notas de aula _parte ii _ aço

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CURSO TÉCNICO DE EDIFICAÇÕES PROJETOS ESTRUTURAIS

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4 ESTRUTURAS DE AÇO

A construção em aço, além de ser extremamente versátil e durável, está em perfeita sintonia com o conceito de desenvolvimento ambientalmente sustentado. O aço é material 100% reciclável podendo, esgotada a vida útil da edificação, retornar aos fornos sob forma de sucata e se tornar um novo aço, sem perda de qualidade. A construção com estruturas em aço utiliza tecnologia limpa, reduz sensivelmente os impactos ambientais na etapa de construção e, concluída a obra, garante segurança e conforto aos ocupantes da edificação. As construções em aço aportam benefícios para o meio ambiente atendendo às expectativas presentes do consumidor em relação à qualidade de vida de futuras gerações. O aço pode ser definido como uma liga metálica composta principalmente de ferro e de pequenas quantidades de carbono (de 0,002% até 2,00%, aproximadamente), com propriedades específicas, sobretudo de resistência e de ductilidade, muito importantes para suas aplicações na engenharia civil. Nos aços utilizados na construção civil o teor de carbono é da ordem de 0,18% a 0,25%. Em sua composição o aço, o aço contém certos elementos residuais (enxofre, silício, fósforo, etc.) resultantes do processo de fabricação e também outros elementos de liga (cromo, manganês, níquel, etc.) propositadamente adicionados à liga ferro-carbono para alcançar propriedades especiais. As propriedades dos aços, no entanto, não dependem apenas da sua composição química. Além dela, características ditas microestruturais, resultantes de tratamentos térmicos, de deformações mecânicas e de velocidade de solidificação, conferem propriedades físicas, mecânicas e quimícas adequadas às suas diversas aplicações.

4.1 Vantagens

Na busca pela sustentabilidade na construção civil, é essencial considerarmos todo o ciclo de vida da edificação, desde a concepção, até o final de sua vida útil. É preciso lidar com todas as etapas já na elaboração do projeto, trazendo soluções para responder de forma adequada aos importantes desafios ambientais, sociais e econômicos relacionados ao empreendimento. São questões amplas, que envolvem decisões desde a escolha da implantação às condições e custos de operação; a seleção dos materiais utilizados, a avaliação do impacto da obra em seu entorno e definições do conforto térmico, acústico e visual proporcionado aos usuários. Além disso, há a atenção com os aspectos sociais relacionados aos trabalhadores envolvidos ou à comunidade. É neste contexto que o aço revela todo o seu potencial para contribuir com o avanço da construção sustentável, apresentando vantagens como:

Não polui o meio ambiente: o aço é obtido a partir do minério de ferro, que é um dos elementos mais abundantes no planeta. Do processo de produção resulta um material homogêneo, que não libera substâncias que agridem o meio ambiente;

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Uso de coprodutos: os coprodutos resultantes da produção do aço também podem ser utilizados na construção civil. Os agregados siderúrgicos são usados na produção de cimento e podem ser empregados na pavimentação de vias e como lastro em ferrovias;

Economia de tempo na execução: o aço permite maior velocidade da construção, visto que os componentes, na sua maioria, são produzidos fora do canteiro de obra. O tempo de construção é mais curto, minimizando os incômodos causados à vizinhança;

Economiza materiais e diminui os impactos: o menor peso da estrutura em aço reduz as fundações e escavações, gerando menor retirada de terra que, consequentemente, diminui as viagens de caminhões para sua remoção e a necessidade de áreas para descarte;

Maximiza a iluminação natural com economia de energia: a alta resistência do aço permite estruturas com vãos mais amplos. Telhados e fachadas leves e transparentes favorecem a iluminação natural e, consequentemente, a economia de energia elétrica;

Durabilidade: existem diversas maneiras de proteção efetiva do aço contra corrosão, seja por meio de revestimento metálico ou pintura, ou ambos, que são cada vez mais aplicados diretamente às chapas ou à estrutura durante o processo de fabricação;

