Estruturas em Aço - CBCA · • ABNT NBR 8800: 2008 “Projeto de estruturas de aço e estruturas...

Estruturas em Aço Projeto, Especificação e Proteção Contra a Corrosão

Fabio Domingos Pannoni

CREA-AL – 24 de setembro de 2015

Introdução – Instabilidade Termodinâmica

• Corrosão é um processo espontâneo e (muito) custoso.

Princípios da proteção de estruturas metálicas em situação de corrosão e incêndio - 6a edição (2015)

Gerdau Aços Brasil

O Mecanismo Eletroquímico – Água e Oxigênio

Estruturas de aço para edifícios – Aspectos tecnológicos e de concepção - Valdir Pignatta e Silva e Fabio

Domingos Pannoni – Editora Blucher

O Mecanismo Eletroquímico – Poluentes Atmosféricos



Prescrições Normativas

• ABNT NBR 8800: 2008 “Projeto de estruturas de aço e estruturas

mistas de aço e concreto de edifícios”.

– Anexo N (Normativo): Durabilidade de componentes de aço frente à

corrosão.

• Qualifique a agressividade do ambiente atmosférico.

• Escolha aços e sistemas de proteção normatizados.

• Atenção ao detalhamento.


• Qualifique a agressividade do ambiente atmosférico.




• Escolha sistemas de proteção e aços adequados.

– ISO 12944-5: 2007 “Paints ans varnishes – Corrosion protection of steel

structures by protective paint systems – Part 5: protective paint systems”

Sistema

No

Grau de

preparo de

superfície

Fundo

Acabamento

incluindo

camada

intermediária

Sistema Durabilidade

estimada

St 2 Sa

21/2 Resina Tipo Demãos

Espessura

seca

(mm)

Resina Demãos

Espessura

seca

(mm)

Demãos

Espessura

seca

(mm)

Baixa

2-5 anos

Média

5-15 anos

Alta

>15 anos

Sistemas de pintura – Categoria de agressividade C3

C3.01 X A Vários 1-2 80 A 1-2 80 2-4 160 X

C3.02 X A Vários 1-2 80 A 2-3 120 3-5 200 X

C3.03 X EP Vários 1 160 A 1 40 2 200 X

C3.04 X EP Vários 1-2 80 EP, P 2-3 120 3-5 200 X

C3.05 X EP Vários 1-2 80 EP, P 2-3 160 3-5 240 X

Projeto e durabilidade - Fabio Domingos Pannoni – CBCA


• Escolha sistemas de proteção e aços adequados.

– ABNT NBR 6323: 2007 “Galvanização de produtos de aço ou ferro

fundido – Especificação”




Local

Taxa de corrosão (mm/ano) Razão

Aço/Zinco Tempo de exposição,

anos Aço Zinco

Caratinga, MG 6,6 0,43 15,3 4

Belém, PA 17,3 1,18 14,7 2

Brasilia, DF 8,7 1,12 7,8 2

Paulo Afonso, BA 17,3 1,6 10,8 1

Porto Velho, RO 4,3 2,0 2,2 2

São Paulo, SP 8,3 1,16 7,2 4

Ipatinga, MG 24,7 0,60 41,2 4

Cubatão, SP 85,2 0,94 90,6 4

Arraial do Cabo, RJ 437,7 1,74 251,6 4

Ubatuba, SP 400,3 2,08 192,5 4

Rio de Janeiro, RJ 58,5 1,21 48,3 4

M. Morcillo et al., ed. Corrosión y Proteccion de Metales em las Atmosferas de IberoAmerica (Proyecto MICAT),

p. 746, 1998.


• Escolha o aço corretamente: aços patináveis

História – A Influência do Cobre nos Aços

• Williams selecionou amostras de ferro maleável (pudlado) isentas de

cobre e contendo cobre (0,08% a 0,20%) e as expôs à atmosfera, por

um mês. As amostras eram umedecidas várias vezes ao dia. O cobre

claramente retardou a corrosão do ferro.

• Burgess e Aston adicionaram vários elementos químicos ao ferro

eletrolítico. As amostras foram expostas em Madison (WI). A adição

de 0,089% a 7,05% de cobre ao ferro melhorou de forma consistente

seu desempenho frente à corrosão atmosférica, mesmo em

pequenas quantidades

Williams, F. H. (1900). ‘‘Influence of copper in retarding corrosion of soft steel and wrought iron.’’ Proc.

Engineering Society of Western Pennsylvania, 16, 231–233.

Burgess, C. F., e Aston, J. (1913). ‘‘Influence of various elements on the corrodibility of iron.’’ J. Ind. Eng.

Chem., 1.


• Buck, da US Steel Corp., conduziu o primeiro grande estudo de

exposição atmosférica (industrial, marinha e rural) de aços contendo

cobre (0,0%, 0,06% a 0,07% e 0,16% a 0,34%).

