MATERIAIS ESTRUTURAIS METÁLICOS Professor Mauro César de Brito e Silva

O comportamento básico de um sistema estrutural não depende do material, mas da

aplicação estrutural seja ela qual for. É verdade que as propriedades mecânicas do material

estrutural também necessariamente serão um critério de qualificação do sistema e extensão da

estrutura, mas o comportamento, a compreensão e sua aplicação no projeto são independentes

do material. (Engel, H., Structure Systems, Gerd Hatje Publishers, Germany, 1997).

OS PRINCIPAIS MATERIAIS ESTRUTURAIS METÁLICOS

Os principais materiais estruturais são: alvenaria estrutural: pedras, tijolos e blocos;

concreto armado: moldado in loco, pré-moldado/fabricado e protendido; madeira: roliça, serrada

e laminada colada; e aço: chapa dobrada, laminado e soldado. E materiais metálicos, tais como:

aço inoxidável, alumínio e titânio também são opções para as construções das edificações.

1 – ALUMÍNIO

O alumínio não é um material estrutural utilizado com a mesma intensidade que o aço

nos projetos de arquitetura das edificações, exceto em aplicações especializadas. É um material

que tem resistência à corrosão natural, sendo ideal para aplicações estruturais expostas.

Usualmente desempenha uma função vital nos sistemas estruturais (figura 1.1) resistentes ao

vento dos painéis de revestimentos e nas barras de segurança de escadas e varandas. Sua

resistência à corrosão é devido à formação de uma camada fina de óxido de alumínio que

firmemente adere ao metal original, protegendo-o de outras oxidações na maioria das aplicações.

No entanto, a camada de óxido é afetada por elementos de liga no alumínio, e geralmente para

uma melhor aparência é necessário algum acabamento. Por exemplo, um acabamento anodizado

preserva o que pensamos como uma “aparência” de alumínio. A pintura do alumínio é

recomentada quando uma maior proteção é necessária, como a do National Aquarium em

Copenhagen na Dinamarca (figura 1.2).

Figura 1.1 – Sistema estrutural usual de alumínio

O principal obstáculo da utilização do metal alumínio é econômico. Por unidade de peso

e considerando semelhança em áreas de seção transversal e capacidade de receber cargas de dois

materiais estruturais, alumínio e aço, os elementos de alumínio teriam cerca de um terço da

densidade, um terço da capacidade de receber cargas e um terço do módulo de elasticidade dos

elementos de aço. Mas, ligas de alumínio especial de alto desempenho podem se sair um pouco

melhor do que o aço convencional em resistência por unidade de peso. Mesmo assim, o preço

por unidade de peso é mais alto para o alumínio do que para o aço. O alumínio tem a vantagem

quando as formas extrudadas complexas (figura 1.3) ou bordas afiadas são necessárias devido à

aparência ou montagem, pois os custos de manutenção são significativamente menores. Também

é usado onde certa espessura ou volume é exigido em função da estabilidade, ou seja, como nos

sistemas estruturais das aeronaves onde devido a menor densidade, um menor peso estrutural é

obtido. (Thornton, C. H. et al., Exposed Structure in Building Design, McGraw-Hill Inc., U.S.A., 1993).

As duas classes básicas de alumínio e suas ligas são de alumínio fundido e forjado. Como

o módulo de elasticidade do alumínio é cerca de um terço do aço, e quando os sistemas

Figura 1.3 – Perfis de alumínio extrudado

Figura 1.2 – National Aquarium

estruturais estão solicitados aos carregamentos externos, à consequência é que os membros de

alumínio têm maiores deflexões quando comparados aos de aço. A condutividade e a expansão

térmica do alumínio também excedem as do aço. Por outro lado, o comportamento de corrosão

do alumínio é superior ao do aço. Estas e outras propriedades têm impacto nos projetos de

arquitetura e estrutural. Os produtos de alumínio podem ser fabricados parcialmente por métodos

semelhantes ao aço, ou seja, fundição, laminação a quente e a frio, usinagem e parcialmente por

extrusão. Métodos de fabricação específicos são usados para vários fins de modelagem e para

obter diferentes padrões e propriedades de superfície do alumínio. Assim como o aço, existe uma

ampla variedade de métodos de conexão para alumínio, como a fixação mecânica por parafusos,

rebites, solda e outros. Para acabamento superficial as principais possibilidades são: anodização,

esmaltagem e lacagem. Os três processos básicos de anodização são cura integral, coloração em

duas etapas e coloração impregnada. O processo eletrolítico de anodização engrossa a fina

superfície protetora da camada de óxido de alumínio e simultaneamente é usado para fornecer

uma superfície colorida. O alumínio basicamente não tem corrosão, mas um nível mais alto de

proteção pode ser necessário e alcançado através do uso de ligas especiais ou de revestimento.

