Preocupações de construção: expansão de metais

Artigo e fotos de Gregory Havel

"O aço se expandirá de 0,06% a 0,07% em comprimento para cada aumento de 100°F na temperatura. A taxa de expansão aumenta à medida que a temperatura aumenta. Aquecido a 1.000°F, um membro de aço se expandirá 9½ polegadas em 100 pés de comprimento... Se vigas de aço são contidos, como por uma estrutura de alvenaria, e a temperatura do incêndio é mantida em torno de 1.000oF, a expansão do aço pode causar o deslocamento da alvenaria, resultando em colapso parcial ou total." (Brannigan's Building Construction for the Fire Service, Quarta Edição, página 206) Se a alvenaria ou as paredes de concreto que restringem a viga forem maciças o suficiente para não serem deslocadas, o aumento do comprimento da viga e seu enfraquecimento devido ao calor farão com que ela se deforme. e falha no meio do vão. Essas informações nos foram passadas a partir dos nossos cursos de Bombeiro I e II.

A Foto 1 mostra uma montagem de paredes de alvenaria e concreto, colunas de aço, treliças de vigas de aço e vigas de barra. As treliças de viga e as vigas de barra são restringidas por conexão com as paredes ou por soldas e parafusos entre si. Não há tolerância no projeto para expansão do aço estrutural, uma vez que a variação de temperatura entre dia e noite ou inverno e verão é considerada insignificante. Em um edifício com ar condicionado, a faixa de temperatura normal pode ser inferior a 20°F. Em um prédio sem aquecimento em um clima frio, a faixa de temperatura provavelmente será inferior a 100°F. A expansão e contração do aço torna-se uma preocupação quando há um incêndio no interior do edifício.

Em qualquer edifício grande, tubos de metal suportados por aço estrutural podem ter centenas de metros de comprimento. Quando esses tubos transportam água aquecida ou resfriada para aquecimento e ar condicionado, suas temperaturas internas podem variar de 40oF a 200oF. Quando carregam vapor, suas temperaturas internas podem variar da temperatura ambiente até mais de 300oF. Quando carregam água quente e fria doméstica, suas temperaturas internas podem variar de 40oF a 150oF. Os códigos de construção e outros exigem que esses tubos sejam isolados para economizar energia.

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Os tubos de aço se expandem quando aquecidos na mesma taxa que o aço estrutural. Os tubos de cobre se expandem quando aquecidos a uma taxa cerca de 40% maior que o aço. Embora a expansão e a contração dentro da faixa de temperatura operacional normal do tubo possam não ser altas o suficiente para causar a falha das paredes ou o entortamento do tubo, elas podem ser barulhentas e, eventualmente, causar vazamentos nas juntas do tubo se não forem controladas.

Uma forma de controlar a dilatação das tubulações é a utilização de juntas de dilatação. Um tipo usa uma seção de tubo de metal corrugado flexível ou tubo de borracha em intervalos ao longo do tubo. Outro tipo é uma conexão deslizante com vedação mecânica ou O-rings. Ambos funcionam bem quando são novos, mas eventualmente vazarão e precisarão ser substituídos.

Outro método é o uso de loops de expansão, que estão em uso há mais de 100 anos. A Foto 2 mostra loops de expansão em duas tubulações de aço, que transportarão água quente para aquecimento no inverno e água gelada para ar condicionado no verão. Esta instalação usa conexões Victaulic® com juntas de borracha de alta temperatura do que aquelas usadas em sistemas automáticos de extinção de incêndios. Neste edifício, os trechos de tubulação serão contidos no meio do trecho entre os loops de expansão.

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A Foto 3 mostra os circuitos de expansão de um grupo de tubos isolados que transportam água sanitária quente e fria, água quente para aquecimento e vapor. Nesse sistema, as restrições estão no centro dos loops de expansão, e não no meio dos trechos do tubo.

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Hoje, as juntas de dilatação são normalmente usadas onde não há espaço para loops de dilatação. Embora exijam menos mão-de-obra para instalar do que os loops de expansão, geralmente custam mais do que os materiais para os loops de expansão. Além disso, requerem substituição periódica.