Estruturas de Alumínio

O uso de ligas de alumínio na engenharia estrutural é uma atividade bastante recente, uma vez que a descoberta desse elemento ocorreu a menos de 200 anos. A possibilidade de isolar o elemento alumínio foi prevista por Humphry Davy no início do século XIX (1807), mas o primeiro resultado concreto foi obtido por Whoeler após 20 anos de pesquisa (1827). Apesar da descoberta, a produção industrial de alumínio começou apenas em 1886 assim que o francês Paul Luis Touissant Hérnoult e um americano Charles Martin Hall patentearam na mesma época, mas independentemente, o processo eletrolítico.

O final do século XIX ajudou a uma primeira grande aplicação estrutural desafiadora: os dirigíveis Schwarz e Zeppeling. Desde o início do século XX, as ligas de alumínio foram inicialmente utilizadas para aplicações onde praticamente não havia material substitutivo. O caso mais significativo foi o da indústria aeronáutica, onde a madeira e os tecidos foram gradualmente substituídos pelo novo metal leve, dando origem à base das modernas aeronaves. Posteriormente, o uso de ligas de alumínio rapidamente se espalhou em muitos campos estruturais e não estruturais (janelas, portas, móveis, revestimentos, química industrial, armamentos etc.).

Desde após a Segunda Guerra Mundial, o alumínio ganhou espaço que até então era reservado ao aço e ferro, sendo utilizado com sucesso no transporte, como a indústria ferroviária (vagões de metrô e vagões-cama), a indústria automotiva (peças mecânicas e automóveis) e a indústria naval (lanchas e veleiros).

Uma tendência paralela para as ligas de alumínio consiste na sua utilização nas chamadas estruturas de engenharia civil, onde estes materiais podem ser considerados novos e também competirem com o aço, o material metálico mais utilizado neste campo.

Principais características e vantagens

O sucesso das estruturas de alumínio como material de construção e a possibilidade de uma competição com o aço baseiam-se em alguns pré-requisitos que estão ligados às propriedades físicas, ao processo de produção e às características tecnológicas. Resumindo, as seguintes afirmações podem ser consideradas:

1 – Leveza possibilita:

• Transportar componentes totalmente pré-fabricados;
• Reduzir as cargas transmitidas às fundações;
• Economizar energia durante a montagem;
• Reduzir o trabalho físico.

2 – A resistência à corrosão possibilita:

• Reduzir as despesas de manutenção;
• Fornecer bom desempenho em ambientes corrosivos.

3 –  A funcionalidade das formas estruturais, devido ao processo de extrusão, possibilita:

• Melhorar as propriedades geométricas da secção transversal, concebendo uma forma que dê simultaneamente o peso mínimo e a maior eficiência estrutural;
• Obter formas enrijecidas sem o uso de seções construídas, evitando, assim, soldar ou parafusar;
• Simplificar os sistemas de conexão entre diferentes componentes, melhorando assim os detalhes conjuntos;
• Combinar diferentes funções do componente estrutural, alcançando assim um perfil mais econômico e racional.

Aplicações em estruturas de alumínio

Uma estrutura de empreendimento é considerada de maior vantagem quando é caracterizado em pelo menos de uma das principais propriedades básicas: leveza, resistência à corrosão e funcionalidade. O alumínio possui diferentes aplicações estruturais que melhor se encaixam nessas propriedades:

1.  Sistemas de telhados de grande extensão, nos quais as cargas vivas são pequenas em comparação com as cargas mortas, como no caso de estruturas de espaço reticular e cúpulas geodésicas que cobrem grandes áreas de extensão, como salas, auditórios.
2.  Estruturas localizadas em locais inacessíveis longe da oficina de fabricação, para as quais a economia de transporte e a facilidade de montagem são de extrema importância, como por exemplo as torres de transmissão elétrica, que podem ser transportadas de helicóptero montadas.
3.  Estruturas situadas em ambientes corrosivos ou úmidos, como telhados de piscinas, pontes fluviais, estruturas hidráulicas e superestruturas offshore.
4.  Estruturas com partes móveis, como pontes de guindaste de estações de tratamento de esgoto e pontes móveis, onde leveza significa economia de energia em serviço.
5.  Estruturas para fins especiais, para as quais as operações de manutenção são particularmente difíceis e devem ser limitadas, como no caso de mastros, torres de iluminação, torre de antenas, portais de autoestradas, etc.

Os atuais mercados de alumínio se desenvolveram devido a considerações de ciclo de vida. Veículos de transporte, um dos maiores mercados, com aplicações aeroespaciais, aeronaves, caminhões, carros e vagões, são leves, economizando custos de combustível e são resistentes à corrosão, minimizando assim os custos de manutenção. Além de aplicações estruturais, embalagens, outro grande mercado, faz uso da reciclagem de circuito fechado que retorna as latas usadas para os laminadores que produzem chapas para novas latas.

Comparando alumínio com aço

Os princípios básicos do projeto para estruturas de alumínio são os mesmos que para outros metais dúcteis, como o aço. Equações e técnicas de análise para o comportamento estrutural global, como o comportamento de carga de deformação, são as mesmas. A resistência dos componentes, particularmente a deformação, pós-flambagem e fadiga, são especificamente definidas para as ligas de alumínio.

Existem muitas razões para a seleção de um material para aplicações estruturais, mas a questão determinante é que o produto deve ser acessível, ou seja, seu custo deve ser aceitável para o cliente. Geralmente, o alumínio é atraente em muitas aplicações, devido a um custo de ciclo de vida favorável, que é dado pela soma do custo inicial do produto acabado, pelo custo de operação ou manutenção do produto ao longo de sua vida útil e pelo custo de descarte ou reciclagem após sua vida útil. Além disso, o alumínio sustentou e aumentou seu uso em muitos campos, em parte porque o preço do alumínio em relação ao aço, em geral, diminuiu gradualmente ao longo dos 100 anos de vida da indústria do alumínio.

O alumínio deve ser considerado para aplicações nas quais os custos do ciclo de vida são favoráveis materiais concorrentes. Os custos incluem:

1. Aquisição, refino e fabricação do metal
2. Fabricação do metal em uma configuração útil
3. Montagem e montagem dos componentes na estrutura final
4. Manutenção e operação da estrutura durante sua vida útil
5. Eliminação após a vida útil

Uma comparação abrangente com o aço, não apenas em termos de custo, é importante para identificar claramente as condições sob as quais e o campo de aplicação onde as ligas de alumínio podem ser competitivas.

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