MR250 ou A572? O que mudar o grau do aço faz com o seu projeto

Imagine dois desenhos estruturais que são linha por linha iguais: o mesmo galpão, os mesmos vãos, o mesmo espaçamento de terças, as mesmas cargas. A única diferença mora na especificação do material no desenho. Um diz MR250, o aço-carbono laminado a quente do dia a dia que uma usina brasileira mantém em estoque. O outro diz ASTM A572 Grau 50, um aço de alta resistência e baixa liga que custa mais por quilo e muitas vezes precisa ser encomendado.

O instinto natural é achar que o pórtico de A572 tem que ser a construção melhor: aço mais resistente, estrutura mais segura, ou a mesma segurança com menos aço e uma conta mais leve. Às vezes esse instinto está exatamente certo e o grau mais alto economiza tonelagem de verdade. Com a mesma frequência ele não muda nada, e você pagou um sobrepreço por um número que o seu projeto nunca usa.

A razão é um único fato que decide toda essa questão, e vale dizê-lo logo de cara: mudar o grau do aço muda a resistência ao escoamento, e quase nada mais. Para ver onde o grau ajuda e onde é desperdiçado, vamos submeter uma seção real, uma IPE 300, a três estados-limite no motor FEM do CalcSteel, trocar o grau em cada um e ler os números.

Um grau de aço é, no fundo, dois números. A resistência ao escoamento fy é a tensão em que o aço para de voltar ao lugar e começa a se deformar permanentemente. A resistência à ruptura fu é a tensão em que ele finalmente se rompe. Toda verificação de capacidade em uma norma de aço, flexão, força axial, cortante, esmagamento, solda e parafuso, é construída sobre um desses dois ou sobre ambos.

O MR250, o cavalo de batalha brasileiro da NBR 7007, tem fy = 250 MPa e fu = 400 MPa. É o gêmeo em resistência do ASTM A36. O A572 Grau 50 eleva a barra para fy = 345 MPa e fu = 450 MPa. O europeu S355 fica logo acima, com fy = 355 MPa. Ir do MR250 para o A572 aumenta a resistência ao escoamento em 38% (345 / 250 = 1,38), e essa razão vai reaparecer várias e várias vezes.

Olhe a última coluna, porque ela é o artigo inteiro em um único número. O módulo de elasticidade E é de cerca de 200 GPa para todo aço estrutural, de baixo carbono ou de alta resistência, barato ou caro. A rigidez é uma propriedade da própria rede cristalina do ferro, e os elementos de liga que aumentam a resistência ao escoamento mal a alteram. Uma troca de grau compra resistência para você. Nunca compra rigidez. Tudo o que se segue é consequência dessa única linha.

Uma barra de aço pode atingir seu limite de três formas gerais, e o grau do aço cai de maneira muito diferente sobre cada uma.

• Resistência (escoamento). Uma barra tracionada curta, ou uma viga compacta travada contra a flambagem lateral, falha quando a tensão atinge fy. A capacidade é diretamente proporcional a fy, então um grau mais alto compensa quase real por real.
• Estabilidade (flambagem). Uma coluna esbelta falha por flambagem muito antes de o material escoar. A tensão de flambagem vem da fórmula de Euler, que contém E e a esbeltez, mas não fy. Aumente o grau e a capacidade de flambagem quase não se mexe.
• Serviço (flecha). Uma viga que precisa ficar abaixo de um limite de flecha como L/360 é governada por quanto ela deflete sob carga de serviço. A flecha depende de E e do momento de inércia I, e de nada relacionado ao grau.

Então a resposta honesta para 'devo mudar para A572?' é: depende inteiramente de qual desses três está decidindo a sua seção. O resto do artigo conduz uma IPE 300 pelos três, com o motor do CalcSteel fazendo as contas.

