
| C4 (Alto) | Atmosfera urbana e industrializada poluída Áreas costeiras com depósitos moderados de sal Atmosfera terrestre com sais de degelo |
1.4462, (1.4401/1.4404), outros duplex ou austeníticos mais altamente ligados |
| C5 (Muito elevado) | Atmosferas industriais severamente poluídas com elevada humidadeAtmosferas marinhas com elevado grau de depósitos e salpicos de sal | 1.4462, outros duplex ou austenitics mais altamente ligados |
Materiais adequados para uma classe superior podem ser utilizados para classes inferiores mas podem não ser rentáveis. Os materiais entre parênteses podem ser considerados se alguma corrosão moderada for aceitável. A acumulação de poluentes corrosivos e cloretos será mais elevada em locais abrigados; assim, poderá ser necessário escolher uma classe recomendada da classe seguinte de corrosão mais elevada.
- 1.0 1.1 1.2 BS EN 10025-2:2019 Produtos laminados a quente de aços estruturais. Condições técnicas de entrega de aços estruturais não ligados, BSI.
- NA+A1:2014 à BS EN 1993-1-1:2005+A1:2014, UK National Annex to Eurocode 3: Concepção de estruturas de aço Regras gerais e regras para edifícios, BSI
- 3.0 3.1 BS EN 10210-1:2006 Perfis ocos estruturais acabados a quente de aços estruturais não ligados e de grão fino. Requisitos técnicos de entrega, BSI.
- BS EN 10346:2015 Produtos planos de aço revestidos continuamente a quente para conformação a frio. Condições técnicas de entrega. BSI
- BS EN 1993-1-3:2006 Eurocódigo 3: Concepção de estruturas de aço. Regras gerais – Regras suplementares para membros e chapas conformadas a frio, BSI.
- 6.0 6.1 BS EN 1993-1-4:2006+A1:2015 Eurocódigo 3. Concepção de estruturas de aço. Regras gerais. Regras suplementares para aços inoxidáveis, BSI
- BS EN 10088-1:2014 Aços inoxidáveis. Lista de aços inoxidáveis, BSI
- BS EN 10025-3: 2019, Produtos laminados a quente de aços estruturais, Parte 3: Condições técnicas de fornecimento para aços estruturais de grão fino laminados normalizados / normalizados, BSI
- BS EN 10025-4: 2019, Produtos laminados a quente de aços estruturais, Parte 4: Condições técnicas de fornecimento para aços estruturais laminados termomecânicos de grão fino laminados, BSI
- BS EN 10025-5: 2019, Produtos laminados a quente de aços estruturais, Parte 5: Condições técnicas de fornecimento para aços estruturais com melhor resistência à corrosão atmosférica, BSI
- BS EN 10025-6: 2019, Produtos laminados a quente de aços estruturais, Parte 6: Condições técnicas de fornecimento para produtos planos de aços estruturais de elevado limite elástico em estado revenido e temperado, BSI
- BS EN 1993-1-10:2005 Eurocódigo 3. Concepção de estruturas de aço. Resistência do material e propriedades de espessura de passagem, BSI.
- NA a BS EN 1993-1-10: 2005, UK National Annex to Eurocode 3: Concepção de estruturas de aço. Resistência do material e propriedades de espessura de passagem. BSI
- PD 6695-1-10:2009 Recomendações para a concepção de estruturas de aço de acordo com BS EN 1993-1-10. BSI
- 15.0 15.1 BS EN 10088-4:2009 Aços inoxidáveis. Condições técnicas de entrega para chapas/chapa e faixas de aços resistentes à corrosão para fins de construção, BSI.
- BS EN ISO 9223:2012 Corrosão de metais e ligas, Corrosividade das atmosferas, Classificação, determinação e estimativa. BSI