ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS CONSTRUÍDOS A PARTIR

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1 ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DE PAVIMENTOS CONSTRUÍDOS A PARTIR DE PRÉ-LAJES DE BETÃO JOÃO MIGUEL CAMACHO ALVES Relatório de Projecto submetido para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques de Faria MARÇO DE 2008

2 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2007/2008 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel Fax Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias PORTO Portugal Tel Fax Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil / Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.

3 Aos meus Pais O Homem é, o que o ensinam a ser.

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5 AGRADECIMENTOS O presente documento, é o culminar de longas horas de estudo, reflexão, trabalho e dedicação. É o resultado de um objectivo académico a que me propus e que não teria sido possível ser concretizado sem o apoio e ajuda de diversas pessoas. Por essa razão, desejo expressar os meus sinceros agradecimentos: Aos meus pais e irmã, pela sua tolerância, compreensão e apoio, e que ao longo deste trabalho contribuíram com todo o seu esforço e empenho. À Mónica, pela ajuda e compreensão na realização das tarefas, e pela vontade demonstrada em ajudar. A todos aqueles que directa ou indirectamente me ajudaram e apoiaram ao longo deste trabalho. i

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7 RESUMO Ao longo dos tempos, a utilização de elementos pré-fabricados tem alcançado desenvolvimentos significativos, sendo a sua utilização cada vez mais frequente. Existem inúmeras vantagens na aplicação destes elementos, tais como, maior rapidez e maior economia. O presente documento irá fazer uma abordagem profunda, dos elementos pré-fabricados, tipo pré-laje de betão, nomeadamente: pré-lajes com treliças metálicas, pré-lajes alveolares, pré-lajes nervuradas e as pré-lajes em duplo T. As várias etapas, que decorrem desde a construção até à colocação das mesmas, serão objecto de estudo deste documento, assim como a preparação da superfície das pré-lajes para a posterior colocação da camada de betão in situ. Também serão referidas as diferentes cargas que a estrutura irá suportar, na fase de construção, enquanto pré-laje, e na fase de vida útil, quando se transforma em laje composta. Este trabalho aborda também o problema da menor aderência entre a superfície da pré-laje e a camada de betão colocada in situ.serão comparados neste documento os valores da rugosidade dados pela FIP, e pelo EC2. Serão referidas neste documento algumas particularidades no dimensionamento destes tipos de prélajes e respectivas disposições construtivas. PALAVRAS-CHAVE: Pré-fabricação, Pré-lajes, Laje composta, Aderência da interface, Fases de construção iii

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9 ABSTRACT The precast elements have reached developments that have made its use more and more frequent. There are several advantages in the application of these elements such as being more fast and economic. This document will analyse more deeply several types of precast elements, such as precast slabs with lattice girders, hollow core slabs, percast slabs with stiffening ribs and double T slabs. It will be studied the different stages that occur since the construction until its collocation, and also the preparation of the precast slab surface for the in situ concrete layer collocation. It will also be mentioned the different types of loads that the structure will support during the construction stage as a precast slab and through the useful life when it became a composite slab. Another problem that will be reported it s about the shear at the interface between the precast slab and the in situ concrete layer. The calculation of the roughness of the concrete surface will be made based in FIP and Eurocode 2, and those values will be compared. This document will specify, some particularities of the design of the precast slabs, and will analyse the problems in precast slabs during the construction and useful life of element. KEY WORDS: Precast elements, Precast slabs, Composite floor, Shear at the interface, Constructions stages v

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11 ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS... i RESUMO... iii ABSTRACT... v SÍMBOLOS... vii 1. Introdução VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS ELEMENTOS PRÉ-FABRICADOS DIFERENTES TIPOS DE PRÉ-LAJES PRÉ-LAJES COM TRELIÇAS METÁLICAS PRÉ-LAJES ALVEOLARES PRÉ-LAJES NERVURADAS PRÉ-LAJES EM DUPLO T TRANSPORTE E COLOCAÇÃO DAS PRÉ-LAJES GERAL DESMOLDAGEM O TRANSPORTE PARA A ÁREA DE ARMAZENAMENTO ARMAZENAMENTO TRANSPORTE PARA O LOCAL DE OBRA LEVANTAMENTO COLOCAÇÃO EM OBRA Aderência de betões de diferentes fases FASE DE CONSTRUÇÃO E FASE DEFINITIVA FASE DE CONSTRUÇÃO FASE DEFINITIVA ADERÊNCIA DAS SUPERFÍCIES GENERALIDADES Aderência segundo a FIP Aderência segundo o Eurocódigo CAMADA DE BETÃO COLOCADA IN SITU ESPESSURA DA CAMADA DE BETÃO SUPERFÍCIE DE CONTACTO Rugosidade da superfície xi

12 Resistência da superfície PREPARAÇÕES QUE ANTECEDEM A COLOCAÇÃO DO BETÃO Limpeza da superfície Tratamento através da água Pré-tratamento através de uma calda de cimento CARACTERÍSTICAS DO BETÃO A UTILIZAR COLOCAÇÃO DA CAMADA DE BETÃO IN SITU CURA DO BETÃO Estados Limites Últimos PRÉ-LAJES COM TRELIÇAS METÁLICAS DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO Armadura superior Armadura inferior Armaduras nas juntas longitudinais e transversais Armadura para momentos flectores negativos DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO TRANSVERSO Armaduras transversais PRÉ-LAJES ALVEOLADAS DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO Armadura ordinária Armadura de pré-esforço Armadura nos apoios DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO TRANSVERSO Capacidade resistente ao corte da secção Efeitos de retracção, fluência ou variações de temperatura Aumento da capacidade de corte através do preenchimento dos alvéolos Capacidade da Pré-laje à torção Capacidade das juntas devido a cargas pontuais Capacidade das pré-lajes ao punçoamento PRÉ-LAJES NERVURADAS GENERALIDADES DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO TRANSVERSO Ligação entre o banzo e a alma Aderência entre a interface xii

