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