Flambagem na Engenharia: Simples, Direto e Sem Fórmulas

Primeiro de tudo, a flambagem na engenharia tem um contexto e significado bem diferente, e não se origina da palavra “flambar”, termo muito popular na gastronomia.

A propósito, na engenharia, a flambagem se refere a um mecanismo bem destrutivo, e com atenção especial para elementos estruturais sob a ação de forças de compressão.

Por exemplo, parques industriais são repletos de estruturas desse tipo, tais como, vasos de pressão, tubulações, reservatórios, estruturas de suporte, dentre outros.

Bem como, estruturas navais e submarinas, presentes em navios e plataformas de petróleo e gás, além dos tradicionais pilares, treliças e vigas metálicas.

E também, os trilhos de aço, bastante usados em ferrovias, pois ao aquecerem em um dia quente tendem a se expandir.

Porém, essa expansão na direção axial é impedida, e assim uma força axial de compressão se acumula, o que pode levar à flambagem do trilho.

Assim, é muito importante combater a flambagem na engenharia e compreender os fatores que contribuem para sua ocorrência.

Portanto, quer saber mais sobre esse fenômeno indigesto para a engenharia estrutural? Continue a leitura deste artigo.

O que é flambagem na engenharia?

Primeiro de tudo, imagine carregar uma barra qualquer sob esforço de tração uniaxial, com incrementos de cargas crescentes até romper.

Desse modo, a ruptura acontece quando a tensão normal na barra excede o limite de escoamento ou a resistência à tração do material.

Aliás, caso contrário, o carregamento sendo a compressão, a sua ruptura pode acontecer por esmagamento do material ao atingir sua resistência máxima.

No entanto, existe uma forma adicional de ruptura da barra comprimida, a famosa flambagem, termo mais usado na engenharia.

Assim, ela ocorre quando a carga compressiva aplicada atinge um valor crítico, causando mudanças bruscas na forma da barra, isto é, deslocamentos laterais.

Logo, ela “encurva-se” ou “flamba”, na linguagem mais popular, mas nem sempre resulta em escoamento ou ruptura do material, tudo acontece ainda na fase elástica.

A Coluna de Euler em Ação

Para começar, em se tratando de flambagem, muitas pessoas pensam logo na coluna de Euler, assim, vamos entender mais sobre.

Imagine agora que temos uma coluna ou pilar perfeito, sem imperfeições geométricas, eixo centralizado e bem alinhado com uma carga inicial de compressão aplicada de P=1 sobre ela.

Dito isso, o valor da carga “1” é irrelevante, o importante é observar que a coluna não sofre nenhuma deformação lateral, ver Figura abaixo.

Porém, ela pode até encurtar um pouco devido à Lei de Hooke, mas essa deformação é um detalhe desprezível nesse contexto.

Agora, vamos aumentar a carga para P=2, e mais uma vez, nada acontece, pois as deformações laterais continuam sendo nulas, e a coluna permanece estável.

Por fim, vamos aplicar uma carga grande o suficiente, que denominamos como carga crítica (P_crit), também conhecida como “Carga Crítica de Euler”.

Assim, com essa carga, a coluna sofre flambagem, e o quanto a coluna sofre de deformação lateral? Não importa muito neste ponto.

Aliás, a partir do chamado “ponto de bifurcação“, ver Figura acima, a coluna “salta” direto para um modo de colapso, e pronto, a flambagem está consumada.

Assim, as deformações laterais se tornam excessivamente grandes, como a teoria de Euler sugeriria, mas, na prática, a coluna real se quebraria em algum lugar antes, algo que a teoria de Euler não prevê.

Portanto, a principal lição aqui é que, ao analisarmos um modelo “perfeito”, as deformações laterais só ocorrem no momento do colapso.

Porém, esse comportamento idealizado não corresponde à realidade, logo, vamos dar uma olhada no que acontece de fato.

Embora a força crítica possa ser elevada, a resistência “real” da coluna será muito menor, porém, existem três aspectos principais que devemos considerar:

• Imperfeições;
• Geometria linear;
• Material linear;

Vamos seguir adiante para nos aprofundarmos nos conceitos.

