ANÁLISE COMPARATIVA DA EFICÁCIA DE DOIS TIPOS DE FIBRAS DE AÇO NO REFORÇO DE ELEMENTOS DE BETÃO

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1 ANÁISE COMPARATIVA DA EICÁCIA DE DOIS TIPOS DE IBRAS DE AÇO NO REORÇO DE EEMENTOS DE BETÃO J. A. O. Barros Pro. Auxiliar Dep. Engª Civil Escola de Engª Universidade do Minho Guimarães J. A. B. Antunes Aluno de Mestrado Dep. Engª Civil Escola de Engª Universidade do Minho Guimarães J. A.S.B.A. Amorim Aluno de Mestrado Dep. Engª Civil Escola de Engª Universidade do Minho Guimarães H. M.R. ernandes Aluno de Mestrado Dep. Engª Civil Escola de Engª Universidade do Minho Guimarães SUMÁRIO Duas extensas campanhas de ensaios experimentais oram eectuadas no sentido de se avaliar o desempenho de dois tipos de ibras de aço no comportamento à lexão e à compressão de betões de custo competitivo reorçados com ibras de aço para pavimentos de ediícios industriais. Os resultados obtidos são apresentados e analisados. 1. INTRODUÇÃO Durante os últimos três anos o Comité Internacional TC 16-TD nomeado pela RIEM tem vindo a trabalhar no sentido de estabelecer regras e procedimentos de caracterização do betão reorçado com ibras de aço (BRA). Com base nos ensaios propostos, aquele grupo recomenda a determinação de alguns parâmetros representativos da ductilidade introduzida pelas ibras quando adicionadas ao betão [1]. Pretende-se que estes parâmetros sejam utilizados no dimensionamento de peças de BRA, sob o ormato do Código Modelo CEB-IP 1993 []. Duas campanhas de ensaios de lexão oram eectuadas segundo as recomendações da RIEM. Em cada campanha utilizou-se um tipo distinto de ibra, tendo-se analisado a inluência da quantidade de ibras (Q), da percentagem de substituição de cimento por cinzas volantes (Cv) e a idade (Id) do betão. Nas duas campanhas utilizou-se um betão de composição optimizada para aplicação em pavimentos de ediícios industriais. Neste trabalho seleccionaram-se os resultados obtidos em provetes com 8 dias de idade, tendo-se comparado o desempenho dos dois tipos de ibras em termos dos parâmetros que representam a ductilidade introduzida pela adição de ibras ao betão.

2 . MATERAIS E SISTEMA DE ENSAIO A investigação em curso oi iniciada com o desenvolvimento de um BRA de custo competitivo, com propriedades apropriadas para pavimentos de ediícios industriais, cumprindo as seguintes condições: resistência característica à compressão superior a 5 MPa aos 8 dias; quantidade de ligante (cimento + cinzas volantes) igual a 3 kg/m 3 ; abaixamento (slump) superior a 15 cm; recurso a agregados disponíveis na região Norte do País. oram utilizados dois tipos de ibras de aço Dramix, comercialmente designadas, uma por RC-8/6-BN e outra por RC-65/6-BN [3]. A ibra RC-8/6-BN tem 6 mm de comprimento (l ),.75 mm de diâmetro (d ) e 8 de esbelteza (l /d ), tendo-se realizado amassaduras com, 1, e 3 kg/m 3 com este tipo de ibras. A ibra RC-65/6-BN tem 6 mm de comprimento,.9 mm de diâmetro e 65 de esbelteza, tendo-se realizado amassaduras com, 15, 5 e 35 e 45 kg/m 3 com este tipo de ibras. Ambas as ibras apresentam uma tensão de cedência da ordem dos 11 MPa. A concepção das composições está descrita em outro trabalho [4]. Nas iguras 1 e representa-se a geometria, carregamento e disposição do transdutor de deslocamentos (VDT) e de abertura de enda ( clip-gauge ). As características quer da estrutura de reacção utilizada nos ensaios, quer dos aparelhos que registaram os deslocamentos e as orças, estão descritas em outro trabalho [5]. A Apoio Sistema de carregamento VDT 75mm 75mm 15mm clipe-gauge Apoio igura 1 Esquema de suporte e de aplicação da carga. 