Aço para Concreto Armado na Construção Civil

Aço para Concreto Armado na Construção CivilAços

Minerais de Ferro

As principais concentrações minerais deste elemento são as magnetites, hematites, limonites, siderites e pirites.

Minérios de Ferro

O processo actual da obtenção do ferro baseia-se na redução dos óxidos de ferro pelo carbono. Este processo aproveita o facto do carbono, a elevadas temperaturas, ter maior afinidade para o oxigénio que o ferro. Por isso, só os minerais constituídos por óxidos podem ser utilizados, imediatamente, na produção.

Assim, são utilizados como minérios de ferro principalmente a magnetite e a hematite, que constituem a maioria da matéria – prima utilizada na produção do ferro.

Também se utilizam sucatas de ferro como matéria – prima. As sucatas são constituídas por materiais ferrosos já utilizados e que apresentam zonas oxidadas.

Ganga

Os minérios de ferro encontram-se na Natureza sempre associados a outros elementos, geralmente óxidos de fósforo, de silício, de manganês, de alumínio, de cálcio de magnésio e outros, os quais constituem a ganga.

A ganga não tem composição constante; ela varia de jazigo para jazigo, sendo sempre formada por elementos de elevado ponto de fusão, o que obriga à utilização de substâncias – os fundentes – que possibilitem a sua fusão e sequente separação do ferro.

Na obtenção do ferro, o produto que resulta da combinação da ganga com o fundente denomina-se escória.

O conhecimento da composição da ganga é importante, pois esta influencia a composição final da gusa, determina a escolha do fundente e condiciona a temperatura final do banho fazendo, por isso, variar o consumo de combustível.

Fundentes

Os fundentes são substâncias que se adicionam ao minério e que reagem com a ganga (praticamente infusível às temperaturas do alto – forno) possibilitando a formação de novos compostos. Estes compostos fundem, então, a temperaturas mais baixas e como possuem densidades inferiores à do ferro líquido, permitem uma mais fácil separação e escoamento da escória.

Utilizam-se dois tipos de fundentes: o calcário e o argiloso.

O fundente calcário é constituído essencialmente por carbonato de cálcio e adiciona-se aos minérios que possuem ganga siliciosa.

O fundente argiloso, rico em sílica, adiciona-se aos minérios de ferro com ganga carbonatada.

Gusa

A gusa depositada no cadinho do alto – forno contém, além do ferro, carbono em percentagem superior a 2 % e pequenos teores de silício, manganês, fósforo e enxofre.

O seu vazamento efectua-se pelo sangrador inferior, podendo seguir duas vias:

  • Ser lançada num misturador, no qual é mantida no estado líquido e onde reúnem gusas de vários vazamentos para posterior transformação em aço.
  • Ser vazada em lingoteiras, onde solidifica sobre a forma de lingotes que se destinam a ser transformados em ferros fundidos ou gusas de 2ª fusão.

Escória

A escória é constituída por uma massa pastosa, resultante da ganga e do fundente, formada por silicatos de alumínio e de cálcio e pequenas quantidades de óxidos de magnésio, de ferro e vários sulfuredos.

Obtenção do Aço

Como matéria – prima, utiliza-se a gusa de primeira fusão do alto – forno, sucata de metais ferrosos e eventualmente minério.

O aço é uma liga ferro – carbónica, com percentagens de carbono compreendidas entre 0,03 e 2,06%, raramente ultrapassando, na prática, 1,4%. Por outro lado, um aço simples não deve conter silício e manganês em percentagens superiores, respectivamente, a 0,5% e 1,5%; para percentagens superiores considera-se, aço ligado.

Combustíveis na produção do Aço

Os combustíveis utilizados na produção do ferro são o coque e o carvão de madeira.

O coque é um combustível da hulha que apresenta grande porosidade e elevada resistência ao esmagamento, qualidades que tornam possível a sua utilização num forno de grandes dimensões.

O carvão de madeira apresenta a vantagem de não conter enxofre, mas possui porosidade e resistência ao esmagamento inferiores às do coque, pelo que não pode ser utilizado em fornos de altura superior a 12 metros.

Alto – Forno

O alto – forno é o equipamento siderúrgico onde vão ser introduzidos todos os elementos que referimos: minério, combustível, fundente e comburente e onde se desenrolam as transformações necessárias para a obtenção da gusa de 1ª fusão.