Imperfeições:

Então, vamos encarar a realidade, porque a possibilidade da coluna de Euler ser executada perfeitamente, na prática, é nula, ou seja, sempre existirá algum desvio.

Por exemplo, o seu eixo não fica reto na vertical, a carga aplicada tem uma leve excentricidade, ou até mesmo o seu material não tem propriedades uniformes.

Assim, esses fatores, entre outros, reduzem a capacidade real da coluna, e esse tipo de redução não é levado em consideração na equação de Euler, logo, ela superestima a capacidade real.

Análise Estrutural linear

A propósito, a flambagem, como fenômeno, não é linear, porém, em muitos modelos de vigas, o impacto é pequeno.

Contudo, em estruturas com placas ou cascas, ignorar esse efeito pode levar a erros consideráveis.

Em suma, uma análise linear, assume-se que as deformações e deslocamentos são bem pequenos, o suficiente para que a relação entre as forças aplicadas e as deformações seja proporcional.

Neste caso, as equações que descrevem o comportamento estrutural permanecem lineares, o que facilita os cálculos, por exemplo, a coluna de Euler leva isso em consideração.

Por outro lado, quando os deslocamentos ou as deformações se tornam grandes, o comportamento real da estrutura passa a ser não linear.

Portanto, a relação entre forças e deslocamentos deixa de ser proporcional, assim, precisamos considerar fatores como mudanças na rigidez da estrutura durante o carregamento.

Material elástico linear:

Aliás, um material elástico linear segue a Lei de Hooke, ou seja, a relação entre a tensão (força por unidade de área) e a deformação (mudança de forma ou tamanho) é proporcional e linear.

Em outras palavras, dentro de certos limites, quando você aplica uma força a esse material, ele se deforma de maneira previsível.

No entanto,ao remover a força, o material retorna à sua forma original sem sofrer deformações plásticas ou permanentes.

Agora, quando o material atinge seu limite de escoamento, as deformações são plásticas, o elemento torna-se mais suscetível à flambagem.

Dito isso, a equação de Euler não leva esse efeito plástico em consideração, somente a parte elástica.

Em resumo, o que indicam esses três fatores, imperfeições, análise linear e material elástico linear para a teoria de Euler?

Apesar de serem úteis para cálculos preliminares, eles não representam de forma precisa a capacidade real de uma coluna quando levamos em conta os aspectos práticos.

Portanto, a carga crítica de flambagem é bem inferior à formulação de Euler, em muitos casos.

Dito isso, entenda o mecanismo sem uso de fórmulas matemáticas, ou seja, sem o uso de equações mesmo simples ou complexas.

6 Tipos de Flambagem na Engenharia

Para entender os principais tipos de flambagem, é importante saber que ela pode ocorrer de diferentes maneiras, pois não é um problema exclusivo da fórmula de Euler.

Em síntese, ela é bem mais complexa e agressiva as estruturas, pois quando entra em ação, em geral, causa devastações.

Portanto, o engenheiro estrutural deve estar apto e conhecer todos os mecanismos de projeto para neutraliza-la para sempre, sem possibilidades de agir.

Vamos exemplificar agora seis principais tipos de flambagem na engenharia, portanto, siga na leitura.

1 – A flambagem flexional

Esse é o modo mais comum de flambagem e ocorre em elementos comprimidos, como em vigas e pilares, devido a excentricidades de cargas ou imperfeições, como encurvamentos e/ou desvios de sua forma original.

Sendo assim, a peça sai da linha da carga compressiva com a qual deveria estar alinhada, logo, gera um momento fletor e aumenta ainda mais o seu encurvamento.

Portanto, isso resulta em um ciclo de crescimento rápido da deformação até a ruptura, antes mesmo de alcançar a resistência total à compressão.

Esse tipo de flambagem pode ocorrer em qualquer peça de seção transversal, seja aberta, tipo I, ‘caixão’ ou circular, simétrica em um ou ambos os eixos.

Um exemplo clássico é a coluna de Euler, já referida acima, e também com uma simples régua de plástico ou metálica sendo comprimida pelas suas extremidades, usando as suas próprias mãos.

2 – A Flambagem Torsional

Já a flambagem torsional envolve um esforço de torção, ou um giro da seção transversal do elemento estrutural, em vez de uma simples flexão lateral.

