Mais pré-esforço nem sempre significa mais resistência!

Como provavelmente sabe, a verificação do Estado Limite Último indica a quantidade de carga que uma estrutura pode suportar antes da rotura. É válido que os efeitos das ações sejam resistidos por um par de forças internas num braço de alavanca.

Não importa se é betão pré-esforçado ou armado. Com a mesma quantidade de aço com a mesma tensão de cedência, as estruturas pré-esforçada e armada suportam a mesma carga antes de atingir a capacidade resistente. A tensão de compressão adicional no betão pré-esforçado não ajuda a estrutura a resistir por mais tempo. Então, qual é toda a agitação em torno disto?

Vamos analisar mais de perto

Através do pré-esforço, adicionamos tensão de compressão ao betão, alterando significativamente o comportamento do material. A formação de fendas é retardada, pois a reserva de tensão resiste à primeira carga. Com incrementos de carga adicionais, o betão atinge um estado de descompressão. Posteriormente, o betão resiste à tração até que a resistência à tração seja excedida.

A formação de fendas ocorre, portanto, muito mais tarde em comparação com o betão armado. Além disso, o desenvolvimento de fendas é mais lento para a mesma carga e com aberturas de fenda menores no betão pré-esforçado. Isto é importante devido à corrosão da armadura. Mas também está relacionado com a rigidez da estrutura. A maior rigidez das estruturas pré-esforçadas conduz a menores deformações.

Na figura abaixo, pode ver uma comparação teórica dos elementos pré-esforçado e armado carregados por uma força axial de tração externa. Assume-se que as cordoalhas e a armadura são do mesmo aço com a mesma tensão de cedência. A quantidade também corresponde entre si. A única diferença é que as cordoalhas estão tensionadas.

• Estado 1 - É aplicado o primeiro incremento de carga. O betão pré-esforçado utiliza a reserva de tensão. O betão armado também resiste até que a resistência à tração seja excedida. 
• Estado 2 - Quando a resistência à tração no betão armado é excedida, ocorrem fendas. Nesse ponto, a utilização da armadura aumenta, juntamente com a deformação. Enquanto no betão pré-esforçado, a reserva de tensão ainda contraria os efeitos.
• Estado 3 - Quando a resistência à tração no betão pré-esforçado é excedida, ocorrem fendas. Nesse ponto, a utilização da armadura aumenta, juntamente com a deformação, tal como no betão armado.
• Estado 4 - A tensão de cedência do aço é excedida.

Isto implica que teoricamente obteríamos as roturas simultaneamente para ambas as estruturas. Por outras palavras, a tensão de compressão adicional não afeta as verificações do ULS.

Em contrapartida, fendas significativas e deformações ocorreriam muito mais cedo com a mesma carga na estrutura armada em comparação com a pré-esforçada. E, assim, o dimensionamento não satisfaria as verificações do Estado Limite de Utilização.

É também justo mencionar que, para além das vantagens acima referidas do betão pré-esforçado, podemos influenciar a distribuição das forças internas pela posição dos elementos pré-esforçados. É amplamente utilizado no caso de estruturas de pós-tensão.

Teoria na prática

Vamos verificar como a lógica corresponde aos resultados na aplicação IDEA StatiCa. Vamos observar dois exemplos no IDEA StatiCa Detail. O primeiro exemplo é a viga pré-tensionada, e o segundo é idêntico exceto pelo pré-esforço.

Em contraste com o caso teórico, o elemento está agora também carregado com um momento fletor. Experienciaríamos uma deformação muito maior imediatamente antes da rotura. Caso contrário, o princípio deverá permanecer o mesmo.

IDEA StatiCa Detail

A figura abaixo mostra a utilização do betão, da armadura e das cordoalhas. Ambas as estruturas podem transferir a carga aplicada. Como esperávamos, as verificações normativas do ULS, mesmo para a viga armada, foram satisfeitas com uma utilização semelhante. 

Uma diferença significativa ocorre com as verificações do SLS.

As fendas estão mais desenvolvidas no betão armado e, como referido anteriormente, afeta a rigidez das estruturas e, consequentemente, a deformação.

Por que preciso de saber? 

É essencial mencionar que este é um exemplo teórico. Na utilização prática, não poderíamos armar o elemento com armadura das mesmas propriedades. Além disso, não teria funcionado devido aos critérios de Estado Limite de Utilização. Então, por que é importante?

Uma compreensão adequada do comportamento do betão pré-esforçado simplifica a sua utilização. É crucial ser capaz de decidir se é melhor adicionar força de pré-esforço ou mais cordoalhas pré-esforçadas/tendões de pós-tensão. Ou modificar o dimensionamento.

Com o conhecimento adequado, o pré-esforço serve-nos para vencer maiores distâncias utilizando menos material e com formas mais elegantes. Seja na engenharia civil, no caso de pontes (maioritariamente projetos de betão de pós-tensão), ou na engenharia estrutural, no caso de vigas pré-esforçadas e lajes de pós-tensão.

Qual a aplicação adequada para o dimensionamento do pré-esforço?

Para dimensionar elementos pré-esforçados gerais (pré- ou pós-tensionados), pode utilizar a aplicação Beam do IDEA StatiCa. Fornece a solução, incluindo as fases de construção e o cálculo de perdas.

Recomendamos a utilização da aplicação Detail do IDEA StatiCa e não apenas para regiões de descontinuidade.