Tensão em estruturas de Aço - Estudo de Caso

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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO DE SANTA CATARINA
Carolina Soder
Loreni Oliveira
TENSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS: ESTUDO DE CASO
SÃO JOSÉ, 2019
CAROLINA SODER
LORENI OLIVEIRA
TENSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS: ESTUDO DE CASOS
Estudo de 4 casos com análise
referente a utilização de tensão nas
estruturas metálicas, apresentado como
requisito parcial para obtenção de aprovação
na disciplina Estruturas Metálicas, no curso
de Arquitetura e Urbanismo da Universidade
Estácio de Santa Catarina.
Professor: Juan Wilder Moore Espinoza
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RESUMO 
As soluções adotadas durante a concepção arquitetônica têm consequências
em todo o processo de projeto e a falta de conhecimento na concepção da estrutura
metálica pelo arquiteto é um dos fatores que influenciam a pouca utilização deste
material. O domínio sobre as especificidades do aço é imprescindível para o correto
processo de projeto e dá base para projetistas, que deveriam ser iniciados na
formação do arquiteto.
Através da estratégia do estudo de quatro casos onde foi utilizada a tensão
dos elementos estruturais, buscamos fazer uma análise qualitativa a fim de obter o
entendimento do uso de estruturas tensionadas e suas vantagens. Ao final do
estudo pudemos ampliar nossos entendimentos a respeito das estruturas de aço,
especialmente quando do uso da tensão. Além do aspecto estético e arrojado, a
principal vantagem do uso da tensão nas obras arquitetônicas possibilita melhor
aproveitamento e funcionalidade, desde que bem entendida e planejada.
Palavras-chave: Aço; Tensão; Cabos; Sistema Estrutural.
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ……………………………………………………………………..05
Materiais ……………………………………………………………………………05
Aço…………………………………………………………………………………...06
Cabos ……………………………………………………………………………….06
COBERTURAS TENSIONADAS ...………………………………………………08
Cobertura do Estádio Olímpico de Munique – Olimpiadächer…………...10
Cobertura do Estádio Maracanã – Estádio Jornalista Mário Filho ……...15
PONTE ESTAIADA….…………………………………………………………….18
Ponte Estaiada Octavio Frias de Oliveira....................................................20
Ponte Langkawi Sky Bridge..........................................................................24
CONCLUSÃO ..........................................................................................……28
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................…..29
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INTRODUÇÃO: TENSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS
Em física, tensão é a grandeza de força de tração exercida a uma corda, a
um cabo ou a um sólido similar por um objeto.
Materiais
Conhecer os materiais que constituem os sistemas construtivos possibilita
compreender a relação entre forma, dimensões, resistência e os parâmetros que
limitam sua escolha como componentes de uma estrutura. Para vencer grandes
vãos, deve-se especialmente observar a relação entre o peso próprio e o peso
suportado.
Neste sentido, o uso de elementos e cabos metálicos de alta resistência como
componentes do sistema suporte apresenta alta eficiência no que diz respeito a
grandes estruturas com peso reduzido. Além disso a modulação, padronização e pré
fabricação dos componentes possibilitam o desenvolvimento de materiais de alta
resistência e eficiência, além de permitir maior rapidez na montagem e de minimizar
o impacto no local de intervenção, facilitando o transporte e sua reutilização.
Aço
O aço é um material obtido industrialmente sob rigoroso controle de
qualidade. É uma liga cujos componentes principais são o ferro e o carbono, sendo
este último quem determina a resistência e a ductibilidade do material. Quanto maior
a quantidade de carbono, maior a resistência do aço mas menor a sua ductibilidade.
A perda da ductibilidade prejudica o seu uso como material estrutural, devido
à fragilidade de sua ruptura. Quando a ruptura ocorre sem grandes deformações,
classificamos como sendo uma ruptura frágil. Por outro lado, deformações
exageradas evidenciam que o material está próximo da ruptura.