Este é um forno de cuba de eixo vertical, com 20 a 35 metros de altura, de secção circular, revestido interiormente por tijolos refractários, envolvidos por uma estrutura metálica.

Sua constituição:

  • Boca
  • Cuba
  • Ventre
  • Zona de fusão
  • Cadinho

A carga do alto – forno é constituída por coque, minério e fundente.

Antes de dar entrada no alto – forno, cada um destes elementos é submetido a um conjunto de tratamentos preliminares, com o fim de se obter uma carga formada por fragmentos de dimensões semelhantes.

Esta homogeneização da carga é importante, porque torna mais regular a descida no alto – forno e facilita a circulação dos gases, assegurando as transformações químicas necessárias ao processo.

Na carga introduz-se, em camadas sucessivas, coque, minério e fundente. É importante que as camadas que se depositam no alto – forno se disponham alternadamente, dependendo disso o êxito da operação.

A alternância é fundamental entre o minério e o combustível. O fundente pode ser misturado com o minério sem qualquer inconveniente.

Durante o processo de transformação, verificamos que as temperaturas desenvolvidas nas diferentes zonas do alto – forno, são crescentes de cima para baixo.

Periodicamente procede-se à descarga das escórias e da gusa depositadas no cadinho. Embora o procedimento dependa da instalação industrial, a purga das escórias efectua-se a intervalos regulares, de 1 a 4 horas, e a descarga da gusa a intervalos de 4 a 12 horas.

Podemos considerar como produtos do alto – forno a gusa, a escória e os gases de escape.

Fornos Eléctricos

Neste tipo de fornos o calor é obtido pela transformação da energia eléctrica em energia calorífica, o que leva a obter, no interior do forno, temperaturas muito elevadas. Este facto permite eliminar, quase completamente, o fósforo e o enxofre, e ainda fundir os elementos de liga com mais elevado ponto de fusão, o que permite obter toda a espécie de aço ligados.

Como não se usa combustível, o processo realiza-se ao abrigo das impurezas que este possa trazer associadas, bem como dos produtos resultantes da combustão.

Vazamento do aço

O aço obtido por qualquer dos processos anteriormente descritos, é lançado para grandes recipientes metálicos – panelas – e destas segue para as lingoteiras onde é vazado.

A lingoteira consiste num molde de ferro fundido ou aço, provido de orelhas para o levantamento após a solidificação do aço.

Após a desmoldação, o lingotes são aquecidos e seguem para laminadores onde são estirados. Esta operação transforma os lingotes em barras de secção rectangular ou quadrada, conhecidas pelo nome de biletes.

Realizada esta primeira transformação, os biletes passam a outro tipo de laminadores que lhes confere as diversas formas que os aços apresentam comercialmente: fios, chapas e perfis. Estes constituem produtos semiacabados, matéria – prima para diversas indústrias metalomecânicas que os vão utilizar na sua actividade industrial.

Armadura para Concreto Armado ou Betão

O material para armaduras apresenta-se, em geral, segundo quatro tipos diferentes, a saber: varões, fios, redes e armaduras especiais.

Os varões e os fios correspondem ao material de secção com forma aproximadamente circular, sendo fios quando seu diâmetro é relativamente pequeno e permite portanto o seu fornecimento em bobines. As redes são um material para armadura constituído por fios ou varões, ligados entre si, formando malha rectangular ou quadrada; quando as ligações são obtidas por soldadura designam-se por rede electrosoldadas e tem grande aplicação em muitos elementos de concreto armado com particular incidência nas lajes. Quanto às armaduras especiais, trata-se de soluções não correntemente utilizadas e que devem à sua existência a certas particularidades que lhe são impostas.

Natureza e características mecânicas dos aços

Ensaio de tracção

Aços laminados a quente e endurecidos a frio

As operações necessárias para obter os varões das armaduras de concreto armado podem ser subdivididas em duas partes, indo a primeira até à solidificação do material – processo de fabrico do aço – e a segunda, partindo daí e acabando no produto final – processo de produção dos varões.

