Estruturas em Aço

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
Estruturas de aço para edifícios – Aspectos tecnológicos e de concepção - Valdir Pignatta e Silva e Fabio
Domingos Pannoni – Editora Blucher
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.
Prescrições Normativas
• Qualifique a agressividade do ambiente atmosférico.
Estruturas de aço para edifícios – Aspectos tecnológicos e de concepção - Valdir Pignatta e Silva e Fabio
Domingos Pannoni – Editora Blucher
Prescrições Normativas
• 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”
Grau de
preparo de
Sistema superfície
No
Sa
St 2
Resina
21/2
Acabamento
incluindo
camada
intermediária
Fundo
Tipo
Demãos
Durabilidade
estimada
Sistema
Espessura
Espessura
seca
Resina Demãos
seca
(mm)
(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
C3.02
X
X
A
Vários
1-2
80
A
1-2
80
2-4
160
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
Prescrições Normativas
• Escolha sistemas de proteção e aços adequados.
– ABNT NBR 6323: 2007 “Galvanização de produtos de aço ou ferro
fundido – Especificação”
Estruturas de aço para edifícios – Aspectos tecnológicos e de concepção - Valdir Pignatta e Silva e Fabio
Domingos Pannoni – Editora Blucher
Prescrições Normativas
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.
Prescrições Normativas
• 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.
História – A Influência do Cobre nos Aços
• 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.
História – A Influência do Cobre nos Aços
• 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.
História – A Influência do Cobre nos Aços
• 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 – A Influência do Cobre nos Aços
Estruturas de aço para edifícios – Aspectos tecnológicos e de concepção - Valdir Pignatta e Silva e Fabio
Domingos Pannoni – Editora Blucher
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
Mayari R
≥ 50.000 psi
≥ 70.000 psi
22
Cone, E. F. (1934). ‘‘Low-alloy high tensile steels.’’ Steel, 41–44.
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
L.E., psi
L.R., psi
Alongamento
min., % (2”)
Alongamento min,
% (8”)
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
80.000 (552 MPa)
21
16
Aço
USS COR-TEN
(ASTM A242, A588)
USS COR-TEN C
60.000 (415
MPa)
Aços Patináveis – Mecanismo de Proteção
• Mecanismo eletroquímico aplicado aos aços patináveis
Princípios da proteção de estruturas metálicas em situação de corrosão e incêndio - 6a edição (2015)
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
Princípios da proteção de estruturas metálicas em situação de corrosão e incêndio - 6a edição (2015)
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:
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
• 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%
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
Prescrições Normativas
• 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)
[email protected]