UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAL E CONSTRUÇÃO CIVIL DANILO JORGE EVANGELISTA CUNHA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ESTRUTURAL E CONSTRUÇÃO CIVIL DANILO JORGE EVANGELISTA CUNHA ANÁLISE DE FISSURAÇÃO EM VIGAS DE CONCRETO ARMADO FORTALEZA 2011

2 ii DANILO JORGE EVANGELISTA CUNHA ANÁLISE DE FISSURAÇÃO EM VIGAS DE CONCRETO ARMADO Monografia submetida à Coordenação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Civil. Orientador(a): Joaquim Eduardo Mota. FORTALEZA 2011

3 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca de Ciências e Tecnologia C977a Cunha, Danilo Jorge Evangelista. Análise de fissuração em vigas de concreto armado. / Danilo Jorge Evangelista Cunha f. : il. color., enc. ; 30 cm. Monografia (graduação) Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Civil, Fortaleza, Orientação: Prof. Dr. Joaquim Eduardo Mota.. 1. Vigas de concreto. 2. Concreto armado. 3. Alvenaria estrutural. I. Título. CDD 620

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5 iv RESUMO Apresenta-se neste trabalho uma abordagem sobre o fenômeno da fissuração em elementos fletidos de concreto armado, sobre as causas, as patologias que podem ser causadas nas estruturas devido à abertura excessiva de fissuras, assim como os principais fatores que influenciam no fenômeno, de que forma eles podem causar fissuração e mecanismos de controle da fissuração. Apresenta-se as formulações de abertura de fissuras da NBR 6118 (ABNT, 2003) e do EUROCODE 2 e em seguida são feitos exemplos numéricos onde utilizase as mesmas condições de carregamento, características dos materiais, detalhamento da armadura e dimensões do elemento estrutural para ambas as normas. Apresentam-se os resultados obtidos, faz-se uma análise comparativa entre os valores de abertura de fissuras calculados e verifica-se a aplicabilidade das expressões de previsão da abertura de fissuras. Palavras-chaves: concreto, fissuração, normas, análise comparativa.

6 v SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO CÁLCULO DE ABERTURA DE FISSURAS EM VIGAS DE CONCRETO Fatores que influenciam na fissuração do concreto Avaliação de fissuras em vigas de concreto Estados limite de fissuração Controle da fissuração Ações atuantes Combinação de ações EXEMPLOS NUMÉRICOS UTILIZANDO A NBR 6118 (ABNT, 2003) Exemplo Exemplo Exemplo FORMULAÇÃO EUROCODE 2 E EXEMPLOS NUMÉRICOS Exemplo Exemplo Exemplo APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS... 42

7 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. Aspectos gerais Um dos problemas encontrados com grande incidência nas construções, seja nas edificações ou em obras de infra estrutura, é a fissuração excessiva em estruturas de concreto armado, podendo ser originado por erro de projeto, na execução da estrutura, por falha dos materiais empregados na concretagem, ou por mau uso da estrutura. Esses erros, citados anteriormente, se não forem corrigidos a tempo poderão causar grandes prejuízos materiais e humanos. O aumento da formação e da abertura de fissuras provoca uma diminuição da rigidez e consequentemente um aumento nas flechas em elementos fletidos, o que, por sua vez pode causar um colapso estrutural. Por isso, o controle da fissuração deve ter mais relevância no desenvolvimento de projetos estruturais, assim como nas etapas de execução e manutenção preventiva e corretiva. De acordo com o item 6.1 da NBR 6118 (ABNT, 2003): As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que sob as condições ambientais previstas na época do projeto e quando utilizadas conforme preconizados em projeto conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente a sua vida útil. Onde a vida útil é o período de tempo em que a estrutura atende as exigências a ela impostas, sejam elas de ordem técnica ou subjetiva (satisfação do usurário), ou seja, a partir do qual a mesma deve ser submetida a uma intervenção ou reparo. A fissuração excessiva constitui um prejuízo às estruturas em utilização, onde os danos vão além de efeitos na sua própria funcionalidade e estética, como a de outros elementos construtivos, tais como revestimentos internos e externos, forros, instalações e etc, o que pode comprometer a aceitabilidade sensorial dos usuários. Portanto, todo engenheiro civil deve dar importância à segurança da estrutura contra o colapso quanto ao comportamento da estrutura em serviço, pois ele está associado ao bom desempenho e funcionamento da obra. Kimura (2007) alerta que quando um estado limite de serviço (ELS) é alcançado, o uso da edificação é inviabilizado, da mesma maneira quando um estado limite último (ELU) é atingido.

8 Justificativa Segundo Sussekind (1985), as fissuras são indesejáveis e antiestéticas. Além de causar um efeito psicológico negativo, essas manifestações patológicas geram gastos para efetuar os reparos necessários, os quais poderiam ser revertidos para outra finalidade, como por exemplo para ações sociais. As estruturas de concreto devem ser projetadas para que não ocorra colapso, seja ele localizado ou global, mas, além disso, elas devem garantir conforto, boa funcionalidade, aceitabilidade sensorial aos usuários. A verificação na ruína é de grande relevância para conferir à estrutura um nível adequado de segurança com relação à resistência a todas as solicitações que provavelmente ocorrerão durante a vida útil da obra. Já o cálculo para o estado limite de serviço, ou também chamado de estado limite de utilização, é importante para garantir um desempenho satisfatório da estrutura quando em uso normal, quer dizer, nas condições de utilização para as quais ela foi projetada. Na análise de abertura de fissuras comparadas aos seus valores limite, pode ser feito de diferentes formas. Algumas formulações geram resultados mais aproximados, pois não levam em consideração alguns fatores que exercem influencia de forma direta nos resultados finais dessas aberturas de fissuras, enquanto que em outros modelos de cálculo mais complexos consideram outros fatores não contemplados por métodos mais simples. O procedimento de cálculo de abertura de fissuras no concreto da norma NBR 6118 (ABNT, 2003) leva em consideração apenas alguns fatores e de forma simplificada. Diante do que foi explanado, é necessário analisar as formulações para a determinação da fissuração em vigas de concreto armado, compará-los entre si e a modelos experimentais. Em seguida, deve-se fazer ajustes nos modelos mais simples e calibrá-los a modelos mais realistas para que se obtenha resultados mais satisfatórios. No dimensionamento de estruturas de concreto armado temos o cálculo para o E.L.U seguido do E.L.S, embora várias vezes não é dada a devida importância para a verificação em serviço. O foco do trabalho é a verificação da fissuração em elementos estruturais de concreto armado, que é um problema inevitável nas estruturas de concreto e que podem comprometer a durabilidade, a utilização e a estética da construção. A ocorrência de fissuras se dá com maior freqüência nas regiões onde é preponderante o esforço de tração, pois o concreto apresenta baixa resistência a esse tipo de solicitação.

