CAPÍTULO 1: MATERIAIS E CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

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1 Universidade Federal de Ouro Preto - Escola de Minas Departamento de Engenharia Civil CIV620-Construções de Concreto Armado Curso: Arquitetura e Urbanismo CAPÍTULO 1: MATERIAIS E CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Profa. Rovadávia Aline de Jesus Ribas Ouro Preto, 2015/2

2 Plano de aula 1. Normas técnicas 2. Concreto simples 3. Composição e características mecânicas 4. Aços para concreto armado 5. Características mecânicas 6. Concreto armado 7. Fundamentos do comportamento conjunto dos materiais 8. Concreto protendido 9. Exercícios

3 Concreto: normas técnicas ABNT NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto armado Procedimento ABNT NBR 6120: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações Procedimento ABNT NBR 7480: Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado Especificação ABNT NBR 8681: Ações e segurança nas estruturas Procedimento ABNT NBR 14931: Execução de estruturas de concreto Procedimento ABNT NBR 7191: Execução de desenhos para obras de concreto simples ou armados ABNT NBR 5732:1991 Cimento Portland comum ABNT NBR 12655:2006 Concreto de cimento Portland Preparo, controle e recebimento Procedimento

4 Concreto simples O concreto é o material de construção mais utilizado no mundo! Porque? Excelente resistência à água Facilidade com que os elementos estruturais são moldados Material mais barato e disponível no canteiro

5 Concreto simples: composição Não tem armadura ou, se tiver, ela é inferior à taxa mínima. argamassa Cimento + água + Agregado miúdo + Agregado graúdo pasta Concreto simples Aplicações: - blocos, tubulões - barragens - pisos compactados

6 Concreto simples: características mecânicas Conceitos introduzidos pela norma NBR 6118 Valor característico: Ao invés de tensões de ruptura estimada como a média aritmética dos resultados, aplica-se o conceito de valor característico, que é o valor que apresenta uma probabilidade prefixada de não se ultrapassar no sentido desfavorável. O conceito de tensão admissível é substituído pelo conceito de tensão admissível de cálculo ( fd ; d : design = projeto). O coeficiente de segurança é substituído pelo coeficiente de ponderação de resistência e coeficiente de ponderação das ações. Conceito Antigo Tensão média: σc, σt Tensão admissível: σ, c σ t Coeficiente de segurança: R =σ /σ Conceito Novo Tensão característica do material: fk Tensão admissível de cálculo: fd Coef. de ponderação de resistência do material: γ m = f / k f d f = d f k / γ m

7 Concreto simples: características mecânicas 1. Massa específica do concreto simples (γ conc ) Se a massa específica real não for conhecida, para efeito de cálculo, pode-se adotar para o concreto simples o valor 2400 kg/m 3 (γ conc = 24 kn/m 3 ). 2. Resistência à compressão (fc) Depois de endurecido, o concreto apresenta razoável resistência à compressão e baixa resistência à tração (a resistência à tração é da ordem de 1/10 da resistência à compressão). A resistência à compressão (fc) é obtida em ensaios de cilindros moldados segundo a norma NBR 5738, realizados de acordo com a norma NBR Quando não for indicada a idade do concreto exigida para os ensaios, as resistências são obtidas para a idade de 28 dias.

8 Concreto simples: características mecânicas s fck = resistência característica do concreto à compressão. É o valor da resistência que tem 5% de probabilidade de não ser alcançado nos ensaios de corpos de prova de um determinado lote de concreto (ou, dos corpos de prova ensaiados, 95% terão sua resistência superior ao valor fck, enquanto apenas 5% poderão ter valor inferior) fck = fcm 1, 65s fcm = resistência média à compressão (média aritmética dos valores de fc) para o conjunto de corpos de prova ensaiados s = desvio-padrão (distância entre a abscissa de fcm ao ponto de inflexão da curva)

9 Concreto simples: características mecânicas Em função da resistência característica do concreto à compressão (fck), a norma NBR 8953 divide os concretos nas classes I e II. Classe I: C10, C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50 fck = 50 MPa Classe II: C55, C60, C70, C80

10 Concreto simples: características mecânicas 3. Resistência à tração (f ct ) Pode ser obtida por 3 ensaios diferentes, segundo as normas NBR 7222 e NBR 12142: - Tração direta - Compressão diametral - Tração na flexão Na falta de ensaios, as resistências à tração direta podem ser obtidas a partir da resistência à compressão. ( f ) 2 / 3 f ctm = 0.3 ck f 7 ctk, inf = 0. f ctm ctk, sup = 1. f ctm f 3 [MPa] Cada um desses valores é utilizado em situações específicas.

