Estruturas Metálicas e Mistas Pré-esforçadas

O pré-esforço de estruturas de betão apresenta vantagens dado que permite a eliminação das tracções existentes na estrutura quando esta está sob carregamento de serviço, a melhoria da resistência aos esforços transversos e a construção de estruturas de grande vão com um menor volume de betão e aço.

Em oposição às barras de betão, em que as tracções se traduzem num desaproveitamento de material, as barras de aço não necessitam de uma distribuição especial de tensões, uma vez que a menos de efeitos de segunda ordem, a resistência à tracção é igual à de compressão.
Com a aplicação do pré-esforço a uma estrutura metálica, pretende-­se que se instale nas barras um estado permanente de tensões, tal que permita à estrutura suportar um maior carregamento sem que haja necessidade de alterar as dimensões das barras utilizadas. Trata-se de um conjunto de forças transmitidas localmente à estrutura, nos pontos de ancoragem e de mudança de direcção (selas de desvio), por armaduras de aço de alta resistência, tensionados com macacos hidráulicos e que criarão esforços de natureza contrária aos provocados pelo carregamento exterior, até ao nível desejado. Desta forma a utilização da técnica de pré-esforço no dimensionamento, permite que sejam eliminadas as tensões indesejáveis instaladas posteriormente na estrutura. A aplicação deste método justifica­-se pela economia que se obtém na quantidade de materiais utilizados, atingindo valores variáveis entre 10 e 30%, dependendo do tipo de estrutura, sem perda do nível de segurança exigido.

Tornando a estrutura mais leve, esta ficará com menor rigidez, pelo que passam a existir maiores flechas que deverão ser devidamente controladas. No entanto, há que ter em consideração o efeito favorável da deformada criada pelo pré-esforço, pois contraria a deformada devido às forças gravíticas. Caso as cargas consideradas, não tenham um carácter de permanência, deve ser sempre tido em conta o efeito provocado pela actuação do pré-esforço isoladamente.
A ideia de que o pré-esforço apenas se aplica com bons resultados ao betão, não corresponde à realidade. De facto, esta técnica tem sido e continua a ser aplicada em estruturas metálicas e outras.
O pré-esforço começou por ser aplicado em estruturas de madeira (barris, rodas de madeira, etc). O conceito de estruturas metálicas pré-esforçadas foi usado pela primeira vez em 1837, submetendo as barras traccionadas de ferro fundido de estruturas articuladas, ao efeito do pré-esforço. Por volta de 1930, começaram-se a estudar, investigar, testar e construir estruturas metálicas pré-esforçadas. Na década de 50, o Engº Edgar Cardoso, debruçou-­se também sobre este tema, tendo realizado em Portugal o alargamento e reforço de três pontes metálicas recorrendo à aplicação desta técnica.

A conceito do pré-esforço é absolutamente geral, podendo ser aplicado a qualquer tipo de material estrutural (ex.: madeira, betão, aço, plásticos, etc).
No campo das pontes, a aplicação do pré-esforço pode dever­-se a dois motivos: dimensionamento e construção de pontes de grande vão ou reforço e reabilitação de estruturas existentes.
Com a aplicação do pré-esforço a uma estrutura pretende-se melhorar o seu comportamento estrutural, através de uma solução capaz de suportar um carregamento superior ao de uma solução convencional, com menores custos e sem perda de segurança.

Basicamente, o pré-esforço de estruturas metálicas consiste na aplicação de forças concêntricas ou excêntricas nas barras de aço, de tal forma que, as tensões resultantes nas barras da estrutura devidas à combinação das acções de pré-esforço e do carregamento exterior, fiquem limitadas por certos valores desejados.
Existem no mínimo cinco formas diferentes de pré-esforçar uma estrutura metálica:
- Aplicação de cabos de pré-esforço constituídos por aço de alta resistência;
- Flexão de perfis metálicos ligados por soldadura, e ou reforçados com chapas de reforço;
- Aplicação da técnica da pré-deformação, designado por “preflex”;
- Redistribuição dos momentos flectores em vigas contínuas através de um desnivelamento dos apoios;
- Escoramento das vigas metálicas com apoios provisórios.

O pré-esforço de vigas de secção em “I” simplesmente apoiadas nas extremidades, pode ser realizado de duas formas. A primeira consiste em colocar os cabos paralelos ao eixo longitudinal da viga e ancorá-los nas suas extremidades. Neste caso, como resultado, obtém-se uma força de pré-esforço com excentricidade constante. Na segunda forma fixam­-se os cabos em ambas as extremidades da viga e, no interior do vão, é desviado através de selas adequadas. Neste caso obtém-se uma excentricidade variável para o cabo.
Com o esticamento dos cabos, o banzo superior e o inferior ficam submetidos a tracções e compressões, respectivamente, obtendo-se uma distribuição das tensões contrária à causada pelas cargas gravíticas exteriormente aplicadas. Obtém-se assim um aumento da capacidade de carga da viga, relativamente à mesma viga mas sem pré-esforço.

Consideremos uma viga com secção em “I” simétrica, pré-esforçada por cabos rectos colocados sobre o banzo inferior, sujeita a um carregamento exterior. Primeiramente, a força de pré-esforço é aplicada criando esforços axiais e momentos flectores. Quando a viga é submetida a um carregamento longitudinal, cargas permanentes e ou sobrecargas, resultam tensões de flexão. O estado de tensão final instalado na viga, resulta da combinação das três componentes de tensão atrás referidas. Verifica-se então que, as tensões resultantes nas fibras extremas inferiores e superiores diferem significativamente, pelo que haverá um deficiente aproveitamento do banzo inferior.
De notar que nesta breve abordagem, foram desprezadas as tensões devidas ao momento produzido pela variação da excentricidade das forças de pré-esforço em consequência da deformação da viga, bem como as tensões causadas pelo aumento da força de pré-esforço devido ao carregamento exterior, assunto que será abordado posteriormente. Estes efeitos podem aumentar as tensões máximas de aproximadamente 20%.
A distribuição ideal de tensões devidas ao pré-esforço deverá ser aquela em que o valor da tensão nas fibras extremas superiores e inferiores sejam iguais em módulo. Teoricamente, apenas um valor da excentricidade infinita e com uma força de pré-esforço próxima de zero, produziriam o tipo de tensões desejado. Em qualquer situação, deverá sempre tentar-se obter uma viga proporcionada de tal forma que as tensões nas fibras extremas sejam tão próximas quanto possível (em módulo).

Autor: Carlos Manuel da Silva Quinaz
Excerto Adaptado

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