Kip-Force

Definição Formal

O kip (símbolo: kip ou klbf) é uma unidade de força do sistema americano equivalente a 1000 libras-força (1000 lbf). O nome é uma contração de "kilo-pound" — um híbrido do prefixo grego "kilo-" (mil) e o inglês "pound." Um kip é aproximadamente igual a 4.448,22 newtons ou 4.44822 quilonewtons. O kip não faz parte do sistema internacional de unidades, mas é a unidade de força dominante na engenharia estrutural americana.

O kip serve ao mesmo propósito no sistema americano que o quilonewton serve no SI: permite que os engenheiros expressem forças na faixa de milhares de libras sem escrever números complicados. Uma coluna suportando 250.000 lbf é mais convenientemente descrita como suportando 250 kips. Essa conveniência tornou o kip indispensável na prática da engenharia estrutural americana.

Unidades Relacionadas

O kip por polegada quadrada (ksi = kip/in²) é a unidade padrão para expressar resistências de materiais na engenharia americana. As resistências ao escoamento do aço estrutural são tipicamente de 36–65 ksi, os parafusos de alta resistência têm resistências à tração de 120–150 ksi, e as resistências à ruptura de cabos de aço variam de 200–270 ksi. O kip-pé (kip·ft) é usado para momentos de flexão em membros estruturais.

Origem do Nome

A palavra "kip" é uma contração de "kilo-pound," combinando o prefixo grego "kilo-" (de χίλιοι, mil) com o inglês "pound." A fusão da terminologia métrica e imperial reflete as origens práticas da unidade — engenheiros americanos queriam uma unidade de mil libras e criaram uma forma abreviada conveniente. A abreviação "kip" apareceu pela primeira vez na literatura de engenharia no início do século 20.

O uso é estritamente americano — engenheiros britânicos, canadenses e australianos que trabalham com unidades imperiais não costumam usar o kip, preferindo expressar grandes forças em quilonewtons ou toneladas-força. Dentro dos EUA, no entanto, o kip está tão bem estabelecido na engenharia estrutural que aparece em todos os principais códigos de construção e normas de projeto.

Origens na Engenharia Americana

O kip surgiu no início do século 20 à medida que a prática da engenharia estrutural americana amadureceu. À medida que edifícios e pontes se tornaram maiores, as forças medidas em libras individuais tornaram-se impraticáveis. Uma coluna de aço típica em um edifício de vários andares pode suportar de 200.000 a 500.000 libras — números que são difíceis de escrever, discutir e calcular. O kip forneceu uma alternativa limpa e gerenciável.

O American Institute of Steel Construction (AISC), fundado em 1921, adotou o kip como uma unidade padrão em seu Steel Construction Manual. O American Concrete Institute (ACI) e o American Society of Civil Engineers (ASCE) seguiram o exemplo. Até meados do século, o kip estava firmemente estabelecido como a língua franca da engenharia estrutural americana.

Resistência à Metricização

O US Metric Conversion Act de 1975 incentivou (mas não obrigou) a adoção de unidades SI. Embora algumas disciplinas de engenharia tenham feito transições parciais, a engenharia estrutural nos EUA permaneceu firmemente no sistema baseado em kips. O enorme corpo de normas existentes, tabelas de projeto, software e conhecimento profissional incorporado em kips e ksi tornou a conversão impraticável.

Tentativas de criar versões de normas de projeto em unidades duplas (kip/kN) tiveram sucesso limitado. Os engenheiros acharam confuso trabalhar em dois sistemas simultaneamente, e o incentivo econômico para a conversão era fraco, uma vez que a maior parte da engenharia estrutural americana atende à construção doméstica. Hoje, a engenharia estrutural americana continua sendo um dos campos que mais persistentemente utiliza unidades imperiais no mundo.

Padrão Moderno

O kip aparece em todas as edições atuais do AISC 360 (design de aço), ACI 318 (design de concreto), NDS (design de madeira) e ASCE 7 (cargas mínimas de projeto). Engenheiros estruturais formados nos EUA pensam, calculam e se comunicam em kips tão naturalmente quanto engenheiros treinados em SI usam quilonewtons.

Design de Aço Estrutural

No design de aço nos EUA (AISC 360), todas as quantidades relacionadas à força usam kips. Cargas axiais de coluna, forças de cisalhamento de vigas, capacidades de conexão e resistências de parafusos são expressas em kips. As resistências dos materiais usam ksi: o aço A36 tem uma resistência ao escoamento de 36 ksi, o aço A572 Grau 50 tem 50 ksi, e o aço A992 (o aço estrutural mais comum) tem resistência ao escoamento de 50 ksi e resistência à tração de 65 ksi.