13 3.4. PRÉ-LAJES EM DUPLO T DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO LARGURA EFECTIVA DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO TRANSVERSO LIGAÇÃO ENTRE O BANZO E A ALMA ADERÊNCIA DAS SUPERFÍCIES Estados Limites de Serviço DEFORMAÇÃO FASE DE VIDA ÚTIL FASE DE CONSTRUÇÃO FENDILHAÇÃO ARMADURAS MÍNIMAS CONTROLO DA FENDILHAÇÃO SEM CÁLCULO DIRECTO LIMITAÇÃO DAS TENSÕES Disposições Construtivas RECOBRIMENTO PRÉ-LAJES COM TRELIÇAS METÁLICAS DIMENSÕES DA SECÇÃO TRANSVERSAL DISPOSIÇÕES DAS TRELIÇAS COMPRIMENTOS DE SOBREPOSIÇÃO NAS JUNTAS CONDIÇÕES DE APOIO Ligação entre a pré-laje e o apoio Ligação entre a armadura da pré-laje e o apoio Ligação entre a pré-laje e o apoio com uma armadura extra Armadura na junta transversa PRÉ-LAJES ALVEOLADAS DIMENSÕES DA SECÇÃO TRANSVERSAL VALOR MÍNIMO DO RECOBRIMENTO DAS ARMADURAS DISPOSIÇÃO DAS ARMADURAS Armaduras de pré-esforço Armaduras ordinárias JUNTAS ENTRE AS PRÉ-LAJES PRÉ-LAJES COM NERVURAS DE BETÃO Exemplos de aplicação xiii

14 6.1. PRÉ-LAJE COM TRELIÇAS METÁLICAS CARGAS NA FASE DE CONSTRUÇÃO CARGAS NA FASE DE VIDA ÚTIL DIMENSIONAMENTO DA ARMADURA SUPERIOR DIMENSIONAMENTO DA ARMADURA PARA OS MOMENTOS FLECTORES POSITIVOS ARMADURA TRANSVERSAL ARMADURA DOS MOMENTOS FLECTORES NEGATIVOS VERIFICAÇÃO DOS ESTADOS LIMITES DE SERVIÇO Inércias da secção não fendilhada Inércias da secção fendilhada DEFORMAÇÕES Deformação na fase de construção Deformação na fase de vida útil INÉRCIA DA SECÇÃO NÃO FENDILHADA Inércia da secção fendilhada Deformada total da laje composta FENDILHAÇÃO PRÉ-LAJE ALVEOLAR FASE DE CONSTRUÇÃO FASE DE VIDA ÚTIL DIMENSIONAMENTO DA ARMADURA DE PRÉ-ESFORÇO CÁLCULOS DAS TENSÕES CÁLCULO DA RESISTÊNCIA Á FLEXÃO RESISTÊNCIA AOS ESFORÇOS TRANSVERSOS ADERÊNCIA DA SUPERFÍCIE DE CONTACTO ENTRE OS DOIS BETÕES ARMADURA PARA OS MOMENTOS FLECTORES NEGATIVOS TENSÕES NO BETÃO FENDILHAÇÃO DEFORMAÇÃO Conclusões CONCLUSÕES GERAIS xiv

15 ÍNDICE DE FIGURAS Fig Vários elementos pré-fabricados (vigas, lajes e pilares),(kim Elliott [1] )... 2 Fig Pré-laje com treliças metálicas... 3 Fig. 1.3 Colocação em obra das pré-lajes com treliças metálicas... 4 Fig Placas de pré-laje pré-esforçadas... 4 Fig Fabrico de pré-lajes alveolares... 5 Fig Pré-lajes alveolares... 5 Fig Secção transversal das pré-lajes alveolares (Kim Elliott [1] )... 6 Fig. 1.8 Pavimento constituído por pré-lajes alveolares, com aberturas para armadura para momentos flectores negativos (Kim Elliott [1] )... 6 Fig Pré-lajes nervuradas... 7 Fig Pré-lajes nervuradas com blocos de aligeiramento... 7 Fig Pré-laje com vigas em "T" (exemplo)... 8 Fig Pré-laje vigada com grande vão (Kim Elliott [1] )... 8 Fig Armazenamento de pré-lajes com calços (LNEC [4] )... 9 Fig Vários tipos de levantamento das pré-lajes com treliças (LNEC [4] ) Fig Ângulo entre a pré-laje e o cabo de suspenção Fig Transporte das pré-lajes alveoladas Fig Dispositivos de apoio (LNEC [4] ) Fig Exemplo de combinação na fase de construção Fig Valores das tensões a meio vão: (a) com apoios intermédios; (b) sem apoios intermédios 14 Fig Mecanismo dos esforços tangenciais Fig Comparação entre os valores da resistência das superfícies segundo EC2 e FIP Fig Extensões no aço e no betão Fig Comprimentos de L 1 e L Fig Secções a considerar perto das juntas Fig Força tangencial (Rui Faria e Nelson Vila Pouca [10] ) Fig. 3.5 Valores dos ângulos das armaduras e espaçamentos entre junção das armaduras laterais da treliça Fig Eixo neutro abaixo do banzo Fig Forças nos apoios Fig Armadura nos apoios Fig Esforços nos extremos da pré-laje (ver FIP [6] ) Fig Esforços existentes na laje composta Fig Distribuição do esforço tangencial, devido à retracção Fig Pré-laje com alvéolos preenchidos Fig Pré-laje com forças de corte e torções Fig Esforços nas juntas entre pré-lajes Fig Largura efectiva das nervuras centrais (b eff ) Fig Zona de compressão das pré-lajes nervuradas Fig Zona de aderência pré-lajes nervuradas Fig Largura efectiva das pré-lajes em "T" Fig Disposições da treliça metálica Fig Distâncias entre armaduras Fig Valores de a 1, a 2 e h t Fig Valores de α Fig Disposições das armaduras nas juntas xv

