Aula 02 - Estabilidade das Estruturas

Prévia do material em texto

AS ESTRUTURAS DA 
ENGENHARIA E 
ARQUITETURA
Sólidos e estruturas
Conceito 
Sólidos na Mecânica dos Meios Contínuos são considerados um conjunto contínuo de pontos 
materiais que podem ser identificados pela posição que ocupam no espaço físico tridimensional. 
Sólidos são considerados rígidos quando a distância relativa entre quaisquer dois de seus pontos 
materiais não se altera no tempo. Caso contrário são chamados deformáveis. 
Sólidos e estruturas
Conceito 
Sólidos são considerados uma estrutura quando têm a função de transmitir ou resistir à ação de 
esforços externos. Para isso é necessário que tenham também mantenham uma forma definida 
quando submetidos à ação dos esforços externos para os quais devam ser funcionais. Uma 
estrutura é portanto um sólido com uma função mecânica. Estruturas podem ser projetadas e 
construídas para que tenham a função desejada. Este é o objetivo principal da Engenharia 
Estrutural. Existem estruturas em todas as construções civis, assim como nas máquinas, sejam 
elas guindastes, automóveis, aviões, foguetes, navios ou submarinos. Existem estruturas naturais, 
como a formada pelo esqueleto e músculos dos corpos dos mamíferos. 
Sólidos e estruturas
Conceito 
A Mecânica dos Meios Contínuos é a parte da física que trata de sólidos e fluidos, quando são 
considerados um conjunto contínuo de pontos materiais que podem ser identificados pela 
posição que ocupam no espaço físico tridimensional. 
Mecânica dos Sólidos é a parte da Física que trata tanto dos sólidos rígidos como dos 
deformáveis. A Mecânica dos Sólidos trata também de sistemas formados por sólidos, como uma 
máquina. 
A Mecânica dos Sólidos Deformáveis é a parte da Mecânica dos Meios Contínuos que trata 
apenas dos sólidos deformáveis. 
A Mecânica das Estruturas é a parte da Mecânica dos Sólidos Deformáveis que trata 
especificamente das estruturas. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura em alvenaria 
Construções em alvenaria, isto é, com pedras naturais ou artificiais (tijolos 
cerâmicos, blocos de argamassa ou gesso, etc.) são, juntamente com as 
construções de madeira, as mais antigas da Cultura Humana. Já havia 
construções em alvenaria nas mais priscas eras. 
No início, as pedras eram apenas empilhadas, mas logo se desenvolveu a 
técnica do alvener ou alvanel, ou seja, de talhar as pedras, dando-lhes um 
melhor encaixe. 
O exemplo supremo desta técnica talvez possa ser visto na Fortaleza de 
Saqshuyaman , nas proximidades de Cuzco, na qual os Incas levantaram 
pedras naturais de diversas toneladas, talhadas e polidas, com encaixes 
perfeitos e sem argamassa, cuja execução até hoje um enigma permanece. 
O assentamento das pedras com o auxílio de argamassa, isto é, de uma 
mistura de água, areia e algum material ligante como barro ou cal é 
também quase tão antigo. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura em alvenaria 
No passado, a maioria das coberturas e telhados era realizada 
com a ajuda de estruturas de madeira, uma vez que os vãos que 
podem ser vencidos com a alvenaria eram bastante limitados. No 
entanto, o Homem desde cedo tentou desenvolver técnicas para 
superar esta limitação. Uma delas, chamada de falso arco ou 
abóbada, consistia em empilhar pedras em balanço até se 
fecharem no topo da construção. 