O aço é um material fácil de ser encontrado, rápido de ser aplicado, porém
necessita de mão de obra especializada para a sua manipulação e produção. O
rigoroso controle de qualidade em sua produção faz com que as características de
cada tipo de liga sejam bastante confiáveis. Em vista disso, os coeficientes de
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segurança podem ser bem baixos, o que implica o uso de uma quantidade de
material muito próxima daquela exigida pelos esforços máximos.
Além disso os aços destinados a aplicação estrutural apresentam elevada
tensão de escoamento e tenacidade, boa soldabilidade e trabalhabilidade, adequada
às operações de corte, furação e dobra.
Dentre as principais vantagens estão a responsabilidade ambiental (menor
impacto e material reciclável), alívio de carga nas fundações, aumento da área útil,
flexibilidade das estruturas metálicas, precisão de orçamento e construção,
otimização no canteiro de obras, maior qualidade e segurança.
Cabo
 “Um fio de aço, por mais resistente que seja, não é capaz de suportar a si
próprio quando colocado em pé sobre um apoio qualquer”. (REBELLO, 2000).
O cabo é uma barra cujo comprimento é tão predominante em relação à sua
seção transversal que se torna flexível, ou seja, não apresenta rigidez nem à
compressão nem à flexão. Porém apresenta alta resistência a tração, resultando em
elementos estruturais muito esbeltos que possibilitam vencer grandes vãos com
pequeno consumo de material.
Se uma barra, quando submetida a forças externas, sofre um aumento no seu
tamanho, na direção do seu eixo, e se esse aumento ocorre de forma uniforme, ou
seja, toda a sua fibra sofre a mesma deformação, pode-se concluir que internamente
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a barra esteja sujeita a uma força atuando de dentro para fora, normal ao plano da
sua secção e aplicada no seu centro de gravidade. A esta força dá-se o nome de
tração simples ou axial.
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COBERTURAS TENSIONADAS
Muito utilizada pelo homem pré-histórico na forma de tendas, até os antigos
sistemas de coberturas do Império Romano, que se apropriavam de tecidos em linho
com grandes dimensões junto a cordas de cânhamo cobrindo os Estádios, como é o
caso do Coliseu, por exemplo. Apenas após a Revolução Industrial é que estas
estruturas tiveram um desenvolvimento tecnológico significativo. Porém, ainda
apresentavam instabilidade devido a aplicação de cabos entrelaçados e coberturas
muito leves. Foi na metade do século XX, graças a um sistema de cabos de aço com
um conjunto de fios metálicos trançados e membranas de fibra com alto grau de
resistência junto a camadas de revestimentos impermeabilizantes, que as
membranas passaram a ser amplamente utilizadas, especialmente em coberturas de
centros esportivos, arenas, construções industriais e agroindustriais. Além da melhor
resistência e proteção, houve uma evolução com relação aos esforços que também
permitem vencer forças intrínsecas próprias e ainda agentes externos, como
contraventamento e chuvas.
Com relação ao sistema construtivo das estruturas tensionadas, podemos ter
três modelos principais: Estruturas tensionadas por membrana – quando a
membrana trabalha junto ao cabo, permitindo a distribuição dos esforços de tração
pela própria forma; Estruturas tensionadas por malha – condiz à malha estrutural
auxiliando nos esforços intrínsecos, transmitindo-os a elementos separados, como
as lâminas de vidro ou madeira; Estruturas pneumáticas, onde uma membrana de
proteção é sustentada por meio da pressão do ar.
Estruturalmente, o sistema é formalizado pela combinação de três elementos:
membranas (tecido ou PTFE), estruturas metálicas(mastros e masteletes) e cabos
de borda. Ainda ao sistema, há dois tipos de apoios: direto e indireto. Os apoios
diretos são aqueles em que a construção é disposta direto sobre a estrutura,
enquanto que o segundo caso é aquele disposto a partir de um ponto elevado
(mastro).