9 3 A formação de fissuras acontece onde as tensões de tração provenientes do carregamento direto ou restrição a deformações impostas, além disso, podem ocorrer por outras razões, como retração plástica ou térmica e expansão devido a reações químicas internas nas primeiras idades, o que causa fissuras consideradas inaceitáveis na estrutura. A fissuração excessiva pode tornar a estrutura suscetível a ataque de agentes agressivos, como íons cloreto e sulfato e à carbonatação, o que pode provocar diversos tipos de manifestações patológicas, como corrosão de armaduras, daí a importância do tema e a justificativa de sua escolha Objetivos A presente pesquisa tem como objetivo geral apresentar a formulação da NBR 6118 (ABNT, 2003) e do EUROCODE: 2002 relativa à abertura de fissuras. Utilizando-se uma planilha que automatize o processo de cálculo de abertura de fissuras em elementos de flexão de concreto armado. Os objetivos específicos são: Elaborar uma planilha no Excel para que se obtenham as aberturas de fissuras em vigas de forma mais rápida; Apresentar alguns exemplos de cálculo de aberturas de fissuras em vigas utilizando o modelo proposto pela NBR 6118 (ABNT, 2003); Apresentar alguns exemplos de cálculo de aberturas de fissuras em vigas utilizando o modelo proposto pela EUROCODE: 2002; Analisar as possíveis causas das divergências nos resultados entre esses dois modelos e sugerir qual medida corretiva deverá ser tomada no sentido de adotar um resultado mais próximo do real; Analisar as vantagens e desvantagens do modelo adotado pela NBR 6118 (ABNT, 2003) Organização do trabalho No primeiro capítulo faz-se um comentário sobre a fissuração no concreto armado, enfatizando a necessidade de se conhecer um provável valor da abertura máxima de

10 4 fissuras em elementos de flexão, levando em consideração o meio em que eles estão situados e as solicitações que lhe são impostas. No segundo capítulo apresenta-se um estudo onde são abordados os diversos fatores que se tornam necessários para um bom entendimento da fissuração nas peças de concreto armado. Nesse contexto são descritos: necessidade de controle de fissuração, abrangendo problemas decorrentes da fissuração, valores limites da abertura de fissuras, teoria da fissuração, combinação de ações para verificação da fissuração e o processo de formação de fissuras. No terceiro capítulo apresenta-se as expressões da NBR 6118 (ABNT, 2003) para o controle de abertura de fissuras no concreto armado, fazendo-se exemplos numéricos em vigas de concreto armado, onde são fornecidos características dos materiais, armadura de flexão e cisalhamento, carregamento na viga e dimensões da seção transversal. No quarto capítulo apresenta-se as expressões do EUROCODE: 2002 para o controle de abertura de fissuras no concreto armado, fazendo-se exemplos numéricos em vigas de concreto armado, onde são fornecidos características dos materiais, armadura de flexão e cisalhamento, carregamento na viga e dimensões da seção transversal. No quinto capítulo faz-se uma análise comparativa baseada nos resultados obtidos através dos exemplos numéricos de ambas as normas, para analisar a influencia de alguns fatores de elementos que influenciam no comportamento de abertura de fissuras. No sexto capítulo são apresentadas as conclusões finais conforme os objetivos do trabalho.

11 5 2 CÁLCULO DE ABERTURA DE FISSURAS EM VIGAS DE CONCRETO 2.1 Introdução O presente capítulo aborda alguns conceitos fundamentais, como o conceito de viga, as combinações de carregamento, o conceito de fissuração, assim como os principais fatores que nela exercem influencia e dos métodos utilizados para avaliação da abertura de fissuras em vigas de concreto armado. Primeiramente, vamos apresentar a definição de viga de acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2003). Em seu item , viga é definida como um elemento estrutural linear onde os esforços solicitantes preponderantes são os de flexão. Elementos lineares são aqueles em que o comprimento longitudinal supera em pelo menos três vezes a maior dimensão da seção transversal, podendo também serem chamados de elementos de barra ou elementos unidimensionais. No dimensionamento de estruturas de concreto armado temos o cálculo para o (estado limite último) E.L.U seguido do (estado limite de serviço) E.L.S, embora várias vezes não é dada a devida importância para a verificação em serviço. Na Norma Brasileira NBR 6118 (ABNT, 2003) o estado limite de utilização(serviço) é dividido em: Estado limite de formação de fissuras (ELS-F): estado em que se inicia a formação de fissuras; Estado limite de abertura de fissuras (ELS-W): estado em que as fissuras se apresentam com aberturas características (w K ) iguais aos próximos especificados; Estado limite de deformações excessivas (ELS-D): estado em que as deformações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da edificação; Estado limite de vibrações excessivas (ELS-VE): estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da edificação. A formação de fissuras existem onde as tensões de tração provenientes do carregamento direto ou restrição a deformações impostas, além disso, podem ocorrer por