Os romanos levaram a técnica dos arcos e das abóbadas ao um 
grande florescimento com a construção de pontes e aquedutos 
assim como com a cobertura de grandes espaços, atingindo vãos 
que só foram alcançados novamente na Renascença, muitos 
séculos depois. Na Figuras ao lado vê-se o aqueduto romano de 
Pont du Gard na Provença, exemplo muito bem conservado da 
técnica romana com os arcos de alvenaria e um dos mais belos 
exemplos de abóbada da Antigüidade: o Panteão de Roma 
(diâmetro de 40 m). 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura em alvenaria 
Nas Figuras ao lado vê-se a primeira tentativa de se utilizar a 
mesma técnica na Renascença: a cúpula da Catedral de 
Florença, projeto de Bruneleschi em 1420 (diâmetro de 42 
m). A habilidade dos alveneiros (hoje, pedreiros) atingiu um 
máximo, tanto no aproveitamento dos materiais como na 
forma arquitetônica, na construção das catedrais góticas 
européias, sejam elas em pedra natural como as francesas e 
as do centro-sul da Alemanha, assim como as executadas em 
tijolos cerâmicos do norte da Alemanha. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura em alvenaria 
A construção em alvenaria é ainda hoje muito importante, 
principalmente em obras residenciais. No entanto, ela perdeu 
parte de sua significância após o desenvolvimento de novos 
materiais de construção como o aço e o concreto.
A baixa resistência à tração da alvenaria limita o seu uso a 
paredes e muros sujeitos a pouca solicitação de flexão, ou ao 
uso de arcos e cúpulas. Edifícios residenciais de vários 
pavimentos com paredes estruturais de alvenaria, armadas 
ou não, complementados por elementos estruturais de 
concreto armado como lajes e travamentos, podem ser uma 
opção em países em desenvolvimento, nos quais a mão de 
obra é ainda relativamente barata. Já em países com níveis 
salariais mais altos, a construção em alvenaria concentra-se 
em obras residenciais de pequeno porte. Existem 
 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura de madeira 
A execução artesanal de estruturas de vigas de madeira 
desenvolveu-se desde cedo tanto na China e, depois, na 
Idade Média Européia, seja em coberturas, seja em 
pontes, conforme se podem ver nas imagens. No 
entanto, a construção de estruturas de madeira passou a 
ser um assunto propriamente da Engenharia somente 
após a Revolução Industrial. Em particular, nos Estados 
Unidos e na Europa Central, países ricos em florestas, 
inúmeras pontes ferroviárias foram erguidas no século 
XIX, que posteriormente foram todas substituídas por 
pontes metálicas.
 
Estruturas Civis
Notas históricas - estrutura de madeira 
Uma inovação recente nas estruturas de madeira são as vigas de madeira colada que possibilitam a 
construção de vigas curvas de grande vão. 
Contribuiu, para isso, também o desenvolvimento de diversos tipos de ligações metálicas que muito 
simplificaram estas construções e lhes deram um caráter de estruturas metálicas. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas 
metálicas 
A utilização do ferro e do aço em estruturas dependeu 
muito do desenvolvimento da siderurgia durante a 
Revolução Industrial na Inglaterra. Alguns marcos 
desse desenvolvimento são a produção de ferro gusa 
em alto-fornos por volta de 1735 por Abraham Darby 
II e a descoberta do processo de fabricação do aço 
pelo processo “puddling” por Henry Cort em 1784. 
Com o desenvolvimento das primeiras laminações na 
primeira metade do século XIX, pôde o aço ser 
finalmente transformado de forma econômica em 
perfis adequados ao uso estrutural. A produção 
econômica do aço em grandes quantidades tornou-se 
possível somente após a descoberta em 1855 do 
processo da garrafa de Henry Bessemer e a invenção 
em 1867 do forno de Siemens-Martin. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
A primeira ponte de ferro (Figura 1.7) foi construída em 
Coalbrookdale/Severn por Abraham Darby III e John 
Wilkinson nos anos 1773-1779 com 30,6 m de vão e 
pode ainda ser visitada hoje. No ano 1794 surgiu a 
primeira ponte de ferro na Alemanha com 13 m de vão 
(Figura 1.8). No princípio do século XIX inúmeras 
pontes foram construídas em toda a Europa com a 
mesma técnica. As primeiras pontes adotaram as 
formas tradicionais das pontes em alvenaria, sendo 
construídas em arco, uma vez que ainda eram 
executadas de forma artesanal, sem fundamentos 
teóricos. Os elementos de ferro fundido, que são muito 
frágeis quando submetidos a compressão, eram ligados 
por encaixes e molas ou com chapas de aço forjado.