16 Fig. 5.6 Ancoragem da pré-laje no seu apoio Fig Ancoragem devido à armadura da pré-laje Fig Ancoragem através de uma armadura na camada de betão Fig Armadura de esforço transverso das juntas Fig Valores mínimos da secção transversal Fig Distâncias às superfícies de betão Fig Valores nas juntas entre pré-lajes Fig Distâncias das nervuras de betão Fig Dimensões do pavimento a dimensionar Fig Secção transversal da pré-laje Fig Diagrama de momentos flectores (fase de construção) Fig Diagrama dos momentos flectores com redistribuição Fig Diagrama dos momentos flectores na fase de vida útil Fig Momentos flectores redistribuídos Fig Esforços transversos na fase de vida útil Fig Esforços transversos na fase de construção Fig Nova secção transversal da pré-laje Fig Geometria da secção transversal Fig Secção transversal da pré-laje alveolar Fig Forças instaladas na secção transversal Fig Pré-laje alveolar com camada de betão colocada "in situ" Fig Diagramas de tensões da pré-laje xvi

17 ÍNDICE DE QUADROS Quadro Categorias segundo FIP Quadro Valores da resistência da superfície Quadro 2.3 Coeficientes μ e c segundo Eurocódigo Quadro Valores de k 1, k 2, k 3, k Quadro Valores de X u /d Quadro Perdas de pré-esforço Quadro Valores de flecha segundo CSTB Quadro Valores de flecha admissíveis na fase de construção Quadro Valores recomendados de abertura de fendas máximos Quadro Diâmetro máximo dos varões Quadro Espaçamento máximo dos varões Quadro Classes e designações de recobrimentos Quadro Valor dos recobrimentos mínimos (mm) Quadro 6.1- Valores das cargas aplicadas (kn/m2) Quadro Valores dos momentos na fase de vida útil (kn.m) Quadro Valores das tensões limites Quadro 6.4- Valores das cargas aplicadas (kn/m 2 ) xvii

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21 SÍMBOLOS A c A i A s A s,min A sw bi b w c d E c, E cm E cmv E s f cd f ck f ctd f ctk f ctm F Ed,h f syd f syk f ywd G pl G t,h G t,s h I i L L e M M cr M Ed Ø Q Área da secção transversal do betão Área da superfície de contacto entre os dois betões Área da secção de uma armadura para betão armado Área da secção mínima de armadura Área da secção das armaduras de esforço transverso Largura total de uma secção transversal Largura efectiva Coesão da interface Altura útil de uma secção transversal Valor de cálculo do módulo de elasticidade do betão Valor de cálculo do módulo de elasticidade do aço de uma armadura para betão armado Valor de cálculo da tensão de rotura do betão à compressão Valor característico da tensão de rotura do betão à compressão aos 28 dias de idade Valor de cálculo da tensão de rotura do betão à tracção simples Valor característico da tensão de rotura do betão à tracção simples Valor médio da tensão de rotura do betão à tracção simples Força tangencial horizontal Valor de cálculo da tensão de cedência à tracção do aço das armaduras de betão armado Valor de característico da tensão de cedência à tracção do aço das armaduras de betão armado Valor de cálculo da tensão de cedência das armaduras de esforço transverso Peso próprio da pré-laje Peso próprio da camada de betão colocada in situ húmida Peso próprio da camada de betão colocada in situ seca Altura total de uma secção transversal Momento de inércia da secção de betão Raio de giração Comprimento do vão Comprimento de encurvadura Momento flector Momento que leva á fendilhação da peça Valor de cálculo do momento flector actuante Diâmetro de um varão Sobrecarga vii

22 Q c q Eb R S t V Ed x z ν Ed σ cp α γ c γ G γ Q γ S δ ε c ε s ε s θ λ λ E μ ν ρ ρ l σ c σ n σ Rd τ Ed τ Rd Cargas de construção Valor de cálculo da acção variável Reacção nos apoios Momento estático Distância entre os triângulos das treliças Valor de cálculo do esforço transverso actuante Altura do eixo neutro Braço do binário das forças interiores Valor de cálculo da tensão da junta Tensão de compressão do betão Ângulo das armaduras transversais Coeficiente parcial relativo ao betão Coeficiente parcial relativo às acções permanentes, G Coeficiente parcial relativo às acções varáveis, Q Coeficiente parcial relativo ao aço das armaduras para betão armado Incremento/coeficiente de redistribuição Extensão do betão à compressão Extensão do aço à tracção Extensão do aço à compressão Ângulo das escoras de betão Coeficiente de esbelteza Esbelteza euleriana Coeficiente de atrito Coeficiente de redução de resistência do betão fendilhado por esforço transverso Taxa de armaduras de esforço transverso Taxa de armaduras longitudinais Tensão de compressão no betão Tensão de compressão normal á superfície no betão Tensõ de compressão resistente Valor da tensão tangencial actuante Tensão tangencial resistente viii

23 φ(t,t 0 ) Ф c Coeficiente de fluência do betão entre as idades t e t0 em relação à deformação elástica aos 28 dias Ângulo das ondulações da superfície da pré-laje ix

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25 Introdução 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS ELEMENTOS PRÉ-FABRICADOS A competitividade no ramo da construção obrigou as empresas a uma constante actualização e desenvolvimento tecnológico, e à criação de novos processos construtivos com vista a uma maior eficiência e economia. Um dos grandes problemas que a construção enfrenta é a escassa industrialização do ramo, pela necessidade da realização de muitas tarefas in loco. A industrialização da construção permite elevar os padrões de qualidade na construção e a obtenção de uma maior experiência, através da repetição de tarefas e procedimentos, o que permitirá uma maior redução de custos, uma execução mais rápida, uma melhor qualidade, tanto no controlo dos materiais, como nos acabamentos, e também a prevenção de erros na execução devido a experiências negativas. Uma das soluções mais eficazes para implementar a industrialização na construção é através da transferência de tarefas realizadas na obra, para fábricas habilitadas. Uma das formas de combater a falta de industrialização da construção é através da produção de elementos pré-fabricados. A pré-fabricação consiste na prévia execução de peças ou elementos que posteriormente serão deslocados para a obra a construir. Existe uma variada gama de produtos pré-fabricados no mercado, como por exemplo: vigas, pilares, paredes, sapatas, ou até lajes, estas últimas objecto de estudo deste projecto. Este método de produção terá um maior impacto no futuro, em comparação com as soluções tradicionais, se houver uma maior informação e aprovação por parte dos projectistas. Existem dois tipos de elementos pré-fabricados: os construídos na obra, quando esta apresenta condições, sobretudo de espaço livre para a colocação de moldes, e os construídos em fábricas, sendo posteriormente transportados para o local da obra. A pré-fabricação é actualmente, uma solução muito competitiva em relação aos métodos tradicionais de construção, porque para além de assegurar uma melhor aparência para as peças ou elementos, combina também uma maior rapidez de execução. A rapidez de execução é fundamental, para a obtenção de um rápido retorno do investimento, e para o cumprimento de prazos estabelecidos. Um dos factores de atrasos na construção é a lentidão dos processos tradicionais na construção das estruturas de betão. Com a utilização de pré-fabricados há a possibilidade de executar duas tarefas em paralelo, os elementos pré-fabricados são construídos simultaneamente com a estrutura, mas só serão colocados no respectivo local, quando a estrutura conferir uma resistência adequada para suportar estes elementos e possíveis cargas que estes possam vir a transmitir à estrutura. No que compete à economia, a pré-fabricação é vantajosa porque há uma enorme poupança em recursos humanos, comparativamente com os métodos tradicionais de construção. Nos países onde a 1