12 6 outras razões, como retração plástica ou térmica e expansão devido a reações químicas internas nas primeiras idades, o que causar fissuras consideradas inaceitáveis na estrutura Fatores que influenciam na fissuração do concreto De acordo com a norma NBR 6118 (ABNT, 2003), os principais fatores que influem na fissuração das vigas de concreto armado podemos citar: o módulo de elasticidade, também denominado de módulo de deformação, o carregamento ao qual a peça está submetida e a taxa de armadura à tração. Existem outros fatores que devem ser considerados como: a retração, a fluência (deformação lenta), as condições de cura do concreto e a desfôrma. Abaixo temos as descrições de algumas delas. Portanto, diversas são as circunstancias que podem acarretar a formação de fissuras em peças de concreto armado. Pode-se diferenciar as fissuras produzidas por solicitações devidas ao carregamento, que são causadas por ações diretas de tração, flexão ou cisalhamento e que ocorrem nas regiões tracionadas, e as fissuras não produzidas por carregamento, que são causadas por deformações impostas, tais como variação de temperatura, retração e recalques diferenciais. Vale salientar que outros fatores, tais como porosidade do concreto, cobrimento insuficiente da armadura, presença de produtos químicos, agentes agressivos etc., contribuem ou podem ser determinantes na durabilidade da estrutura. Examinados esses fatores, visando obter bom desempenho relacionado à proteção das armaduras quanto à corrosão e à aceitabilidade sensorial dos usuários, é necessário que o projetista de estruturas busque controlar a abertura das fissuras, evitando que a peça sofra fissuração excessiva, devida à flexão, detalhando adequadamente a armadura na seção transversal e, se for o caso, aumentando-a. A. Resistência à tração do concreto Como o concreto é um material que resiste mal à tração, geralmente não se conta com ajuda dessa resistência. Entretanto, de acordo com Carvalho (2009), a resistência à tração pode estar relacionada com a capacidade resistente da peça, como as sujeitas a esforço cortante, e diretamente, com a fissuração, por isso sendo necessário conhecê-la. Existem três tipos de ensaio se determinar resistência à tração: por flexo-tração, compressão diametral,

13 7 também denominada de tração indireta e tração direta. Abaixo segue uma descrição suscinta de cada ensaio. A.1) Ensaio de tração direta Neste ensaio, considerando o de referência, a resistência a tração direta, fct, é determinada aplicando-se uma tensão axial até a ruptura, em corpos-de-prova de concreto simples. A seção central é retangular, com 9 cm por 15 cm, e as extremidades são quadradas, com 15 cm de lado. Figura 2.1- Ensaio de tração direta - Fonte: CARVALHO (2009) A.2) Ensaio de compressão diametral Devido à sua facilidade de execução e utilizar o mesmo corpo de prova cilíndrico do ensaio de compressão (15 cm por 30 cm) o ensaio de compressão diametral é o mais utilizado para a determinação da resistência à tração do concreto. Para sua realização, o corpo de prova cilíndrico é colocado com o eixo horizontal entre os pratos da máquina de ensaio, e o contato entre o corpo de prova e os pratos deve ocorrer somente ao longo de duas geratrizes, onde são colocadas tiras padronizadas de madeira, diametralmente opostas, sendo aplicado aplicada uma força até a ruptura do concreto por fendilhamento, devido à tração indireta, conforme a Figura 2.1.

14 8 Figura 2.2 Ensaio de compressão diametral Fonte: MEHTA & MONTEIRO (1994) A.3) Ensaio de tração na flexão Para a realização deste ensaio, um corpo de prova de seção prismática é submetido à flexão, com carregamentos em duas seções simétricas, até a ruptura. O ensaio é também conhecido como carregamento nos terços, pelo fato das seções carregadas se encontrarem nos terços do vão. Os valores encontrados para a resistência à tração na flexão, f ct,f, são maiores que os resultados encontrados nos ensaios mencionados anteriormente (tração direta e compressão diametral). Figura 2.3 Ensaio de flexo-tração Fonte: MEHTA & MONTEIRO (1994) Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2003), o item 8.2.5, a resistência à tração indireta f ct, SP e a resistência à tração na flexão f ct, f devem ser obtidas em ensaios realizados segundo a

15 9 NBR 7222 (ABNT, 1994) e NBR (ABNT, 1991), respectivamente. Ainda de acordo com o item 8.2.5, a resistência à tração direta f ct pode ser considerada igual a 0,9 f ct,sp ou 0,7 f ct, f ou, na falta de ensaios para obtenção de f ct,sp e f ct, f, pode ser avaliado o seu valor médio ou característico por meio das seguintes equações: F ct,m = 0,3 f ck 0,667 (2.1) F ctk,inf = 0,7 f ct,m (2.2) F ctk,sup = 1,3 f ct,m (2.3) Com f ct,m e f ck expressos em MPa. Sendo f ckj 7 MPa, estas expressões podem também ser utilizadas para idades diferentes de 28 dias. A escolha do uso dos valores de f ctk,inf e de f ctk,sup é definida pela Norma em cada situação. B. Módulo de Elasticidade De acordo com Hibbeler (2010), o módulo de elasticidade é um parâmetro mecânico de rigidez para um material sólido. É um parâmetro relevante para engenharia e aplicação de materiais, pois está associado a outras propriedades mecânicas, como por exemplo, tensão de ruptura, tensão de escoamento, variação de temperatura crítica para propagação de trincas sob ação de choque térmico e etc. É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, microestrutura e defeitos (poros e trincas), que pode ser obtida da razão entre a tensão exercida e a deformação sofrida pelo material. O concreto apresenta comportamento não-linear quando submetido a esforços de determinado valor. Esse comportamento é consequência da microfissuração progressiva que ocorre na interface entre o agregado graúdo e a pasta de cimento. O diagrama da Figura 2.4 representa o comportamento dessa relação tensão x deformação para o concreto.

