Resumo do livro- Bases Estruturais para o Projeto Estrutural na Arquitetura

Resumo do livro- Bases Estruturais para o Projeto Estrutural na Arquitetura- págs. 57á 62

Capitulo 7- Sistemas Estruturais de aço - Arcos

O arco é usado há muito tempo desde as civilizações antigas, e para construí-lo se utilizavam madeira e pedra. A princípio começaram a ser usados para vencer vãos pequenos com o arco falso, o arco falso era resultado de um empilhamento de vários blocos em balanço, e eles eram muito instáveis, e com sua eventual desestabilização se formou o arco verdadeiro.

O arco verdadeiro passou a ser muito utilizado até os dias de hoje, por ser uma estrutura estável capaz de vencer grandes vãos. Além da função de distribuir cargas o arco também é um elemento decorativo apresentado de muitas formas (volta perfeita, ogival...) e estas identificam muitos estilos arquitetônicos (como românico, gótico...). Os arcos eram construídos com vários blocos denominados aduelas, a aduela que se localiza bem no centro do arco é chamada de chave, pois tem um formato angular proposital que atua com o esforço de compressão, que traz estabilidade ao arco todo.  Portanto a chave tinha que ser a última peça a ser colocada, e para colocá-la era necessário escorar as aduelas.

Os apoios têm muita importância para evitar que as forças horizontais (empuxo), façam com que arco se abra, mantendo os apoios indeslocáveis todo o arco permanece sob o efeito da compressão. Quanto mais alto o arco, maior o vão, o peso e maiores as reações de apoio.

As forças verticais são conduzidas através do arco e descarregadas em um ponto de apoio como pilares e colunas, toda carga que o arco recebe ele joga para baixo. Quanto maior a flecha do arco, maior o empuxo, as forças horizontais podem chegar nos pilares e provocar grandes flexões que vão para as fundações. Para evitar transmitir o empuxo aos apoios, pode se aumentar a sua dimensão ou utilizar de outras estratégias como o uso de contrafortes, e também a utilização de tirantes (apesar de ser uma solução interessante, possui um ponto negativo porque limitam o pé direito).

O arco é, depois do cabo, o sistema estrutural que pode vencer vãos maiores com as menores quantidades de material. O uso do arco ocorre principalmente quando se necessita vencer vãos médios e de grande porte, como coberturas de galpões e pontes, viadutos, etc. Para tais, podem ser usados alguns tipos de estruturas de arcos, como arco inferior com tabuleiro superior (recomendado para grandes vãos); arco superior com tabuleiro inferior (recomendado para vãos pequenos) e arco com tabuleiro intermediário (menos usado por causa de problemas construtivos).

Apesar do arco ser um sistema submetido a compressão, ele também pode sofrer esforços de flexão por causa de um carregamento acidental, os esforços do arco variam de acordo com o carregamento. Deve-se procurar dar aos arcos formas que correspondam a os funiculares das cargas que atuam sobre eles, quanto o maior o desvio do eixo do funicular do arco, maior o esforço de flexão. Se houver esforços de tração ou momento fletor, o arco não será ideal, e não terá sua forma igual a forma funicular.

Os sistemas estruturais denominados ‘’ forma- ativa’’ coincidem com o fluxo dos esforços, ou seja, percorrem o trajeto natural das forças. A linha "natural" dos esforços em um sistema de compressão é a linha funicular de pressão, a do sistema de tração é a linha funicular de tração.

A forma funicular de um sistema ativo corresponde a forma adquirida pelo sistema ao receber o carregamento, sendo que no arco, essa forma é invertida. Para que o arco, ou o cabo seja considerado ideal, a linha de pressão deve coincidir com a forma da estrutura. Os cabos funcionam de acordo com o formato do funicular dos esforços, ao contrário do arco que funciona com o anti funicular dos esforços. Existem vários tipos de formatos de funiculares, tais como triângulo, trapezoide, polígono, parábola e catenária. A catenária possui uma geometria mais baixa que a parábola, por causa do peso próprio que se concentra mais nas regiões próximas das extremidades.

O cabo é um sistema estrutural que não tem forma permanente, as formas assumidas pelo cabo dependem do carregamento que ele está recebendo, portanto torna- se uma estrutura pouco estável quando sujeito a variações de carregamento. Por não ser uma estrutura rígida, o cabo só reage ao esforço de tração simples, para qualquer situação de carregamento, se for submetido a esforços de compressão ou flexão ele vai se deformar completamente. Para um determinado carregamento e vão, a força horizontal necessária para dar o equilíbrio ao cabo aumenta com a diminuição da flecha. Um cabo com uma flecha pequena, será mais solicitado que um cabo com uma flecha maior, entretanto, seu comprimento será menor e o volume final de cabo também.

As estruturas de cabos, também chamadas de estruturas suspensas ou pênseis, são estruturas que podem vencer grandes vãos com pequeno consumo de material. Os cabos são utilizados em vários tipos de estruturas, nas pontes pênseis e teleféricos são os elementos mais importantes, também podem ser empregados como elemento portante de coberturas de grandes vãos. Os sistemas de cabos são geralmente, estruturas leves quando comparadas a estruturas de concreto armado, no entanto essa redução do peso próprio tem uma consequência, eles não se mantêm estáveis quando sujeitos ao carregamento dos ventos.

 Nos sistemas com cabo, qualquer variação da carga ou das condições de apoio afeta a forma a forma da curva funicular, e origina uma nova forma da estrutura. Os arcos não possuem variação da sua forma, a sua linha funicular é direcionada apenas para um tipo de carregamento. As principais desvantagens deste sistema estrutural, deve-se a leveza dos cabos (que devido ao pequeno peso próprio em relação ao seu vão e sua flexibilidade, torna esse sistema muito suscetível a cargas móveis e assimétricas, vibrações e ações causadas pelo vento), e o peso do arco reforçado contra uma variedade de cargas adicionais. Estas desvantagens podem ser eliminadas através de sistemas de protensão dos cabos, que estabiliza e elimina as mudanças de forma devido a cargas adicionais e forças dirigidas para cima (como a foça do vento).

Para uma melhor compreensão sobre o funcionamento estrutural dos arcos, é comum associá-lo a um barbante segurado pelas suas extremidades no qual são pendurados diversos pesos ao longo do seu comprimento, daí observa-se que o barbante adquire uma forma geométrica poligonal formada por segmentos de retas delimitadas pelos pesos e que, ao aumentar o número destes, os segmentos de reta tornam-se cada vez menores. O barbante, sujeito à tração, faz com que as mãos de quem o está segurando devam aplicar uma força para cima para equilibrar os pesos, e também uma força para fora (chamada de empuxo) para evitar a tendência a se aproximar que as extremidades possuem.  Analisados estes comportamentos, pode-se inverter a imagem do barbante carregado para se obter um arco, onde as tensões de tração passam a ser de compressão e o empuxo que era no sentido de afastar as extremidades do barbante agora atua aproximando as bases do arco. Quanto mais alto o arco, maior o vão, e maior o peso, e consequentemente maiores são as reações de apoio. O solo no qual estiver se a poiando um arco deve ser estável suficiente para suportar tanto as reações verticais quanto horizontais.