O estresse térmico é o estresse interno que um material desenvolve quando a mudança de temperatura luta contra algo que não o deixa se mover. É uma consideração de rotina em projetos de ferrovias, tubulações, pontes e edifícios – em qualquer lugar onde um longo trecho de material seja fixado no local e sofrerá uma variação real de temperatura ao longo de sua vida útil.

Por que a restrição é mais importante do que apenas a temperatura

Um material que é completamente livre para se expandir ou contrair com a temperatura – uma haste solta sobre uma superfície sem atrito, por exemplo – nunca desenvolve qualquer tensão térmica, não importa quão grande seja a variação de temperatura. O estresse térmico só aparece quando algo impede essa mudança natural de comprimento: suportes fixos em ambas as extremidades, uma estrutura circundante rígida ou uma solda que mantém uma seção do tubo no lugar. A fórmula σ = E·α·ΔT captura isso diretamente – ela calcula a tensão que seria necessária para forçar o material de volta ao seu comprimento original e irrestrito após uma mudança de temperatura ΔT. Quanto maior a oscilação de temperatura, mais rígido o material (maior E), e quanto mais ele deseja se expandir por grau (maior α), maior se torna a tensão.

Tensão, compressão e por que os trilhos dobram

Aquecer um membro contido faz com que ele queira ficar mais tempo; porque não pode, está efetivamente sendo comprimido – tensão compressiva. O resfriamento tem o efeito oposto: o membro quer encolher e ser mantido em seu comprimento original o coloca sob tensão. A tensão térmica compressiva é o modo de falha mais dramático na prática, porque membros delgados sob alta compressão podem deformar repentinamente lateralmente em vez de simplesmente esmagar - isto é exatamente o que causa a 'torção solar' em trilhos continuamente soldados em um dia quente, quando os trilhos assentados e ancorados durante o tempo mais frio são comprimidos muito além de seu limite de empenamento quando o calor do verão chega.

Por que os engenheiros usam juntas e juntas de expansão

Como o estresse térmico em um membro totalmente restringido varia diretamente com a oscilação de temperatura, uma das mitigações mais eficazes é simplesmente não restringi-lo totalmente. As juntas de expansão em pontes, calçadas e tubulações fornecem à estrutura um lugar para se mover, de modo que a tensão total σ = E·α·ΔT nunca se desenvolve. Onde a restrição total é inevitável – trilho soldado, barra de reforço embutida, vasos de pressão – os projetistas levam em conta a faixa de temperatura esperada antecipadamente, escolhendo uma temperatura de instalação “neutra” e um limite de tensão que o membro nunca deve exceder, que é exatamente o cálculo que a guia Solucionar realiza ao contrário.