16 10 Figura 2.4 Diagrama tensão deformação do concreto Fonte: NBR 6118 (ABNT, 2003) O Módulo de Elasticidade pode ser determinado experimentalmente, sendo previsto pela norma NBR 8522 (ABNT, 1994) Concreto Determinação do módulo de deformação estático e diagrama tensão deformação Método de Ensaio. Em caso de de ausência de dados precisos da resistência do concreto, recomenda-se adotar a idade do concreto de 28 dias. No gráfico da Figura 2.4 o módulo tangente E ci representa o coeficiente angular da reta que passa pela origem e corta o gráfico no ponto correspondente a uma tensão de 0,5fc, onde fc é a resistência à compressão simples. De acordo com o item da norma NBR 6118 (ABNT, 2003), o módulo de elasticidade inicial do concreto é dado pela seguinte expressão, onde fc e Eci estão na unidade MPa. Eci = 5600 x fck (2.4) Para análise de elementos estruturais em serviço, é adotado o módulo de elasticidade secante, que é obtido multiplicando-se o módulo de elasticidade tangente por 0,85, onde temos: Ecs = 4700 x fck (2.5) C. Componentes do concreto e processo de execução Segundo Caldas (1997) existem basicamente três razões para se controlar a fissuração: a durabilidade (corrosão da armadura), a aparência e a estanqueidade a líquidos e gases. Discutem-se a seguir, separadamente, essas razões. A corrosão da armadura está geralmente associada a três mecanismos que desencadeiam o processo corrosivo: a carbonatação, a presença de cloretos ou a ruptura do

17 11 concreto por esforços mecânicos, que causam fissuras transversais que podem em principio, colocar em risco a armadura, pois a abertura da fissura tem influência apenas no início do processo de corrosão, sendo este período relativamente curto, não influenciando no desenvolvimento da corrosão. Após o período de 5 a 10 anos, a corrosão é essencialmente independente da abertura da fissura. Por outro lado, a espessura, a porosidade e o cobrimento do concreto são parâmetros importantes no processo da corrosão da armadura. Melhorar a qualidade do concreto e controlar a abertura das fissuras são fatores importantes para o controle da fissuração. Portanto, é necessário especificar o valor limite da abertura da fissura de acordo com a agressividade do meio ambiente. As aberturas da fissuras com valores abaixo de 0,3 mm geralmente não causam inquietação as pessoas. Obviamente, a aparência tolerável da abertura da fissura é muito subjetiva e depende de vários fatores, tais como a distância entre o observador e a fissura, a iluminação e as condições da superfície. A necessidade da estanqueidade depende da natureza do gás ou do líquido que será retido pela estrutura. Teoricamente é possível especificar e contar com uma estrutura sem fissuras visíveis. Isto é mais coerente, no entanto, quando se especifica um limite para a abertura da fissura. Pesquisas e experiências têm mostrado que estruturas para retenção de água podem ter fissuras com aberturas de ate 0,1 a 0,2mm. Assim uma fissura, mesmo quando atravessa totalmente a espessura da parede, pode permitir a penetração de umidade após a ocorrência da primeira fissura; mas o estancamento do vazamento ocorre em poucos dias. Existem fatores que afetam na formação de fissuras antes do carregamento e este mecanismo ocorre em duas etapas: uma com o concreto ainda fresco, antes do endurecimento; e outra com o concreto já endurecido. Pode-se dizer também que as fissuras ocorrem antes da estrutura ser colocada em uso, ou seja, antes do carregamento. As fissuras que ocorrem devido ao carregamento externo são basicamente decorrentes de tensões de tração devidos aos esforços de compressão, tração, flexão, cisalhamento ou torção, sendo que estas ocorrem com o concreto endurecido, onde este trabalho foca o esforço de flexão por ser o mais freqüente em concreto armado. Desta forma, apresentam-se alguns fatores como: a água, cimento, agregados, cura, lançamento, adensamento e condições climáticas que afetam na fissuração antes do carregamento que serão analisados abaixo. C.1 Água

18 12 De acordo com Mehta e Monteiro (1994), a água de amassamento tem uma importância fundamental quanto à quantidade utilizada relacionada com a quantidade de cimento. Para a hidratação dos componentes ativos do cimento seria suficiente uma relação água/cimento teórica aproximada de 0,20; todo o excesso repercute na compacidade, portanto, quanto maior a quantidade de água, maior a porosidade, menor as resistências mecânicas, maior retração e maior o risco de ataque ao concreto. A água ocupa um papel importantíssimo na cura do concreto. As águas de curas inadequadas podem ser muito nocivas ao agir sobre um concreto já aplicado e começando a endurecer e sobre o qual podem exercer efeitos expansivos e destrutivos. A água que não se combina quimicamente com o cimento deve sair da massa na pega e ao sair deixa poros e capilares que tornam o concreto tanto mais permeável quanto maior for a quantidade de água a ser eliminada. Caso a água não seja utilizada na dosagem correta, poderá acarretar em fissuras no concreto armado antes mesmo da viga absorver o carregamento que lhe foi aplicada. C.2 Cimento O cimento também é um fator importante quanto à fissuração. Em geral concretos mais ricos em cimentos fissuram mais. Os cimentos com adições inertes, como por exemplo, o carbonato de cálcio, moídos na mesma finura, caracteriza-se por ter um endurecimento mais lento que os cimentos puros, devendo ser considerada essa circunstância na hora de dosar o concreto, pela repercussão que possa ter, tanto na quantidade de cimento a ser empregado, quanto na quantidade de água a ser utilizada. Segundo Caldas (1997), a dosagem de cimento também pode criar problemas no concreto. Para uma determinada resistência, sempre se deve procurar empregar a menor quantidade possível de cimento. Altos consumos trazem como conseqüência forte calor de hidratação com as conseqüentes elevações de temperatura, especialmente em épocas de calor, que se traduzirão em fortes, retrações de origem térmica com perigo de fissuração, e aumenta também o risco de retração hidráulica, conseqüentemente, fissuração no concreto recém lançado. C.3 Agregado