Flexibilidade: edificações com estrutura em aço oferecem máxima liberdade ao empreendimento, tanto na fase de operação como em futuras adaptações. As construções podem ser facilmente modificadas ou ampliadas para se adaptarem a novos usos;

O aço é infinitamente reciclável: o aço pode ser reciclado em sua totalidade sem perder nenhuma de suas qualidades. Devido a suas propriedades magnéticas, que não são encontradas em nenhum outro material, o aço é facilmente separado de outros materiais, possibilitando elevados índices de reciclagem.

4.2 Desvantagens

Corrosão: A suscetibilidade à corrosão requer que eles sejam cobertos com uma camada de tinta ou seja empregado outro método de proteção. Outra alternativa é utilizar aços de alta resistência mecânica e resistentes à corrosão atmosférica (USI-SAC-250 e 300, COS-AR-COR 500 e 400, CSN COR 420 e 500). Estes aços são 2 a 4 vezes mais resistentes que os aços carbono e dispensam qualquer proteção, a não ser em casos especiais, tais como em regiões marinhas e indústriais agressivas.

Em situações menos drásticas, o aço comum também pode ser protegido por alguns processos como: - pintura a base de pó de zinco; - pintura contendo zarcão e óleo de linhaça; - galvanização a fogo ou eletrolítica.

Exige cuidados com relação a composição do material para impedir agressões químicas

Preço elevado da estrutura quando analisada de forma isolada

Desembolso rápido de capital para aquisição da estrutura

Proteção ao fogo: Medidas adicionais de proteção para aumentar o tempo de resistência da estrutura metálica ao fogo. O aço perde metade da resistência ao atingir temperaturas acima de 550o C.

Principais tratamentos: Argamassa de vermiculita (1370°C), mantas de fibra cerâmica (1760°C), mantas de lã de rocha (1200°C), tintas intumescentes (fogo retardantes) e argamassa composta de gesso e fibras (argamassa fibrosa).

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NBR 14432/2000 - Norma que regula o projeto e o dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio.

Conforto térmico: O aço é um bom condutor de calor, logo piora as condições de conforto térmico, o que recomenda tratamento termo-acústico.

4.3 Aplicações do Aço

Construção Civil

Edificações de andares múltiplos

Construções de casas em geral

Shopping centers e supermercados

Armazéns e silos

Postos de gasolina

Estádios e ginásios poliesportivos

Galpões industriais

Pipe-racks e suportes

Reservatórios, caixas d’água, tanques em geral

Torres de transmissão, postes

Esquadrias, portões, janelas, portas

Coberturas, telhas, forros, revestimentos, calhas, dutos

Pontes e viadutos

Escadas, pisos, passarelas

Metrôs e estações rodo-ferroviárias

Contenções e fundações

Outdoors Outras Aplicações

Plataformas marítimas

Indústria naval

Indústria Automotiva

Equipamentos diversos

4.4 Propriedades estruturais do aço

As propriedades mecânicas constituem as características mais importantes dos aços, para a sua aplicação no campo da engenharia, visto que o projeto e a execução das estruturas metálicas, assim como as confecções dos componentes mecânicos, são baseados no seu conhecimento. As propriedades mecânicas definem o comportamento dos aços quando sujeitos a esforços mecânicos e correspondem às propriedades que determinam a sua capacidade de resistir e transmitir os esforços que lhes são aplicados, sem romper ou sem que ocorram deformações excessivas. Para compreender o comportamento das estruturas de aço é essencial que o calculista esteja familiarizado com as propriedades do aço. Os diagramas tensão-deformação representam uma

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informação valiosa e necessária para entender como será o comportamento do aço em uma determinada situação.

