Explorando o aço estrutural
Dos edifícios que as pessoas visitam, às casas em que vivem, às estradas em que viajam, a chapa de aço estrutural é um material de construção multiuso que oferece versatilidade de fabricação e resistência estrutural sem peso extremo. Este artigo aborda o aço estrutural, sua composição, características, usos e muito mais.
O que é aço estrutural?
O aço estrutural é uma categoria regulamentada de aço que deve atender aos padrões da indústria para tolerâncias dimensionais e composição. Nos Estados Unidos, os tipos de aço são especificados e regulamentados pela ASTM International. Além disso, a Europa e o Canadá têm seus próprios órgãos reguladores e padrões. Embora a Leeco Steel ofereça chapas de aço padrão EN e chapas de aço padrão CSA G40.21, este artigo se concentrará nos padrões ASTM.
Existe uma ampla gama de classes de aço estrutural, sendo as mais populares ASTM A572 e ASTM A36. Esses tipos de aço, juntamente com outros tipos de aço estrutural, são usados principalmente para a construção de estruturas para pontes e edifícios.
Eles também são usados na construção de:
vagões de carga
Equipamento de construção
partes de caminhão
Maquinário
barras de guindaste
torres de transmissão
racks de caminhão
Pesquisa publicada pelo American Institute of Steel Construction mostra que o aço estrutural contém 47% de todos os materiais de construção, então é muito provável que o aço estrutural seja responsável por parte do projeto em estruturas, prédios ou pontes.
Produção e teste de aço estrutural
Para entender completamente como o aço estrutural varia do aço não estrutural, como o usado em caminhões, navios ou tanques militares, é importante examinar a composição do aço estrutural.
O aço pode ser feito a partir de matérias-primas ou da reciclagem de aço antigo. Durante o processo de transformação do aço reciclado em aço novo, o aço existente é derretido e refinado para atender a determinadas especificações. Fazer aço a partir de matérias-primas é um processo muito mais longo.
O aço é uma liga que contém carbono e ferro, ambos abundantemente disponíveis, mas raramente encontrados em sua forma pura. Para fazer aço a partir de matérias-primas, o ferro é obtido a partir do minério de ferro, que contém óxidos de ferro abundantes. A maior parte do minério de ferro nos Estados Unidos é extraída de taconita, que é encontrada em abundância em Minnesota. Durante o processo de mineração, a taconita é moída em uma composição arenosa, e ímãs são usados para separar o minério de ferro (na forma de magnetita) de outras substâncias e minerais.
Embora o ferro seja muitas vezes considerado forte e duro, o minério de ferro bruto é tão macio que pode ser cortado com uma faca e algum músculo. As ligas à base de ferro obtêm sua força da adição de carbono.
Uma liga de ferro e carbono geralmente é produzida combinando coque com minério de ferro e aplicando calor até que o coque entre em ignição. O coque é uma forma de carvão rica em carbono. Como resultado desse forte aquecimento, o coque libera carbonos e se liga aos oxigênios dos óxidos de ferro, deixando uma combinação de carbono e ferro. Esse processo é chamado de redução.
Após a redução, o material tem cerca de 4% de carbono, que passa por mais processos de aquecimento e resfriamento para reduzir a quantidade de carbono, tornando o material mais forte e duro. Assim que o teor de carbono é inferior a 2,1 por cento do peso do material, ele se transforma em aço. Para fazer aço estrutural, o carbono deve ser reduzido ainda mais até que sua composição seja apenas 0,05 por cento a 0,25 por cento.
O resultado final é um aço estrutural com preço econômico, 100% reciclável e com uma alta relação resistência-peso. Existem diferentes graus de aço estrutural, que variam em certa medida em sua composição. Essas composições ajudam consideravelmente a estabelecer o material necessário para qualquer projeto específico.
Alternativamente, o aço pode ser processado adicionalmente - por tratamentos adicionais de aquecimento e resfriamento e/ou adição de ligas, por exemplo, titânio, molibdênio e cromo - para aumentar a dureza. Esses processos afetam a fragilidade geral, na maioria dos casos, tornando o material resultante inadequado para aplicações estruturais.
Composição do aço estrutural
Abaixo está a composição de dois tipos de aço estrutural bem conhecidos: ASTM 572 e ASTM A36. Embora outros tipos de aço estrutural tenham composições análogas, eles também podem ter ligas adicionais ou ter sofrido processamento adicional.
| Grau | Carbono | Manganês | Combine | Enxofre | Silicone |
|---|---|---|---|---|---|
| A36 | 0.25-0,29 por cento | 1,03% | 0,04 por cento | 0,05 por cento | 0,28 por cento |
| A572 | 0.18-0,23 por cento | 0.5-0,7 por cento | 0,035 por cento máx. | 0,04 por cento máx. | 0.150-0,3 por cento |
| A514* | 0.12-0,21 por cento | 0,85 por cento | Não especificado | Não especificado | 0,28 por cento |
A514 também contém 0,2 por cento de molibdênio, 0,48 por cento de cromo, 0,05 por cento de vanádio, 0,02 por cento de titânio e 0,003 por cento de boro.
A presença de ligas adicionais que aumentam a dureza e a fragilidade é a principal diferença de composição entre o aço não estrutural e o estrutural. Em alguns casos, as ligas adicionais são capazes de criar aço de qualidade estrutural; porém, em outros casos, o aço produzido é muito frágil para uso em capacidades estruturais.
Rendimento e resistência à tração
Além da composição química, os limites de tensão e escoamento ajudam a estabelecer a classe do aço, bem como a aplicação geral.
O ponto mais alto de tensão é o limite elástico, no qual o material mudará permanentemente de forma. Por exemplo, quando alguém salta de um trampolim, o trampolim naturalmente se dobra para absorver a energia e o peso, mas depois que essa pessoa salta do trampolim, o trampolim retornará à sua forma original. O limite elástico do trampolim seria o ponto em que ele se dobra sob energia e peso, e permanece permanentemente dobrado mesmo após o lançamento do mergulhador.
Uma característica vital do aço estrutural, o ponto de escoamento deve ter algum escoamento para absorver o peso. Por exemplo, a resistência ao escoamento em pontes é o peso máximo que a ponte pode suportar antes de sofrer danos permanentes.
A resistência à tração refere-se ao ponto em que o material dobrado irá quebrar. No exemplo do trampolim acima, esta é a energia e o peso necessários para quebrar o trampolim.
Abaixo está um gráfico mostrando os pontos de tração e escoamento para três tipos comuns de aço estrutural. Esses pontos são calculados em kiloinches por polegada quadrada ("ksi") ou libras por polegada quadrada ("psi"), como segue. Às vezes eles também são indicados em megapascais.
| Grau | ponto de rendimento | ponto de tração |
|---|---|---|
| A36 | 36 ks | 58-80 |
| A572 | 42-65 ksi* | 0.5-0,7 por cento |
| A514 | 100 ks | 110-130 |
A cobertura depende da espessura, mas o grau mais comum é 50 ksi.
Esses dois parâmetros são muito importantes para os engenheiros ao planejar o material necessário para um projeto específico.