19 13 A composição mineral, forma, textura superficial e a variação do tamanho dos agregados afetam as proporções previstas, coeficientes térmicos, retração, dureza, deformação lenta e resistência do concreto. As frações de finos de tamanho inferior a 0,15mm, e especialmente as que têm finura comparável com a do cimento, são perniciosas para o concreto, principalmente se entram em proporção excessiva. Isso pode ocorre quando: - As frações finas prejudicam a boa aderência entre a argamassa e os agregados graúdos bem como com as armaduras. - Dada a grande superfície especifica desses finos, eles requerem muita água para molhá-los, conseqüentemente, diminui a água disponível à hidratação do cimento provocando sua hidratação incompleta, e, portanto enfraquecendo o concreto. - Exigem mais água para a mesma consistência; assim, a relação água/cimento tem que ser aumentada, para conseguir a mesma trabalhabilidade, diminuindo, pelo excesso de água, as resistências mecânicas. Certas argilas nos agregados causam alta retração e fissuração, pois a argila contrai mais do que a pasta de cimento. Na composição do concreto os grãos de diferentes tamanhos devem entrar em proporções calculadas e estudadas para que seja máxima a compacidade da mistura. Os agregados afetam se usados de forma inadequada, diretamente na qualidade do concreto, ocasionando fissuras na peça estrutural. C.4 Cura e outros cuidados Enquanto não atingir endurecimento satisfatório, o concreto deverá ser mantido protegido contra agentes prejudiciais, tais como mudanças bruscas de temperaturas, evaporação de água, chuva forte, água torrencial, agente químico, bem como contra choques e vibrações de intensidade tal que possam produzir fissuração na massa do concreto ou prejudicar a sua aderência à armadura. A proteção contra a secagem prematura, pelo menos durante os sete primeiros dias após o lançamento do concreto, aumentando este mínimo quando a natureza do cimento o exigir poderá ser feita mantendo-se umedecida a superfície ou protegendo-se com uma película impermeável. O endurecimento do concreto poderá ser antecipado por meio de tratamento térmico adequado e devidamente controlado, não se dispensando as medidas de proteção contra a secagem.

20 14 Se não for executado como descrito acima o concreto seca antecipadamente e conseqüentemente causando assim fissuras em toda a estrutura. C.5 Lançamento e adensamento O concreto deve ser lançado logo após o amassamento, não sendo permitido, entre o fim deste e o lançamento, intervalo superior à uma hora; se utilizada agitação mecânica, esse prazo será contado a partir do fim da agitação. Com o uso de retardadores de pega o prazo poderá ser aumentado de acordo com as características do aditivo. Em nenhuma hipótese se fará lançamento do concreto após o inicio da pega, podendo ocorrer o aparecimento de fissuras. Para os lançamentos que tenham que ser feitos a seco, em recintos sujeitos a penetração de água, deverão ser tomadas as precauções necessárias para que não haja água no local em que se lança o concreto nem possa o concreto fresco vir a ser por ela elevado. O concreto deverá ser lançado o mais próximo possível de sua posição final, evitando-se a incrustação de argamassa nas paredes das formas e nas armaduras. Deverão ser tomadas precauções para manter a homogeneidade do concreto. A altura de queda livre não poderá ultrapassar 2m, para peças estreitas e altas, o concreto deverá ser lançado por janelas abertas na parte lateral, ou por meio de funis ou trombas. Cuidados especiais deverão ser tomados quando o lançamento se der em ambiente com temperatura inferior a dez graus ou superior a quarenta graus. Durante e imediatamente após o lançamento, o concreto deverá ser vibrado ou socado continua e energicamente com equipamentos adequados à trabalhabilidade do concreto. O adensamento deverá ser cuidadoso para que o concreto preencha todos os recantos da forma. Durante o adensamento deverão ser tomadas todas as precauções necessárias para que não se formem ninhos ou haja segregação dos materiais; dever-se-á evitar a vibração da armadura para que não se formem vazios ao seu redor, com prejuízo da aderência. No adensamento manual as camadas de concreto não deverão exceder 20 cm. Quando se utilizarem vibradores de imersão, a espessura da camada deverá ser aproximadamente igual a ¾ do comprimento da agulha; se não puder atender a esta exigência não devera ser empregado vibrador de imersão. O processo de lançamento e adensamento se não executados como descrito acima poderá vim a comprometer a peça estrutural, vindo a ocasionar o fissuramento.

21 15 C.6 Condições Climáticas As condições climáticas que podem causar problemas no concreto são: o frio, o calor e a baixa umidade. A ação do frio, seja natural ou artificial sobre o concreto em período de pega ou principio de endurecimento, consiste em retardar e inclusive anular seu endurecimento, ao diminuir a velocidade de hidratação dos componentes ativos do cimento ou destruir a resistência do concreto caso o frio seja intenso a ponto de gelar a água de amassamento. A ação do calor sobre o concreto em processo de pega ou principio de endurecimento pode ser vantajosa, pois ajuda a sua cura; mas para que isso aconteça, as temperaturas devem ter um limite de oitenta graus e a umidade relativa do ar ser elevada ou estar em saturação. Para que o calor possa causar problemas ao concreto é preciso que a temperatura seja muito elevada e que o concreto se encontre numa atmosfera com baixa umidade relativa. Geralmente, esse é o caso mais freqüente, pois, ao se produzir uma elevação de temperatura, a umidade relativa do ambiente que envolve o concreto desce a valores muito baixos, fazendo com que o concreto perca água durante a pega ou principio de endurecimento. Produz-se assim uma grande secagem superficial que fará com que essa água de sua massa interna migre para essas superfícies e ocasione deficiências na hidratação dos componentes ativos do cimento que traduzirão em baixas resistências, ao mesmo tempo que se produzirá um estado tensional por retração hidráulica no concreto, que poderá resultar em sua fissuração e, inclusive, ruptura. Como se pode ver, a resistência do concreto é influenciada pela temperatura. No entanto, a influência principal da temperatura na fissuração é estabelecida nas primeiras horas em que o concreto começa a endurecer. D. Retração O tema "retração do concreto" é complexo. Segundo Kimura (2007), tal complexidade se deve em função dos tipos de retração existentes, suas respectivas causas e consequências, estruturas mais suscetíveis a sofrerem os danos da retração, além dos meios de minimizá-la.