– Os aços contendo cobre apresentaram, em média, resistência 2x

superior aos aços sem cobre.

– Existe pequena diferença de desempenho de aços contendo 0,15% de

cobre e aços com 0,24% a 0,34% de cobre; aços contendo 0,06% a

0,07% de cobre apresentaram posição intermediária.

– A ferrugem formada sobre os aços sem cobre era pouco aderente e de

coloração vermelho vivo. A ferrugem formada sobre o aço com 0,06% de

cobre era um pouco mais escura, e, a formada sobre aços com 0,16% a

0,34% de cobre era marrom escura e bastante aderente.

Buck, D. M. (1913). ‘‘Copper in steel – The influence on corrosion.’’ J. Ind. Eng. Chem., 5(6), 447–452.

Buck, D. M. (1913). ‘‘Copper in steel—Its influence on corrosion.’’ Iron Age, 91(16), 931–938.


• O ASTM Committee A-5 e o National Bureau of Standards (NBS)

realizaram, sob coordenação da ASTM, dois grandes estudos de

exposição atmosférica de aços, entre os anos de 1916 e 1954.

• A conclusão dos estudos, resumido por Larrabee, relata que “The

ratios (of time to perforation) vary from about 1-to-1 to 4-to-1,

depending upon the type of steel and location. The average life of all

sheets with 0,20% minimum copper is about twice that of sheets with

residual copper”.

Larrabee, C. P. (1954). “Report of subcommittee XIV on inspection of black and galvanized sheets.” Proc.

ASTM, Vol. 54, West Conshohocken, Pa., 110-122.


• Larrabee e Coburn analisaram o efeito do

cobre, fósforo, cromo, níquel e silício através

da exposição de 270 aços em três atmosferas

distintas.

• A adição de 0,05% de cobre contribui

grandemente à resistência frente á corrosão

de aços.

• A influência de concentrações superiores a

0,20% é somente marginal.

Larrabee, C. P., e Coburn, S. K. (1962). ‘‘The atmospheric corrosion of

steels as influenced by changes in chemical composition.’’. Proc. First

Int. Congress on Metallic Corrosion, Butterworths, London, 276–285.

História – Aços Patináveis

• Byramji D. Saklatwalla veio da Inglaterra para os Pittsburgh (PA), em

1920, para estudar modos de incorporar vanádio aos aços carbono.

Ele conhecia os trabalhos de Buck.

• Em 1926, em cooperação com uma das usinas da US Steel –

Vandergrift, (PA) – ele obteve uma patente cobrindo a adição de

vários elementos químicos (além do cobre), com o objetivo de

aumentar a resistência mecânica (além da proporcionada pelo cobre)

e a resistência à corrosão atmosférica de aços carbono.

• Entre 1920 e 1930, a US Steel estava desenvolvendo uma família de

aços ARBL para utilização na indústria ferroviária.

• Na mesma época, em Pittsburgh (PA), Jerome Straus também

desenvolveu um aço ARBL, patenteado em 1935.

• A US Steel Corp. adquiriu o direito de uso das duas patentes.

História – Aços Patináveis

• Em 1932, a US Steel Corp. lançou no mercado o aço Cor-Ten.

– Resistência à corrosão atmosférica + alta resistência mecânica.

• Cone, em 1934, relacionava os aços patináveis existentes no

mercado:

Aço L.E., MPa L.R., MPa Alongamento, %

Cromansil 450 635 25

Centralloy 380 490 25

Yolloy 410 610 27

Inland-Hi-Steel 410 555 22

Armco HT 50 325 480 28

Cor-Ten A 350-410 450-520 22-27

Cone, E. F. (1934). ‘‘Low-alloy high tensile steels.’’ Steel, 41–44.

Mayari R ≥ 50.000 psi ≥ 70.000 psi 22

Aço %C %Mn %P %S %Si %Cu %Cr Observação

USS COR-TEN A

(ASTM A242 Tipo 1)

Até ½ “

0,12

max

0,20

a

0,50

0,07

a

0,15

0,05

max

0,25

a

0,75

0,25

a

0,55

0,30

a

1,25

Ni max: 0,65%

Resist. Corros.: 5-8x

maior que ASTM A36

USS COR-TEN B

(ASTM A588 Gr. A)

Até 4”

0,10

a

0,19

0,90

a

1,25

0,04

max

0,05

max

0,15

a

0,30

0,25

a

0,40

0,40

a

0,65

V: 0,02 a 0,10%

Resist. Corros.: 4x

maior que ASTM A36

USS COR-TEN C

Até 1”

0,12

a

0,19

0,90

a

1,35

0,04

max

0,05

max

0,15

a

0,30

0,25

a

0,40

0,40

a

0,70

V: 0,04 a 0,10%

Resist. Corros.: 4x

maior que ASTM A36

Aço L.E., psi L.R., psi Alongamento

min., % (2”)

Alongamento min,

% (8”)