Isso é comum em elementos que têm seções não simétricas, como perfis metálicos em forma de “L” ou “C“, a famosa cantoneira, que podem girar sobre seu eixo ao serem comprimidos.

Este é um problema bem específico em perfis de aço mais esbeltos, que não só se curvam lateralmente, mas podem também sofrer essa rotação em torno de seu eixo.

3 – A flambagem flexo-torsional

Em adição, a flambagem flexo-torsional combina os dois tipos anteriores, a flexão lateral e a torção.

Deste modo, o elemento se curva e, ao mesmo tempo, gira ao longo de seu eixo, tais como, em colunas ou vigas de seção fina e assimétricas.

Esse tipo de flambagem verifica-se em perfis metálicos usados em edificações industriais e em pontes.

4 – Flambagem Local

Some-se a isto, a flambagem local, pois ocorre em partes isoladas da seção transversal de uma viga ou coluna, como as chapas de uma estrutura de aço.

Nesse caso, em vez da peça inteira se dobrar, apenas uma parte dela sofre deformação.

Por exemplo, em uma viga em formato de “I”, o flange pode se dobrar localmente, sem que o restante da estrutura se deforme inicialmente.

Esse tipo de flambagem é mais comum em peças feitas de materiais de alta resistência, como o aço, com seções finas e largas, facilitando a deformação local.

Portanto, se não controlada, a flambagem local pode evoluir para outros tipos de instabilidade, e comprometer a estrutura em sua totalidade.

5 – A Flambagem Lateral com Torção

Acrescenta-se também, a flambagem lateral com torção, pois acontece em vigas submetidas a momentos fletores e causam curvaturas.

Uma viga fina e longa pode curvar-se lateralmente e torcer simultaneamente, resultando em instabilidade.

Esse fenômeno é crítico em vigas que não têm suporte lateral adequado para evitar o movimento fora do plano.

Para evitar isso em estruturas reais, costuma-se adicionar travamentos ou projetar perfis com rigidez suficiente para resistir a essa instabilidade.

6 – Flambagem na Engenharia em elementos estruturais de paredes finas

Então, esta é uma variação da flambagem local, em específico, ocorre em estruturas formadas por chapas finas, como tanques ou tubulações de paredes finas.

Assim, sob compressão, essas paredes finas podem se deformar e colapsar, mesmo que o restante da estrutura permaneça estável.

Imagine uma lata de refrigerante sendo comprimida, e antes de colapsar por completo, as suas paredes laterais começam a amassar em pontos específicos.

No entanto, essa forma de flambagem na engenharia pode ocorrer em estruturas massivas, como cascos de navios ou tanques de armazenamento, onde as paredes são finas e submetidas a grandes pressões.

Como analisar a flambagem em projetos?

Então, existem várias ferramentas disponíveis para analisar a flambagem, e ela inclui:

• Cálculos manuais;
• Planilhas,
• Tabelas em livros;
• Softwares;
• Modelos Numéricos e Programas Experimentais;
• Normas: Por exemplo, as brasileiras NBR-6118 de concreto armado ou a NBR-8800 de estruturas metálicas;

Por exemplo, os melhores softwares para cálculo estrutural, tais como os de Análises por Elementos Finitos, por exemplo, o Solidworks, Abaqus ou Ansys são bastante úteis, seja para estruturas bem simples ou com geometrias complexas e/ou imperfeições.

Por outro lado, TQS, Eberick ou Cypecad exercem o seu papel e avaliam a flambagem em estruturas de concreto armado ou metálicas.

Considerações Finais sobre Flambagem na Engenharia

Enfim, a flambagem na engenharia é um fenômeno complexo, e pode comprometer a integridade de uma estrutura se não for considerada no projeto, de modo adequado.

Por essa razão, ao entender os principais tipos de flambagem e como eles ocorrem, os engenheiros projetam estruturas mais seguras e resistentes.

Portanto, seja em pilares, vigas ou vasos de pressão, a prevenção da flambagem é uma parte essencial da engenharia estrutural.

E você, gostou da leitura de um artigo de engenharia estrutural sem o uso de equações? Faça seu comentário abaixo!