26 mão-de-obra é muito dispendiosa é usual a utilização de componentes pré-fabricadas, porque não necessita de muita mão-de-obra para a sua colocação. Nos países onde as condições climatéricas são desfavoráveis poderá ser muito difícil para um trabalhador efectuar as correspondentes tarefas, o que provoca um atraso na obra, pelo que neste aspecto a utilização de peças pré-fabricadas, também é vantajosa. A qualidade final da execução é outro ponto importante, que tem como objectivo responder cada vez melhor às expectativas dos donos de obra e utilizadores, sendo cada vez mais valorizada. Quando as peças são executadas em fábricas especializadas pode-se contar com inúmeras vantagens associadas, em comparação com os métodos tradicionais: há uma maior qualificação de mão-de-obra, pois há possibilidade de tornar os trabalhadores especialistas nos produtos que estão a executar; existem melhores instalações e equipamentos nas fábricas, próprios para as tarefas específicas; a possibilidade de automação de procedimentos, o que implica menor esforço humano; há um maior controlo, para proporcionar as melhores condições para a cura do betão; obtém-se uma maior precisão das peças, o que implicará melhores acabamentos e existe também a possibilidade de inspecções com maior regularidade e avaliações experimentais, para um melhor controlo da qualidade do produto. Actualmente, em Portugal, é possível adquirir produtos pré-fabricados com Certificado de Qualidade, que obedecem às exigências da Norma NP EN ISO 9001:2000. A Fig. 1.1, representa vários elementos pré-fabricados devidamente ligados entre si. Fig Vários elementos pré-fabricados (vigas, lajes e pilares),(kim Elliott [1] ) 1.2. DIFERENTES TIPOS DE PRÉ-LAJES Uma das principais vantagens da utilização de pré-lajes está associada à dispensa ou redução de cofragem, o que se revela um aspecto importante porque possibilita uma poupança do tempo e dos recursos necessários à execução das lajes. É também uma solução muito vantajosa quando existem superfícies de grandes dimensões para betonar. Uma outra vantagem resulta do facto de serem autoportantes, o que é benéfico para situações em que seja difícil o lançamento de escoras ao solo, devido a dificuldades de acesso, ou até grandes alturas (por exemplo, num edifício alto, em que seja necessário betonar os pisos superiores ou intermédios, antes dos pisos inferiores). Quando existem dificuldades em retirar a cofragem, torna-se também favorável o uso de pré-lajes, por exemplo em bancadas de recintos desportivos. 2

27 Embora com inúmeras vantagens, a utilização destes elementos tem as suas limitações, pois são elementos que necessitam de cuidados extras com acções dinâmicas, ou térmicas, que possam causar a separação das duas superfícies em contacto. Se houver uma descontinuidade dos elementos, poderão ocorrer fendas visíveis nas juntas de ligação. Existe diferentes tipos de pré-lajes, cada um deles com as suas características particulares que serão analisadas. Os tipos mais comuns são: pré-lajes com treliças metálicas, pré-lajes alveoladas, pré-lajes nervuradas e pré-lajes vigadas PRÉ-LAJES COM TRELIÇAS METÁLICAS Este tipo de pré-laje é muito comum na construção, sendo muito utilizado em edifícios ou até em pontes ou viadutos. São formadas por uma fina camada de betão e várias treliças metálicas que deverão ser colocadas regularmente. Estas treliças têm várias funções, desde: o equilíbrio da peça na fase de execução, resistência ao corte, também nesta fase e por fim a aderência da interface entre os dois betões colocados em idades diferentes. Correspondem ao tipo de pré-lajes mais leve dos referidos neste documento, embora necessitem de equipamento elevatório para a correspondente colocação. O seu peso próprio varia geralmente entre 1 e 2,5 kn/m 2, valores estes que dependem da espessura da lâmina de betão, em que as espessuras poderão variar entre os 4 e 10 centímetros, sendo muito usuais espessuras na ordem dos 5 centímetros. A largura destes elementos varia usualmente entre os 0,6 e 2,4 metros, sendo este último valor limitado pela dificuldade de transportar para obra peças muito largas. O vão deste tipo de elementos varia geralmente entre os 1,5 e os 8 metros. A Fig. 1.2, ilustra este tipo de elemento pré-fabricado. Fig Pré-laje com treliças metálicas Contudo, estes elementos têm dificuldade em alcançar um vão de grandes dimensões. Caso seja necessário dimensionar este tipo de elementos para grandes vãos, irá existir uma grande quantidade de armadura nas treliças na fase de construção que na fase de vida útil da laje composta poderia ser dispensada. Assim, nestes casos, para uma melhor e económica construção da estrutura, poderá ser vantajoso a utilização de apoios a meio vão, ou até aos terços de vão, para reduzir significativamente a área de armadura necessária nas treliças metálicas. A Fig. 1.3 ilustra a colocação em obra deste tipo de elementos com os devidos apoios aos quartos de vão. 3