22 16 De maneira geral, pode-se dizer que o concreto retrai em dois momentos distintos: primeiramente no estado plástico e depois no estado endurecido. Quando o concreto ainda se encontra na fase plástica, a secagem rápida do concreto fresco provoca retração quando a taxa de perda de água da superfície, por evaporação, excede a taxa disponível de água de exsudação. Nesta fase, o concreto apresenta baixíssima resistência à tração, e as fissuras podem facilmente aparecer nestas situações. Por ocorrer no concreto ainda no estado plástico, esta retração é denominada retração plástica. Mesmo no estado endurecido, o concreto continua a perder água para o ambiente. Inicialmente, a água perdida não está presa à estrutura dos produtos hidratados por ligações físico-químicas fortes e, portanto, sua retirada do concreto não causa retração significativa. No entanto, quando a maior parte desta água livre é perdida, prosseguindo a secagem, observa-se que uma perda adicional de água passa a resultar em retração considerável, que por sua vez causa fissuras e o empenamento das bordas. Esta retração é denominada de retração por secagem. Sob uma perspectiva ampla, três são as características que combinadas levam o concreto a retrair: 1) a geometria da estrutura, 2) o traço do concreto e 3) as condições climáticas. Então vejamos: Geometria da estrutura: nas peças com elevada relação entre a superfície exposta e o volume total da peça, tais como pisos, pavimentos e lajes de concreto, a perda de água para o ambiente se dá de maneira muito rápida. Ora, se a retração do concreto está relacionada à perda da água e se este tipo de estrutura está mais vulnerável a esta perda é intuitivo pensar que lajes, pisos e pavimentos de concreto naturalmente sofrem mais com a retração do concreto. As dimensões das placas (distâncias entre juntas) cada dia maiores e a execução de placas cada vez mais esbeltas tornam os pisos e pavimentos extremamente suscetíveis aos efeitos da retração do concreto; Traço do concreto: diversos fatores relacionados aos materiais que compõem o concreto e suas combinações podem influenciar a retração do concreto, principalmente a retração por secagem. O tipo, a granulometria e a dimensão máxima do agregado, a relação água-cimento, a quantidade de água de amassamento e o emprego de adições minerais e aditivos químicos são variáveis importantes que afetam fortemente a retração do concreto. A literatura e a prática do dia-a-dia apontam que agregados com maior módulo de deformação conduzem a um menor grau de retração. Deve-se empregar a menor quantidade de água de amassamento possível, assim como deve-se

23 17 evitar agregados com excesso de material pulverulento e argila. A distribuição granulométrica contínua reduz a retração do concreto quando comparada com uma combinação de agregados miúdos e graúdos inadequada; Condições climáticas: a retração do concreto está intimamente relacionada à perda de água para o ambiente. Os principais fatores climáticos que sequestram a água do concreto são a alta temperatura, a baixa umidade relativa do ar e a velocidade do vento que incide sobre a peça recém concretada. Segundo a Caldas (1997), uma condição climática com temperatura do ar em 25ºC, umidade relativa do ar de 40%, temperatura do concreto de 30ºC e velocidade de vento de 15 km/h é suficiente para se atingir um nível de evaporação de 1litro/m²/hora, capaz de provocar importante grau de retração plástica. As fissuras ocorrem porque ao retrair o concreto encontra restrições à variação volumétrica. Os elementos de restrição podem ser o atrito com a base, a armadura e os agregados graúdos. Tais restrições geram tensões de tração no concreto em uma fase em que ele ainda não tem resistência mecânica suficiente para absorvê-las e por isso surgem as fissuras de retração. Estas fissuras causam de pronto um comprometimento estético ao piso. A médio-longo prazo pode haver comprometimento da durabilidade da placa fissurada e, até mesmo, dependendo das tensões de utilização - aquelas oriundas dos carregamentos - podem conduzir a um comprometimento estrutural do piso. O empenamento ocorre quando a placa sofre distorção das bordas e cantos para cima, gerado por um gradiente de umidade e/ou temperatura entre as faces superior e inferior da placa. O empenamento das bordas está bastante relacionado com o fenômeno da retração do concreto. O empenamento excessivo pode conduzir à perda de aderência de revestimentos, fissuras estruturais devido à perda de contato da placa com a sub-base, piora do nivelamento do piso e mau funcionamento das juntas. A retração do concreto deve ser minimizada para que seus malefícios também sejam. Como não temos condições de controlar as condições climáticas devemos saber trabalhar adequadamente os outros fatores que favorecem a retração do concreto como a geometria da peça (espaçamento das juntas, por exemplo) e o traço do concreto. Além disso, pode-se adotar práticas executivas como proceder a cura do concreto e alterar o horário das concretagens para períodos de menor temperatura, sol e vento. Medidas como o borrifamento de neblina de água, a aplicação de agentes redutores de evaporação, a adição de fibras sintéticas e o emprego de armadura de combate a retração, combinadas ou utilizadas

24 18 isoladamente, são benéficas para a redução da fissuração por retração e/ou empenamento das bordas. Após termos citado e comentado as principais variáveis que influenciam na fissuração em estruturas de concreto armado temos na Tabela 2.1 abaixo temos os principais tipos de fissuras, causas e período mais provável de aparecimento. Tabela 2.1 Principais mecanismos de fissuração no concreto Mecanismo de fissuração Concreto Mecanismo Causas Principais Causas secundarias Fresco (antes do início da pega) Endurecime nto assentamento plástico fenômeno físico fenômeno térmico fenômeno químico retração plástica movimento das formas retração por secagem variação sazonal de temperatura calor de hidratação corrosão da armadura reação alcali agregado formação de etringita escesso de exsudação secagem/dessecamen to rápido escoramento insuficiente falta de juntas de movimentação Excesso de composto com reações cobrimento exotérmicas insuficiente cobrimento insuficiente álcali em excesso no cimento sulfatos secagem/dessecamento rápido exsudação lançamento inadequado cura inadequada ausência de proteção térmica lançamento inadequado concreto poroso. sílica reativa porosidade do concreto Período de Aparecimento 10 min a 3 horas 30 min a 6horas imediato semanas ou meses semanas ou meses 1 dia ou semanas acima de três meses acima de 5 anos acima de 1 ano estrutural cargas de projeto cálculo inadequado acões excepcionais após carregadas deformação lenta concreto de baixa resistência cargas acima das previstas acima de 6 meses 2.3. Avaliação de fissuras em vigas de concreto De acordo com o item 13.4 da NBR 6118 (ABNT, 2003), o estado limite de formação de fissuras (ELS-W) é aquele em que surge a primeira fissura na peça de concreto armado. Admite-se que esse estado é atingido quando a tensão de tração máxima na seção transversal for igual à resistência de tração do concreto na flexão (f ct,f ). Conforme mencionado nos tópicos anteriores, a fissuração é um fenômeno inevitável em estruturas de concreto. Assim, poder-se-ia pensar que a verificação do estado limite formação de fissuras seria desnecessária. Entretanto, a partir dessa verificação, torna-se possível descobrir o estádio de comportamento da estrutura.