4.4.1 Diagrama Tensão-Deformação do Aço

Uma barra de aço tensionada por um esforço crescente sofre deformação progressiva de extensão (aumento do comprimento), dadas pelas seguintes relações:

Deformação Linear Específica ou Alongamento (ε):

A relação entre a tensão aplicada () e a deformação () resultante pode ser acompanhada pelo diagrama tensão-deformação. Os valores para a construção deste diagrama são obtidos submetendo-se o material ao ensaio de tração, sendo a deformação medida com o auxílio de um aparelho denominado extensômetro, acoplado à máquina de ensaio.

Diagrama tensão x deformação de um aço carbono (fora de escala)

Fase Elástica – nesse limite de deformações, o aço segue a chamada lei de Hooke, ou seja, sua deformação é proporcional à tensão aplicada. O fator de proporcionalidade é o Módulo de Elasticidade (E). As deformações elásticas são reversíveis, ou seja, quando se sessa a aplicação da tensão, o material volta a sua forma original. Fase Plástica – A deformação plástica não é mais reversível. Nessa faixa de deformações, acontecem dois comportamentos distintos. O escoamento, no qual ocorrem grandes deformações sem a variação (ou grandes variações) da tensão aplicada, ou seja, o material passa a se deformar bastante sem que se aumente a força. O segundo comportamento define o encruamento, no qual a estrutura interna do material, submetida a tensões, se rearranja, e volta a deformar de acordo com a tensão aplicada, embora não linearmente.

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O limite de escoamento é uma constante física muito importante para o cálculo de estruturas de aço, pois será a tensão que limitará o seu carregamento. Isso até tal limite, pois as deformações seguem uma proporcionalidade, podendo ser mais facilmente controladas a favor da segurança. Ele é definido pela carga máxima que suporta antes de escoar dividida pela área inicial da seção do corpo de prova. Fase de Ruptura – cada material tem um chamado limite de resistência, que é o valor máximo da tensão que ele suporta. A partir desse limite, entra-se em fase de ruptura, onde as deformações serão prolongadas, mesmo com tensões decrescentes, até o corpo se romper.

4.4.2 Elasticidade

A capacidade de voltar à forma original depois de sucessivos ciclos de carregamento e descarregamento de um material é chamada elasticidade. Como foi dito, o aço tem um comportamento elástico até certo limite de tensão. Deve esse comportamento a sua natureza química cristalina – entre seus átomos, no arranjo, há planos de escorregamento para a movimentação das partículas. As deformações têm como constante de proporcionalidade o módulo de elasticidade (E), que no aço estrutural e no ferro fundido tem um valor médio de 205 000 Mpa.

4.4.3 Plasticidade

A partir da tensão de escoamento, o aço passa a se comportar como material plástico, obtendo deformações não reversíveis. Essas alteram a estrutura interna do material. Ao processo de aumento da dureza por deformação a frio dá-se o nome de encruamento, e pode ser usado para aumentar a resistência do material – gerando o aço encruado – aumentando o limite de escoamento ao gerar um novo material (pois as estruturas se rearranjam). No entanto, a ductibilidade é reduzida.

4.4.4 Ductibilidade

É assim chamada a capacidade de um material de deformar-se sem rompimento. É uma propriedade de grande importância porque permite que a estrutura redistribua as tensões locais elevadas. Para isso, ocorre um alongamento e uma diminuição da seção. As vigas dúcteis sofrem uma considerável deformação antes de se romperem, o que funciona como um aviso de segurança – a estrutura mostra, antes de romper, que seu limite foi ultrapassado. O comportamento contrário, de um material chamado frágil, mesmo sendo muito resistente, quando é passado um limite de tensão ele entra em colapso e se rompe, sem deformações, “repentinamente”.

4.4.5 Tenacidade

É a capacidade de um material de absorver energia quando submetido a uma carga de impacto – energia absorvida sem se romper. Um material dúctil com a mesma resistência que um frágil

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precisa de mais energia para se romper do que o último, pois pode absorver alguma energia na deformação, sendo portanto mais tenaz. Existem ainda outras propriedades, como por exemplo, resiliência, fadiga, fragilidade, etc.

