ANÀLISE DO DESEMPENHO DE LAJES COM MAIS DE 40 ANOS DE UTILIZAÇÃO

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1 ANÀLISE DO DESEMPENHO DE LAJES COM MAIS DE 40 ANOS DE UTILIZAÇÃO R. NAKAO S. R. BERTOCINI Prof. Eng.ª Civil Prof.ª Eng.ª Civil FAENG, UFMS LMCC-FAENG, UFMS A. B. CHEUNG G. M. SCUARCIALUPI Prof. Eng.ª Civil Acadêmico Eng.ª Civil FAENG, UFMS LMCC-FAENG, UFMS H. L. SIQUEIRA V. R. P. FRANÇA Acadêmico Eng.ª Civil Acadêmico Eng.ª Civil LMCC-FAENG, UFMS LMCC-FAENG, UFMS RESUMO Parte de um conjunto de investigações, este trabalho tem como objetivo principal o estudo de manifestações patológicas em estruturas de concreto. Como objeto de pesquisa tem-se o campus da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (Campo Grande, MS) e, nesse artigo em questão, o foco se estabeleceu em um conjunto de lajes de cobertura em concreto armado construído há mais de 40 anos. Tais lajes foram executadas de acordo com as normativas vigentes da época, sendo possível atualmente a constatação de diversas manifestações patológicas típicas de estruturas com as características citadas. Para auxiliar na análise do comportamento dessas lajes em relação à durabilidade dos materiais e a segurança da estrutura, foram realizados ensaios não destrutivos de baixo custo, tais como carbonatação, esclerometria e medição de deformações. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho é uma sequência dos artigos: Estudo de caso: análise de manifestações patológicas em laje de uma edificação da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, enviado ao 1º Congresso de Patologia das Construções (CBPAT 2014) e Estudo de caso: Avaliação das condições estruturais de lajes da UFMS com 40 anos de uso, enviado ao 56º Congresso Brasileiro do Concreto (CBC2014). Define-se critérios mínimos de desempenho para os sistemas estruturais, bem como as recomendações para a durabilidade. Sendo que atualmente o estudo das estruturas é marcado pelo conhecimento cientifico do comportamento tanto estrutural quanto funcional, tendo destaque a investigação sobre a durabilidade [1]. 1

2 A durabilidade de uma estrutura de concreto depende essencialmente de sua concepção, da realização correta do cálculo da estrutura, do controle tecnológico, isto é, estudo da dosagem do concreto e da execução, como também da manutenção preventiva periódica. Dentre os fatores que interferem no seu desempenho, podem-se enumerar alguns dos principais como sendo: lixiviação (águas puras e ácidas); expansão (sulfatos, magnésio / reação álcali agregado); reações deletérias (superficiais do tipo eflorescências); corrosão devida à carbonatação do concreto; corrosão por elevado teor de íon cloro (cloreto); ações mecânicas, movimentações de origem térmica, impactos, ações cíclicas (fadiga), deformação lenta (fluência), relaxação, abertura de fissuras e outros considerados em qualquer norma ou código regional, nacional ou internacional, mas que não fazem parte de uma análise de vida útil e durabilidade tradicional [2]. O uso de métodos de ensaios não destrutivos pode ajudar no processo de inspeção do concreto. O método de esclerometria é utilizado para verificar a uniformidade do concreto, tomando medidas em pontos da estrutura para realizar uma análise comparativa. Neste contexto, obtém-se o índice esclerométrico, buscando a sua utilização para obtenção de uma estimativa da resistência e, por métodos de correlação, seu módulo de elasticidade [3]. 2. ESTUDO DE CASO Através de estudo similar ao proposto em paper [4], este trabalho aborda temas de manifestações patológicas, tecnologia do concreto e análises de comportamentos estruturais, para uma laje de cobertura sobre um dos corredores do campus da universidade. Na continuação dos estudos surgiu a possibilidade de realizar uma prova de carga in loco. Com idade de utilização superior a 40 anos e ausência de projetos para fins de conferencia, a estrutura estudada neste trabalho é composta por uma laje de cobertura em concreto armado com 6,0x6,0 m e quatro pilares de seção em cruz que a sustentam, tal como apresentado pela figura CARACTERIZAÇÂO DA GEOMETRIA 3.1. Descrição da estrutura Figura 1 Face inferior da laje ensaiada A laje em questão faz parte de um trecho de lajes constituído por cinco (5) lajes interligadas continuamente, em linha, limitado nas suas extremidades por duas juntas de dilatação de aproximadamente 2 cm. As lajes possuem espessuras em torno de 15 cm e estão apoiadas em todo o contorno por vigas invertidas de seção 20x60 cm. As vigas por sua vez são suportadas por pilares em forma de cruz, com 20 cm de largura e altura de aproximadamente 2,50 m. A posição da laje ensaiada L3 está indicada na planta de formas do trecho apresentada na figura 2. 2