Os cabos, responsáveis pela distribuição dos esforços tracionados e ainda
enrijecimento da lona, apresentam duas diferentes nomenclaturas de acordo com a
ação a qual é exposto: sustentante e estabilizante. Ambos os cabos são cruzados
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ortogonalmente, garantindo o enrijecimento em duas direções e evitando
deformações. Os cabos sustentantes são aqueles que recebem diretamente as
cargas externas, fixados nos pontos mais altos. Já os casos estabilizantes são
responsáveis por enrijecer o cabo sustentante e dispõe-se nos pontos mais baixos,
cruzando ortogonalmente os sustentantes. Contudo, por uma questão de espaço,
pode-se evitar que o cabo estabilizante tenha seu ponto de fixação junto ao solo,
gerando um cabo periférico de fixação.
Pela associação dos cabos, algumas nomenclaturas são geradas de acordo
com o posicionamento: Crista (cabos estabilizantes do cabo superior); Vale (fixados
inferiormente em outros cabos); e radial (centro mais alto que as extremidades junto
a cabos radiais estabilizados por cabos anelares). Os cabos de crista suportam as
cargas gravitacionais e os cabos de vale suportam as cargas de sucção dos ventos.
Nomenclatura de cabos
Frei Otto, arquiteto e engenheiro alemão, foi quem iniciou na década de 1950
os estudos físico-estruturais referentes à tensoestruturas com a utilização de cabos
de aço (elementos tensionados) junto as membranas. Dentre seus projetos destaca-
se o Estádio Olímpico de Munique, qual fazemos análise no presente trabalho.
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Cobertura do Estádio Olímpico de Munique – Olimpiadächer
Projeto: Frei Otto e Gunther Behnisch
Localização: Munique, Alemanha.
Área coberta: 74.800 m²
Ano de construção: 1968-1972
Materiais: Aço e painéis de acrílico
Localização: Munique, Alemanha
Concebido como uma estrutura tensionada suspensa sobre o terreno,
ramificando-se pelo natatório, ginásio e estádio principal, consiste em redes
interligadas, compostas de cabos curvos, apoiados em mastros tubulares soldados
de aço de até 80 metros de altura e com capacidade resistente de 50.000 KN
(SILVER, McLEAN e EVANS, 2014).
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Os mastros que perfuram a membrana da cobertura estão posicionados atrás
dos espectadores na parte traseira oeste da arquibancada, suportando a membrana
da cobertura em dois pontos com cabos suspensos.
A borda frontal da cobertura é mantida tensa por um cabo contínuo distendido
através daestrutura e ancorado ao norte e ao sul do estádio. 
As duas maiores forças de tração na borda frontal, com protensão de até
50.000 KN (bhucheu,2000), foram resistidas por encaixes inclinados em fundações
com ancoragem por gravidade, formadas por pesadas paredes diafragmas de
concreto, utilizando geometria e massa para se opor às forças de tração.
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Em outros lugares do estádio, foram usadas ancoragens de piso para resistir
às forças de tração.
As superfícies das redes de cabo eram formadas por uma malha retangular
de cabos entrelaçados. Os cabos foram fixados com grampos de alumínio nas
intersecções, o que lhes permitia girar em relação um ao outro quando puxados para
atingir a configuração final.
Os cabos das bordas e as principais linhas de apoio são todos de 80 mm de
diâmetro, com a borda frontal constituída de um pacote desses elementos ligados
entre si em “braços” de aço fundido.
A rede de cabos foi revestida por painéis de 3x3 m fixados por conectores
flexíveis de neoprene nos nós de intersecção dos cabos. As ligações entre os
painéis foram seladas por uma tira de neoprene presa às bordas dos painéis. As
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tiras de proteção climática são um dos mais visíveis delineadores da forma
estrutural, porém não são elementos estruturais.
Entre os inúmeros revestimentos que a compõe há revestimento superior,
preliminar e principal, camada de adesão, tecido base, revestimento principal e por
fim, outra camada de revestimento superior. As membranas em fibra de vidro
revestida com polímero à base de flúor (PTFE), dispõe de durabilidade superior
(cerca de 30 anos), maior resistência às interpéries (sol, chuva e ventos); porém
requer mão de obra especializada e maior custo.
