Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE212 FEUP, de outubro de 212 Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes Manuel Vieira 1 António Bettencourt 2 Armando Rito 3 Pedro Cabral 4 RESUMO Os estudos sobre o impacto do processo das cofragens deslizantes nas características do betão são escassos, sendo necessário analisar a influência de eventuais diferenças em obras construídas. Com esse objetivo, foi realizado um estudo sobre um betão aplicado num pilar de uma ponte. Este estudo incluiu a avaliação da deformabilidade e das características de compacidade do betão aplicado nesse pilar, com a realização de ensaios em provetes moldados na central e extraídos do elemento betonado. Também se efetuaram leituras da deformação na base do pilar e num protótipo, correspondente a um quarto da secção do pilar, para avaliar a retração do elemento estrutural. Palavras-chave: fluência; módulo de elasticidade; retração; cofragem deslizante 1. INTRODUÇÃO A execução de elementos de betão armado, nomeadamente de pilares, recorrendo à utilização de cofragens deslizantes permite elevados rendimentos com ganhos no tempo de construção. No entanto, este procedimento pode ter implicações nas características do betão que afetem o seu desempenho, tanto em termos mecânicos como da durabilidade. A eficiência ganha no ritmo de construção é obtida à custa da rápida descofragem, procedimento que exige cuidados especiais na vibração e cura do betão. Efetivamente, a compactação de cada camada não deve comprometer a integridade do betão subjacente, sob risco de desmoronamento, e a superfície descofrada numa fase precoce do endurecimento exige uma metodologia de cura muito eficaz, o que não é facilmente conseguida em superfícies verticais descofradas. Assim, a possibilidade de ocorrerem anomalias não é despiciente, nomeadamente a insuficiente compactação do betão e a microfissuração ou porosidade excessiva à superfície. Desta forma, julga-se importante verificar a adequação dos correntes modelos de previsão da deformabilidade dos betões, nomeadamente os do EC2 [1]. Os estudos sobre o impacto do processo das cofragens deslizantes nas características do betão são escassos, sendo necessário analisar a influência de eventuais diferenças em obras construídas. Com esse objetivo, foi realizado um estudo sobre o betão aplicado no pilar P2 da nova ponte sobre o rio Tua, inserida no Lote 6 da Sub-concessão do Douro Interior. Este estudo incluiu a avaliação da deformabilidade e das características de compacidade do betão aplicado nesse pilar, com a realização de ensaios em provetes moldados na central e extraídos do pilar. Também se efetuaram leituras das deformações na base do pilar e num protótipo, correspondente a um quarto da secção do pilar, para avaliar a retração do elemento estrutural Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Núcleo de Betões, Lisboa, Portugal. mvieira@lnec.pt Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Núcleo de Betões, Lisboa, Portugal. bribeiro@lnec.pt ARMANDO RITO ENGENHARIA, S.A., Lisboa, Portugal. armando.rito@arito.com.pt ARMANDO RITO ENGENHARIA, S.A., Lisboa, Portugal. pedro.cabral@arito.com.pt

2 Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes Esta comunicação pretende apresentar resultados que contribuam para avaliar a aplicabilidade dos atuais modelos de previsão da deformabilidade considerando a especificidade do processo de construção recorrendo às cofragens deslizantes. Pretende, também, sugerir medidas e procedimentos que possibilitem minimizar as anomalias mais correntes na aplicação desta metodologia de construção. 2. DESCRIÇÃO DA OBRA 2.1 Estrutura A nova ponte sobre o rio Tua, inserida no Lote 6 da Sub-concessão do Douro Interior, inclui um tabuleiro construído por avanços, vencendo um vão de 5 m, apoiado em dois pilares com alturas de 55 m e 9 m (Fig. 1). Ambos os pilares foram construídos com a tecnologia da cofragem deslizante. O pilar P2, o de maior altura, é o objeto do estudo desta comunicação. Figura 1. Vista geral da ponte sobre o rio Tua O pilar P2 tem um fuste tubular de secção constante num troço superior, que deriva de uma geometria retangular, sendo o necessário acréscimo de secção nos 5 m inferiores conferido pelas dimensões variáveis das suas nervuras de canto. Na Fig. 2 apresenta-se uma representação esquemática da geometria do pilar P ALÇADO DE FRENTE ALÇADO LATERAL Figura 2. Alçados e secções do pilar P2 da ponte sobre o rio Tua 2