Nesta segunda parte há que distinguir a laminagem a quente que é feita a uma temperatura superior à de recristalização do aço e pela qual se transforma o lingote no produto de base entendendo-se por tal um produto de secção cheia de aço que serve para o fabrico de varões. A partir deste produto de base os varões podem ser obtidos por simples laminagem a quente ou por laminagem a quente seguida por endurecimento a frio. No primeiro caso, o aço ou varões é designado por aço laminado a quente e, no segundo, por aço ou varões endurecido a frio. Estas designações caracterizam também o que é corrente chamar-se natureza do aço.

O endurecimento a frio pode ser obtido sujeitando os varões a tratamentos mecânicos de torção, de estiragem, de estiragem combinada com torção, de trefilagem combinada com laminagem a frio. Nestes tratamentos registam-se sempre nos varões deformações permanentes que são devidas a esforços impostos aos varões: esforços de torção, de tracção simples, de tracção e compressão através de fieiras e de compressão transversal.

Em qualquer dos casos pretende-se modificar as propriedades mecânicas relacionadas com a resistência do aço, e da forma que seguidamente se expõe.

Aços laminados a quente

O apresenta uma resistência relativamente baixa e uma deformação plástica considerável, e, por estas características, costuma ser designado por aço macio.

No diagrama de tensão – extensões é possível distinguir uma primeira fase de comportamento em que se verifica uma proporcionalidade entre tensões e extensões; esta proporcionalidade, que é uma característica do material, pode ser traduzida por uma constante que é convencionalmente designada por modulo de Young ou modulo de elasticidade (Es). Seguidamente, há uma fase em que as tensões aumentam sob uma tensão praticamente constante, tensão de cedência (fsy), para uma terceira fase, a tensão aumentar novamente com a tensões até alcançar um valor máximo no diagrama, convencionalmente designado por tensão de ruptura (fsu).

Aços endurecidos a frio

Descrito um diagrama tensões – extensões de um aço laminado a quente, veja-se como a partir deste material, é possível obter-se um aço endurecido a frio. Suponha-se, que um varão de aço macio é deformado durante um ensaio de tracção simples até ao ponto A na região das grandes deformações plásticas e, em seguida é descarregado de A a A’. Se agora, e imediatamente a seguir, se proceder a nova carga, o diagrama tensões – extensões terá um andamento A’BC, ou seja, a tensão limite de proporcionalidade baixou, a tensão de ruptura manteve-se, mas as extensões na ruptura e após ruptura, calculadas com a origem em A’, diminuíram consideravelmente.

Este processo de transformação de propriedades, que resulta de se terem implantado no material consideráveis deformações permanentes, designam-se por trabalho a frio que, no caso presente, foi realizado por estiragem. Se porem, uma vez descarregado o varão, ele for deixado em repouso em certo tempo, tem lugar um conjunto de transformações na estrutura interna do aço que se designa por envelhecimento e se o varão for posteriormente traccionado o seu diagrama tensões – extensões passa a ser A’ADE.

O varão passou a apresentar, relativamente à situação inicial, tensões limite de proporcionalidade e de ruptura mais elevadas e extensões na ruptura e após ruptura mais baixas; o valor do modulo de elasticidade manteve-se mas o patamar de cedência desapareceu. Esta transformação de propriedades, resultante de um trabalho a frio, em que há um aumento de resistência e diminuição de ductilidade, é designada por endurecimento a frio.

Aptidão para a dobragem – Ensaios

Ensaio de dobragem do Aço

Uma característica dos aços, e que interessa de sobremaneira ao fabrico das armaduras, é a aptidão que os varões apresentam para suportarem as dobragens a que têm de ser submetidos.

Um dos ensaios que serve para avaliar tal aptidão é o ensaio de dobragem.

O diâmetro do mandril é função do tipo de aço e do diâmetro do varão a ensaiar. Fixados os apoios e assente o provete, a meio do vão definido pelos apoios, e exercem-se forças por meio de uma máquina de ensaios, de modo a dobrar o provete em torno do mandril. Pretende-se com este ensaio verificar se aparece ou não fendilhação na parte convexa do provete, sendo considerado resultado negativo o aparecimento de tal fendilhação.