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Cobertura do Estádio Maracanã – Estádio Jornalista Mário Filho 
Projeto: Schlaich Bergemann und partner
Localização: Rio de Janeiro, Brasil
Área coberta: 45.700 m²
Ano do projeto: 2013
Materiais: Aço e painéis de acrílico
Uma análise da estrutura existente do estádio revelou que a cobertura original
de concreto não apenas tinha ficado inadequada em termos de sua função, mas
também carecia de segurança estrutural suficiente a longo prazo. Assim, a reforma
inclui as colunas de concreto armado existentes da antiga cobertura do estádio para
apoiar uma nova estrutura leve de cobertura baseada no princípio de uma roda com
raios horizontais. Uma opção inovadora deste sistema é que possui um anel de
compressão e três anéis de tensão feitos de materiais de alto desempenho, o que
favorece uma cobertura quase flutuante. Mesmo em sua abordagem sustentável,
esta solução é a melhor entre estruturas de cobertura convencionais. Os cabos que
representam os raios são tensionados entre o 'aro da roda' - chamado de "anel de
compressão" em engenharia estrutural - e os anéis de tensão alocados na borda
interna da cobertura. Os 'cabos dos raios' são feitos de cabos de alta resistência.
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Diagrama “Cabos dos Raios”
A membrana de cobertura consiste de PTFE revestido de fibra de vidro,
suspensa entre os eixos radiais principais. Cabos radiais adicionais estabilizam a
superfície. Na altura dos suportes dos cabos, esses cabos radiais mais delgados são
suspensos em direção ao anel de menor tensão, e portanto, geram um ponto de
inflexão mínimo, que funciona como drenagem de água. Desta maneira, as secções
da membrana atingem sua forma característica deltóide, com elegante curvatura. O
design atraente do sistema deriva a partir de ambas as bordas interna e externa
serem extremamente delgadas. Isso enfatiza a intervenção deliberadamente
cautelosa e atenciosa na estrutura existente.Diagrama estrutural
A cobertura foi instalada com cabos tensionados e membrana de PVC com
Teflon PTFE. O sistema capta água da chuva para reutilização nos banheiros e nela,
ainda, foram instalados painéis para captação de energia solar.
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A antiga cobertura de concreto deu lugar a uma nova instalada com cabos
tensionados e membrana de PVC com Teflon PTFE. A área coberta aumentou de
24.354 m² para 47.350 m².
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Ponte Estaiada
A ponte estaiada é, atualmente, a principal solução para vencer grandes vãos.
O recurso é bastante empregado, por exemplo, no cruzamento de rios ou canais que
necessitem de espaço para passagem de embarcações. Em distâncias maiores que
150 metros nada justifica a utilização de outra solução que não seja esta, já que ela
é a alternativa mais moderna, bonita e economicamente viável hoje, podendo
também ser uma opção em vãos mais curtos, porém, o custo torna-se elevado.
Quatro elementos principais compõem esse tipo de ponte: os estais, os
mastros (torre), o tabuleiro e a fundação. “Todos fazem parte de um sistema
integrado. Os estais não são nada sem o mastro que, por sua vez, não tem função
sem o tabuleiro, que é sustentado pelos estais, cada parte tem sua relevância.
Considerada a evolução da tradicional pontepênsil, as Pontes Estaiada
podem ser divididas em dois tipos diferentes: harpa e leque. Na tipologia harpa, os
cabos correm paralelos a partir do mastro, de modo que a altura de fixação do cabo
ao mastro é proporcional à distância entre o mastro e o ponto de fixação deste cabo
ao tabuleiro.
Tipo Harpa
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No leque, os cabos conectam-se ou passam pelo topo do mastro. 
O tempo de construção da ponte estaiada depende, basicamente, dos
recursos disponíveis e do tamanho do projeto.
 Inicialmente, essas obras de arte possuíam poucos estais muito espaçados,
suportando tabuleiros rígidos. Em seguida as pontes começaram a apresentar um
grande número de estais e viga apoiada em apoios elásticos, conduzindo a uma
baixa rigidez e à flexão do tabuleiro.
