O desenvolvimento da tecnologia para a aplicação da protensão em estruturas metálicas, de forma que se possa obter ganho econômico, começou a se estabelecer em alguns países da Europa, mas ainda é considerada uma técnica nova para a grande maioria dos países.
Mukhanov (1968) relata que a protensão de vigas de aço pode ser feita através de cabos ou barras de aço que devem ser colocados na região tracionada da viga. O cabo deve ser posicionado preferencialmente abaixo do flange inferior da viga, com traçado reto, de maneira que a tensão devida à protensão seja inicialmente neutralizada com a atuação do carregamento externo e por esta razão, poderá ser aplicada uma carga maior sobre a viga. Ainda segundo Mukhanov (1968), com a protensão é possível ter uma economia de 10- 18% de aço e com isso uma redução de custos de 5-15%. É ressaltada, também, a importância do posicionamento adequado dos desviadores/enrijecedores ao longo do flange inferior, como uma forma de prevenir a perda de estabilidade desse flange, em razão da força de compressão gerada pela protensão. Segundo o autor, estes elementos devem estar espaçados no máximo de 1,5 a 2,0 metros, e limitam o comprimento de flambagem do flange. Além disso, é feita a verificação do flange inferior quanto à instabilidade,
encontrando-se a força máxima de protensão que poderá ser aplicada nesse flange de forma que fique garantida a sua estabilidade.
Sampaio Júnior (1976) faz um estudo sobre o dimensionamento econômico de vigas protendidas de aço, que ocorre quando uma ou mais seções tem nas suas fibras extremas tensões iguais à tensão de escoamento do material. Esse dimensionamento ótimo foi feito através de métodos numéricos, em razão da complexidade das equações envolvidas no processo de otimização. O estudo foi realizado para viga de seção I de abas desiguais e com utilização de cabo de protensão com traçado reto e localizado abaixo do flange inferior. A conclusão do estudo é que as vigas protendidas de aço possibilitam uma economia em peso que varia de 15% a 30% em comparação as vigas convencionais. Esta economia está relacionada com a esbeltez da alma e com a excentricidade adotada para o cabo. O autor acredita ainda que a economia em custo será menor, e praticável apenas para vigas sujeitas a grande momento fletor, nas quais os custos com os sistemas de ancoragens e protensão possam ser diluídos no custo total da obra, e que o processo racional de industrialização deste tipo de estrutura contribuirá para a redução dos custos.
Troitsky (1990) aborda a teoria e o dimensionamento de pontes metálicas protendidas. Nesse estudo são apresentados os métodos de aplicação da protensão, assim como alguns tipos de ancoragens e as perdas de protensão. A tecnologia da protensão é analisada para vigas de aço com seção I e seção caixão, vigas mistas aço-concreto e para treliças. No caso das vigas isoladas de aço com perfil I, mostra-se que o traçado do cabo de protensão pode ser reto, situado imediatamente acima ou abaixo do flange inferior, ou ainda pode ser poligonal. Além das verificações quanto a combinações de tensões causadas pela força de protensão e pelo momento fletor, é feita também a verificação do flange inferior quanto à máxima força de compressão que pode ser aplicada de forma que não aconteça perda de estabilidade. O autor afirma que o uso da técnica da protensão em pontes metálicas é uma das melhores maneiras para conseguir economia em aço e para diminuir os custos das construções.
Bradford (1991) ressalta que a protensão dos cabos gera uma grande tensão de compressão no flange inferior da viga antes da atuação das cargas externas e faz um estudo da instabilidade das vigas de aço protendidas sob esse carregamento, de modo que a força de protensão não cause flambagem das peças. É feita uma comparação entre o resultado
obtido a partir do método de cálculo de elementos submetidos ao efeito combinado de força axial de compressão e momento fletor do AISC/LRFD e o resultado proveniente do método de cálculo desenvolvido pelo autor para determinação da resistência a flambagem da viga protendida. O método de análise desenvolvido pelo autor produz curvas de flambagem para a força de protensão que causa flambagem distorcional elástica de vigas esbeltas. A partir dessas curvas é encontrada a máxima força de protensão de acordo com as especificações do LRFD para que não ocorra flambagem da viga. Apesar do critério do AISC/LRFD para efeitos combinados de força de compressão e momento fletor ter se mostrado mais conservador que o resultado encontrado pelo método proposto no trabalho, o autor afirma que ambos podem ser utilizados.
