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steel rebar for reinforcement concrete at construction site with house under construction background

A fadiga em materiais, essencial na vida das construções

O desgaste dos materiais é uma das causas que podem originar o desabamento e colapso de edifícios e infraestruturas. Um processo de deterioração progressiva dos elementos de suporte que, sujeitos a cargas cíclicas, pode originar pequenas fissuras que no final acabam em fraturas. O conhecimento profundo dos componentes, dos pesos que deverão suportar e da geometria da construção são fatores imprescindíveis para evitar possíveis sinistros a partir do próprio design da obra.

As falhas precoces nos mecanismos e uma redução da vida esperada são as consequências mais imediatas da fadiga nos materiais de construção. “Em função de como foi projetado o componente e de qual será o material empregado, é possível que aconteçam rupturas súbitas, que podem ocasionar graves incidentes materiais e pessoais”, assinala Isidoro Iván Cuesta Segura, responsável pelo Grupo de Integridade Estrutural (GIE) da Universidade de Burgos (UBU).

Trata-se de um processo em que ocorrem mudanças estruturais nos materiais de forma permanente, progressiva e localizada, no ponto específico que está sujeito a tensões e deformações flutuantes. Elas costumam originar uma ruptura produzida “subitamente depois que a fissura gerada cresceu até alcançar dimensões tais que a seção remanente não é capaz de suportar os esforços requeridos”. Este final pode acontecer pela ação de uma carga constante ou por cargas variáveis.

As falhas por fadiga de materiais acontecem em inúmeros sistemas mecânicos de diferentes setores, como a automatização, as máquinas industriais ou os equipamentos eletrônicos. Nas últimas décadas, sucederam-se sinistros que destacaram a importância deste fator no design industrial.

Segundo o especialista da UBU, os fatores que condicionam a vulnerabilidade dos materiais são:

  • Concentradores de tensão (como soldagens, furadeiras, etc.)
  • Cargas -estáticas ou cíclicas- aplicadas na estrutura (por exemplo, o vento ou as ondas)
  • Fenômenos desgastantes como a corrosão ou a fragilização por hidrogênio, sendo este último fenômeno de alto interesse na atualidade devido à necessidade de implementar o hidrogênio renovável como fonte de energia alternativa.

 Prevenção a partir da fase de design

Para minimizar os efeitos do desgaste nos componentes de uma infraestrutura, Cuesta Segura considera essencial contar com conhecimento exaustivo dos diferentes aspectos que participam no processo da fadiga, como os materiais empregados, as cargas aplicadas ou a geometria. Além disso, “na atualidade, existem diferentes ferramentas informáticas que permitem predizer a alteração da matéria e, em consequência, modificar o componente nos estádios iniciais do design”. É o caso da análise por elementos finitos, uma técnica de simulação por computador usada na engenharia que pode antecipar o aparecimento de fissuras, ou a análise dinâmica por elementos finitos não-linear, que estuda os problemas de deformação unitária na propagação.

Na atualidade, existem diferentes ferramentas informáticas que permitem predizer a vida da fadiga e modificar o componente nos estádios iniciais do design

É precisamente como fator de prevenção que as empresas do setor tentam realizar designs que considerem esta potencial fadiga e que integrem diversos tipos de tratamentos para melhorar a vida dos materiais. “Alguns dos mais usuais são os que introduzem tensões residuais no componente, com o objetivo de eliminar ou atrasar o aparecimento de fendas causantes de rupturas”, afirma. Um design com esta premissa reduz falhas estruturais e, assim, os engenheiros conseguem se concentrar na criação de novos elementos ao invés de corrigir erros herdados.

De fato, é muito importante estabelecer uma adequada planificação da manutenção preventiva, pois atualmente é utilizado o conceito de “tolerância ao dano”, que representou um incremento da segurança dos componentes perante a fadiga. Como explica o responsável pelo GIE, “basicamente, consiste em assumir que em nosso componente aparecerão fendas, mas se formos capazes de quantificar como elas crescerão e o tempo que demorarão para alcançar a fenda crítica, conseguiremos continuar com sua utilização”. Para isso, requer-se de uma análise prévia da velocidade de crescimento da fenda para estabelecer um planejamento adequado dos períodos de revisão, detectar possíveis rupturas e contar com a capacidade de encontrar pequenas fissuras durante a manutenção.