3 Vieira, Bettencourt, Rito e Cabral 2.2 Betonagem A betonagem do fuste do pilar P2 foi efetuada em contínuo, com recurso à tecnologia da cofragem deslizante, com uma interrupção aos 5 m para alteração da geometria da cofragem, quando a secção do pilar passa a ser constante (Fig. 3). Em média o ritmo de elevação do pilar foi de cerca de 4,1 m por dia, até aos 5 m, e de 7,8 m por dia durante a restante betonagem. Esta diferença prendeu-se essencialmente com a necessidade de ajustar a cofragem à geometria variável das nervuras de canto do pilar durante a primeira metade da elevação. Figura 3. Fase inical e intermédia da elevação do pilar P2 O betão foi produzido na central de produção, sita no Pinhal do Norte, a cerca de 1 minutos de distância da obra. A composição utilizada no fabrico dos provetes, considerando os agregados saturados com superfície seca, foi a que se indica no Quadro 1. Os agregados grossos eram britados de origem granítica, de uma pedreira da zona de Vila Flor, e a Areia 1 era proveniente da zona de Roussa - Pombal. Quadro 1. Composição do betão (kg/m 3 ) Constituinte Dosagem Brita Brita Areia Cimento CEM II / A-L 42.5 R 3 Cinzas volantes 51 Água efetiva 153 Viscocrete 35 3,5 3. ENSAIOS REALIZADOS Foram realizados ensaios in situ, tanto no pilar P2 como num protótipo da sua secção, e em laboratório. Os ensaios pretendiam quantificar as deformações ao longo do tempo e caracterizar a qualidade do betão colocado. 3.1 Determinações no pilar Logo que possível, após o início do arranque da betonagem do pilar, foram coladas umas bases de leitura nalgumas faces do pilar. Esta colagem teve como condicionante a elevação da cofragem e o estado de endurecimento da superfície do betão. As bases de leitura foram dispostas em rosetas permitindo o registo da deformação em quatro direções (vertical, horizontal e duas a 45º), com uma referência de 4 mm. A leitura das deformações foi efetuada recorrendo a um alongâmetro, equipado com defletómetro digital com resolução de 1 µm. Na Fig. 4 apresenta-se um esquema das faces do 3

4 Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes pilar onde se implantaram as rosetas e uma fotografia da disposição das bases de leitura. O centro das rosetas distava cerca de 1,5 m acima da face superior acessível da sapata do pilar. Quando o pilar chegou a cerca de 12 m de altura, foi possível instalar um sistema de carga controlada em provetes embebidos na parede do pilar no seu interior. Basicamente, moldaram-se dois prismas na superfície do pilar durante a betonagem dessa zona, isolado por todas as faces exceto a superior, reservando um espaço na face inferior onde, 34 dias após a moldagem, foi colocado o equipamento de transmissão da carga, conforme se pode ver na Fig. 4. A pressão aplicada foi de cerca de 65 bar. A face exposta de cada prisma também foi instrumentada com bases de leitura distanciadas a 4 mm. Figura 4. Localização das rosetas, imagem da roseta B e instalação do sistema de carga controlada no pilar P2 3.2 Determinações no protótipo Uma vez que não seria possível quantificar a retração sofrida pelo pilar, foi moldado um protótipo à escala real, correspondendo a um quarto da secção do pilar da parte acima dos 5 m. Uma vez desmoldado este elemento, 24 horas após a sua betonagem, foram coladas bases de leitura, conforme efetuado no pilar. Na Fig. 5 mostram-se o aspeto do protótipo e a localização relativa das bases de leitura. 3.3 Determinações no laboratório Figura 5. Protótipo e localização das bases de leitura Durante a construção do pilar P2 foram moldados provetes para a avaliação da fluência do betão em condições normalizadas. Foram moldados cubos de 15 cm de aresta para determinação da resistência à compressão e 16 prismas de mm 3, para determinação da retração, fluência e módulo de elasticidade do betão. Para avaliar o comportamento do betão sem trocas de humidade, oito dos moldes prismáticos estavam revestidos por uma folha de chumbo que foi selada logo que se encheu o molde com o betão. Além dos prismas moldados, foram extraídas carotes da obra, com um diâmetro de 142 mm, que também foram sujeitas à fluência em laboratório (Fig. 6). 4