4.5 Aços Estruturais (fonte: Centro Brasileiro de Construção em Aço)

O aço é a mais versátil e a mais importante das ligas metálicas. O aço é produzido em uma grande variedade de tipos e formas, cada qual atendendo eficientemente a uma ou mais aplicações. Esta variedade decorre da necessidade de contínua adequação do produto às exigências de aplicações específicas que vão surgindo no mercado, seja pelo controle da composição química, seja pela garantia de propriedades específicas ou, ainda, na forma final (chapas, perfis, tubos, barras, etc.). Existem mais de 3500 tipos diferentes de aços e cerca de 75% deles foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. Isso mostra a grande evolução que o setor tem experimentado. Os aços-carbono possuem em sua composição apenas quantidades limitadas dos elementos químicos carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo. Outros elementos químicos existem apenas em quantidades residuais. A quantidade de carbono presente no aço define sua classificação. Os aços de baixo carbono possuem um máximo de 0,3% deste elemento e apresentam grande ductilidade. São bons para o trabalho mecânico e soldagem, não sendo temperáveis, utilizados na construção de edifícios, pontes, navios, automóveis, dentre outros usos. Os aços de médio carbono possuem de 0,3% a 0,6% de carbono e são utilizados em engrenagens, bielas e outros componentes mecânicos. São aços que, temperados e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência. Aços de alto carbono possuem mais do que 0,6% de carbono e apresentam elevada dureza e resistência após têmpera. São comumente utilizados em trilhos, molas, engrenagens, componentes agrícolas sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas etc. Na construção civil, o interesse maior recai sobre os chamados aços estruturais de média e alta resistência mecânica, termo designativo de todos os aços que, devido à sua resistência, ductilidade e outras propriedades, são adequados para a utilização em elementos da construção sujeitos a carregamento. Os principais requisitos para os aços destinados à aplicação estrutural são: elevada tensão de escoamento, elevada tenacidade, boa soldabilidade, homogeneidade microestrutural, susceptibilidade de corte por chama sem endurecimento e boa trabalhabilidade em operações tais como corte, furação e dobramento, sem que se originem fissuras ou outros defeitos. Os aços estruturais podem ser classificados em três grupos principais, conforme a tensão de escoamento mínima especificada:

Tipo Limite de escoamento mínimo (MPa) Aço carbono de média resistência 195 a 259 Aço de alta resistência e baixa liga 290 a 345 Aços ligados tratados termicamente 630 a 700

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Dentre os aços estruturais existentes atualmente, o mais utilizado e conhecido é o ASTM A36, que é classificado como um aço carbono de média resistência mecânica. Entretanto, a tendência moderna no sentido de se utilizar estruturas cada vez maiores tem levado os engenheiros, projetistas e construtores a utilizar aços de maior resistência, os chamados aços de alta resistência e baixa liga, de modo a evitar estruturas cada vez mais pesadas. Os aços de alta resistência e baixa liga são utilizados toda vez que se deseja:

Aumentar a resistência mecânica permitindo um acréscimo da carga unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional da seção, ou seja, o emprego de seções mais leves;

Melhorar a resistência à corrosão atmosférica;

Melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga;

Elevar a relação do limite de escoamento para o limite de resistência à tração, sem perda apreciável da ductilidade.

4.6 Aços comerciais

Após entender as principais propriedades do aço, é necessário estar atualizado quanto a forma que esse material se apresenta comercialmente. Os aços estruturais (perfis, chapas e tubos) são classificados quanto a composição química e resistência, conforme tabela a seguir:

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Parafusos Na Tabela abaixo são fornecidos os valores mínimos da resistência ao escoamento e da resistência à ruptura de parafusos, de acordo com suas respectivas normas ou especificações, bem como os diâmetros nos quais os mesmos podem ser encontrados. Os parafusos fabricados com aço temperado não podem ser soldados nem aquecidos.