Nunziata (1999a) apresenta um estudo sobre estruturas em aço protendidas, onde são fornecidas informações a respeito dos princípios básicos da protensão, das características dos materiais, das técnicas construtivas, etc. O autor evidencia que para vigas isostáticas o traçado parabólico do cabo é mais apropriado para contrabalancear o efeito das cargas externas. Neste trabalho são mostradas as verificações que devem ser feitas nas seções ao longo do comprimento da viga quanto às tensões geradas pelo momento fletor e pelas forças cisalhantes. O autor trata também da obtenção do fuso limite, que definirá o posicionamento mais adequado para os cabos de protensão. São analisadas tanto vigas isostáticas quanto vigas hiperestáticas. No entanto, o estudo não contempla nenhuma verificação de possível instabilidade da viga em decorrência da elevada tensão de compressão gerada pela aplicação da protensão.
Além de descrever as técnicas e verificações para o uso da protensão em aço, Nunziata (1999b) realizou também ensaios para analisar o comportamento de vigas metálicas protendidas. Inicialmente foi feito um estudo teórico para determinar as suas dimensões, os carregamentos e outras características. Então, foi ensaiada uma viga com 21,4m de comprimento, 80cm de altura e protendida com 10cabos de 15mm de diâmetro, como mostra a Figura 2.1 abaixo.
Figura 2.1 - Teste experimental para viga de aço protendida (Nunziata, 1999)
O carregamento previsto para o ensaio foi de 10,2kN/m para carga permanente, excluindo o peso próprio da viga de 1,72 kN/m, e uma sobrecarga acidental igual a 11,4kN/m. O carregamento foi distribuído com blocos de cimento de 25kN e foi aplicada uma força de protensão de 151kN em cada cabo.
A Figura 2.2 mostra a execução da ancoragem dos cabos de protensão por meio de cunhas metálicas e a Figura 2.3 evidencia a aplicação da carga na viga através da colocação de blocos de cimento ao longo de todo o seu comprimento.
Figura 2.2 – Ancoragem dos cabos (Nunziata, 1999b)
Figura 2.3 - Viga protendida carregada por blocos de cimento (Nunziata, 1999b)
Segundo o autor, os resultados mostraram superioridade em termos de resistência e deformação para a viga de aço protendida em comparação com tipos de estruturas análogas, e a economia e facilidade de execução da tecnologia proposta.
No Brasil, as primeiras vigas protendidas de aço foram projetadas para o Hotel Hilton São Paulo Morumbi, em São Paulo capital, pela Eng.ª Heloísa Maringoni no ano de 2001. A idéia surgiu da necessidade de adaptar parte das garagens subterrâneas do edifício para a criação de salas de convenções. O espaçamento entre as colunas era de 7,5m e havia a necessidade de grandes vãos, com 15m, compatíveis com ambientes de convenções. A solução encontrada pelos projetistas para este problema foi a substituição de parte dos pilares por vigas especiais de transição. Como a utilização de vigas de concreto protendido se mostrou inviável em razão da limitação de altura (as vigas não poderiam ter altura superior a 90cm) e porque precisariam de um período para cura do concreto, o que era um inconveniente já que o prédio continuava em funcionamento, optou-se pelo uso de vigas metálicas protendidas (Rubin e Botti, 2003 apud Mazza, 2002).
A Figura 2.4 abaixo traz os detalhes do projeto das vigas de aço protendidas (vista longitudinal e corte transversal) executada no Hotel Hilton São Paulo Morumbi. Nota-se que foi colocada uma viga em cada lado do pilar, e para garantir o trabalho conjunto, elas foram interligadas através de enrijecedores devidamente espaçados.
a) Vista longitudinal
b) Corte Transversal
Figura 2.4 – Vigas protendidas do Hotel Hilton São Paulo Morumbi (Rubin e Botti, 2003
apud Mazza, 2002)