5mm 5mm 5mm 5mm 55mm A igura Disposição dos sistemas de leitura. 15mm Secção A-A Na igura 3 apresenta-se uma resposta típica que se obtém neste ensaio. Com base na relação orça-lecha determinam-se quatros parâmetros: dois designados de resistências equivalentes à lexão, eq, e eq,3, os quais estão relacionadas com a capacidade de absorção de energia DBZ 3 DBZ, e, proporcionada pelo reorço das ibras [5]; os outros dois designam-se de resistências residuais em lexão, R1 e R4, representando a tensão para a lecha de δ R,1 =.46 mm e δ R,4 =3. mm, respectivamente. As expressões que permitem determinar eq,, eq,3, R1 e R4 estão incluídas na igura 3. Em algumas das expressões propostas no Código Modelo CEB-IP 1993 para veriicação aos estados limites de utilização e últimos, o grupo TC 16-TD introduziu a contribuição das ibras por intermédio dos parâmetros eq, e eq,3. Na última reunião desse grupo, que se realizou em Bochum, Alemanha, oi incentivada a realização de pesquisa no sentido de se relacionar eq, com R1 e eq,3 com R4, por orma a veriicar a possibilidade das tensões residuais poderem vir a substituir as tensões equivalentes. A razão prende-se com o acto de R1 e R4 terem a vantagem de inormar acerca da orma da relação orça-lecha após o pico de carga, i.e., quando os mecanismos de reorço das ibras são activados, enquanto eq, e eq,3 apenas traduzem a maior ou menor capacidade de absorção do compósito até determinada lecha.

3 [kn] R,1 b área D BZ área D BZ, [kn] b área D BZ 3 DBZ, 3 DBZ,3 eq, =.5 bh área D eq,3 = BZ,3.5 bhsp sp 3 R,4 3 R,1 R,4 = R,1 = bh sp bhsp R,4.3 R,1.35 [mm] 3 R,4 [mm].3.35 a) b) igura 3 Resistência equivalente à lexão a) eq, b) eq,3 (δ =.5 mm). 3. DISTRIBUIÇÃO DAS IBRAS NA SECÇÃO DE RACTURA Excluindo as aplicações que induzem orientações preerenciais das ibras (p.ex. betão projectado), a proposta do TC 16-TD [1] recomenda que a direcção do carregamento no ensaio de lexão seja ortogonal à direcção de betonagem do provete (ver ig. 4). Dado que o betão desenvolvido no âmbito do presente projecto de investigação tem elevada luidez (abaixamento superior a 15 mm), poderá ocorrer alguma segregação de ibras durante o processo de vibração do provete, na ase da sua conecção. Esta segregação poderá induzir abertura não uniorme da enda na superície de ractura, aumentado os riscos de ocorrência de instabilidades durante os ensaios. Para avaliar este eeito, a secção de ractura do provete oi discretizada em 4 linhas e 5 s, constituindo células (ver ig. 4). Em todos os provetes oram contadas as ibras detectadas nestas células, segundo o critério descrito em [4], estando na ig. 5 indicados os resultados obtidos (em ordenadas estão representadas as s que discretizam a secção de ractura do provete). Da análise desta igura pode-se veriicar que, para os dois tipos de ibras, ocorreu um aumento da concentração de ibras no sentido da betonagem, justiicando o acto de, em alguns provetes, se ter observado desenvolvimento não uniorme da superície de ractura [4,5]. Direcção de betonagem ªin. ªin. 3ªin. 4ªin. Direcção de carregamento Entalhe ªCol. ªCol. 3ªCol. 4ªCol. 5ªCol Entalhe Direcção de betonagem [mm] Direcção de betonagem 5ª 4ª 3ª ª 1ª y =.47x x R =.988 y = -.35x x R = % de ibras 65/6 Series1 8/6 Series1 Poly. (Series1) Poly. (Series1) igura 4 Discretização da secção de ractura dos provetes para avaliação da distribuição das ibras. igura 5 Distribuição das ibras pelas s que discretizam a secção de ractura.