3 4. CARACTERIZAÇÂO DOS MATERIAIS 4.1. Materiais e execução Figura 2 Planta de forma das lajes e vigas que compõem a estrutura. Os projetos não foram encontrados e não existem informações sobre as características dos materiais empregados na execução da obra. Aparentemente os agregados utilizados eram os procedentes das jazidas naturais localizadas nas regiões próximas à cidade, como era usual na época. Não se tem certeza da procedência do cimento Portland e há informações vagas de que em algumas épocas o cimento era importado do Paraguai ou mesmo da Europa. Não existem registros ou informações sobre o controle tecnológico do concreto ou da sua resistência. Quanto à forma de execução, também não há informações diretas, mas era comum na época, confeccionar o concreto em betoneiras e realizar a concretagem manualmente, com transporte por meio de carrinhos de mão e a elevação através de rampas [5] e [6] Ensaio de carbonatação e esclerometria Para fim de verificação dos ensaios já realizados nos artigos precedentes, realizou-se a medida da profundidade de carbonatação (figura 3a), estando estes em acordo com os dados obtidos previamente. Avaliou-se também a dureza superficial do concreto da viga (figura 3b) por meio do esclerômetro de reflexão, em acordo com o método proposto pela ABNT NBR 7584:2012 [7]. Esta norma expõe que o método esclerométrico nos fornece informação da dureza superficial do concreto a cerca de 20 mm de profundidade e em casos extremos a carbonatação pode aumentar sua resistência em até 50%. Os valores obtidos nos ensaios posteriormente foram também utilizados na análise da estimativa da resistência do concreto e do modulo de elasticidade. Figura 3a Ensaio de carbonatação na laje (L3) Figura 3b Ensaio de esclerometria na viga (V-08) 3

4 5. ANALISE ESTRUTURAL 5.1. Prova de carga A prova de carga consistiu em utilizar a estrutura formada pela laje e as vigas invertidas, que formavam um pequeno reservatório, para aplicação de carga, sendo esta proveniente do seu preenchimento com água. Como a intenção era adotar um sistema simples e de baixo custo, para conseguir a estanqueidade do conjunto, foram forradas a face superior da laje e as laterais internas das vigas invertidas com a finalidade de impermeabilizar a estrutura e impedir a saturação do concreto durante o ensaio, por uma lona plástica fixada na estrutura de concreto por meio de fita adesiva comum. Os procedimentos descritos podem ser observados nas figuras 4a e 4b. O sistema de carregamento adotado deu-se através do preenchimento controlado de água em estágios de 5 cm em 5 cm de altura de coluna d agua, até o limite de 30 cm possível pela altura da viga. Cada estágio de carga constituído de altura de coluna de água de 5 cm corresponde a um carregamento de 5 MPa (ou 50 kgf/m²). Pelas recomendações das normas brasileiras vigentes na época, a carga acidental para lajes destinada a forros ou sem acesso de pessoas, é justamente de 5 MPa. Portanto, a prova de carga realizada foi levada até atingir um carregamento aproximadamente 6 vezes maior (30 MPa) que a mínima recomendada para o dimensionamento de lajes sem acesso de pessoas. Figura 4a Impermeabilização da superfície Figura 4b Inicio do carregamento Optou-se pela aplicação lenta do carregamento, sendo que cada estágio demorava aproximadamente 1 hora. Então o abastecimento de água era interrompido para a realização das leituras das deformações. Após os 6 estágios de carregamento, foram realizados os estágios de descarregamento, na mesma proporção do carregamento, ou seja, retirada da água de 5 em 5 cm, ou descarga de 5 MPa a 5 MPa, realizando também as leituras das deformações a cada estágio de descarregamento. Como na laje existe um sistema de impermeabilização constituído de argamassa de nivelamento, manta asfáltica e uma camada de proteção mecânica, a face superior desse sistema não se encontra nivelada. Portanto a aplicação da carga, à rigor, não é uniformemente distribuída. Foi então necessário medir também as alturas d água em nove (9) pontos da laje para representar esse carregamento. Observam-se na figura 5 os pontos onde foram realizadas as medidas da altura d água para cada estágio de carregamento. Figura 5. Pontos para medida dos níveis d água. 4

5 As deformações foram medidas em 10 pontos na face inferior da laje por meio relógios comparadores fixados em andaimes apoiados no piso, e dispostos conforme indicado nas figuras 6, 7 e 8. Entretanto, durante o ensaio, o relógio de número 3 apresentou problemas mecânicos e seus resultados foram prejudicados. Figura 6 Disposição dos relógios comparadores Figura 7 Detalhe do relógio comparador 5.2. Analise por elementos finitos Figura 8 Locação dos pontos para medição de deslocamento A partir de dados como a espessura da laje e sua resistência característica à compressão (f ck ), efetuou-se uma retroanalise utilizando software de elementos finitos (SAP 2000), com elementos de placa para a representação das lajes e elementos de barra para representação das vigas. Com isto obteve-se uma estimativa aproximada para o valor do modulo de elasticidade, tento como base o deslocamento constatado pela prova de carga. Observa-se nas figuras 9 e 10 a modelagem da estrutura. Figura 9 Modelagem da estrutura 5

