A construção de andaimes mudou desde 1700?

Como um andaime faz isso – permanece em pé sem desabar sob o próprio peso ou sob as cargas aplicadas? Se você nunca teve a experiência emocionante de estar em um andaime a centenas de metros do chão, olhando para baixo, para uma perna de andaime com menos de cinco centímetros de diâmetro, coloque isso na sua lista de desejos.

As cargas suspensas do andaime não aplicam uma carga de compressão axial, mas aplicam uma carga de flexão na extremidade externa da viga em balanço. (Foto: David Glabe)

É mágico que ele consiga suportar qualquer carga. Por que um andaime suspenso fica pendurado ali sem cair? Qual é o segredo da capacidade dessas estruturas temporárias de suportar cargas substanciais com pernas tão finas e fios tão finos? Embora seja um mistério para alguns, e talvez um milagre para outros, há uma explicação.

A ideia de que a resistência dos materiais pudesse ser calculada foi desconhecida por milênios. A construção era mais arte do que ciência. Artesãos habilidosos exerciam seu ofício utilizando a experiência como guia para trabalhos futuros. As grandes catedrais da Europa são exemplos dessa metodologia, na qual trabalhadores expandiam os limites do conhecimento construindo cada vez maiores, parando apenas quando ficava evidente que a estrutura que estavam construindo não suportava mais as cargas aplicadas.

Cargas de suporte

Foi somente no século XVIII que a ciência e a matemática se desenvolveram a ponto de poderem ser usadas para analisar com precisão e, posteriormente, determinar a capacidade de materiais específicos de resistir a forças e suportar cargas. Foi descoberto durante esse período que era possível criar fórmulas que um projetista poderia usar para determinar não apenas a resistência de um determinado material, como o ferro, mas também para determinar o tamanho necessário de um componente estrutural para suportar uma carga. Esse conhecimento criou o que é conhecido como engenharia, e os profissionais da engenharia utilizam esse conhecimento criado para projeto e análise. De fato, esse conhecimento de engenharia é usado para demonstrar como e por que um andaime pode fazer o que faz.

Uma coluna, como uma perna de andaime, pode suportar uma carga de compressão com base em três fatores: o tipo de material, o formato do material e o comprimento não contraventado da coluna. Para andaimes de estrutura e sistema, um tubo redondo é o formato escolhido. Um tubo redondo é usado porque é igualmente resistente em todas as direções, em comparação com um retângulo, por exemplo, que é mais resistente em duas direções e mais fraco nas outras duas. Tubos quadrados, que minimizam a diferença, são a segunda opção e é por isso que você pode ver alguns andaimes com tubos quadrados. Por que um tubo é usado em vez de uma haste sólida? Afinal, uma árvore é sólida.

Por meio de pesquisas, determinou-se que, para atingir a resistência do tubo, era necessário muito mais material ao redor do perímetro externo do que no meio. Como o material no meio do tubo não era necessário, ele foi removido. E é por isso que tubos são usados em vez de barras sólidas. É verdade que uma barra sólida suportará mais carga, mas a economia prevalece, pois os tubos produzirão resultados satisfatórios. Além disso, você consegue imaginar o peso de uma estrutura de andaime com barras sólidas como pernas?

Alguns podem dizer que as origens da construção, especialmente no que diz respeito às estruturas e aos princípios de sustentação de carga, são mais arte do que ciência. (Foto: David Glabe)

Mudando de forma

O aço é o material de escolha para a maioria dos andaimes. No início do desenvolvimento da engenharia, determinou-se que a resistência de um material variava muito, com base na mistura de materiais, como a proporção de carbono e minério de ferro. Também se determinou que impurezas eram um fator prejudicial. Para alcançar a consistência, a produção atual de aço é cuidadosamente controlada para que a resistência do material seja altamente previsível e o fabricante de andaimes possa, assim, produzir um produto previsível. É claro que, por outro lado, um fabricante inescrupuloso pode usar aço de qualidade inferior, mas esse assunto fica para outra ocasião.

O terceiro fator que determina a resistência à compressão de uma coluna é o comprimento não contraventado. Um tubo não contraventado de 2 polegadas de diâmetro é muito forte em compressão, mas quando tem 20 pés de altura, não tem capacidade alguma. Leonhard Euler, um matemático e físico suíço que viveu no século XVIII, foi o primeiro a determinar, além do tipo de material e da forma da coluna, que o comprimento não contraventado da coluna era um fator significativo na resistência de uma coluna. Posteriormente, ele desenvolveu uma fórmula que inclui todos os três fatores. Em outras palavras, sua fórmula de coluna, e outras que se seguiram, incorporam a relação entre forma, resistência do material e comprimento não contraventado. Para andaimes, o comprimento não contraventado é a distância vertical entre os membros horizontais e a distância vertical entre as conexões de contraventamento diagonais.

Os montadores de andaimes não podem alterar o material utilizado nem o formato da perna do andaime, a menos que, é claro, tenham usado um tubo dobrado ou curvado. O uso de um tubo dobrado ou curvado é prejudicial à resistência da coluna e explica por que componentes de andaimes danificados nunca devem ser usados. O que os montadores de andaimes podem fazer, e frequentemente fazem, é alterar o comprimento não contraventado da perna do andaime. O exemplo mais comum é com andaimes de estrutura onde as travessas frontais nunca são instaladas. Essa prática altera o comprimento não contraventado de quatro pés, a distância entre os pinos da travessa, para seis pés e meio, a altura nominal de uma estrutura de passagem. Ao fazer isso, a capacidade da perna do andaime é reduzida em até cinquenta por cento. Por outro lado, aumentar o número de membros horizontais e as travessas diagonais verticais correlatas em um andaime de sistema para que o comprimento não contraventado seja reduzido, aumenta significativamente a capacidade da perna do andaime. Infelizmente, poucos são os instaladores que entendem o impacto que o reforço tem na capacidade.

No mundo de hoje, nenhuma estrutura significativa é projetada ou construída sem o uso da ciência. (Foto: David Glabe)

Andaimes suspensos também são afetados pela pesquisa do Sr. Euler, mas talvez não da maneira que você esperaria. Colunas em tração não são influenciadas pelo comprimento não contraventado e, portanto, cabos de aço podem suportar cargas tremendas em relação ao seu diâmetro. Onde os três fatores de Euler brilham é na viga horizontal em balanço à qual o cabo de suspensão é fixado. Embora a carga do andaime suspenso não aplique uma carga de compressão axial, ela aplica uma carga de flexão na extremidade externa da viga em balanço. Se o formato da viga for incorreto, a resistência do material for inadequada ou houver contraventamento insuficiente da viga, a viga rolará, torcerá, dobrará e, por fim, será incapaz de suportar a carga do andaime, resultando em um resultado desfavorável para os ocupantes do andaime.

O mundo de hoje

O projeto e a análise de andaimes têm origem em pesquisas iniciadas por físicos há trezentos anos. Introduziram segurança no projeto de estruturas e andaimes, além de economia na construção. Com o tempo, acabaram com a prática de construir estruturas com base na experiência e no desempenho anterior do construtor.

No mundo de hoje, nenhuma estrutura significativa é projetada ou construída sem a utilização da ciência que conhecemos hoje como engenharia. Com exceção de andaimes.

Surpreendentemente, a indústria de andaimes ainda os constrói da mesma forma que em 1700, contando com montadores que, sem o conhecimento do conceito de comprimento não contraventado, esperam acertar com base apenas na experiência passada. Mais surpreendente ainda, é considerada uma prática aceitável.