Design de Concreto

O ACI 318 expressa a resistência à compressão do concreto (f'c) em psi (tipicamente 3.000–8.000 psi para concreto normal), mas as forças de projeto em kips e momentos em kip-pés. As resistências das barras de reforço estão em ksi: a barra de reforço Grau 60 tem uma resistência ao escoamento de 60 ksi. As pressões de suporte de fundação estão em kips por pé quadrado (ksf).

Engenharia de Pontes

As especificações de design de pontes da AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) usam kips para todas as quantidades de força. As cargas de caminhões de projeto são expressas em kips: o caminhão de projeto HL-93 tem cargas de eixo de 8 kips, 32 kips e 32 kips. As cargas de faixa são de 0,64 kips por pé linear. As capacidades dos membros da ponte estão em kips (cisalhamento e axial) ou kip-pés (momento).

Engenharia Geotécnica

As capacidades de estacas são expressas em kips ou toneladas (1 tonelada = 2 kips). Uma estaca H de aço típica pode ter uma capacidade de 150–400 kips. As pressões de suporte do solo estão em kips por pé quadrado (ksf) ou toneladas por pé quadrado. As pressões laterais do solo estão em kips por pé linear de parede.

Compreendendo Cargas em Edifícios

Embora a maioria das pessoas nunca use kips diretamente, a unidade governa a segurança estrutural de cada edifício que elas entram. Um andar típico de escritório é projetado para uma carga viva de cerca de 2,5 kips por área de 50 pés quadrados. Uma coluna de garagem pode suportar de 500 a 1000 kips. Os cabos de uma grande ponte suspensa suportam dezenas de milhares de kips.

Relatórios de Engenharia

Proprietários de casas e edifícios que revisam relatórios de engenharia estrutural encontrarão kips. Um engenheiro pode relatar que uma viga residencial tem uma capacidade de 15 kips, ou que uma fundação deve resistir a uma força lateral de 8 kips durante um terremoto. Compreender que um kip é igual a 1.000 libras ajuda a interpretar esses valores.

Indústria da Construção

Trabalhadores da construção, operadores de guindaste e montadores encontram classificações em kips em equipamentos e em planos de elevação. O gráfico de carga de um guindaste pode especificar a capacidade máxima em vários raios em kips. O hardware de rigging (ganchos, cintas, ganchos) pode ser classificado em kips para limite de carga de trabalho ou resistência à ruptura.

Contexto Acadêmico

Estudantes de engenharia nos EUA encontram kips ao longo de seus cursos de engenharia estrutural. Problemas de livros didáticos rotineiramente expressam cargas aplicadas em kips e cargas distribuídas em kips por pé. Dominar cálculos baseados em kips é essencial para passar nos exames de licenciamento Fundamentals of Engineering (FE) e Professional Engineer (PE).

Software de Análise Estrutural

O software de análise estrutural americano (SAP2000, ETABS, RISA, RAM) utiliza unidades baseadas em kips por padrão. As cargas de entrada estão em kips, as forças dos membros são apresentadas em kips e kip-pés, e as verificações de projeto referenciam resistências de material em ksi. Embora a maioria dos softwares possa operar em unidades SI, a vasta maioria da prática americana utiliza configurações baseadas em kips.

Pesquisa e Testes

As instalações de pesquisa estrutural nos EUA medem e relatam forças em kips. O laboratório nas instalações do NEES (Network for Earthquake Engineering Simulation), laboratórios de teste universitários e relatórios de teste de fabricantes usam todos kips. Um teste estrutural em larga escala típico pode aplicar cargas de 100–1000 kips usando atuadores hidráulicos.

Engenharia Sísmica

O cisalhamento de base sísmica — a força horizontal total que um terremoto aplica à base de um edifício — é calculado em kips usando as disposições do ASCE 7. Um edifício de médio porte em uma zona sísmica alta pode ter um cisalhamento de base de projeto de 500–2000 kips. As forças de andares, forças de diafragma e forças de conexão são todas expressas em kips ao longo do processo de projeto sísmico.

Engenharia de Vento

As cargas de vento em edifícios e estruturas, calculadas de acordo com o Capítulo 26-31 do ASCE 7, produzem forças em libras ou kips dependendo do tamanho da estrutura. A força total do vento em um edifício alto pode ser de 1.000–10.000 kips. Testes em túnel de vento de modelos de edifícios relatam forças em kips após a escala para equivalentes em tamanho real.