As esquadrias de alumínio são geralmente projetadas com uma proteção térmica, por exemplo,

contendo uma tira sólida de plástico isolante, como a poliamida. Chapas de aço e alumínio

corrugadas são componentes de construção muito comuns usados para revestimentos, telhados e

tetos suspensos. A maioria das estruturas de coberturas espaciais é projetada com membros de

aço patenteados, tais como: MERO. O Triodetic é uma estrutura espacial de alumínio muito

conhecida e que apresenta elementos tubulares de alumínio acoplados usando conexões

especiais. Várias formas como estruturas planas, abóbadas e cúpulas foram construídas com a

Triodetic com vãos que variam de 50 a 100 metros. A mesquita Shah Alam em Selangor (figura

1.4), na Malásia, é uma dessas cúpulas (Sebestyen, G. and Pollington, C., New Architecture and

Technology, Great Britain, 2003).

Figura 1.5 – Conexão parafusada Figura 1.4 - Mesquita Shah Alam

Vários usos do alumínio na construção civil são equivalentes aos do aço, mas certos

processos de fabricação são específicos para o alumínio, por exemplo, extrusão de seções (figura

1.3) e fundição de painéis de alumínio. E consequentemente as decisões arquitetônicas nos

projetos serão afetadas consideravelmente.

Os projetos arquitetônico e estrutural devem considerar falhas específicas dos sistemas

estruturais que utilizam o metal alumínio, ou seja, estes estarão mais propensos aos efeitos da

fadiga devido à repetição de cargas do que aqueles executados em aço. Várias formas de

flambagem também desempenham um papel importante nas estruturas de alumínio, e normas

adequadas devem ser analisadas na utilização do alumínio nos sistemas estruturais, tais como:

Eurocode 9. As conexões de alumínio: parafusadas (figura 1.5), rebitadas e soldadas, devem ser

analisadas cuidadosamente nos projetos estruturais de fabricação e montagem.

2 – AÇO INOXIDÁVEL

Tem como característica principal a resistência à corrosão e ao calor. Sendo que sua

composição contém um teor mínimo de 10,5% de crômio. O aço-carbono estrutural tem várias

denominações que dependem das especificações, tais como: ASTM A36 e ASTM A572 Grau 50,

que atendem diferentes requisitos de resistência, soldabilidade e tenacidade. Então, assim como

este aço, existe uma ampla variedade de aços inoxidáveis com níveis variados de resistência

mecânica e resistência à corrosão. As propriedades de aço inoxidável resultam de adições

controladas de elementos de liga, cada uma afetando suas propriedades mecânicas e a capacidade

de resistir a diferentes ambientes corrosivos. Portanto, é importante selecionar um aço inoxidável

que seja adequado para uma determinada aplicação sem que necessariamente tenha altos custos

de fabricação e utilização. Com uma superfície limpa e a exposição ao ar ou a qualquer outro

ambiente oxidante, forma-se espontaneamente na superfície do aço inoxidável uma camada, ou

seja, um filme transparente e altamente aderente de óxido rico em crômio. Se o filme for

arranhado ou cortado, imediatamente este será refeito na presença de oxigênio. Embora o filme

seja muito fino, é estável e não poroso. Enquanto o aço inoxidável for resistente à corrosão, ele

não reagirá mais com a atmosfera, e por esse motivo é chamado de filme passivo. A conservação

desta camada passiva depende da composição do aço inoxidável, seu tratamento superficial e da

corrosividade do ambiente. Sua conservação aumenta à medida que o conteúdo de cromo

aumenta e é ainda mais aprimorada com a adição de ligas de molibdênio e nitrogênio. O aço

inoxidável é geralmente usado em peças especiais de edificações, tais como: acessórios, trilhos e

revestimento. E como o custo deste aço é alto, sua aplicação é limitada. No entanto, o aço

inoxidável ainda pode ser econômico, dependendo do acabamento e tratamento da superfície do

material. Seja bem ou mal processado, o aço inoxidável tem uma natureza incontrolável e as

tensões no material causam estrias e superfícies irregulares em sua superfície.

As aplicações típicas na construção civil para os aços inoxidáveis Austenítico e Duplex:

Austenítico + Ferrítico são: vigas, colunas, estruturas costeiras, coberturas, revestimento de

túneis, barreiras de segurança, corrimão, elementos de fixação em piscinas. E o Ferrítico é

utilizado tipicamente nos revestimentos e coberturas de edifícios, bem como tubulações de água

potável. Eles também são usados para aplicações internas, como elevadores e escadas rolantes.

O projeto de arquitetura de uma das estações de trens, O'Hare Rapid Transit Extension

Station (Figura 2.1), foi elaborado pela empresa Murphy/Jahn e sua construção feita em 1985.