4 4. INUÊNCIA DA QUANTIDADE DE IBRAS E DA PERCENTAGEM DE SUBSTITUIÇÃO DE CIMENTO POR CINZAS VOANTES 4.1 Introdução Nesta secção os resultados obtidos são apresentados de orma a avaliar-se a inluência da quantidade de ibras(q) na resposta deormacional dos provetes, nas resistências equivalentes dois e três ( eq, e eq,3 ) e na resistência à compressão. oram eectuados ensaios em provetes com 7, 8 e 9 dias de idade. Contudo, por limitação de espaço, neste trabalho apenas se ará reerência aos provetes ensaiados aos 8 dias de idade. 4. Respostas deormacionais Na igura 6 apresentam-se as respostas orça-lecha para as três percentagens de substituição de cimento por Cv. Cada série tem a designação XX/YYQZZ em que signiica ibra, XX/YY o tipo de ibra (8/6 ou 65/6) e ZZ a quantidade de ibras em kg/m 3 de betão. Nos gráicos ainda aparecem as siglas CvAA e IdBB em que AA é a quantidade de substituição de cimento por Cv e BB a idade. Cada gráico inclui as respostas médias observadas em três provetes, registadas nas séries com os dois tipos de ibras estudados. A resposta genérica é caracterizada por um ramo linear até à ocorrência da endilhação, que coincide praticamente com a carga de pico. Após esta, ocorre uma queda de carga, tão mais signiicativa quanto menor or a quantidade de ibras na secção de ractura do provete, principalmente na camada acima do entalhe (1ª linha, ver ig. 1). Em algumas respostas durante a ase de amolecimento surge um ramo de endurecimento, i.e., um aumento da tensão residual com a lecha, enómeno que está associado com a distribuição de ibras na secção de ractura [4]. Da análise dos gráicos da ig. 6 constata-se que: algumas séries desenvolveram resistências residuais (orças resistentes pós-pico) similares ou mesmo superiores aos registados em outras séries, apesar de nestas últimas o número de ibras na secção de ractura ter sido maior. Por exemplo, nas composições sem Cv as séries 65/6Q15 e 8/6Q apresentaram resistências residuais semelhantes apesar de nesta última série o número de ibras na secção de ractura ter sido signiicativamente superior (43) ao registado na série 65/6Q15 (7 ibras). Situação análoga ocorreu entre as séries 65/6Q15 (8 ibras) e 8/6Q (36 ibras) e entre as séries 65/6Q5 (56 ibras) e 8/6Q3 (75 ibras) nas composições com 1.5% de substituição de cimento por Cv; a resistência residual das séries 65/6Q45 oi signiicativamente superior à das restantes séries devido ao acto de o número de ibras na secção de ractura dos provetes dessas séries ser consideravelmente superior. Da análise das curvas relativas às composições sem Cv podem-se extrair as seguintes observações: acima de aproximadamente 1 mm de lecha a série reorçada com 5 kg/m 3 de ibras 65/6 (65/6Q5) apresenta resistência residual mais elevada do que a série reorçada com 35 kg/m 3 desta ibra (65/6Q35). Tal ocorrência deve estar relacionada com o acto de na ª e 3ª linhas de células da secção de ractura (ver ig. 4) a percentagem de ibras nos provetes da série 65/6Q5 ter sido superior à dos provetes da série 65/6Q35. No entanto, entre a carga de pico e a lecha de 1 mm a resistência residual é maior nos provetes