Comece pelo caso em que o grau justifica o custo. Tome uma viga IPE 300 biapoiada com vão de 6 m, travada contra a flambagem lateral com torção, carregando uma carga uniforme majorada de 17 kN/m. A solicitação é o momento fletor de cálculo, e ele não se importa nem um pouco com o grau: geometria e carga o fixam. O motor FEM do CalcSteel retorna M = 76,5 kN·m, coincidindo com o wL²/8 = 17 × 6² / 8 do livro-texto até a quarta casa decimal.

A capacidade é onde o grau entra. Para uma seção compacta e travada lateralmente, a resistência de cálculo à flexão é M_Rd = Z_x · fy / γ, com o módulo plástico Z_x = 314,8 cm³ e γ = 1,10 (NBR 8800). Rode os dois graus:

• MR250: M_Rd = 314,8 × 250 / 1,10 = 71,6 kN·m. Utilização = 76,5 / 71,6 = 1,07. Falha.
• A572-50: M_Rd = 314,8 × 345 / 1,10 = 98,7 kN·m. Utilização = 76,5 / 98,7 = 0,78. Passa, com 22% de folga.

Mesma viga, mesmo vão, mesma carga. A única coisa que mudou foi a especificação do material, e ela levou a barra de sobrecarregada a confortável. Note a razão de capacidades: 98,7 / 71,6 = 1,38, exatamente a razão das resistências ao escoamento. Quando a resistência governa, a troca de grau se converte um por um em capacidade, e esse é o caso em que pagar pelo A572 é a decisão de engenharia certa.

Antes do próximo exemplo, sinta o efeito com as próprias mãos. A calculadora abaixo é a ferramenta de flambagem de coluna do CalcSteel, e ela tem um seletor de grau embutido: A36 · 250, A572-50 · 345 e S355 · 355. Escolha uma seção, defina um comprimento e observe a capacidade.

Tente o seguinte: escolha uma coluna curta e alterne de 250 para 345. A capacidade dá um salto. Agora estique a mesma coluna para 5 ou 6 m e alterne o grau de novo. Desta vez a capacidade mal se mexe. Você está vendo o ponto de virada que a próxima seção fixa com números. O grau ajuda a coluna atarracada e abandona a esbelta, e a calculadora deixa você encontrar o comprimento exato em que o benefício desaparece para a sua própria seção.

Agora o caso que surpreende as pessoas. Tome a mesma IPE 300, coloque-a em pé como uma coluna biarticulada flambando em torno do seu eixo de menor inércia (raio de giração r_y = 3,35 cm), e carregue-a com 300 kN. Vamos resolvê-la em dois comprimentos.

Esbelta, com 5 m. A esbeltez é λ = KL / r = 500 / 3,35 = 149. A tensão de Euler é F_e = π²E / λ² = 88,5 MPa, e ela contém E, mas não fy. Os dois graus ficam além do limite de flambagem elástica λ_lim = 4,71·√(E/fy), então a tensão crítica da AISC 360 colapsa para F_cr = 0,877·F_e, na qual fy se cancelou por completo. O motor retorna a mesma capacidade de cálculo para os dois graus: N_Rd = 379,5 kN, utilização 0,79, seja o aço MR250 ou A572. O aço 38% mais resistente comprou exatamente 0%.

Atarracada, com 1,5 m. Encurte a mesma coluna para λ = 45. Agora F_e = 983 MPa, a coluna está no regime inelástico em que fy importa, e as capacidades se separam: 1099 kN no MR250 contra 1457 kN no A572, um ganho de +32,5% que quase recupera a razão de graus completa.

Mesma seção, mesma força axial, mesma troca de grau. Vale um terço a mais quando a coluna é atarracada, não vale nada quando é esbelta. A rigidez governa a flambagem, e você não consegue comprar rigidez com um grau.

O terceiro estado-limite é aquele em que o grau é o mais completamente irrelevante. Coloque a IPE 300 de novo deitada como uma viga biapoiada de 6 m e aplique uma carga de serviço de 18 kN/m. A flecha segue δ = 5wL⁴ / (384·E·I), e o motor do CalcSteel retorna δ = 18,76 mm, contra um limite comum de L/360 = 16,7 mm. A viga está acima do limite com utilização 1,13.