Um patamar superior oferece uma boa visão geral da estação, uma revelação subterrânea com

paredes onduladas de blocos de vidro. O aço inoxidável é um material presente nos bancos de

chapas perfuradas, placas, grades, etc. Até os trens têm seus revestimentos de aço inoxidável. A

iluminação quase brilhante dos tijolos de vidro multicoloridos, o aço brilhante, o movimento dos

trens e das pessoas se combinam para criar um clima de intensidade saturada. Outro projeto

elaborado em 1974 em aço inoxidável é o da Yale Center for British Art (Figura 2.2) do arquiteto

americano Louis Kahn, construído na Chapel Street, New Haven. O edifício possui um esqueleto

de concreto armado aparente, preenchido com painéis de carvalho internamente e aço inoxidável

externamente. O aço recebeu um acabamento cinza fosco que se aproxima da cor do concreto e

está no mesmo plano que o vidro das janelas. Kahn buscou um tom de cor que corresponderia a

chumbo ou estanho: "Em um dia cinza parecerá, a uma mariposa, e em um dia ensolarado, a uma

borboleta" (Eggen, A.P., Steel, Structure and Architecture-A survey of the material and its

applications, Watson-Guptill Publications, New York, 1995).

Figura 2.2 - Yale Center for British Art

(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Yale_Center_for_British_Art-corner_of_facade.jpg)

Figura 2.1 - O'Hare Station

(https://chicago.curbed.com/2017/9/22/16350690/chicago-ohare-to-loop-l-cta-blue-line-downtown)

O aço inoxidável também foi utilizado pelo arquiteto Richard Rogers no edifício Lloyd's

(Figura 2.3) localizado em Londres, UK. Este material conferiu ao edifício uma estética de alta

tecnologia, quase pós-moderna. A fachada simplificada, justaposta às funções mecânicas e de

serviço no exterior, evoca os avanços tecnológicos de sua construção, além de expressar o foco

principal do edifício na funcionalidade. Além do aço inoxidável, muitos materiais estão presentes

na construção do edifício, tais como: vidro, alumínio, concreto armado e o aço carbono.

(BROOKES, A.J., The building envelope + connections, Oxford, 1996).

Em Berlim na Alemanha, o arquiteto canadense Frank O. Gehry projetou a filial do DZ

Bank. E sua marca registrada está localizada no átrio (figura 2.4), um teto de vidro que se

assemelha a um dirigível e uma sala de conferências envolvida por uma pele de aço inoxidável

com forma indefinida (httpswww.erco.comprojectsworkdz-bank-berlin-branch-1232en).

Figuras 2.3 - Lloyd’s of London

Figuras 2.4 – DZ Bank

Os aços inoxidáveis podem ser classificados em cinco grupos básicos: Austenítico

(Austenitic), Ferrítico (Ferritic), Duplex: Austenítico + Ferrítico (Duplex: Austenitic + Ferritic),

Martensítico (Martensitic) e Endurecíveis por Precipitação (Precipitation hardening). Cada

grupo fornece propriedades únicas e uma variedade de diferentes níveis de resistência à corrosão.

O comportamento da tensão e deformação do aço inoxidável é diferente do aço carbono em

vários aspectos. A diferença mais importante está na forma da curva tensão-deformação.

Enquanto o aço carbono normalmente exibe um comportamento elástico linear até a tensão de

escoamento e um platô antes do endurecimento, o aço inoxidável tem uma resposta mais

arredondada, sem tensão de escoamento bem definida (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Diagrama tensão-deformação - comportamento dos aços: inoxidável e carbono

TABELA 1 – Comparação de propriedades mecânicas dos aços: Inoxidável e Carbono

Aço Tensão de escoamento

(Mpa) Tensão de resistência

(Mpa) Módulo de elasticidade

(Mpa) Alongamento

(%)

Inoxidável

304 (1.4301) 210 520 200000 45

316 (1.4401) 220 520 200000 40

Carbono

S275 275 410 205000 22

S355 355 490 205000 22

Nenhuma limitação de espessura em relação à fratura frágil se aplica ao aço inoxidável;

as limitações do aço carbono não são aplicáveis devido à tenacidade superior do aço inoxidável.

As classes de aço inoxidável austenítico não apresentam uma transição de resistência ao

impacto dúctil-quebradiço à medida que as temperaturas são reduzidas.

Os aços inoxidáveis podem absorver um impacto considerável sem fraturar devido à sua

excelente ductilidade e às suas características de endurecimento por deformação.

As principais razões para a diferença no comportamento estrutural entre membros de aço

carbono e aço inoxidável são:

• A curva tensão-deformação para aço inoxidável se afasta da linearidade com uma tensão muito

menor que a dos aços carbono.