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Além das pontes em arco, a partir de 1825, com a 
construção acelerada das estradas de ferro, foram 
executadas inúmeraspontes em treliça em diversos 
esquemas. Este sistema estrutural atingiu seu apogeu 
com a ponte sobre o Firth of Forth (Figura 1.9), próxima 
a Edimburgo, com o vão principal de 521 m, construída 
em 1883-1890. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Das estruturas metálicas, as pontes suspensas 
destacam-se por vencer os maiores vãos. Conhecidas 
há mais de 2000 anos na China, utilizando cordas, elas 
se desenvolveram após a Revolução Industrial a partir 
de estruturas suspensas por correntes feitas de 
elementos forjados, passaram a ser executadas em 
cadeias de barras, como a Ponte Hercílio Luz de 
Florianópolis e, terminaram, nos dias de hoje por serem 
quase que exclusivamente executadas com o auxílio de 
cabos de aço. O país que mais contribuiu para o 
desenvolvimento de pontes suspensas por cabos, ou 
simplesmente, pontes pênseis, foram os Estados 
Unidos. Na Figura 1.10 vê-se duas notáveis obras do 
século XIX: a ponte em correntes sobre o estreito de 
Menai, Inglaterra, de Thomas Telford, construída de 
1816 a 1826 e a maravilhosa Brooklin Bridge em Nova 
York, de J. A. & W. A. Roebling, construída de 1870 a 
1883. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Na tabela a seguir expõem-se alguns dados sobre pontes 
suspensas que podem ser de interesse
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Muitas pontes expressivas, várias delas suspensas, ruíram 
por ruptura frágil, por fadiga dos materiais, por flambagem 
de elementos estruturais insuficientemente enrijecidos, 
por ressonância causada pela marcha de soldados, por 
instabilidade aerodinâmica (Figura 1.16) ou por outros 
fenômenos subestimados. Estes fracassos levaram 
invariavelmente a uma intensificação da atividade de 
pesquisa e, posteriormente, a um maior desenvolvimento 
tecnológico. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Desde o final do século XIX, desenvolveu-se, 
principalmente nos Estados Unidos, a construção de 
edifícios altos, os chamados arranha-céus. Em 1930, a 
estrutura em aço do “Empire State Building” (Figura 
1.23a), com 102 andares, foi levantada em Nova York 
em apenas seis meses. Em 1972, as torres gêmeas do 
“World Trade Center” de Nova York, com 110 andares, 
foram inauguradas e permaneceram por pouco tempo 
como os edifícios mais altos do mundo. Em 1974 a 
“Sears Tower” em Chicago (Figura 1.23b), também em 
estrutura de aço, atingiu o recorde de 422 m de altura. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas metálicas 
Esta altura foi superada na década de 90 pelas torres 
gêmeas "Petronas Towers" (Figura 1.20) com 452 m em 
Kuala Lumpur na Malásia, desta vez em estrutura mista 
em aço e concreto e com a ajuda de torres de comunicação 
em seu topo. Existem projetos para edifícios ainda mais 
altos na China. No entanto, após o ataque terrorista 
contra o “World Trade Center” de Nova York, em 11 de 
setembro de 2001, a segurança de edifícios muito altos foi 
colocada em questionamento. 
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas de 
concreto armado e protendido 
Concretos com cal hidráulica ou com cimento pozolânico 
(de origem vulcânica) já eram conhecidos dos romanos há 
mais de 2000 anos. As descobertas do cimento romano no 
ano de 1796 pelo inglês J. Parker e do cimento Portland 
pelo francês J. Aspdin em 1824 introduziram um novo 
desenvolvimento nas construções de concreto. 
Em meados do século XIX, na França, introduziram-se 
agregados de pedra britada no concreto pela primeira vez
Estruturas Civis
Notas históricas - estruturas de 
concreto armado e protendido 
Concreto é o material estrutural mais produzido em todo 
o mundo. É difícil encontrar hoje uma obra onde ele não 
tenha sido utilizado, mesmo que somente nas fundações 
ou em lajes. No Brasil, sua presença é marcante em nossas 
cidades e estradas. 
No entanto, mais que qualquer outro material estrutural, 
o concreto não tem formas pré-definidas, podendo ser 
plasticamente moldado para aproveitar ao máximo as 
características do material e para dar belas formas 
arquitetônicas às construções.