25 19 A identificação do estádio de comportamento em que se encontra a peça em serviço, é um importante aspecto a ser analisado no equacionamento do problema de verificação dos estados limites de serviço. Estes estádios traduzem as diversas fases pelas quais passa uma peça de concreto armado quando submetida a um carregamento crescente. Normalmente, para as ações de serviço (ações reais, não majoradas), as seções encontram-se nos estádios I ou II. No estádio I a tensão de tração no concreto não ultrapassa sua resistência característica à tração ( f ctk ), e não há fissuras de flexão visíveis; nesse estádio o diagrama de tensão normal ao longo da seção é linear, e as tensões nas fibras mais comprimidas são proporcionais às deformações, correspondendo ao trecho linear do diagrama tensãodeformação do concreto. Já o estádio II, este é caracterizado pela presença de fissuras nas zonas de tração e, portanto, o concreto situado nessas regiões é desprezado; nesse estádio a tensão de tração na maioria dos pontos situados na região tracionada da seção tem valor superior ao da resistência característica do concreto à tração. Figura 2.5 Seção Retangular no Estádio I Fonte: PINHEIRO (2007) A separação entre estes dois estádios de comportamento é definida pelo momento de fissuração (Mr ), o qual define-se como sendo o momento fletor capaz de provocar a primeira fissura na peça. Se o momento fletor atuante numa dada seção da peça for menor do que o momento de fissuração, isto significa que esta seção não está fissurada e, portanto, encontra-se no estádio I, caso contrário, se o momento fletor atuante for maior do que o de fissuração, a seção encontra-se fissurada e, portanto, no estádio II. Neste segundo caso, diz-se que foi ultrapassado o estado limite de formação de fissuras.

26 20 Figura 2.6 Seção Retangular no Estádio II Fonte: PINHEIRO (2007) De acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2003), o momento de fissuração pode ser calculado pela seguinte expressão aproximada: Mr = (2.6) onde: α é o fator que correlaciona aproximadamente a resistência à tração na flexão com a resistência à tração direta (α = 1,2 para seções em forma de T ou duplo T, e α = 1,5 para seções retangulares); yt é a distância do centro de gravidade da seção transversal a sua fibra mais tracionada; Ic é o momento de inércia da seção bruta de concreto; fct é a resistência à tração direta do concreto. Para esta verificação particular, para determinação do momento de fissuração, deve ser usado f ct = 0,3 f ck 0,667. (2.7) 2.4. Estados limite de fissuração Em um projeto estrutural deve-se mencionar dados importantes como, relação água/cimento, a classe de agressividade ambiental e a resistência característica do concreto à compressão, pois através deles serão feitas as considerações utilizadas na dosagem do concreto e no cálculo e detalhamento da armadura. Além da exigência de um bom projeto e de

27 21 uma boa dosagem do concreto, se faz necessário uma boa execução da estrutura, para garantir o cobrimento adequado das peças estruturais e a aderência entre o aço e o concreto. A agressividade ambiental é uma caracterização aproximada do ambiente ao qual serão expostos os elementos de concreto armado e que afetam a sua durabilidade, e, consequentemente, a vida útil do elemento e da estrutura. Está relacionada com às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, independentemente das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da retração hidráulica, além de outras previstas no dimensionamento. Nos projetos das estruturas correntes a agressividade ambiental pode ser classificada de acordo com o apresentado na Tabela 2.2. Conforme a NBR 6118 (ABNT, 2003), a agressividade ambiental pode ser avaliada, simplificadamente, segundo as condições de exposição da estrutura ou de suas partes; a agressividade do meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, independentemente das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da retração hidráulica e outras previstas no dimensionamento das estruturas de concreto. A fissuração deve ser verificada de acordo com os critérios dados no item , com os limites estabelecidos no item De maneira geral, fissuração que respeite esses limites (da ordem de 0,3 mm a 0,4 mm) não acarreta perda de durabilidade ou de segurança quanto aos estados limites últimos e depende da agressividade do meio ambiente. Conforme o item , o valor da abertura de fissuras pode sofrer influência de restrições às variações volumétricas da estrutura difíceis de serem avaliadas de forma suficientemente precisa. Além disso, essa abertura sofre também a influência das condições de execução da estrutura. Por essas razões, os critérios para estimar a abertura de fissuras devem ser encarados como avaliações aceitáveis do comportamento geral do elemento, mas não garantem avaliação precisa da abertura de uma fissura específica. O estado de fissuração depende, entre outros fatores, das bitolas e das posições adotadas para a armadura longitudinal. Como dito anteriormente, a fissuração em elementos estruturais de concreto armado á inevitável devido principalmente à baixa resistência do concreto à tração, e mesmo, sob ações de serviço, valores críticos de tensões de tração são atingidos. O controle da abertura de fissuras visa principalmente proteger as armaduras quanto à corrosão, de modo a comprometer o bom desempenho e a durabilidade da estrutura. As fissuras devem ser evitadas por meio de cuidados tecnológicos, especialmente na definição do traço do concreto e nos cuidados deste.