6 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 10 Processamento do modelo Obteve-se índices esclerométricos médios efetivos de 52,62 na laje L3 e de 55,50 na viga V-08. Utilizando-se uma correlação de índice para resistência anteriormente analisado [6], obteve-se valores estimativos de 50 MPa na laje e de 55 MPa na viga. A medida de profundidade de carbonatação na laje foi de 23 mm, sendo que para fins de análise a superfície onde foi realizado o ensaio foi considerado em estado extremo de carbonatação, e, partindo do exposto em [6] e [7], estimou-se um valor resistência à compressão de aproximadamente 33 MPa. Durante as diversas fases do ensaio de prova de carga na estrutura, não foram observadas formações de fissuras ou comportamento não usual. Como era de se esperar, os deslocamentos na região central da laje foram muito maiores que os dos próximos às bordas laterais. Na figura 11 estão indicados os deslocamentos medidos ao longo da linha central da laje na fase de carregamento para 30 cm de coluna d água, desconsiderando as leituras dos relógios 05 e 07, pois eles se encontram fora desse alinhamento, conforme ilustra a figura 8. Figura 11 Distribuição dos deslocamentos medidos ao longo da linha central da laje Na fase de descarregamento, os relógios 03, 09 e 10, apresentaram problemas de leitura nos últimos estágios, prejudicando essas medições. Os resultados do ensaio demonstram ainda que, para as cargas aplicadas, a estrutura ainda apresenta um comportamento quase elástico-linear, sugerindo uma situação ainda distante do escoamento ou ruptura. A figura 12 ilustra o diagrama carga x deslocamento referente ao relógio 06, onde se observa que, apesar do deslocamento máximo atingir 2,08 mm e 6

7 apresentar no descarregamento uma deformação residual em torno de 0,22 mm, não foram detectadas formações de fissuras decorrentes da execução do ensaio. Figura 12 Diagrama carga x deslocamento no centro da laje L3 Simulações numéricas foram realizadas visando ajustar parâmetros que levassem a curvas que se aproximassem dos valores medidos nos ensaios, como por exemplo, as curvas apresentadas na figura13, onde se adotou módulo de elasticidade secante de 30 GPa. Para esse valor do modulo, adotando como agregado graúdo o basalto, a aplicação do disposto na NBR 6118:2014 [8], item 8.2.8, indicaria uma resistência à compressão em torno de 30 MPa. Esse valor estaria compatível com os ensaios de esclerometria e carbonatação realizados no presente e os apresentados nos trabalhos precedentes [5] e [6], levando em conta o estado de carbonatação e o aumento dos valores da resistência e do módulo de elasticidade como o tempo. Figura 13 Ajuste entre a modelagem numérica e valores do ensaio As deformações iniciais, isto é, existentes antes dos ensaios, podem ser atribuídas a diversas causas: formas executadas desniveladas; provável recalque dos escoramentos que podem ter sido executados apoiados diretamente sobre o solo 7

8 sem dispositivos adequados de distribuição de carga; fluência do concreto; retirada prematura dos escoramentos; e outras causas. Entre as sugestões para pesquisas futuras, estão a realização de ensaios com cargas maiores (aumentando a altura de coluna de água), para analisar o comportamento da estrutura quando submetidas a tensões mais elevadas e a retirada de testemunhos para a análise da resistência e também da composição dos materiais. Apesar da estrutura estar parcialmente revestida com pintura do tipo látex, aplicada sobre massa corrida, ela se encontra desgastada pelo tempo e, em função da sua idade, necessita de manutenção periódica e monitoramento do seu comportamento e desempenho. 7. AGRADECIMENTOS De todo o exposto, agradecemos especialmente a pessoas que nos ajudaram direta/indiretamente para possibilitar a realização desse estudo, além dos autores, dentre elas ao Prof. Dr. Daniel Anijar de Matos, à equipe de segurança da universidade e a acadêmica Juliana Carrasco Alcazas. 8. REFERÊNCIAS [1] ABNT NBR : Edificações Habitacionais Desempenho Parte 2: Requisitos Para Os Sistemas Estruturais, 2013, 39 p. [2] Medeiros et al. Durabilidade E Vida Útil Das Estruturas De Concreto. Concreto: Ciência E Tecnologia Ibracon, Geraldo C. Isaia, São Paulo, SP, [3] Bertolini, L. Materiais De Construção: Patologia, Reabilitação, Prevenção / Tradução Leda Maria Marques Dias Beck, São Paulo, Oficina De Texto, 2010, 414 p. [4] De Luca et al. In Situ Load Testing Of A One-Way Reinforced Concrete Slab Per The ACI 437 Standard, American Society Of Civil Engineers, [5] Bertocini et al. Estudo De Caso: Análise De Manifestações Patológicas Em Laje De Uma Edificação Da Universidade Federal De Mato Grosso Do Sul, 1º Congresso De Patologia Das Construções, p. [6] Bertocini et al. Estudo De Caso: Avaliação Das Condições Estruturais De Lajes Da UFMS Com 40 Anos De Uso, IBRACON - 56º Congresso Brasileiro Do Concreto, 2014, 14 p. [7] ABNT NBR 7584: Concreto endurecido- Avaliação de dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão- Método de ensaio, 2012, 10 p. [8] ABNT NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto Procedimento, 2014, 238 p. 8