Betão armado, desde simples vasos até aos edifícios mais altos do mundo

É um material tão comum e utilizado com tanta frequência que a maioria dos engenheiros não pensa muito sobre ele. Para a maioria de nós, é apenas um material que tem de cumprir os parâmetros exigidos em diversas formas. Mas ao trabalhar com ele, alguma vez se perguntou de que país é originário? Ou qual é a história de um material sem o qual muitos edifícios famosos em todo o mundo nunca teriam sido construídos?

Para este artigo, deixemos de lado os problemas complexos de engenharia, o dimensionamento e as avaliações estruturais, a análise de ações e a aplicação de normas. Façamos juntos uma breve viagem pela história e vejamos de onde vem este material, as suas origens e como se desenvolveu, dando origem a uma quantidade incrível de edifícios funcionais e admiráveis.

Como o nome sugere, o betão armado primitivo era composto por dois componentes essenciais: ferro e betão. Antes de falarmos do betão armado em si, vejamos rapidamente o betão. Este é conhecido pela humanidade há mais de 2000 anos.

Os benefícios do betão já eram aproveitados pelos Romanos (alguns dizem que pelos Egípcios). Alguns dos edifícios que construíram com ele ainda existem hoje. Um excelente exemplo é a maior cúpula monolítica do mundo, no Panteão de Roma (imagem abaixo), construída com tecnologia de betão moldado no local no século II d.C. Este não é o único exemplo de adoção precoce do betão: existem muitas estruturas semelhantes no mundo.

É por isso surpreendente que a ideia de reforçar o betão com elementos de ferro só tenha surgido no século XIX. Com algum exagero, este período pode ser chamado o período do Renascimento Técnico. Para além do betão armado, o uso do aço também revolucionou a construção. Começou a aparecer numa escala mais alargada sob a forma de elementos portantes apenas pouco tempo antes do próprio betão armado.

No século XIX, vários pioneiros experimentaram o betão armado. Entre os mais precoces e importantes estava o inglês William Boutland Wilkinson, que experimentou soluções de proteção contra incêndio na construção de edifícios. Em 1854, utilizou varões e cabos de aço para armar o betão na construção de uma casa para os seus criados. Patenteou uma solução que se revelou bem-sucedida.

Outro pioneiro foi o industrial francês François Coignet, o primeiro a construir um edifício de quatro andares inteiramente em betão armado na cidade francesa de Saint-Denis, em 1853. Também patenteou a sua solução em 1855.

O primeiro "antepassado" do betão armado tal como o conhecemos hoje, que combina eficazmente o melhor dos dois materiais, ou seja, a resistência à compressão do betão normal com a resistência à tração do ferro, pode dizer-se que data de 1867. Nessa época, um jardineiro francês, Joseph Monier (imagem abaixo), procurava um substituto para os vasos de barro e madeira. Tentou fazer vasos de betão, mas estes rachavam — por isso, procurou uma forma de os tornar suficientemente resistentes.

Teve a ideia de utilizar uma estrutura simples de ferro, que depois revestiu com betão. O resultado superou todas as expectativas, e Joseph Monier patenteou a sua solução a 16 de julho de 1867.

Chegou mesmo a expor a sua invenção na Exposição de Paris desse ano, onde a sua solução teve grande sucesso. Foi em julho deste ano (2022) que esta patente celebrou o seu 155.º aniversário.

O betão armado expandiu-se subsequentemente por toda a indústria da construção no mundo moderno. Chegou aos Estados Unidos antes do final do século.

Rapidamente se tornou um material com aplicação em todos os tipos de construções — desde estradas e habitações até edifícios monumentais nas maiores aglomerações urbanas do mundo. A par desta expansão, porém, as exigências sobre as suas propriedades foram crescendo. O betão, como elemento essencial, sofreu uma evolução revolucionária ao longo dos anos. Os engenheiros experimentaram composições e carregamentos, foram criadas novas classes e as possibilidades de utilização em diversos ambientes foram alargadas.

Assim, tal como a tecnologia de produção do betão evoluiu e as suas propriedades melhoraram, a mesma evolução ocorreu nos métodos de cálculo de estruturas de betão.

Cada estrutura contém as chamadas zonas B e D, que se caracterizam por uma abordagem de dimensionamento diferente.

O que são as zonas B?

As zonas B podem ser definidas como regiões em que se verifica a hipótese de Bernoulli-Navier, que pressupõe que uma secção transversal plana antes da deformação permanece plana após a deformação. Para essas regiões, a solução e o critério de verificação indicados nas normas podem ser utilizados com segurança. O IDEA StatiCa RCS e o IDEA StatiCa Beam oferecem soluções para zonas B em que a teoria de vigas é válida.

O que são as zonas D?

Os locais onde a hipótese de Bernoulli-Navier não se verifica denominam-se regiões de descontinuidade ou regiões de perturbação: as regiões D. Trata-se de regiões de apoio, em torno de vigas isoladas, locais de variações bruscas de secção transversal, aberturas, etc. No dimensionamento de estruturas de betão, encontramos diversas outras zonas D, como paredes, vigas de pontes, consolas curtas, etc.

Apesar do desenvolvimento de várias ferramentas de cálculo nas últimas décadas, o método Escora-e-tirante continua a ser utilizado em cálculos manuais. No entanto, a sua aplicação a estruturas reais é morosa, uma vez que é necessário realizar várias iterações e considerar também vários casos de carga. Além disso, este método é inadequado para verificar critérios de estado de serviço (deformação, larguras de fendas, ...).

Estes e outros desafios semelhantes relacionados com a análise de estruturas de betão levaram empresas a colaborar com o meio académico. A IDEA StatiCa seguiu a mesma abordagem e, em colaboração com a ETH Zurique, desenvolveu e testou exaustivamente um método denominado Método do Campo de Tensões Compatível (CSFM) para o dimensionamento de regiões de descontinuidade.

Este método foi implementado na aplicação IDEA StatiCa Concrete e baseia-se numa implementação computacional de um modelo de campo de tensões, utilizando as propriedades básicas dos materiais especificadas nas normas de dimensionamento de betão. O CSFM supera as limitações das abordagens clássicas e pode ser considerado um método de analogia de treliça generalizado, mas no qual são consideradas as regiões efetivamente tensionadas em vez das forças resultantes.

O betão e o betão armado tornaram-se assim um material cujo uso é frequentemente precedido de análises complexas. Os primeiros pioneiros que experimentaram com ele certamente não teriam imaginado quão ampla foi a base que lançaram para a indústria e até onde evoluiria a construção em betão armado.

Qual é o futuro do betão armado? Segundo o Prof. Kolísko, Diretor do Instituto Klokner em Praga, o betão armado é tão amplamente utilizado e é um material de uso tão fácil que não podemos esperar a sua substituição num futuro próximo. No entanto, haverá uma otimização mais frequente das estruturas de betão relacionada com o uso mais económico do cimento, que é um contribuidor significativo para a chamada pegada de carbono.

O futuro residirá indubitavelmente no UHPC (betão de ultra-alta resistência), com o qual já se está a experimentar e que está a produzir resultados promissores para a otimização de estruturas de betão.

Temos o prazer de que a nossa aplicação IDEA StatiCa e outras façam parte desta história. Há vários anos que ajudamos engenheiros em todo o mundo a dimensionar e otimizar estruturas de aço e betão, poupando tempo no dimensionamento e na verificação normativa de quaisquer elementos de betão.

... Sabia que navios de carga também foram concebidos em betão armado? Mas mais sobre isso na próxima vez.