28 22 Tabela 2.2- Tabela de classes de agressividade ambiental Classe de agressividade ambiental Agressividade Classificação geral do tipo de ambiente para efeito de projeto Risco de deterioração da estrutura I Fraca Rural Submersa Insignificante II Moderada Urbana 1), 2) Pequeno III IV Forte Muito forte Marinha 1) 1), 2) Industrial 1), 3) Industrial Elevado Respingos de maré Grande 1) Pode-se admitir um microclima com uma classe de agressividade mais branda (um nível acima) para ambientes internos secos (salas, dormitórios, banheiros, cozinhas e áreas de serviço de apartamentos residenciais e conjuntos comerciais ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura. 2 ) Pode-se admitir uma classe de agressividade mais branda(um nível acima) em: obras em regiões de clima seco, com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%, partes da estrutura protegidas de chuva em ambiente predominantemente secos, ou regiões onde chove raramente. 3) Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas. Dentre os fatores que mais influenciam na durabilidade das estruturas podemos citar: as características do concreto, a espessura e a qualidade do concreto de cobrimento da armadura. De acordo com o item da NBR 6118 (ABNT, 2003), ensaios comprobatórios de desempenho da durabilidade da estrutura frente ao tipo e a intensidade de agressividade previsto em projeto devem estabelecer os parâmetros mínimos a serem atendidos. Na ausência destes e devido a uma forte correspondência entre a relação água cimento, a resistência à compressão do concreto e sua durabilidade é permitido adotar os requisitos mínimos da Tabela 2.3 que segue abaixo.

29 23 Tabela 2.3 Correspondência entre classe de agressividade ambiental e qualidade do concreto Concreto Relação água/cimento em massa Classe de concreto Tipo Classe de agressividade I II III IV Concreto armado 0,65 0,60 0,55 0,45 Concreto protendido 0,60 0,55 0,50 0,45 Concreto armado C-20 C-25 C-30 C-40 Concreto protendido C-25 C-30 C-35 C-40 Na Norma Brasileira NBR 6118 (ABNT, 2003) são estabelecidos limites para a abertura de fissuras de acordo com a classe de agressividade do meio ambiente para elementos de concreto armado, abaixo segue a tabela. ambiental. Tabela 2.4 Valor limite de abertura de fissuras em função da agressividade Classe de agressividade ambiental I II III IV w k 0,4mm w k 0,3mm w k 0,3mm w k 0,2mm Os valores w k da tabela acima referem-se a valores limite característicos para garantir a proteção adequada das armaduras quanto à corrosão. Não se deve esperar, no entanto, que as aberturas reais de fissuras correspondam estritamente aos valores indicados, isto é, fissuras reais podem assumir valores maiores do que os que foram citados na tabela. No item da Norma, estão estabelecidos os critérios de aceitação da aberturas de fissuras, apresentados na Tabela 2.4, para peças lineares, analisadas isoladamente e submetidas à combinações (sejam elas permanentes ou variáveis). A avaliação dos valores de abertura de fissuras é feita para cada elemento das armaduras passiva e ativa aderente, que controlam a fissuração da peça, levando em consideração uma área crítica (A cr ) do concreto de envolvimento, constituída por um retângulo cujos lados não distam mais de 7,5ϕi do eixo da barra da armadura. É conveniente que toda a pele (região próxima à superfície) da viga em sua zona tracionada tenha armaduras que minimizem a abertura de fissuras na região Acr,i considerada, conforme a figura abaixo.

30 24 Figura 2.7 concreto de envolvimento da armadura O valor característico da abertura de fissuras, w k, determinado para cada parte da região de envolvimento, é a menor dentre os obtidos pelas expressões que seguem : w w k k i si 3 12,5 E f i si (2.8) (2.9) Onde: σ si, ϕ i, E si, ρ ri são definidos para cada área de envolvimento em exame; A cri é a área da região de envolvimento protegida pela barra ϕ i ; E si é o módulo de elasticidade do aço da barra ϕ i considerada; ϕ i é o diâmetro da barra que protege a região de envolvimento considerada; ρ ri é a taxa de armadura passiva ou ativa aderente (que não esteja dentro de bainha) em relação a área de região de envolvimento (A cri ); σ si é a tensão de tração no centro de gravidade da armadura considerada, calculada no Estádio II. si ctm i si ,5 i Esi ri 2.5. Controle da fissuração Como citado anteriormente não podemos acabar totalmente com as fissuras nas construções, mas podemos amenizá-las, por isso apresentam-se algumas recomendações: Cobrimento mínimo

31 25 O cobrimento de concreto é na realidade uma proteção à armadura. Se assim raciocinarmos, veremos que a qualidade dessa proteção depende da espessura que em princípio quanto maior a espessura do cobrimento, maior a proteção, fixadas as demais variáveis. Isso tem uma limitação na ordem de 60 mm, pois, espessuras maiores que essas têm forte tendência a fissuração por outros mecanismos, tais como a retração por secagem e movimentação térmica. É evidente que aumentar o cobrimento implica aumentar o custo da estrutura Armadura de pele As normas recomendam uma armadura de pele longitudinal mínima para reduzir a fissuração das vigas (fissuras na alma). A NBR 6118 (ABNT, 2003) adota a seguinte condição: O espaçamento s entre as armaduras é: s d/3 ou s 20 cm (considerar o menor dos dois valores). Segundo Fusco (1995), nas vigas altas em que toda a armadura está concentrada na face inferior do banzo tracionado (h 80 cm), existe a tendência à arborização das fissuras, o que pode provocar maiores aberturas superficiais ao longo da altura da alma da viga. Para o controle da fissuração, a armadura de pele deve ser colocada junto a cada face da peça estrutural a ser protegida, devendo resistir aos esforços de tração liberados pela ruptura da camada periférica do concreto que lhe é adjacente. Segundo o item da NBR 6118 (ABNT, 2003), a armadura de pele mínima deve ser de 0,10% A c,alma em cada face da alma da viga e composta por barras de alta aderência (h 1 2,25) com espaçamento não maior que 20 cm (Figura 2.8). Figura Esquema da Disposição da Armadura de Pele (NBR 6118, 2003)