• Aços inoxidáveis têm maior ductilidade e maior capacidade de endurecimento do que os aços

carbono.

• O módulo de material dos aços inoxidáveis diminui com o aumento da tensão, ao contrário do

aço carbono, que é constante.

• As tensões residuais decorrentes da fabricação são mais altas em aço inoxidável do que em

aços carbono.

Como resultado, são necessárias curvas de flambagem diferentes das do aço carbono. Isso

se aplica á: flambagem localizada para elementos em compressão, flambagem por flexão, torção,

torção-flexão para membros sujeitos a compressão axial e flambagem de torção lateral para vigas

com flanges de compressão sem restrições.

Com relação às estimativas das deflexões: no aço inoxidável se a rigidez diminui a tensão

aumenta. Logo, as deflexões dos membros são maiores do que as dos membros de aço carbono.

Portanto, é necessário usar um módulo reduzido para prever o comportamento dos membros nos

quais ocorrem altas tensões.

Os textos, figura 2.5 e tabela 1 são conforme o DESIGN MANUAL FOR STRUCTURAL

STAINLESS STEEL 4TH EDITION, 2017 - SCI - Steel Construction Institute.

TABELA 2 – Similaridade* entre aços estruturais

A tabela 2 é uma publicação do CBCA – Centro Brasileiro da construção em Aço que

trata das similaridades entre os aços estruturais de diversas normas utilizados na construção civil.

Mas, esta tabela mostra os aços S275JR e S355JR e não os aços S275 e S355 da tabela 1.

Portanto, existe uma similaridade entre os aços S275JR e S355JR aos ASTM A572 Grau 42 e

ASTM A572 Grau 50, respectivamente.

3 – TITÂNIO

A utilização do titânio na construção civil não é tão comum quando o aço e alumínio. E

os motivos de seu uso pouco extenso nos projetos arquitetônicos são o alto custo e a prioridade

dos usos aeroespaciais e militares. No entanto, a redução gradual no preço e o uso de chapas

mais finas o colocaram ao alcance dos projetistas. O titânio possui uma taxa extremamente baixa

de expansão térmica e possui excelentes propriedades de resistência. Ele é resistente à corrosão e

possui um baixo coeficiente de expansão térmica. Sua resistência ao escoamento é semelhante à

do aço inoxidável.

O Japão foi o primeiro país a utilizar o titânio como material na construção civil e os

Estados Unidos aparecem em segundo lugar. Uma das edificações significativas a utilizar o

titânio como revestimento externo foi o Museu Guggenheim (figura 3.1) em Bilbao, na Espanha,

projetado pelo arquiteto canadense Frank O. Gehry. O metal titânio perdeu parcialmente seu

brilho, o que se tornou em uma experiência desagradável no revestimento do Museu de Bilbao. E

a provável causa foi a oxidação devido aos produtos químicos usados para proteger a estrutura de

aço contra incêndio, que vazaram para o revestimento de lâminas de titânio durante a construção

da edificação. Várias tentativas foram feitas para restaurar o brilho do material do revestimento,

tais como: limpeza e substituição parcial das seções do revestimento.

Figura 3.1 – Museu Guggenheim

Outro edifício que utiliza o titânio como material de revestimento é o Museu Judaico

(Jewish Museum) em Berlim na Alemanha. O Edifício Libeskind (figura 3.2) ziguezagueia com

sua fachada de titânio-zinco e apresenta machados subterrâneos, paredes angulares e “vazios” de

concreto sem aquecimento ou ar-condicionado. Tem uma arquitetura que reconta a história

Judaica – Alemã segundo o autor do projeto, o arquiteto polonês-americano Daniel Libeskind.

O Titânio está cada vez mais sendo aplicado na construção de fachadas das edificações.

E alguns exemplos são: O projeto premiado do arquiteto francês Paul Andreu do revestimento

externo da Ópera de Pequim (National Grand Theater-China – figura 3.3); E com projeto de

arquitetura de Building Design Partnership, o complexo de ciências naturais do Millennium

Glasgow a beira do rio Clyde, consiste em três edifícios que utilizaram titânio como revestimento

externo: cinema tridimensional IMAX, Centro Técnico e de Ciências Naturais (Glasgow Science

Centre – figura 3.4 e a Torre de Glasgow). O cinema IMAX e o Glasgow Science Centre foram

os primeiros edifícios na Grã-Bretanha a terem revestimento de titânio (Sebestyen, G. and

Pollington, C., New Architecture and Technology, Great Britain, 2003).

Figura 3.3 - Ópera de Pequim

Figura 3.2 - Edifício Libeskind

Figura 3.4 - Glasgow Science Centre