USS COR-TEN

(ASTM A242, A588)

USS COR-TEN A 50.000

(345 MPa) 70.000 (483 MPa) 22 19

USS COR-TEN B 50.000 (345

MPa) 70.000 (483 MPa) 21 19

USS COR-TEN C

60.000 (415

MPa)

80.000 (552 MPa) 21 16

Aços Patináveis – Mecanismo de Proteção

• Mecanismo eletroquímico aplicado aos aços patináveis


Gerdau Aços Brasil

Aços Patináveis – Desempenho

USS High-Strength Low-Alloy Steels (Dec. 1969 Brochure) COR-TEN A, B, and C steels, EX-TEN Steels,

and TRI-TEN Steels

Aços Patináveis – Desempenho


Gerdau Aços Brasil

Aços Patináveis – Vantagens e Limitações

• Vantagens

– Desempenho

– Pequena manutenção

– Menor custo inicial e ao longo da vida útil

– Velocidade de construção

– Beleza

– Benefícios ambientais

• Limitações

– Ambientes marinhos onde [Cl-] > 300 mg.m-2.dia-1

– Ambientes permanentemente umedecidos

– Ambientes industriais muito poluídos onde [SO2] > 200 mg.m-2.dia-1

Aços Patináveis – Vantagens e Limitações

Aços Patináveis – Estimativa da Resistência à Corrosão

• Não existe um método laboratorial aceito para a determinação da

resistência frente à corrosão atmosférica de aços patináveis.

– O Guia ASTM G101 “Standard Guide for Estimating the Atmospheric

Corrosion Resistance of Low-Alloy Steels” foi desenvolvido com esta

finalidade.

– Previsão baseada na extrapolação de dados de curta duração.

– Previsão baseada na composição química da liga.

• Dados de Larrabee e Coburn (tratados por Legault e Leckie) → “C1”

• Dados de Townsend → “C2”

Bragard, A. A. e Bonnarens, H. E. (1982). “Prediction at long terms of the atmospheric corrosion of structural steels from short-term

experimental data”. In: Atmospheric corrosion of metals, Dean/Rhea, eds., ASTM Special Technical Publication (STP) 767, Philadelphia, p.

339.

Legault, R. A. e Leckie, H. P. (1974). “Effect of alloy composition on the atmospheric corrosion behavior of steels based on a statistical analysis

of the Larrabee-Coburn data set”. In: Corrosion in natural environments, ASTM Special Technical Publication (STP) 558, Philadelphia, p. 334.

Townsend, H. H. (2002). “Estimating the atmospheric corrosion resistance of weathering steels”. In: Outdoor atmospheric corrosion,

Townsend, ed., ASTM Special Technical Publication (STP) 1421, Philadelphia, p. 292.

Aços Patináveis – Estimativa da Resistência à Corrosão

• Os aços patináveis norte-americanos atendem às seguintes Normas

ASTM: A242, A588, A606, A709, A852 e A871

– Todas utilizam o critério baseado nos dados de Larrabee e Coburn, e

prescrevem Indice de Corrosão (C1) ≥ 6,0

• O Índice de Corrosão (C1), baseado nos dados de Larrabee e

Coburn, foi proposto por Legault e Leckie. Para ambiente industrial:

• Para outros ambientes, o ordenamento de ligas se mantém, assim,

decidiu-se utilizar a equação desenvolvida para ambiente industrial.

• Os limites para utilização da equação acima (dados de Larrabee e

Coburn) são: [Cu] ≤ 0,51%, [Ni] ≤ 1,1%, [Cr] ≤ 1,3%, [Si] ≤ 0,64% e

[P] ≤ 0,12%

C1=26,01%Cu+3,88%Ni+1,2%Cr+1,49%Si+17,28%P-7,29%Cu%Ni-9,1%Ni%P-33,39%Cu2

Aços Patináveis – O Índice de Corrosão

Elemento

químico,

%

Ferro

puro

ASTM

A36 típico

ASTM

A36 +

0,20%Cu

ASTM

A588

típico

Aço

patinável

“1” típico

Aço

patinável

“2” típico

Aço

patinável

“3” típico

P 0,000 0,15 0,15 0,012 0,016 0,076 0,049

Si 0,000 0,01 0,01 0,360 0,348 0,429 1,14

Ni 0,000 0,00 0,00 0,310 0,012 0,007 0,01

Cr 0,000 0,01 0,01 0,530 0,687 0,409 0,21

Cu 0,000 0,00 0,200 0,300 0,211 0,018 0,10

C1 0,00 0,36 4,22 6,67 5,65 2,92 5,09

C2 0,00 2,01 2,60 6,17 6,18 5,88 6,55


• Atenção ao detalhamento.

Projeto e durabilidade - Fabio Domingos Pannoni – CBCA

“O conhecimento de nenhum

homem pode ir além de sua própria

experiência”

John Locke (1632 – 1704)

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