Esse tipo de estrutura permitiu simplificar a transmissão dos esforços, bem
como substituir os estais quando danificados, sem a necessidade de interromper a
utilização da estrutura. Além disso, agregou facilidades construtivas, como a
possibilidade de se erguer as pontes por balanços sucessivos. Destacam–se vários
fatores que distinguem as estruturas estaiadas das demais, primeiro é a
característica estética. De uma maneira geral, ela tem uma arquitetura requintada,
atrativa ao gosto popular. Além disso, é a tecnologia mais sofisticada de projeto e
construção de pontes do mundo. Os problemas que este tipo de obra tinha no
passado, como falta de hardwares e de programas de cálculo, estão sanados. Os
problemas que elas apresentaram de manutenção e durabilidade também foram
resolvidos. Hoje uma ponte estaiada é a que exige menos manutenção que as
outras, ela deve durar mais de 100 anos. Apesar disso, por envolver tecnologia
pouco explorada, altamente complexa, e dominada por poucas empresas, o custo de
uma ponte estaiada pode chegar a ser três vezes mais elevado que o de uma ponte
convencional.
Executar um projeto de ponte ou viaduto estaiado exige uma equipe de
engenheiros com experiência e conhecimento técnico apurado. Todas as fases de
execução são importantes e merecem acompanhamento rigoroso.
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Estaremos abordando dois estudos de caso de Ponte estaiada, onde estão
apresentando as duas variações, harpa e leque. O objetivo, é entender o
comportamento e a função estrutural desempenhada, pelos cabos em ambos os
casos.
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Ponte Estaiada Octavio Frias de Oliveira
Projeto: Arquiteto João Valente
Localização: São Paulo, Brasil.
Ano do projeto: 2008.
Materiais: Aço e Concreto.
A ponte Octávio Frias de Oliveira é um marco na arquitetura nacional, pois foi
construída com um formato único no mundo: duas pontes em curva formando um X
e sustentadas por estais ligados a um único mastro. Uma ponte estaiada é uma
ponte suspensa por conjuntos de cabos de aço (os chamados estais, que dão
origem ao nome estaiada), conectados a uma torre ou mastro com a função de dar
sustentação às suas pistas. Moderna, é construída em locais onde o uso dos pilares
não é aconselhável.
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A sustentação das pontes é feita por estais, que são feixes de cabos que
variam de 15 a 25 cordoalhas de aço, revestidas por uma bainha de polietileno
amarelo, cuja finalidade é proteger os estais da chuva, do vento e dos raios do sol.
São 492 toneladas de aço, que se fossem colocadas lado a lado daria para percorrer
378 mil metros, equiparável à distância entre a cidade de São Paulo e a de Ourinhos
(370 km). O maior estai tem 195 metros e o menor 78 metros. A distância entre os
estais é de 7 metros do lado do rio, e de 6,5 metros do lado do sistema viário.O
Cruzamento entre as duas pontes ocorre no mastro (margem do rio Pinheiros).
Ambos os tabuleiros estaiados são suportados por um único mastro – o mastro em
“X” nasceu da necessidade estrutural, não arquitetônica.
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Cada tabuleiro curvo necessita de um mastro inclinado para ser equilibrado. 
Como o cruzamento entre os tabuleiros ocorre junto ao mastro, as torres
inclinadas se interceptam, contraventando-se entre si. 
Devido ao componente horizontal de forças dos estais, é necessária uma protensão
no tabuleiro para minimizar este efeito.
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A ponte Octávio Frias de Oliveira, é estaiada do tipo Harpa, onde os cabos
correm paralelos a partir do mastro, de modo que a altura de fixação do cabo ao
mastro é proporcional à distância entre o mastro e o ponto de fixação deste cabo ao
tabuleiro.
Os materiais usados são, o concreto e o aço. Destaque neste, para os estais,
que são elementos de aço galvanizado com alta resistência à tração, não
apresentam resistência, a flexão ou compressão, seu comportamento estrutural, é a
resistência através de força axial de tração. Além disso, as cargas podem ser
afetadas por diversos fatores, como variação de temperaturas, ou a ação do vento,
neste caso os cabos também podem ser usados como contraventamento, para
estabilizar a estrutura.