11 Concreto simples: características mecânicas 4. Módulo de elasticidade (Ec) O módulo de elasticidade deve ser obtido segundo ensaio descrito na norma NBR Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto na idade de 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade: Eci = 5600 f ck σ Eci = módulo de elasticidade tangente inicial Na avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou seção transversal pode ser adotado um módulo de elasticidade único, à tração e à compressão, igual ao módulo de elasticidade secante (Ecs). Ecs = 0, 85E ci [MPa]

12 Concreto simples: características mecânicas 5. Coeficiente de Poisson (υ) e Módulo de elasticidade transversal (Gc) Quando uma força uniaxial é aplicada sobre uma peça de concreto, resulta uma deformação longitudinal na direção da carga e uma deformação transversal com sinal contrário. A relação entre a deformação transversal e a longitudinal é denominada coeficiente de Poisson. Para tensões de compressão menores que 0,5 fc e tensões de tração menores que fct, o coeficiente de Poisson υ pode ser tomado como igual a 0,2 e o módulo de elasticidade transversal Gc igual a 0,4 Ecs (módulo de elasticidade secante). υ = 0,2 Gc = 0, 4E cs

13 Concreto simples: propriedades reológicas 1. Retração: fenômeno de redução espontânea de volume que ocorre no concreto, mesmo na ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura. Causa principal: perda de água (que não reagiu com o cimento durante o processo de cura do concreto) por meio de evaporação. 2. Fluência: é o fenômeno de aumento gradual da deformação ao longo do tempo, sob um dado nível de tensão constante. Os valores da deformação específica de retração e do coeficiente de fluência são encontrados na tabela 8.1 da NBR 6118 ou, para casos mais precisos, utiliza-se o anexo A dessa norma.

14 Concreto simples: diagrama tensão-deformação Um diagrama tensão-deformação idealizado pode ser empregado para análises no estado limite último, onde é suposto que a variação de tensões no concreto ocorre de acordo com o diagrama parábolaretângulo, definido com a seguinte tensão máxima: σ = 0, 85 c f cd σ c = tensão máxima do concreto; ε c = defomação específica do concreto; fcd = resistência à compressão de cálculo do concreto

15 Aços para concreto armado Categorias dos aços Nos projetos de estruturas de concreto armado deve ser utilizado aço classificado pela NBR 7480:2007 Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado Especificação. Barras: φ 5mm (obtidas por laminação a quente) Fios: φ 10 mm (obtidos por trefilação - tratamento a frio - ou processo equivalente, como por exemplo estiramento) O aço usado na armação do concreto recebe sua nomenclatura de acordo com o valor característico da resistência ao escoamento: Categoria fyk(mpa) CA CA CA

16 Aços para concreto armado Diâmetros Os diâmetros (φ em mm) padronizados pela NBR 7480 são: O comprimento normal de fabricação de barras e fios é de 12m, com tolerância de 1%.

17 Aços para concreto armado a) Lisas Superfícies b) Nervuradas (saliências ou mossas)

18 c) Entalhadas Aços para concreto armado Aços da categoria CA-25: superfície obrigatoriamente lisas Aços da categoria CA-50: superfície com nervuras transversais Aços da categoria CA-60: fios lisos, entalhados ou com nervuras

19 Aços para concreto armado No aço que recebe tratamento a quente (T>720 C) ocorre homogeneização e recristalização com redução do tamanho dos grãos, que melhoram as características mecânicas do material. O aço possui melhor trabalhabilidade, aceita solda comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento, e resiste a incêndios moderados, perdendo resistência, apenas, em temperaturas acima de 1150 o C. São classificados como aços CA-25 e CA-50A. O tratamento a frio (T<720 C) consiste na deformação dos grãos por meio de tração, compressão ou torção, e resulta no aumento da resistência mecânica e dureza, e diminuição da resistência à corrosão e ductilidade (decréscimo do alongamento e da estricção). Os grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado, torna-se mais difícil a solda. O diagrama tensão-deformação apresenta patamar de escoamento convencional. Desse grupo faz parte o aço CA-60B.