5 Vieira, Bettencourt, Rito e Cabral Além dos ensaios de fluência, também foram realizadas determinações para avaliar a porosidade do betão comparando o moldado em provetes com o colocado na estrutura. As determinações efetuadas foram a permeabilidade ao oxigénio e a porosidade aberta. Figura 6. Moldagem dos prismas e carotes extraídas para a fluência 4. ANÁLISE DE RESULTADOS 4.1 Deformações in situ Na Fig. 7 apresenta-se a evolução da carga na base do pilar P2, ao nível das rosetas instaladas, durante a sua construção e até ao fecho do tabuleiro. Esta carga tem em conta o peso próprio do betão armado e os equipamentos instalados durante a construção, nomeadamente do sistema de cofragem deslizante que era de cerca de 22 ton e dos carrinhos ( cerca de 113 ton). Tendo em conta que a este nível a área da secção do pilar tem cerca de 57,14 m 2, a tensão máxima aplicada foi de cerca de 2 MPa Caraga na base, kn Mar-11 Mai-11 Jul-11 Set-11 Nov-11 Jan-12 Mar-12 Figura 6. Carga na base do pilar P2 até ao fecho do tabuleiro Esta carga originou deformações totais que foram medidas nas bases de leituras das rosetas, cuja evolução se indica nos gráficos das Figs.7 e 8. A direção 1 corresponde à vertical, a 3 à horizontal, e a 2 e 4 às diagonais a 45º. Extensões, x1-6 m/m A1 A2 A3 A4 Extensões, x1-6 m/m B1 B2 B3 B4 Extensões, x1-6 m/m Data Figura 7. Deformações nas rosetas A, B, C e D C1 C2 C3 C4 Extensões, x1-6 m/m D1 D2 D3 D4 5

6 Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes Pode observar-se que existem algumas diferenças nas deformações em rosetas colocadas diametralmente opostas por ex. B e D (ver Fig. 4). Tal poderá dever-se a diferentes condições de exposição, conduzindo a diferentes deformações de origem térmica. Esta observação é confirmada pelos resultados das rosetas que se encontram protegidas do ambiente (Fig. 8), no interior do pilar. Neste caso excetua-se a roseta H que se situa imediatamente abaixo da porta de acesso ao interior do pilar. Esta abertura terá dissipado as tensões na zona da roseta H, diminuindo nomeadamente as deformações verticais (H1), relativamente às outras faces Extensões, x1-6 m/m E1 E2 E3 E4 Extensões, x1-6 m/m F1 F2 F3 F4 Extensões, x1-6 m/m G1 G2 G3 G4 Extensões, x1-6 m/m H1 H2 H3 H Figura 8. Deformações nas rosetas E, F, G e H As deformações registadas nos prismas embebidos na parede do pilar apresentam-se na Fig. 9. Estes valores são relativamente diferentes dos das figuras anteriores, devido essencialmente à diferente idade de carregamento e valor da carga aplicada. Efetivamente, a deformação média das rosetas E, F e G a partir dos 35 dias é de cerca de 358 µm/m, o que está concordante com o facto da carga aplicada nos provetes embebidos ser superior à do peso próprio da estrutura, mais os equipamentos utilizados na betonagem. 8 7 Extensão, x1-6 m/m E_L1 E_L2 4.2 Deformações no protótipo Figura 9. Deformações nos prismas embebidos no pilar P2 Ainda que os gráficos apresentados na Fig. 1 resultem de um número reduzido de leituras, apenas realizados aos 42, 5 e 253 dias, permitem entretanto fornecer uma ordem de grandeza da deformação por retração ocorrida no pilar. Estes valores resultam da variação de temperatura e não só da retração, daí os valores elevados aos 42 dias, que chegam a superar os 4x1-6, seguindo-se depois um período de expansão. Este período de expansão deve-se à época do ano em que foram efetuadas as leituras, uma vez que se referem a início e fim de verão. Refira-se ainda que a betonagem do protótipo não foi isolada da base onde foi implantado, pelo que as deformações não verticais poderão estar subestimadas. 4.3 Deformações medidas no laboratório Idade de carregamento, dias Recorde-se que foram efetuados ensaios de fluência em provetes moldados com o betão aplicado na obra e em carotes extraídas do pilar. Nestes ensaios também se determinaram as retrações e os módulos de elasticidade. 6

7 Vieira, Bettencourt, Rito e Cabral Extensão, x1-6 m/m Extensão, x1-6 m/m A1 A D1 D3 A2 A4 D2 D Extensão, x1-6 m/m Extensão, x1-6 m/m Figura 1. Deformações no protótipo Relativamente ao módulo de elasticidade, não se verificaram diferenças substanciais entre provetes moldados livres, selados e as carotes, apresentando os resultados de 28,6 GPa, 3,7 GPa e 28, 7 GPa, respetivamente, aos 28 dias de idade. Os coeficientes de fluência e respetivas retrações, considerando as variações verificadas a partir dos 28 dias, apresentam-se na Fig. 11. É evidente a maior deformabilidade do betão aplicado no pilar (carotes), relativamente aos dos provetes moldados, o que não foi percetível na determinação do módulo de elasticidade. E1 E3 B1 B3 B2 B E2 E4 Extensão, x1-6 m/m Extensão, x1-6 m/m C1 C F1 F F2 F4 C2 C4 Coeficiente de fluência - φ 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Carotes Livres Selados Idade do betão, dias Extensão de retracção - εcs, x Carotes 3 Livres 25 Selados Figura 11. Coeficientes de fluência e retrações medidas no laboratório Idade do provete, dias No gráfico da Fig. 12 apresentam-se conjuntamente com os coeficientes de fluência determinados experimentalmente, os resultantes da aplicação dos modelos do EC2. Constata-se que o betão aplicado apresenta uma fluência superior à prevista no EC2, a qual por sua vez sobrestima as deformações em provetes moldados. Coeficiente de fluência - φ 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 Carotes 1, Livres,8 Selados,6 EC2 (Carote),4 EC2 (Livres),2 EC2 (Selados), Idade do betão, dias Figura 12. Comparação entre os coeficientes de fluência experimentais e os do EC2 7