Ensaio de dobragem – desdobragem do Aço

Para varões nervurados de diâmetro relativamente grande é corrente utilizar-se, em vez do ensaio descrito anteriormente, o ensaio de dobragem – desdobragem. Neste ensaio o varão é dobrado a 90º segundo a técnica descrita anteriormente para o ensaio de dobragem e, seguidamente, depois de um envelhecimento artificial ele é submetida a uma dobragem de 20º.

Aderência do aço ao concreto (Betão)

Aderência normal e alta aderência

A aderência das armaduras ao concreto é, como se sabe, uma propriedade de que depende o bom comportamento dos elementos de concreto armado, influenciando directamente as amarrações e as emendas das armaduras e a fendilhação do concreto. No que se refere às amarrações e emendas é sabido que, em geral, elas procedem-se por aderência, havendo assim, mesmo quando se utilizam ganchos nas extremidades, que cuidar que as condições de superfície dos varões sejam as convenientes para que se possa realizar em condições satisfatórias a aderência das armaduras ao concreto.

Tal objectivo consegue-se fazendo com que a transmissão das forças das armaduras ao concreto se faça em boas condições, para o que é necessário aumentar o mais possível a aderência entre os dois materiais, o que tem sido conseguido através de varões rugosos.

É assim que para os aços que trabalham a tensões elevadas, não é possível o emprego de varões que não sejam rugosos, pois, se assim não fosse, haveria o risco, em serviço, se registar fendilhação inconveniente, quer do ponto de vista estético, quer do ponto de vista de segurança, devido à possível corrosão das armaduras.

Tem-se pois que é necessário exigir aos varões que trabalham a tensões elevadas um certo grau de aderência ao concreto, decorrendo daqui o conceito de varões de alta aderência como aqueles que realizam a aderência necessária para que o seu emprego em concreto armado, mesmo quando trabalham a tensões elevadas, se faça sem risco de fendilhação inconveniente.

Os varões que não satisfaçam a tal requisito serão considerados varões de aderência normal e estão neste caso, em regra, os varões; os varões rugosos poderão ser ou não de alta aderência havendo, para decidir tal questão, dois critérios, um deles baseado nas dimensões e configuração das rugosidades é o outro baseado em resultados dos ensaio realizados sobre o s varões em causa (ensaios de viga, arrancamento).

Alta aderência ao Aço. Ensaios de viga e de arrancamento

No que se refere aos ensaios para aferir a da boa aderência dos varões ao concreto, o mais recomendado é o ensaio de viga composta de duas partes, unidas por articulação na zona de compressão, e cuja armadura é o varão em ensaio, que apenas está aderente ao concreto em determinados comprimentos, em cada uma das partes da viga. Durante o ensaio mede-se o deslizamento do varão, em ambas as extremidades, para os diversos valores das forças aplicadas. Os resultados dos ensaios consistem na obtenção da curva tensão de aderência – deslizamento, sendo importantes as tensões correspondentes aos deslizamentos de 0,01, 0,1 e 1mm.

O ensaio de arrancamento, por seu lado, é de mais fácil realização, pois consiste em submeter um varão embebido num prisma de concreto, num comprimento definido, a uma força de tracção aplicada numa das extremidades, ficando a outra livre. A relação entre a força aplicada e o deslocamento relativo entre o aço e o concreto, medido na extremidade oposta à da aplicação da força, é registado e constitui o resultado do ensaio. Tal processo não é considerado, porém, um aferidor absoluto da aderência, o ensaio de arrancamento se destina não a determinar a aderência mas sim a adesão dos varões ao concreto e pode servir para comparar entre si a eficiência de vários tipos de superfícies nervuradas.

Tipos de soldadura e de ligações do Aço

A soldabilidade do aço é uma propriedade extremamente útil para o fabrico das armaduras pois vai permitir efectuar emendas por soldadura e ainda, por este processo, proceder à sua montagem em condições eficientes.

  • Soldadura por resistência eléctrica
  • Soldadura topo a topo por gás sob pressão
  • Soldadura por arco eléctrico

Os diversos processos de soldadura dão lugar aos seguintes tipos de ligações entre varões:

  • Emenda topo a topo – soldadura por resistência, por gás ou por arco
  • Emenda por sobreposição simples ou por sobreposição dupla – soldadura por arco
  • Ligação de varões cruzados – soldadura por arco e por resistência