20 Aços para concreto armado Diagrama tensão-deformação Segundo a NBR 6118 (item 8.3.6), para cálculo nos estados-limites pode-se utilizar um diagrama simplificado, para os aços com ou sem patamar de escoamento. O diagrama é válido para intervalos de temperatura entre 20ºC e 150ºC e pode ser aplicado para tração e compressão. f yk : resistência característica do aço à tração f yd : resistência de cálculo do aço à tração, igual a f yk / 1,15 f yck : resistência característica do aço à compressão; se não houver determinação experimental: f yck = f yk f ycd : resistência de cálculo do aço à compressão, igual a f yck /1,15 ε yd : deformação específica de escoamento (valor de cálculo), igual a f yd /Es

21 Aços para concreto armado O diagrama representa um material elastoplástico perfeito. As deformações últimas (ε s ) são limitadas a 10 (10 mm/m) para a tração (alongamento), e 3,5 para a compressão (encurtamento). Esse encurtamento é fixado em função dos valores máximos adotados para o material concreto.

22 Aços para concreto armado: características mecânicas 1. Massa específica: O aço para armadura passiva tem massa específica de 7850 kg/m 3 2. Coeficiente de dilatação térmica:α=10-5 / o C para -20 o C < T < 150 o C 3. Módulo de elasticidade: na falta de ensaios ou valores fornecidos pelo fabricante, o módulo de elasticidade do aço pode ser admitido igual a 210 GPa

23 Concreto armado CONCRETO SIMPLES + ARMADURA PASSIVA (barras/fios de aço) Viabilidade do uso do concreto armado: Trabalho solidário (aderência) entre aço e concreto Viga de concreto simples ruptura Viga de concreto armado Aço resiste melhor à tração

24 A primeira teoria consistente sobre o dimensionamento das peças de concreto armado surgiu em 1902, por E. Mörsch, engenheiro e professor da Universidade de Stuttgart (Alemanha). Suas teorias resultaram de ensaios experimentais, dando origem às primeiras normas para o projeto de estruturas em concreto armado No Brasil: Concreto armado Rio de Janeiro: Construção de galerias de água em cimento armado (1901), casas e sobrados (1904); ponte na Rua Senador Feijó, com vão de 5,4 m (1909); ponte com 9 m de vão com projeto e cálculo de François Hennebique (1908); Edifício A Noite (1928, com 22 pavimentos, o mais alto do mundo em concreto armado, com 102,8 m de altura, projeto de Emílio Baumgart). São Paulo: Ponte com 28 m de comprimento, na Av. Pereira Rebouças sobre o Ribeirão dos Machados ( existe ainda hoje em ótimo estado de conservação). A partir de 1924 os cálculos estruturais passaram a ser feitos no Brasil, com destaque para o engenheiro Emílio Baumgart.

25 Concreto armado: vantagens É moldável, permitindo grande variabilidade de formas e de concepções arquitetônicas. Apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitações, desde que seja feito um correto dimensionamento e um adequado detalhamento das armaduras. A estrutura é monolítica, fazendo com que todo o conjunto trabalhe quando a peça é solicitada. Baixo custo dos materiais - água e agregados graúdos e miúdos. Baixo custo de mão-de-obra, pois em geral não exige profissionais com elevado nível de qualificação. Processos construtivos conhecidos e bem difundidos em quase todo o país.