5 65/6Q35, dado existir maior percentagem de ibras na 1ª linha da secção de ractura. Estas duas séries desenvolveram um comportamento similar à série reorçada com 3 kg/m 3 de ibras 8/6 (8/6Q3) dado que nesta última o número de ibras na secção de ractura é apenas ligeiramente superior (7 ibras) à das outras duas séries (6 e 68); Na série 65/6Q45 regista-se um ramo de endurecimento, com desenvolvimento signiicativo entre o início da endilhação e a carga máxima, devido à maior percentagem de ibras na 1ª linha da secção de ractura. Da análise das curvas relativas às composições com 1.5% de substituição de cimento por Cv veriica-se que as séries 65/6Q5 e 65/6Q35 tiveram um comportamento muito semelhante, dado que o número de ibras na secção de ractura oi idêntico (56 e 58, respectivamente); Da análise das curvas relativas às composições com 5% de substituição de cimento por Cv constata-se que a ductilidade é proporcional ao número de ibras encontrado na secção de ractura (8/6Q1=1, 65/6Q15=5, 65/6Q5=47, 8/6Q=51, 65/6Q35=53, 8/6Q3=84, 65/6Q45=87). Acima de aproximadamente 1 mm de lecha, a série 65/6Q15 apresenta um aumento de tensão residual devido ao acto da percentagem de ibras ser superior nas três últimas camadas da secção de ractura (ª, 3ª e 4ª linhas ver ig. 4). 4.3 Resistência média à compressão Na ig. 7 inclui-se a variação da resistência média à compressão com a variação da quantidade de ibras, para as três percentagens de substituição de cimento por Cv. Constata-se que, exceptuando os provetes reorçados com 3 kg/m 3 de ibras 8/6, as restantes séries apresentaram níveis similares de resistência, indicando que a quantidade e o tipo de ibras não inluência signiicativamente a resistência à compressão do BRA. A justiicação relativa ao comportamento anómalo registado na série reorçada com 3 kg/m 3 de ibras 8/6 está descrita em outro trabalho [4]. Na tabela 1 apresentam-se os valores da resistência média, desvio padrão e coeiciente de variação das séries ensaiadas aos 8 dias. Da análise dos resultados veriica-se que até 1.5% de substituição de cimento por Cv a variação da resistência média é marginal, descendo de aproximadamente 1% quando essa substituição é de 5%, revelando que a estratégia de reduzir a quantidade de água com o aumento da percentagem de substituição de cimento por Cv oi correcta, já que permitiu assegurar níveis similares de resistência e de trabalhabilidade. Tabela 1 Resistência média à compressão, desvio padrão e coeiciente de variação em provetes com 8 dias de idade. Cv [%] 8/6* 65/6 cm [MPa] s pm [MPa] Coe. Var cm [MPa] s pm [MPa] Coe. Var * - não contêm os dados relativos à série 8/6Q3

6 orça média [kn] orça média [kn] orça média [kn] CvId8 65/6Q45 65/6Q5 8/6Q3 65/6Q35 65/6Q15 8/6Q 8/6Q1 Q lecha a meio vão [mm] Cv1,5Id8 (a) (b) Q 65/6Q45 8/6Q3 65/6Q5 65/6Q35 8/6Q 65/6Q15 8/6Q lecha a meio vão [mm] Cv5Id8 65/6Q45 Q (c) lecha a meio vão [mm] 8/6Q3 65/6Q35 8/6Q 65/6Q5 65/6Q15 8/6Q1 igura 6 Relações orça-lecha em provetes com % (a), 1.5% (b) e 5% (c) de Cv. 4.4 Resistências equivalentes c,m (MPa) c,m (MPa) c,m (MPa) CvId8 65/6 1 8/ Q (kg/m 3 ) 6 5 Cv1,5Id /6 1 8/ Q (kg/m 3 ) 6 Cv5Id /6 1 8/ Q (kg/m 3 ) igura 7 Resistência média à compressão versus quantidade de ibras em provetes com % (a), 1.5% (b) e 5% (c) de Cv. As igs. 8 e 9 representam a variação dos valores médios das resistências equivalentes ( eqm, e eqm,3 ) com a quantidade de ibras, donde se veriica que até 1.5% de substituição de cimento por Cv a ibra 65/6 garante eqm, e eqm,3 mais elevados que a ibra 8/6. Acima desta percentagem de Cv a situação inverte-se, sendo a ibra 8/6 a