Questão 02 ( 1,00 ponto) Considerando o módulo de elasticidade do conereto armado, pode-se destacar três valores: (1) O módulo tangente inicial, (2) O módulo secante e (3) O módulo tangente. Considerando essas informações, responda:
a) Qual deles é utilizado no cálculo de esforços e deslocamentos das estruturas de concreto armado? Por quê?
Passo 1
O enunciado dá três valores do módulo de elasticidade do concreto armado e pede para indicar qual deles é utilizado no cálculo de esforços e deslocamentos das estruturas de concreto armado e justificar o porquê.
As informações fornecidas (os três valores) são:
(1) o módulo tangente inicial;
(2) o módulo secante;
(3) o módulo tangente (em um ponto qualquer da curva).
O que se pede: escolher qual desses módulos usar para calcular esforços e deslocamentos e explicar a razão.
Passo 2
Definições e fórmulas (explicadas devagarinho):
Módulo tangente inicial: é a inclinação da curva tensão-deformação no ponto de origem (pequenas deformações). Matematicamente é o derivado da tensão em relação à deformação em \varepsilon=0:
Ele representa a rigidez inicial do material antes de qualquer não-linearidade importante (crack etc.).
Módulo secante: é a razão entre a tensão e a deformação até um certo nível de carregamento (por exemplo, o nível de serviço). Para uma tensão de serviço \sigma_s e a correspondente deformação \varepsilon_s,
E_{\text{sec}}=\frac{\sigma_s}{\varepsilon_s}.
É uma “rigidez média” entre a origem e o ponto (\sigma_s,\varepsilon_s).
Módulo tangente (num ponto qualquer): é a inclinação instantânea da curva tensão–deformação naquele ponto:
Ele descreve a variação instantânea da rigidez ao redor daquela deformação (pode ser muito menor após fissuração).
Passo 3
Entendendo fisicamente: por que existem diferenças entre esses módulos?
A curva tensão–deformação do concreto é não linear: inicialmente relativamente rígida, depois, à medida que aparecem fissuras e microdanos, a curva “amadurece” e a rigidez efetiva diminui.
O módulo tangente inicial é o maior (rigidez inicial), porque considera comportamento quase elástico sem fissuras. Se usar esse E constante para toda a análise, a estrutura parecerá mais rígida do que realmente é quando submetida ao carregamento de serviço — então ficará subestimada a deformação (ou seja, deflexões muito pequenas, irrealistas).
O módulo tangente num ponto pós-fissuração representa a rigidez instantânea naquele nível de deformação, mas não é representativo da resposta média acumulada desde zero até o nível de serviço (pode superestimar a redução local da rigidez ou flutuar rapidamente).
O módulo secante captura a relação média entre tensão aplicada e deformação obtida até o nível de serviço, ou seja, é diretamente compatível com a definição de tensão e deformação observadas sob as cargas reais.
Passo 4
Por que no cálculo de esforços e deslocamentos usa-se o módulo secante (ou seu equivalente efetivo)?
Quando se calcula deslocamentos usa-se a relação entre as tensões resultantes das cargas de serviço e as deformações que elas geram. O módulo secante é definido exatamente como \sigma_s/\varepsilon_s, então ele garante que, ao multiplicar a deformação obtida pela secante, a tensão média será a tensão de serviço usada: é coerente com a compatibilidade e equilíbrio no estado de serviço.
Em termos práticos de engenharia estrutural, queremos uma rigidez “média” que represente a estrutura sob as cargas de projeto (serviço). O módulo secante fornece essa rigidez média; o módulo tangente inicial superestima a rigidez (subestima deslocamentos) e o módulo tangente instantâneo pode não representar a resposta acumulada até a carga de serviço.
Portanto, para prever deslocamentos e distribuir esforços de maneira realista sob as cargas de serviço, utiliza-se o módulo secante (ou um módulo secante efetivo que também incorpore efeitos de tempo, como fluência).
Passo 5
Exemplo numérico simples (para fixar a ideia):
Suponha que, ao nível de serviço, a tensão média no concreto seja \sigma_s=10\\ \text{MPa} e a deformação observada seja \varepsilon_s=0,0005. Então
Se o módulo tangente inicial fosse E_{\text{tang,ini}}=30{,}000\\ \text{MPa}, usar esse valor constante daria deslocamentos menores (mais rígidos) do que observaríamos realmente. Como a deflexão de uma viga linear depende de 1/E (por exemplo \delta\propto 1/(E I)), escolher E maior reduz a deflexão calculada; por isso o tangente inicial leva a subestimar deslocamentos.
Se a curva já estiver amaciada e o módulo tangente local fosse E_{\text{tang}}=12{,}000\\ \text{MPa}, usar somente esse valor instantâneo pode superestimar a deformação local sem considerar que parte do carregamento passou por estágios com rigidez maior. O secante equilibra esses extremos.
Passo 6
Comentário prático sobre efeitos de longo prazo (fluência/creep):
Para cálculo de deslocamentos de longo prazo (flechas finais), costuma-se ainda reduzir mais a rigidez para incorporar fluência através de um módulo efetivo. Uma forma simplificada é usar
E_{\text{eff}}=\frac{E_{c}}{1+\varphi},
onde \varphi é o coeficiente de fluência (razão entre deformação à longo prazo e deformação instantânea). Assim, o procedimento prático comum é: usar o módulo secante para rigidez ao nível de serviço e, quando considerar flechas de longo prazo, empregar um módulo secante efetivo que inclui \varphi.
Passo 7
Resumo/recapitulando de maneira direta e amigável:
Tangente inicial = rigidez antes de não-linearidade (superestima rigidez real sob serviço).
Tangente num ponto = rigidez instantânea naquele ponto (não representa a média até o serviço).
Secante = rigidez média entre origem e ponto de serviço (coerente com tensão e deformação reais) — por isso é o apropriado para cálculo de esforços e deslocamentos em estado de serviço; se houver necessidade de considerar envelhecimento/fluência, usa-se o secante efetivo que inclui esse efeito.
Resposta
O módulo secante — mais precisamente o módulo secante avaliado ao nível de serviço (ou o módulo secante efetivo que incorpora fluência) —, porque ele representa a rigidez média entre a origem e o estado de serviço, garantindo que as deformações calculadas sejam compatíveis com as tensões reais aplicadas; o módulo tangente inicial superestima a rigidez e o tangente local não representa a resposta média acumulada.