Agora troque o aço para A572 e rode de novo. A flecha é 18,76 mm. Idêntica, até o último dígito, porque a fórmula contém E e I e nada mais, e ambos são cegos ao grau. Não existe grau que você possa especificar que faça esta viga defletir menos. Se a flecha é o seu problema, um aço mais resistente não é a resposta; uma seção mais rígida é.

Fica ainda mais nítido. Suponha que você tivesse usado a resistência extra do A572 para descer a uma IPE 270 mais leve, cuja capacidade à flexão em A572 fica bem no momento de cálculo. O momento de inércia cai de 8097 para 5584 cm⁴, e o motor retorna δ = 27,2 mm, utilização 1,63. O peso que você economizou na resistência voltou na mesma hora como flecha. O grau não só deixou de ajudar a verificação de serviço, persegui-lo piorou ativamente a verificação.

O exemplo de estabilidade tinha uma fronteira rígida escondida nele, e vale nomeá-la porque ela permite prever a resposta antes de rodar qualquer coisa. A AISC 360 divide o comportamento da coluna na esbeltez

λ_lim = 4,71·√(E / fy).

Abaixo de λ_lim a coluna escoa de forma inelástica e fy está na fórmula de capacidade, então o grau compensa. Acima dele a coluna flamba elasticamente a 0,877·F_e, fy saiu de cena, e o grau é peso morto. Para o MR250 o limite é λ_lim = 133; para o A572 é 113 (um fy maior na verdade reduz o limite). Passada uma esbeltez de cerca de 133, os dois graus estão na mesma curva elástica e a troca não retorna nada.

Plote a capacidade ganha ao ir do MR250 ao A572 contra a esbeltez e você obtém um retrato claro de retornos decrescentes: cerca de +38% para uma coluna muito atarracada, deslizando até zero conforme cruza λ_lim, depois estável em zero para tudo que é esbelto. Se você sabe mais ou menos onde a sua coluna fica nesse eixo, já sabe se vale a pena comprar o grau.

O grau só se converte em dinheiro quando se converte em uma seção mais leve, e só se converte em uma seção mais leve quando a resistência governa. No exemplo resolvido 1, o A572 deixou a IPE 300 passar com 22% de folga, e essa margem convida a descer um degrau rumo a uma IPE 270 mais leve: 36,1 kg/m em vez de 42,2 kg/m, uma economia de 14% no peso de aço daquela barra.

Mas o A572 custa mais por quilo que o MR250, então a conta só fecha se a seção mais leve realmente sobreviver a todas as outras verificações. Como o exemplo 3 mostrou, a IPE 270 estoura o limite de flecha, o que devolve a economia na hora. Essa é a armadilha: uma troca de grau justificada em uma planilha de resistência, desfeita por um limite de serviço que ninguém refez. Em uma barra governada pela resistência, sendo vigas altas de cobertura e colunas curtas travadas as vencedoras clássicas, o grau mais alto é genuinamente econômico. Em uma barra que luta contra a esbeltez ou a flecha, você paga um sobrepreço por uma propriedade que o projeto descarta.

Há também a disponibilidade. No Brasil, o MR250 (e o A572 nos perfis comuns da Gerdau e da ArcelorMittal) ficam em estoque; graus mais altos e exóticos podem trazer prazo de entrega e dor de pedido mínimo que engolem a economia de material em uma obra pequena.

A resistência é apenas uma coluna da lista de verificação, e várias das outras são indiferentes ou até hostis a uma troca de grau.