assegurar valores mais elevados. Para se explicar este comportamento vai-se admitir que na secção de ractura o comprimento médio de aderência ( b ) de ambas as ibras é igual (ver ig. 1) e que a tensão que se desenvolve na interace entre a superície da ibra e a matriz envolvente (τ) é independente do tipo de ibra, o que é aceitável dado tratar-se de ibras com iguais propriedades materiais e de superície. Considerando o equilíbrio de uma ibra durante o seu arranque (ver igura 1) constata-se que a orça de arranque de todas as ibras existentes na superície de ractura do provete depende do diâmetro da ibra (d ) e do número de ibras (n ) nesta superície. Os valores do produto destes dois últimos parâmetros (d n ), que se designa por parâmetro de reorço, estão incluídos na tabela, para as quantidades de ibras consideradas neste trabalho. Para quantidades intermédias às analisadas para uma mesma série (Q=15, 5, 35 e 45 kg/m 3 para as ibras 8/6, e Q=1, e 3 kg/m 3 para as ibras 65/6) o número de ibras oi determinado com base em expressões que oram obtidas por intermédio de regressão linear. Da análise dos resultados aectos às séries com (a) (b) (c)

7 % de Cv veriica-se que a ibra 65/6 apresenta maiores valores de parâmetro de reorço, praticamente para todas as Q consideradas. Nas séries com 1.5% de Cv o parâmetro de reorço é maior na ibra 65/6 até Q 7 kg/m 3 de ibras. Acima deste valor, o parâmetro de reorço é maior na ibra 8/6. Nas séries com 5% de Cv o parâmetro de reorço é maior na ibra 8/6. Esta análise justiica o ormato das curvas representadas nas igs. 8 e 9. O aumento do número de ibras 8/6 na secção de ractura com o aumento da percentagem de substituição de cimento por Cv não está ainda devidamente interpretado. eqm, (kpa) eqm, (kpa) 7 6 CvId /6 1 8/ (a) Q (kg/m 3 ) 7 6 Cv1,5Id /6 1 8/ (b) Q (kg/m 3 ) eqm,3 (kpa) (a) eqm,3 (kpa) (b) 7 6 CvId /6 1 8/ Q (kg/m 3 ) 7 6 Cv1,5Id /6 1 8/ Q (kg/m 3 ) eqm, (kpa) (c) Cv5Id8 65/6 1 8/ Q (kg/m 3 ) igura 8 eq, versus quantidade de ibras em provetes com % (a), 1.5% (b) e 5% (c) de Cv. eqm,3 (kpa) (c) Cv5Id8 65/6 1 8/ Q (kg/m 3 ) igura 9 eq,3 versus quantidade de ibras em provetes com % (a), 1.5% (b) e 5% (c) de Cv. Tab. : Número médio de ibras na secção de ractura das séries ensaiadas. Q Percentagem de substituição de cimento por Cv [kg/m 3 ] /6 65/6 8/6 65/6 8/6 65/6 n n d n n d n n d n n d n n d n n d * 19 6 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * - valor determinado através de regressão linear com R 1 ig. 1: orça de arranque. τ b = π d = = d π τ b n Secção de ractura ibra τ b n

8 5. RESISTÊNCIAS EQUIVAENTES VERSUS RESISTÊNCIAS RESIDUAIS Nas igs. 11 e 1 apresenta-se a relação entre eq, e R1, e entre eq,3 e R4 registadas nos provetes reorçados com ibras 8/6 e 65/6, respectivamente. Da análise destes resultados constata-se que, para ambas as ibras, existe uma boa correlação entre estes parâmetros. A correlação é melhor entre eq, e R1 do que entre eq,3 e R4, dado que para esta última é signiicativa a contribuição da energia dissipada sob elevada abertura de enda, i.e., na ase em que é marcante a inluência do comprimento de aderência da ibra e da sua orientação, que geralmente assumem grande dispersão. 6. 8/6 y =.871x +.45 R = /6 y =.916x R = R [Mpa] 4. y =.945x -.65 R =.948 R [MPa] 4. y =.8611x R = eq [MPa] eq, vs R,1 eq,3 vs R,4 inear (eq, vs R,1) inear (eq,3 vs R,4) igura 18 Correlação entre eq e R nas ibras 8/ eq [MPa] eq, vs R,1 eq,3 vs R,4 inear (eq, vs R,1) inear (eq,3 vs R,4) igura 19 Correlação entre eq e R nas ibras 65/6. 