28 Fig. 1.3 Colocação em obra das pré-lajes com treliças metálicas A espessura da lâmina de betão da pré-laje nunca poderá atingir um valor superior a 50 % da espessura final da laje monolítica [2]. O betão geralmente utilizado para este tipo de elementos corresponde a classes de resistência que variam entre a C20/25 e a C50/60. Quando a armadura colocada na parte inferior destes elementos pré-fabricados não for suficiente para resistir às solicitações na fase de vida útil da laje composta, é possível aumentar a quantidade de armadura, colocando-a sobre a pré-laje, com as devidas regras apresentadas no subcapítulo 5.2. Existe porém, um tipo de pré-laje com uma geometria transversal semelhante a este, no entanto em vez das treliças metálicas, é formado simplesmente por placas de betão pré-esforçado, como é visível na Fig Fig Placas de pré-laje pré-esforçadas Embora com inúmeras vantagens, este tipo de pré-laje fica aquém dos outros tipos referidos neste documento, em relação ao preço por metro quadrado, devido à complexidade de montagem das treliças. Assim o custo deste tipo de elementos situa-se entre os 50 e 70 /m 2, dependendo dos vão, e das condições na fase de execução que terá que suportar PRÉ-LAJES ALVEOLARES As pré-lajes alveolares são um tipo de elementos pré-fabricados muito comuns no mercado. Uma das vantagens é o facto de poderem dispensar a colocação de betão in situ, embora possa ser necessário a colocação de uma camada de betão, tanto para um bom acabamento da laje final, como até para fins estruturais, aumentando a rigidez e resistência da estrutura. Poderá haver casos em que a camada sirva também para o recobrimento das armaduras que irão resistir aos momentos flectores negativos. A 4

29 espessura destes elementos costuma variar entre os 16 e os 30 centímetros, no entanto quando for necessário atingir grandes vãos, o valor da espessura poderá atingir os 50 centímetros, sem a camada de betão colocada in situ, obtendo daí um vão que poderá atingir os 18 metros. A largura destes elementos costuma adquirir um máximo de 1,2 metros, já que este tipo de pré-laje necessita de equipamento específico para a sua construção. Na Fig. 1.5 pode-se observar a fabricação das pré-lajes alveoladas, com um equipamento específico. Esta figura demonstra a limitação da largura da pré-laje e forma de execução dos alvéolos. Fig Fabrico de pré-lajes alveolares No entanto, caso seja necessário uma largura inferior aos 1,2 metros, é possível cortar a pré-laje longitudinalmente, adquirindo a largura pretendida. Estes elementos, comparativamente com as pré-lajes com treliças metálica, são mais pesados, mas quando formados em lajes compostas são mais leves que as lajes maciças, já que os alvéolos podem aliviar em mais de 70% o peso próprio deste tipo de laje composta. O peso próprio destes elementos costuma variar entre os 2,6 e 4,2 kn/m 2, valores estes dependentes da espessura da pré-laje. A Fig. 1.6 apresenta um exemplo de pré-lajes do tipo alveolares. Fig Pré-lajes alveolares Como já foi referido anteriormente, os alvéolos deste tipo de elemento têm a função de reduzir o peso da laje final. No entanto, a resistência ao corte destes elementos ficará assegurada devido às nervuras entre os alvéolos existentes, que quanto maior forem, conseguirão resistir a maiores esforços transversos. A Fig. 1.7 apresenta a secção transversal deste tipo de estruturas. 5

30 Fig Secção transversal das pré-lajes alveolares (Kim Elliott [1] ) Quando for pretendido dimensionar um pavimento contínuo, como foi referido anteriormente será necessário colocar armadura para os momentos flectores negativos. Nestes casos será inevitável proceder à demolição da parte superior da pré-laje, com o objectivo de formar umas aberturas, para assim conseguir encaixar a armadura necessária. Na Fig. 1.8, podemos verificar a disposição dessas armaduras, e do alinhamento dos elementos pré-fabricados em obra. Fig. 1.8 Pavimento constituído por pré-lajes alveolares, com aberturas para armadura para momentos flectores negativos (Kim Elliott [1] ) As pré-lajes alveolares em comparação com as pré-lajes com treliças metálicas, são mais económicas, embora, a grande desvantagem deste tipo de elemento, está na aquisição da forma como é fabricada. O preço deste tipo de pavimento varia num intervalo de 30 a 50 /m PRÉ-LAJES NERVURADAS As pré-lajes nervuradas são outro tipo de elementos existentes no mercado também conhecidas como pré-lajes em duplo T invertido. São constituídas por várias nervuras e uma fina camada, ambas constituídas por betão armado. A espessura da lâmina de betão destas estruturas é semelhante às das pré-lajes com treliças metálicas (aproximadamente 5 centímetros). Em relação às nervuras de betão estas servem para resistir aos esforços de corte na fase de construção, e também para equilibrar o binário de forças existentes nesta mesma fase, entre a armadura na parte inferior da secção e a parte de betão comprimido existente nas nervuras, estas nervuras têm também a vantagem de não ter problemas 6

31 de encurvadura como o das treliças apresentadas anteriormente. A largura deste tipo de elementos depende da disposição das nervuras, no entanto, as larguras mais comuns são 1,2 metros ou até metade deste valor 0,6 metros. A altura das nervuras poderá atingir o valor da espessura da laje composta, porém, para um melhor acabamento deverá inferior em 5 centímetros a espessura final, para contribuir para a aderência entre a interface dos betões com diferentes idades. Na Fig. 1.9 pode-se visualizar uma pré-laje do tipo nervurada. Fig Pré-lajes nervuradas Com o objectivo de tornar uma laje composta mais leve, pode-se utilizar uns blocos de aligeiramento, que são colocados entre as nervuras que posteriormente serão cobertos com a camada de betão colocada in situ. A Fig esquematiza a posição dos blocos de aligeiramento. Blocos de aligeiramento Fig Pré-lajes nervuradas com blocos de aligeiramento O preço deste tipo de pré-lajes é o mais competitivo dos apresentados anteriormente, situando-se entre os 20 e os 35 /m PRÉ-LAJES EM DUPLO T Um outro tipo de pré-lajes são as formadas por duplos T. São um tipo de pré-lajes muito utilizado, quando o intuito passa por dimensionar lajes com grandes vãos. A espessura da lâmina de betão e a largura destes elementos é semelhante às pré-lajes nervuradas apresentadas anteriormente e situa-se nos 5 centímetros para a espessura e os 0,6 e os 1,2 metros para a largura. Em relação às nervuras, estas são dimensionadas de acordo com o vão que se pretende obter, já que ao aumentar a altura da nervura, aumenta o braço do binário de forças da secção, aumentando assim o momento flector resistente. A sua largura pode variar entre os 10 e os 40 cm, dependendo muito dos esforços de corte existentes. Em relação à sua altura, estas nervuras podem ir desde os 30 até aos 75 cm, atingindo uma gama de vãos que obtêm dimensões desde os 4 aos 30 metros. 7