Metais e soldas A resistência mínima à tração dos metais de soldas, conforme as normas ou especificações das soldas citadas nessa tabela, é fornecida a seguir:

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Chapas São produtos planos laminados com largura superior a 500 mm, sendo classificadas como chapas finas ou chapas grossa e são usadas nas construções de estruturas metálicas, principalmente para a formação de perfis soldados para trabalhar como vigas, colunas e estacas, mas também podem ser utilizadas, dependendo da disponibilidade de equipamento adequado para dobramento, em perfis formados a frio.

Chapas finas a quente: obtenção de perfis de chapas dobradas, para construção de estruturas metálicas leves e, principalmente, como terças e vigas de tapamento.

Chapas finas a frio são utilizadas na fabricação de elementos complementares na construção, tais como: telhas, calhas, rufos, esquadrias, dobradiças, portas, batentes, etc.

Chapas xadrez são chapas laminadas a quente com relevos na superfície, para utilização em pisos, passadiços, plataformas, etc.

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Chapas zincadas: O processo de galvanização a quente contínuo tornou econômica a chapa zincada. Este processo associa as propriedades resistentes do aço à resistência à corrosão do revestimento de zinco. São produtos com espessuras padrão de 0,25 mm a 1,95 mm fornecidas nas larguras padrão de 1000 mm e nos comprimentos padrão de 2000 mm e 3000 mm, e também sob a forma de bobinas. Abaixo estão os principais perfis metálicos e suas nomenclaturas mais usuais: PERFIS LAMINADOS Os perfis laminados são obtidos pelo mesmo processo utilizado para os produtos laminados planos, com os blocos ou tarugos provenientes do lingotamento contínuo entrando diretamente para a linha de laminação de perfis (deformação mecânica a quente), obtendo-se seções transversais nos formatos I, H, U, L e T. Podem ser de abas inclinadas (padrão americano - faces internas das abas não paralelas as faces externas) ou de abas paralelas (padrão europeu).

Os perfis laminados de abas paralelas são uma excelente opção para quem usa o aço como elemento construtivo, com características e vantagens, dentre os quais se destacam:

As abas paralelas permitem melhores soluções de ligações, encaixes e acabamentos estruturais;

São mais leves que perfis tradicionais;

Permitem ganhos de escala aos fabricantes de estruturas;

Precisão na concordância entre a alma e as abas;

Uniformidade da composição química e das propriedades mecânicas;

Características e série definida de bitolas proporcionam flexibilidade no cálculo e no dimensionamento das estruturas;

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Menor massa linear (kg/m);

Vigas inteiriças, sem tensões localizadas;

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Perfis soldados: Os perfis soldados são produzidos pelos fabricantes de estruturas metálicas a partir do corte e soldagem das chapas fabricadas pelas usinas siderúrgicas. O material de solda, seja a soldagem executada por eletrodo revestido, arco submerso ou qualquer outro tipo, deve ser especificado, compatibilizando-o com o tipo de aço a ser soldado, isto é, deve ter características similares de resistência mecânica, resistência à corrosão, etc. Os perfis soldados são largamente empregados na construção de estruturas de aço, em face da grande versatilidade de combinações possíveis de espessuras, alturas e larguras. O custo para a fabricação dos perfis soldados é maior do que para a laminação dos perfis laminados, no entanto, esses últimos não estão disponíveis em quantidade e dimensões necessárias às obras civis. Os perfis estruturais formados a frio, também conhecidos como perfis de chapas dobradas, vêm sendo utilizados de forma crescente na execução de estruturas metálicas leves, pois podem ser projetados para cada aplicação específica, enquanto os perfis laminados estão limitados a dimensões predeterminadas. Os perfis formados a frio, sendo compostos por chapas finas, possuem leveza, facilidade de fabricação, de manuseio e de transporte, além de possuírem resistência e ductilidade adequadas ao uso em estruturas civis.