6. CONCUSÕES Neste trabalho as resistências equivalentes e as resistências residuais oram determinadas em séries de provetes de betão reorçados com dois tipos de ibras de aço. Os ensaios oram eectuados segundo as recomendações do TC 16-TD da RIEM, tendo-se avaliado a inluência, no comportamento em lexão, do tipo e da percentagem de ibras, do número e da distribuição de ibras na secção de ractura dos provetes, e da percentagem de substituição de cimento por cinzas volantes (Cv). A inluência do tipo e percentagem de ibras, e da percentagem de substituição de cimento por Cv na resistência à compressão uniaxial oi também avaliada. Dos resultados obtidos veriicou-se a ocorrência de um aumento da percentagem de ibras no sentido da betonagem, indicando que em amassaduras com abaixamento superior a 15 cm e aplicadas sob vibração ocorre segregação de ibras, pelo que o comportamentos do provete depende marcadamente da direcção de carregamento. A resposta deormacional de provetes de BRA depende não somente da quantidade teórica de ibras por unidade de volume de betão, mas também, e de orma especial, do número de ibras que atravessam a secção de ractura. A orma pós-pico da relação orça lecha depende signiicativamente da distribuição de ibras na secção de ractura. As ibras RC-65/6-BN asseguraram valores de resistências equivalentes superiores nas composições até 1.5% de substituição de cimento por Cv. Acima deste valor as ibras RC-8/6-BN oram mais eicazes em termos de assegurar maiores valores de resistências equivalentes. Existe uma elevada correlação linear (R >.9) entre as resistências equivalentes e as resistências residuais, sendo essa correlação mais elevada entre eq, e R1.

9 Dos ensaios de compressão veriicou-se que a resistência à compressão não depende nem do tipo nem da quantidade de ibra empregues. A resistência oi similar até 1.5% de substituição de cimento por Cv, diminuindo de aproximadamente 1% quanto esta percentagem passou para 5%. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o inanciamento concedido pela CT ao projecto Cost competitive steel ibre reinorced concrete or industrial pavements, com reerência POCTI/34793/99, à Pisonort pavimentos industriais, da, Secil e MBT, pelo ornecimento de materiais utilizados na conecção dos betões e à Civitest pela colaboração prestada ao nível de equipamento de laboratório. 8. REERÊNCIAS [1] RIEM TC 16 TD, Test and design methods or steel ibre reinorced concrete, Materials and Structures, Vol. 33, January-ebruary, p [] RIEM TC 16 TD, Test and design methods or steel ibre reinorced concrete, Materials and Structures, Vol. 33, March, p [3] Dramix - Product data sheet. N.V.Bekaert S.A., [4] - Barros, J.A.O., Antunes, J.A.B, Amorim, J.A.S.B.A., Inluência da quantidade de ibras, percentagem de cinzas volantes e idade no comportamento à lexão de betão reorçado com ibras de aço Dramix RC-8/6-BN, Dep. Engª Civil, Escola de Engª da Univ. Minho, Relatório - DEC/E-11, 87 pags., Julho. [5] - Barros, J.A.O., Antunes, J.A.B., Amorim, J.A.S.B.A., Eicácia de ibras discretas de aço no reorço à lexão de elementos de betão, Congresso Nacional da Engenharia de Estruturas, a realizar-se no NEC, isboa, pp. 83-9, de 1 a 13 de Julho de.