26 Concreto armado: vantagens Continuação... Facilidade e rapidez de execução, principalmente se forem utilizadas peças pré-moldadas. O concreto é durável e protege a armação contra a corrosão. Os gastos de manutenção são reduzidos, desde que a estrutura seja bem projetada e adequadamente construída. O concreto é pouco permeável à água, quando executado em boas condições de plasticidade, adensamento e cura. É um material seguro contra fogo, desde que a armadura seja convenientemente protegida pelo cobrimento. É resistente a choques e vibrações, efeitos térmicos, atmosféricos e desgastes mecânicos.

27 Concreto armado: desvantagens Peso próprio elevado, em torno de 25 kn/m 3 (2,5 ton/m 3 ) Custo de formas para moldagem Dificuldade de reformas e adaptações Fissuração aparente Fragilidade Corrosão das armaduras

28 Concreto armado: fundamentos do comportamento conjunto dos materiais 1. Aderência entre concreto e aço Aderência é o fenômeno que permite o funcionamento do concreto armado como material estrutural. Sem aderência, as barras da armadura não seriam submetidas aos esforços de tração, pois deslizariam dentro da massa de concreto, e a estrutura se comportaria como sendo apenas de concreto simples. A aderência faz com que os dois materiais, de resistências diferentes, tenham a mesma deformação e trabalhem juntos, de modo que os esforços resistidos por uma barra de aço sejam transmitidos para o concreto e vice-versa.

29 Concreto armado: fundamentos do comportamento conjunto dos materiais Materiais com coeficiente de dilatação térmica próximos α conc situa-se entre (0,9 e 1,4) x 10-5 /ºC (valor utilizado = 1,0 x 10-5 /ºC) α aço =1,0 x 10-5 /ºC 2. Coeficiente de dilatação térmica 3. Proteção contra a corrosão O concreto protege o aço (armadura) da oxidação por: Proteção física: devido ao cobrimento; as armaduras não ficam expostas ao meio ambiente, o que as levaria à oxidação; por isso, atenção especial deve ser dada ao cobrimento das peças, que deve ser o mais uniforme e homogêneo possível. Proteção química: o concreto, por ser um meio alcalino, inibe a oxidação das armaduras.

30 Concreto armado: fundamentos do comportamento conjunto dos materiais 4. Estanqueidade A estanqueidade (impermeabilidade à água) é obtida, em geral, com o uso de aditivos impermeabilizantes e cuidadosa vibração do concreto fresco. No entanto, uma peça de concreto com baixo fator água-cimento (0,4 a 0,5), cuidadosa granulometria e espessura mínima de 20 cm para a região comprimida do elemento estrutural, possui boa estanqueidade.

31 Concreto armado: fundamentos do comportamento conjunto dos materiais 5. Isolamento térmico Comparados com outros materiais de construção, o concreto é um mal isolante térmico, sendo recomendável, principalmente nas coberturas, seu revestimento com material que melhore seu isolamento térmico e a impermeabilização (manta refletiva composta de Kraft reforçado por uma trama de fios selada em ambas as faces por folha de alumínio).

32 Concreto armado: fundamentos do comportamento conjunto dos materiais 6. Isolamento acústico O concreto é um bom isolante acústico para ruídos aéreos, pois as ondas sonoras de baixa energia, trazidas pelo ar, não faz o concreto vibrar de forma sensível, não propagando a onda sonora. No caso de ruídos produzidos pelo contato direto com o concreto, por exemplo, o ruído de um móvel sendo arrastado, o concreto é um mau isolante acústico, pois o concreto diretamente provocado, vibra com maior intensidade transmitindo barulho, sendo aconselhável a utilização de revestimentos capazes de absorver som em pisos de concreto.

33 Concreto protendido CONCRETO SIMPLES + ARMADURA ATIVA Da NBR 6118 (item 3.1.6): Armadura ativa (de protensão): constituída por barra, fios isolados ou cordoalhas, destinada à produção de forças de protensão, isto é, na qual se aplica um pré-alongamento inicial. Os aços da armadura ativa tem propriedades mecânicas daqueles usados na armadura passiva.

34 Concreto protendido Aplicações: Elementos pré-moldados Lajes de grandes vãos Vigas de grandes vãos Limitações: Alto custo Equipamentos especiais Menor flexibilidade arquitetônica etc

35 EXERCÍCIOS