• Rigidez e estabilidade, como vimos, funcionam com E. Colunas esbeltas, mesas finas sujeitas à flambagem local e vigas sem travamento sujeitas à flambagem lateral com torção vivem todas no mundo elástico onde o grau mal aparece.
• Fadiga é quase puramente função da geometria do detalhe de solda ou de ligação, não do grau do metal base. As categorias de detalhe em EN 1993-1-9 e AASHTO são a mesma curva S-N esteja a chapa a 250 ou a 355 MPa. Uma viga de rolamento de ponte rolante governada por fadiga não ganha nada com um aço mais resistente.
• Ductilidade e soldabilidade. O A572-50 é um aço bem-comportado e soldável, mas conforme os graus sobem o carbono equivalente tende a aumentar, surgem exigências de pré-aquecimento e o alongamento na ruptura cai. Mais resistência pode significar um pouco menos de aviso antes da falha, que é exatamente a propriedade que você não quer trocar sem pensar.
• A capacidade da ligação muitas vezes depende de fu (esmagamento do parafuso, rasgamento em bloco, ruptura da seção líquida) e dos graus do parafuso e da solda, não do fy da barra. Trocar o aço da barra sem mexer na ligação pode deixar o nó como o verdadeiro elemento governante.

Tudo acima é escrito para seções laminadas a quente, mas a lógica morde ainda mais forte em perfis formados a frio e no light steel framing (LSF). Seções de chapa fina são dominadas pela flambagem local e distorcional dos seus elementos de chapa esbeltos, e a flambagem de chapa, como a flambagem de coluna, é um fenômeno elástico governado por E e pela relação largura-espessura, não por fy. Uma bobina de grau mais alto eleva o escoamento que você tem permissão de alcançar em teoria, mas a largura efetiva que a seção consegue de fato mobilizar é limitada pela flambagem muito antes de esse escoamento chegar.

O resultado prático: em um montante de parede ou uma terça governada pela flambagem distorcional ou pela flecha, mudar para um grau mais resistente muitas vezes altera a capacidade de cálculo em apenas alguns por cento, porque a seção atinge seu limite de flambagem primeiro. O dinheiro no LSF está normalmente na geometria, na bitola, no enrijecedor de borda, nos enrijecedores, muito mais do que no grau do aço.

"Minha viga deflete demais, então vou especificar um aço mais resistente." Esse é o erro de grau mais comum de todos. A flecha depende de E e I, ambos cegos ao grau. Troque a seção ou reduza o vão; o grau não fará nada.

"A572 é sempre a melhor escolha." Só quando a resistência governa. Para uma coluna esbelta ou uma viga limitada pela flecha é um sobrepreço por nada, e às vezes pior se te tenta a uma seção mais leve e mais flexível.

"Grau mais alto significa que posso usar tudo menor." Só as barras governadas pela resistência encolhem. Barras de estabilidade e de serviço mantêm o mesmo tamanho independentemente do grau, então uma troca de grau geral em toda uma estrutura raramente entrega a economia de tonelagem que as pessoas esperam.

"O grau muda as minhas ligações?" O fy da barra normalmente não comanda os parafusos e as soldas; quem comanda é fu e os graus dos conectores. Reveja as ligações contra a resistência que realmente governa, não contra o grau da barra.

"E é realmente o mesmo para todos os aços?" Sim, para a precisão de engenharia: cerca de 200 GPa na AISC e na NBR (o Eurocode usa 210 GPa como convenção normativa). Os elementos de liga que elevam fy deixam a rigidez elástica essencialmente intocada.

O grau do aço é uma alavanca que só move uma das três coisas que podem governar a sua seção. Ele eleva a resistência em proporção direta a fy, deixa a capacidade de flambagem quase intocada para barras esbeltas e não faz nada pela flecha. Então a decisão de grau é na verdade uma pergunta sobre a sua estrutura, não sobre o aço: qual estado-limite está decidindo esta barra?

É exatamente isso que uma verificação de dimensionamento diz a você. Rode a barra, veja se resistência, estabilidade ou serviço está em 1,0, e só então decida se um grau mais alto justifica o seu sobrepreço. O CalcSteel calcula os três contra AISC 360, Eurocode 3 e NBR 8800 em uma única rodada, com o mesmo motor FEM que produziu cada número deste artigo, para que você veja o efeito do grau no seu próprio pórtico antes de comprometer um único quilo do aço mais caro.