8 Deformabilidade do betão armado em elementos executados com cofragens deslizantes Similar comparação se apresenta na Fig. 13 para as extensões de retração. Neste caso o modelo do EC2 aproxima-se do verificado experimentalmente nos provetes livres, mas sobrestima a retração dos provetes extraídos da obra. Nos provetes selados, o EC2 subestima os valores da retração autogénea. Extensão de retracção - εcs, x Porosidade do betão Figura 13. Comparação entre as retrações experimentais e as do EC2 A caracterização da influência do deslizamento da cofragem na qualidade do betão, nomeadamente do da superfície, foi avaliada através da permeabilidade ao oxigénio. Na Fig. 14 apresentam-se os resultados das determinações efetuadas em 6 carotes extraídas do pilar. É notória a elevada permeabilidade do betão da superfície, em oposição ao betão do interior. A diferença relativa entre o coeficiente de permeabilidade do exterior para o interior é em média de cerca de 5 vezes. Considerando que um betão corrente e bem compactado, com resistência à compressão de cerca de 5 MPa, pode apresentar valores de coeficientes de permeabilidade da ordem dos 1x1-18 m 2 [2], o betão moldado com cofragem deslizante apresenta uma permeabilidade muito elevada junto à face moldada. Coef. de permeabilidade, x1-18 m Kint Kext Figura 14. Coeficientes de permeabilidade do betão no interior e do exterior As diferenças de porosidade aberta entre betão aplicado na obra e o betão moldado em provetes apresentam-se no Quadro 2. Constata-se que, por um lado, a porosidade dos provetes moldados é inferior à porosidade das carotes extraídas da obra, de forma significativa (em cerca de 3 %), e, por outro, que a porosidade do betão superficial é superior à do seu interior (em cerca de 1 %), em concordância com as tendências observadas nos ensaios de permeabilidade ao oxigénio. Quadro 2. Porosidade aberta Idade do provete, dias Carotes Origem Nº provetes Porosidade (%) Média (%) Obra face exterior Obra face interior Provetes moldados selados Provetes moldados livres Carotes Livres Selados Livres EC2 Selados EC2 Carotes EC2 8

9 Vieira, Bettencourt, Rito e Cabral CONCLUSÕES Neste estudo fez-se uma avaliação das extensões no betão observadas na estrutura e em provetes obtidos a partir do betão aplicado na estrutura, moldados e extraídos. A análise da relação entre as ações e as deformações será realizada em trabalho próximo, tendo-se neste texto apresentado os resultados que evidenciam a grandeza das observações e a diferença entre características do betão aplicado no elemento estrutural e do betão moldado. Apesar de não se ter efetuado ainda o tratamento dos resultados obtidos nas observações em obra, os ensaios realizados em laboratório mostram que o betão aplicado através de cofragens deslizantes pode apresentar valores dos coeficientes de fluência, de permeabilidade ao oxigénio e da porosidade aberta superiores ao betão moldado, o que estará relacionado com diferenças na energia de compactação e na cura. O estudo prévio do desenvolvimento da resistência do betão nas primeiras idades, considerando as variações de temperatura, otimizando a sua formulação no sentido de atingir uma curva de endurecimento compatível com o ritmo de betonagem pretendido, permitiria melhorar a compacidade do betão aplicado com esta tecnologia de construção. Por outro lado, um maior rigor no tempo de início de cura, e na respetiva eficiência, mitigará problemas de excesso de porosidade superficial. Neste âmbito, o desenvolvimento de estudos sobre a influência do endurecimento na compacidade e na capacidade de ligação entre camadas são temas que se considera terem pertinência para a otimização do emprego de cofragens deslizantes na execução de estrutura em betão armado. AGRADECIMENTOS Ao empreiteiro pela disponibilidade na recolha dos dados, no fornecimento de informações relativas à construção da ponte e na execução do protótipo. REFERÊNCIAS [1] NP EN , Eurocódigo 2 Projecto de estruturas de betão, Parte 1-1: Regras gerais e regras para edifícios, IPQ, 259 p. [2] Neville, A.M (1997). Properties of concrete, 4 th ed.: Addison Wesley Longman Ltd., 844 p. ISBN