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Barras chatas, redondas e quadradas

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FIOS, CORDOALHAS E CABOS Os fios ou arames são obtidos a partir de barras laminadas por trefilações sucessivas. Fabricam-se fios de aço doce e também de aço duro (aço de alto carbono). Os fios de aço duro são empregados em molas, cabos de protensão de estruturas, pontes pênseis, etc. As cordoalhas (strands) são formadas por três ou sete fios arrumados em forma de hélice. O módulo de elasticidade da cordoalha é quase tão elevado quanto o de uma barra maciça de aço Os cabos de aço (wire rope) são formados por fios trefilados finos, agrupados em arranjos helicoidais variáveis. Enrolando-se seis cordoalhas de sete fios em torno de um núcleo de fibra (cânhamo), obtém-se um cabo chamado 6 x 7. Usando-se seis cordoalhas de dezenove fios, obtém-se um cabo de 6 x 19 com núcleo de cânhamo. Os cabos podem se construídos também com núcleo de aço, possuindo então maior resistência e menor flexibilidade. Os cabos de aço são muito flexíveis, o que permite seu emprego em moitões para multiplicação de forças. Entretanto, o módulo de elasticidade é baixo, cerca de 50% do módulo de uma barra maciça.

E= 195000 MPa (cordoalha)

4.7 Representação gráfica

Como já foi visto, os sistemas estruturais dos edifícios são formados principalmente por componentes estruturais horizontais (vigas) e verticais (pilares) e as cargas horizontais devidas a ação dos ventos tem sempre uma grande influencia no seu dimensionamento. Os principais componentes estruturais dos edifícios são:

Vigas principais e secundarias (alma cheia e ou treliça);

Pilares externos e internos;

Contraventamentos;

Lajes e Painéis.

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Nomenclatura mais usuais das peças

Sistema contraventado Combinando uma estrutura em quadro rotulado ou rígido com uma treliça, tem-se um aumento da rigidez da mesma. O projeto pode ser feito de modo que pelo quadro sejam absorvidas as cargas verticais e pelas treliças verticais formadas pelos contraventamentos as ações do vento ou sísmicas. Esse sistema torna a estrutura mais econômica.

PLANTA BAIXA

CORTE AA CORTE BB

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Sistema Misto – Contraventado e Aporticado Este sistema estrutural, composto por contraventamento em um dos sentidos, e aporticado no outro, e muito comum, visto que em muitos casos, a arquitetura interna do edifício não permite contraventar nos dois sentidos, como e o caso de vários prédios comerciais.

Sistema com núcleo central Em edifícios mais altos, o quadro rígido apresenta, quando submetido as cargas horizontais, grandes deformações. Introduzindo o núcleo de concreto, a resistência lateral e aumentada. Neste núcleo ficam normalmente a caixa dos elevadores e as escadas. Para edifícios muito elevados o núcleo não e tão eficiente na absorção das cargas horizontais

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Estruturas de piso - composição e função As estruturas dos pisos, compostas de laje e vigas ou somente laje, tem duas funções: 1- Levar as cargas verticais até as vigas principais; as colunas, ao núcleo ou as paredes de cisalhamento. 2- Levar as cargas horizontais até as colunas, aos contraventamentos, aos núcleos ou as paredes de cisalhamento. A disposição do vigamento secundário depende do sistema estrutural do edifício. A escolha do sistema de vigamento adequado e a altura total do piso são de grande importância na economia da construção. De um modo geral, o melhor sistema de vigamento corresponde também a menor altura de piso. A altura do piso afeta a altura total da construção, com implicações econômicas nos acabamentos, na estrutura e nos equipamentos mecânicos dos elevadores. A passagem de dutos, principalmente os de ar condicionado, tem grande influencia nesta dimensão. O vigamento principal pode ser, em relação a forma do edifício, transversal, longitudinal, ou nos dois sentidos. De uma maneira genérica pode-se dizer que dentro da compatibilidade com vãos econômicos das lajes, o vigamento do piso e tanto mais econômico quanto menor for o percurso da carga ate a coluna.

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Tesoura de estrutura metálica

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