 Período de vida dos materiais

Existem alguns parâmetros que é preciso considerar para determinar a resistência dos materiais e sua segurança, e que condicionam sua fadiga dos materiais. Eles podem ser divididos em três fases:

– Iniciação. Aparecimento de pequenas fendas no material, em geral produzidas em redor de alguma fonte de concentração de tensões ou na superfície exterior, onde as flutuações de tração são mais elevadas. Esta fase costuma ser a mais prolongada do processo de ruptura.

– Propagação. Crescimento de algumas fendas por efeito da carga. Neste momento, mudam as direções das fissuras para as direções perpendiculares das tensões principais.

– Ruptura. Acontece a fratura final quando o componente não resiste o esforço aplicado e as fendas avançaram até um ponto tal que a seção líquida do material é incapaz de suportar a carga completa.

Costa Segura enxerga diferentes enfoques que determinam a ruptura em função dos dados disponíveis do material empregado e das cargas a serem aplicadas. O modelo mais tradicional é a utilização de curvas S-N, baseadas na vida média do elemento ou na probabilidade de falha dada para uma geometria ou componente específico, que mediante ensaios que aplicam cargas cíclicas nos componentes (flexão por rotação, tração, ciclos de torção, etc.) permite comprovar o nível de tensão que pode suportar um material durante um número de ciclos.

Apostas a futuro

No entanto, no GIE apostam por outra perspectiva mais avançada como “a utilização de leis de propagação de fissura, em que é necessária a realização de ensaios no material para determinar uma série de parâmetros chave que permitam predizer o número de ciclos de vida do componente”. Neste campo, uma de suas últimas contribuições foi o desenvolvimento de um software baseado em códigos de design capaz de antecipar a ruptura em componentes sujeitos a cargas cíclicas.

Nos próximos anos, será chave conhecer o comportamento em termos de fadiga dos novos materiais, especialmente dos originários da fabricação aditiva

Efetivamente, o uso de ferramentas e métodos tecnológicos poderão auxiliar os engenheiros a melhorar a segurança dos componentes e sua seleção, de acordo com o tipo de obra, simplificando e reduzindo os custos dos designs de engenharia, que, juntamente com os avanços no conhecimento do processo, a análise e as capacidades de ensaio diminuirão significativamente as fraturas e, com isso, as probabilidades de catástrofe.

Embora continuarão o estudo e os ensaios nos componentes mais empregados na construção, como o concreto, será chave nos próximos anos conhecer o comportamento dos novos materiais que serão utilizados em diferentes setores da construção, tanto em edificação e obra pública quanto em processos de engenharia civil e infraestruturas energéticas, especialmente “daqueles originários da fabricação aditiva, pois na maioria das técnicas dessa nova tecnologia surgem poros no interior do componente que favorecem o crescimento de fendas”, reconhece o especialista. “Conhecer como interagem entre eles e como podem ser prevenidos ou mitigados com a aplicação de novas técnicas de pós-processo será chave para a obtenção de vidas de fadiga adequadas”, conclui.

Fases de vida da fadiga dos materiais

Fatigue of Structures and Materials. J. Schijve

Colaborou neste artigo

Isidoro Iván Cuesta Segura é catedrático na área de Mecânica de Meios Contínuos e Teoria de Estruturas da Universidade de Burgos (UBU), dentro do Departamento de Engenharia Civil.

Integra a Sociedade Espanhola de Integridade Estrutural e, desde sua criação em 2001, o Grupo de Investigação de Integridade Estrutural (GIE) da UBU, que dirige atualmente. Também faz parte da Unidade de Investigação Consolidada UIC163 da Comunidade da Castela e Leão. Seu campo de investigação está centrado na mecânica de fraturas, fadigas e simulação numérica de materiais e componentes, assim como na fabricação aditiva.

É formado em Engenharia Técnica Industrial e Engenharia em Organização Industrial pela UBU, onde também obteve o doutorado em Engenharia Civil e Industrial.

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