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Ponte Langkawi Sky Bridge
 
Projeto: Peter Wyss
Projeto de Engenharia:Plano CEPAS
Localização: Rio de Janeiro, Brasil
Área coberta: 45.700 m²
Ano do projeto: 2005
Materiais: Aço e Concreto
Uso: Transporte de Pedestre
A Langkawi Sky Bridge é uma ponte suspensa de pedestres curvada de 125
metros Localizada na Malásia, concluída em 2005. Toda a estrutura se mantem de
pé por um único pilar, de aparência semelhante a um guindaste, de onde saem os
cabos. O convés da ponte está localizado a 660 metros acima do nível do mar, no
pico de Gunung Mat Cincang, em Pulau Langkawi, a ilha principal do arquipélago de
Langkawi, em Kedah. A Ponte do Céu de Langkawi pode ser alcançada primeiro
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pegando o Teleférico de Langkawi até a estação superior, onde um elevador
inclinado chamado SkyGlide leva os visitantes da estação superior para a ponte. 
A ponte foi fechada em julho de 2012 para manutenção e atualização. A
reabertura foi adiada várias vezes, mas reabriu parcialmente em fevereiro de 2015.
A ponte agora está totalmente acessível.
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A ponte tem 125 metros de comprimento e 1,8 metros de largura (a seção
intermediária tem uma passarela mais larga), com dois trilhos de aço e arame de
aço em ambos os lados. Ela é projetado como uma passarela curva para maximizar
a experiência de visualização, proporcionando uma perspectiva mutável à medida
que o visitante caminha pela ponte. A passarela, formada por painéis de aço e
concreto em cima de uma treliça triangular invertida, conecta dois topos de morro
em Gunung Mat Chinchang. Os primeiros 25m da ponte são retos, seguindo 3
seções curvas de 25m, depois uma reta final de 25m. Em cada extremidade da
passarela, a ponte tem uma plataforma de visualização triangular de 3.6m de largura
que serve como áreas de descanso e visualização para os visitantes. 
A Ponte Langkawi Sky Bridge, é estaida do Tipo Leque, onde os cabos
conectam-se ou passam pelo topo do mastro.
 A ponte é suspensa por 8 cabos de um único pilão de 81,5 m de altura e
trava a cerca de 100 m acima do solo. O pilão é ancorado em um bloco de concreto
em uma elevação de 604.5m, e sua ponta atingiu 686m acima do nível do mar. É
inclinado em ângulos de 78 ° e 2 ° em duas direções, e suportado por dois cabos. A
ponte é projetada para transportar uma capacidade máxima de 250 pessoas. 
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CONCLUSÃO
Devido às suas características e às inúmeras vantagens, a estrutura metálica
vem sendo cada vez mais utilizadas na construção civil, sendo frequentemente
associada a arquitetura contemporânea e inovadora. O uso da tração,
especialmente, vem sendo cada vez mais difundido e utilizado devido àssuas
diversas vantagens que vão muito além do aspecto estético.
O presente estudo mostrou que além do fator estético há um fator funcional
de extrema importância que faz com que o uso da tração na engenharia aumente o
grau de eficiência de diversas estruturas, seja para pontes, coberturas e até com
relação ao concreto protendido. O conhecimento e estudos de caso nos possibilitou
ampliar nossa visão e entendimento das diversas possibilidades que a engenharia
nos proporciona para podermos, desta forma, criar com mais ousadia e eficiência.
 
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BIBLIOGRAFIA E REFERÊNCIAS
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Análise comparativa da configuração dos estais. Orientador: Paula Manica Lazzari.
2017. 55 p. Artigo (Graduação em Engenharia de Infraestrutura) - Universidade
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Portal Metálica Construção Civil. Ponte Estaiada Octavio Frias de Oliveira
em SP. Disponível em <http://wwwo.metalica.com.br/ponte-estaiada-mastro-x-
necessidade-estrutural> Acesso em 1º de junho de 2019.
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	Cobertura do Estádio Maracanã – Estádio Jornalista Mário Filho
	Portal Metálica Construção Civil. Ponte Estaiada Octavio Frias de Oliveira em SP. Disponível em <http://wwwo.metalica.com.br/ponte-estaiada-mastro-x-necessidade-estrutural> Acesso em 1º de junho de 2019.