32 Fig Pré-laje com vigas em "T" (exemplo) Fig Pré-laje vigada com grande vão (Kim Elliott [1] ) 1.3. TRANSPORTE E COLOCAÇÃO DAS PRÉ-LAJES GERAL Antes de estarem colocadas em obra, as pré-lajes terão que resistir a várias fases, que vão desde a sua construção até à colocação em obra, passando pelo seu transporte. Para cada uma dessas fases será necessário o devido cuidado, para que em nenhuma delas ocorra rotura, tanto total, como parcial, de modo que a pré-laje não perca resistência estrutural, nem uma boa aparência. As fases críticas das situações transitórias são: a desmoldagem; o transporte para a área de armazenamento; o armazenamento (condições de apoio e de carga); o transporte para o local de obra; o levantamento (elevação); a montagem e construção definitiva DESMOLDAGEM Quando as pré-lajes são executadas em fábrica são feitas em série, pelo que não podem estar muito tempo nos moldes para que a produção possa continuar a bom ritmo. Desta forma, a resistência da lâmina de betão não corresponde à resistência característica do betão aos 28 dias, mas sim à resistência correspondente à idade do betão na altura que é retirado dos moldes. Segundo o Eurocódigo 2 [3], na secção (3.1.2 (5 a 9)), é especificado o valor da resistência do betão, com idade inferior a 28 dias. Também poderá ser necessário ter em conta as forças dinâmicas provenientes da retirada dos moldes, que possam ocorrer. 8

33 O TRANSPORTE PARA A ÁREA DE ARMAZENAMENTO O transporte para a área de armazenamento poderá variar muito entre as diferentes fábricas, de acordo, com os mecanismos e áreas de armazenamento disponíveis. Caso seja necessária a elevação através de gruas, pode-se obter mais informação no subcapítulo ARMAZENAMENTO A fase de armazenamento, depende muito das condições de espaço, existentes na fábrica que produz estes elementos. Na maior parte dos casos as pré-lajes são armazenadas horizontalmente, sobrepostas entre si. Entre cada pré-laje deverão ser colocados calços que deverão apoiar-se no betão, e quando os elementos tiverem treliças metálicas, deverão ser maiores que a altura das treliças. Quando forem menores, os calços deverão ser sobrepostos, de modo a evitar o contacto entre pré-lajes ver Fig Um outro cuidado necessário é que estes calços nunca se apoiam nas nervuras; assim, estes calços deverão resistir, sem grandes deformações, às cargas provenientes das pré-lajes superiores. O limite máximo de pré-lajes sobrepostas, aconselhado pelo LNEC [4], são de 15 pré-lajes por pilha. As distâncias entre os calços deverão ser tais que não possam ocorrer deformações permanentes excessivas nos elementos, nem a fissuração dos mesmos. Fig Armazenamento de pré-lajes com calços (LNEC [4] ) TRANSPORTE PARA O LOCAL DE OBRA Segundo o LNEC [4], a entrega dos elementos nunca se deverá efectuar, antes de o betão ter atingido uma resistência mínima à tracção de aproximadamente 1,9 MPa. Quando as pré-lajes são transportadas para a obra, devem estar muito bem amarradas, de forma a evitar saltos, que poderão danificar os elementos. Quando as pré-lajes são transportadas horizontalmente, os apoios devem satisfazer às condições de Armazenamento, neste caso a distância entre apoios será estabelecida tendo em conta as solicitações dinâmicas a que estas estruturas poderão estar submetidas LEVANTAMENTO Para o levantamento destas estruturas, deverão ser colocados vários apoios de suspensão, de modo a evitar estragos na pré-lajes. Nas pré-lajes com treliças metálicas, poderá ser utilizado um dispositivo de suspensão, com a forma de quadro, ou até vigas de suspensão, com fim de evitar grandes esforços horizontais na pré-laje, ver Fig O ângulo que o cabo do apoio de suspensão terá que fazer com a horizontal é de pelo menos 60, como demonstra a Fig. 1.15, de notar também, que o apoio de suspensão deverá ser colocado, num nó que diste de pelo menos três nós, a contar a partir da extremidade. 9

34 Fig Vários tipos de levantamento das pré-lajes com treliças (LNEC [4] ) 60 Fig Ângulo entre a pré-laje e o cabo de suspenção Fig Transporte das pré-lajes alveoladas COLOCAÇÃO EM OBRA As pré-lajes deverão ser colocadas num dispositivo de apoio, que lhe confira ao elemento préfabricado uma estabilidade total. Será necessária uma base nivelada em todo o seu comprimento de apoio, quando exista perigo de escorregamento, devido às tolerâncias de fabrico e de montagem ou ainda possíveis ressaltos. Geralmente os dispositivos de apoio são colocados perpendicularmente às nervuras, e deverão ser nivelados, antes da colocação das pré-lajes. 10

35 Fig Dispositivos de apoio (LNEC [4] ) 11

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37 ADERÊNCIA DE BETÕES DE DIFERENTES FASES 2 2. ADERÊNCIA DE BETÕES DE DIFERENTES FASES 2.1. FASE DE CONSTRUÇÃO E FASE DEFINITIVA Para um correcto e económico dimensionamento de uma estrutura de betão é necessário definir as cargas que essa estrutura terá que resistir durante o seu período de vida útil. No caso das pré-lajes existem duas fases de cargas distintas, que deve-se ter em conta para o dimensionamento deste tipo de estruturas. Numa primeira fase, a pré-laje, com a sua pequena rigidez e resistência, ficará sujeita às cargas provenientes da sua construção, até certo limite de tempo. Já na fase de vida útil da estrutura, é considerada como elemento composto 1 e terá que resistir às cargas, para as quais a estrutura foi dimensionada FASE DE CONSTRUÇÃO Na fase de construção as pré-lajes terão que resistir às cargas inerentes à sua execução. Assim, podemos considerar como cargas de construção as seguintes: O peso próprio da pré-laje; O peso próprio da camada de betão colocada in situ ; Nesta fase o betão colocado na obra está húmido. Segundo o Eurocódigo 1 [5], para betão húmido deve-se acrescentar o valor de 1kN/m 3 ao peso próprio do betão seco. As cargas de construção Estas cargas têm em consideração, o peso dos trabalhadores, o peso do equipamento utilizado, mas também consideram os excessos de betão acumulado, na fase em que este está a ser espalhado. O valor a considerar para estas cargas será de (1KN/m 3 ). No entanto existem outros problemas, que deverão ter uma cuidada importância nesta fase. Quando na fase de construção, a flecha do elemento pré-fabricado, adquire valores significativos na zona de maior flecha irá acumular muita quantidade de betão, aumentando o peso nessa zona. Este fenómeno é considerado como o efeito poça, que é o acréscimo da altura do betão in situ devido à deformação dos elementos pré-fabricados. Caso não seja necessário a colocação de apoios na fase de construção, as pré-lajes são consideradas como simplesmente apoiadas, já que os apoios que poderão ser constituídos por vigas ou mesmo 1 Elemento monolítico formado pela pré-laje e camada de betão colocada in situ. 13

38 paredes resistentes, permitem a total rotação do elemento. Contudo, se os esforços provocados, na fase de construção, no aço ou no betão, adquirirem valores muito maiores do que na fase de vida útil da estrutura, como não é possível reduzir as cargas de construção, uma óptima solução é a colocação de apoios intermédios, ao longo do vão, para que o valor dos esforços nas secções transversais sejam significativamente reduzidos. Nestes casos a estrutura é considerada como contínua, e no seu dimensionamento deverão ser tidos em conta, os momentos negativos gerados nos apoios intermédios. Quando se estiver perante a existência destes apoios intermédios no cálculo dos esforços da estrutura, será necessária a consideração de certas combinações para conseguir obter o valor mais desfavorável de esforços provocados nas secções. A realização das combinações è realizada de forma análoga às outras estruturas de betão armado, tendo em consideração as cargas permanentes e as sobrecargas. Assim para a consideração das combinações, será necessário subdividir as cargas de construção em duas partes. A primeira parte das cargas será constituída pelo peso próprio do elemento pré-fabricado (G pl ), enquanto que a segunda parte das cargas será constituída pelo peso próprio do betão colocado in situ (G c ) e pelas cargas de construção (Q c ), atrás referidas. Na Fig. 2.1, pode-se observar uma possível combinação na fase de construção. Qc+Gc Gpl Fig Exemplo de combinação na fase de construção A colocação dos apoios assegura uma visível redução das tensões das fibras extremas da secção transversal. Na Fig. 2.2, podemos ver a redução das tensões devido à colocação de apoios intermédios. Esta medida irá influenciar na economia final da obra, já que os esforços vão diminuir, reduzindo assim a quantidade de material resistente nesta fase da obra. a) b) R M M= ql² 32 R= 5 ql 8 M M= pl² 8 MR MR= Rl² 8 Mq Mq= ql² 8 Mq Mq= ql² 8 Fig Valores das tensões a meio vão: (a) com apoios intermédios; (b) sem apoios intermédios 14

39 FASE DEFINITIVA Nesta fase, o pavimento é considerado como um elemento composto, porque os seus diferentes componentes (pré-laje e camada de betão colocada in situ ) já se encontram perfeitamente ligados entre si, aumentando assim a rigidez e a resistência do elemento composto em comparação com o elemento pré-fabricado. Assim, as cargas a considerar nesta fase, serão as cargas que a estrutura terá que suportar ao longo da correspondente vida útil. Estas cargas serão constituídas pelos seguintes componentes: Peso próprio do elemento composto; Ao contrário da fase de construção, qualquer peso próprio de betão existente, não será agravado, por não ser considerado como betão húmido; Cargas permanentes; Sobrecargas; tanto as cargas permanentes, como as sobrecargas estão regulamentadas, através do Eurocódigo 1 [5], e dependem da utilização prevista para o pavimento. Quando este é monolítico o dimensionamento destes pavimentos processa-se de forma análoga à das lajes maciças ADERÊNCIA DAS SUPERFÍCIES GENERALIDADES Todas as grandes obras são constituídas por elementos compostos construídos faseadamente, já que não é possível construir uma estrutura numa única operação contínua. No caso de elementos préfabricados, mais precisamente as pré-lajes, poderá existir um problema de aderência entre estes elementos e a camada de betão colocada in situ, devido às diferentes idades ou classes de resistência dos betões envolvidos. Para uma pré-laje, juntamente com a camada de betão colocada in situ ser considerada monolítica, é necessária uma perfeita aderência de modo a equilibrar todos os esforços tangenciais a que a superfície vier a estar sujeita. Um dos maiores problemas da aderência é a quantificação da correspondente resistência, já que os métodos utilizados para o tratamento das superfícies variam de elemento para elemento, e as técnicas e mão de obra utilizadas para a sua construção também variam. Contudo, existem regulamentos que quantificam valores para a rugosidade das superfícies através do método de execução, que as superfícies das pré-lajes foram sujeitas, que serão descritos à frente. Assim, esta classificação da rugosidade de uma superfície depende do resultado de testes experimentais realizados, por diversas entidades, e que através dos resultados obtidos especificaram parâmetros que tentam quantificar o mais próximo possível, o valor da rugosidade da superfície. As classificações que serão mencionadas neste documento referem-se a dois regulamentos, protagonizados pela FIP [6], e pelo European Standard, através do Eurocódigo 2 [3]. 15

40 Aderência segundo a FIP 2 Através da FIP [2], pode-se perceber o fenómeno da aderência entre duas superfícies de betão através de mecanismos básicos, como demonstra a Fig. 2.3, assim, é possível explicar a transferência de esforços tangenciais entre as superfícies de betão. Ф c Fig Mecanismo dos esforços tangenciais A aderência das superfícies entre duas camadas de betão, depende da: forma das superfícies, da sua coesão, e caso se aplique, do seu reforço estrutural. Se a superfície não tiver atrito, a resistência entre as superfícies exclusivamente dependente das ondulações existentes na superfície, e respectiva tensão normal aplicada nestas mesmas superfícies. Assim se as ondulações forem rígidas este mecanismo pode ser descrito através da equação (2.1): (2.1) em que Ф c, é o maior ângulo que as ondulações fazem com a horizontal, como indica a Fig. 2.3, e σ a tensão normal à superfície. Contudo, através de ensaios experimentais foi possível concluir que haveria um fenómeno, não presente na fórmula, que aumentava a capacidade de resistência ao escorregamento. Então para representar esse valor foi introduzido o valor (c), que representa a coesão da superfície, e que depende da rugosidade da superfície, e do tipo de betão utilizado, tanto na pré-laje como na camada de betão colocada in situ. Assim, ao ser adicionado este parâmetro à equação (2.1), o valor da resistência das superfícies, passa a ser igual à equação (2.2). (2.2) Caso a resistência da superfície não seja suficiente para suportar os esforços tangenciais actuantes, será necessário introduzir armadura a atravessar a junta de betonagem, para conferir à superfície uma maior resistência ao escorregamento. Desta forma a resistência da interface passa a ser descrita pela equação (2.3): 2 Fédération Internationale de la Précontrainte 16

41 (2.3) em que (A i ) é a área da superfície de contacto entre os dois betões e (A s ) é a área de armadura que atravessa a junta de betonagem. Pode-se também verificar que a relação entre a armadura que atravessa a superfície (A s ), e a superfície de contacto (A i ), aumenta quando o ângulo (θ), que a armadura transversal faz com a horizontal diminui. Os fenómenos atrás descritos contribuem para a transferência de esforços na superfície das duas camadas. Contudo, existem outros fenómenos que serão prejudiciais, como por exemplo a poluição na superfície, ou até excesso de humidade, e serão referidos, no subcapítulo 2.3. Segundo a FIP [6], a classificação das superfícies é feita de acordo com uma escala de diferentes graus de rugosidade. A sua classificação depende essencialmente do tratamento que levou a superfície dos elementos pré-fabricados, na sua fase de construção. Assim a classificação da rugosidade, depende dos seguintes tratamentos da superfície: i. Superfície que foi alisada com uma colher de trolha ou talocha, não tão lisa como a anterior. ii. Superfície em que o betão foi colocado no molde, e compactado, sempre com a intenção de trazer os agregados à superfície, geralmente verificam-se algumas ondulações e pequenas arestas. iii. Uma superfície que foi executada a partir de moldes deslizantes, igualmente sem o tratamento posterior. iv. Uma superfície produzida por uma técnica de extrusão de betão, de modo a produzir propositadamente ondulação e algumas arestas acentuadas. v. Uma superfície em que o betão foi escovado, quando molhado, para se obter uma textura mais rugosa. vi. Igual ao ponto (v) mas com uma textura mais pronunciada, é igualmente escovada, mas combinada com um ancinho de aço. vii. Superfície onde o betão foi comprimido sem nenhuma tentativa de o alisar, deixando um aspecto áspero com agregado grosseiro. viii. Superfície que foi pulverizada quando molhada, de modo a expor o agregado sem o perturbar ix. Uma superfície que foi sujeita a equipamento mecânico para formar certas nervuras para garantir um melhor atrito. Para efeitos de cálculo, a FIP [6], recomenda subdividir esta escala em duas diferentes categorias: a Categoria 1 engloba desde o grau (i) até ao (vi), e a Categoria 2, que abrange os restantes. Assim, de acordo com o Quadro 2.1, pode-se consultar os parâmetros das superfícies, de acordo com as suas categorias; Quadro Categorias segundo FIP c tanφ c Categoria 1 0,2f ctd 0,6 Categoria 2 0,4f ctd 0,9 17

42 neste quadro o valor de (f ctd ) é obtido através do valor de cálculo da tensão de rotura do betão à tracção, dada de acordo com o Eurocódigo 2 [3], e que pode ser calculado de acordo com a equação (2.4); (2.4) em que (α ct ) é um valor que tem em conta os efeitos de longo prazo da resistência à tracção e os efeitos desfavoráveis resultantes do modo como a carga é aplicada, o valor recomendado é 1. Segundo a FIP [6], quando se estiver perante o caso (i) ou (ii), o valor da coesão dado por esta tabela, pode ser considerado elevado, sendo recomendado o uso do valor 0,1f ctd. Também segundo esta entidade, o valor máximo da tensão tangencial resistente na superfície de contacto, fica assim limitada em 0,2 f cd, assim de acordo com o Quadro 2.1 e a equação (2.3), pode-se reescrever uma nova equação. (2.5) (2.6) A s Área da secção de armaduras que atravessa a superfície A i Área de contacto das duas superfícies σ Tensão normal à superfície Se a relação entre a área de armaduras (A s ), e a superfície de contacto (A i ), for menor que (ρ<0,001) o reforço através das armaduras deixa de ser considerado na equação (2.5). Para a esta entidade, quando o valor das tensões tangenciais são baixas, pode-se considerar que o valor da resistência da junta de betonagem dependa apenas da coesão do betão menos resistente, existente na superfície entre os dois betões, desprezando assim as cargas normais à superfície existentes no elemento composto, esses valores de resistência poderão ser consultados no Quadro 2.2. Quadro Valores da resistência da superfície (i) - (ii) (iii) (vi) (vii) (x) Aderência segundo o Eurocódigo 2 Em relação à aderência segundo o Eurocódigo 2 [3], os critérios definidos são ligeiramente diferentes. Embora tenha menos tipos de classificação comparativamente à FIP, particulariza mais cada tipo que aborda, com os seus devidos coeficientes. Os tipos de superfície que o Eurocódigo 2 refere, na secção (6.2.5(2)), são: i. Muito lisa superfície moldada por aço, plástico ou moldes de madeira especialmente preparados; 18