Introdução ao Concreto Estrutural. O concreto simples é associado a armaduras originando o concreto estrutural.

Transcrição

1 Introdução ao Concreto Estrutural 1) Materiais de construção Diversos são os materiais utilizados nas construções: concreto estrutural, alvenaria de tijolos e blocos, aço, alumínio, madeira, etc. O concreto estrutural pode ser de concreto armado (CA) e de concreto protendido (CP). ) Concreto Trata-se de material composto, preparado por ocasião de sua aplicação. É constituído por uma mistura de um aglomerante hidráulico com materiais inertes e água. Apresenta vantagens diversas como moldabilidade (concretado sobre formas), durabilidade, facilidade executiva (mão de obra normal) e baixo custo. O concreto simples é composto de cimento pasta agua argamassa concreto simples agregado miudo agregado graudo O concreto simples é associado a armaduras originando o concreto estrutural. concreto simples concreto armado ; armadura passiva concreto simples concreto protendido. armadura ativa A proporção entre os diversos componentes constitui o traço do concreto, por exemplo, traço 1::3 (cimento:areia:pedra). O fator água/cimento (a/c) constitui parâmetro de grande importância para o concreto pois influi diretamente na sua resistência. A fluidez é caracterizada pelo abatimento do tronco de cone padronizado. Podem ser acrescentados aditivos diversos para acentuar características específicas: acelerador de pega, super fluidificante (ou super plastificante), etc. Os principais tipos de concreto são: Concreto massa: concreto convencional, preparado in loco ou em centrais de dosagem, de média fluidez, utilizado na maioria das estruturas de concreto. Necessita de adensamento mecânico com vibradores de imersão. Concreto projetado: concreto preparado in loco aplicado em muros de arrimo ou sistemas de contenção de tuneis. Concreto auto adensável: concreto preparado em centrais de dosagem, possui elevada fluidez, portanto, dispensa qualquer tipo de adensamento mecânico. Concreto compactado a rolo: concreto de baixa relação água/cimento usado em grandes concretagens tais como barragens de gravidade. 1

2 .1. Cimento Os tipos de cimento são: CP - cimento Portland (NBR 573:1991); ex.: CP 5, CP 3, CP 40; AF - de alto forno (NBR 5735:1991); ex.: AF 5, AF 3; POZ - pozolânico (NBR 5736:1991). ARI - alta resistência inicial (NBR 5733:1991); É usual o emprego do cimento Portland... Agregados (NBR 711:009 Agregados para Concreto - Especificação) Podem ser de origem natural (areia e pedregulho) ou artificial (pedrisco e pedra britada). Consideram-se: agregado miúdo: quando é retido menos do que 5% do total na peneira com malha de abertura de 4,8mm; agregado graúdo: quando passa menos do que 5% do total na peneira com malha de abertura de 4,8mm. A pedra britada é classificada pelo seu diâmetro máximo nominal. Normalmente, são utilizadas as britas 1 e. Assim, tem-se: brita diâmetro nominal (mm) 0 4,8 a 9,5 1 9,5 a a a a a Caraterísticas principais do concreto simples Boa resistência a compressão, fc (resistência à compressão do concreto), normalmente, variando entre 10 MPa (1 kn/cm ) e 40 MPa (4 kn/cm ). Por exemplo, uma barra curta comprimida de seção quadrada de 0 cm de lado resistiria a 0 x 0 x 1,0 = 400 kn ( 40 tf = kgf), equivalente ao peso de mais de 40 veículos de passeio. Os valores de resistência à compressão do material são obtidos a partir de um ensaio de compressão axial em corpos-de-prova (CP) cilíndricos conforme ilustram as figuras abaixo (NBR 5739:007).

3 Figura 1 Ensaio de compressão axial. A determinação da resistência característica (fck) do concreto é feita através de tratamento estatístico dos resultados dos ensaios realizados em um número suficiente de corpos de prova (CP), definido através da NBR 5739:007. Os resultados dos ensaios obedecem aproximadamente a uma curva normal de distribuição de freqüências ou Curva de Gauss, com as abcissas representando os valores da resistência do corpo-de-prova correspondentes a uma freqüência, marcada nas ordenadas, como pode ser visualizado na Figura. f r = F n, onde F = Frequência absoluta n = número de ensaios (CP) f cm = resistência à compressão do concreto = f ci n f ci = resistência do CP de ordem i Figura Distribuição de probabilidades de Gauss. Através desta curva, encontramos a resistência característica do concreto (fck), considerada como sendo o valor que tem 95% de probabilidade de ser igualado ou superado. Matematicamente, através da curva de Gauss temos que: fck = fcm 1,65.s s = desvio padrão (medida de dispersão da amostra e indicador da qualidade do concreto). 3

4 s = n i=1 (f ci f cm ) n 1 Quando não possuímos os dados dos ensaios, apenas o valor de fcm, o desvio padrão pode ser arbitrado através de recomendações da Norma, variando de 4 MPa até 7 MPa, como segue: 4 MPa: Utilizado quando houver um tecnologista a serviço da obra, e todos os materiais forem medidos em peso; 5,5 MPa: Utilizado quando houver um tecnologista a serviço da obra, o cimento for medido em peso, e os demais agregados em volume. Este volume deve ser corrigido em função da umidade, previamente determinada, assim como a quantidade de água; 7 MPa: Utilizado quando o cimento for medido em peso e os demais agregados em volume, sendo apenas a quantidade de água corrigida em função de um valor de umidade estimado. A NBR 1655:015 - Concreto de cimento Portland - Preparo, controle e recebimento Procedimento, apresenta a metodologia de obtenção da resistência à compressão característica do concreto segundo critérios de amostragem parcial ou total dos lotes do material. Baixa resistência a tração, fct (tensão normal de ruptura a tração), da ordem de fc/10. Esta baixa resistência a tração torna o concreto simples inadequado para peças sujeitas a flexão. De fato, considere-se uma viga de 4 m de vão ( = 4 m) sujeito a uma carga uniformemente distribuída p cujo valor máximo será determinado; concreto de resistências fc = 10 MPa e fct = 1 MPa; e de seção retangular de dimensões usuais de 0 cm por 30 cm. p M = 4,0 m h M b Figura 3 Viga submetida à flexão simples. A seção mais solicitada à flexão é a do meio do vão. Tem-se: M p 8. A carga máxima resulta da condição M W f ct ; onde W bh 6. (W = módulo de rigidez da seção transversal) Substituindo, tem-se: 4

5 4bh 4 p fct , 1 0, 015kN / cm ou p 15, kn / m 015, tf / m 150kgf / m. O peso específico do concreto é da ordem de 5 kn/m 3 = 5 x 10-6 kn/cm 3. Assim, o peso próprio da viga, por cm de extensão, é dado por: 6 6 g ( 5 10 ) bh ( 5 10 ) , 015kN / cm. Pode-se concluir, neste exemplo, que só o peso da viga já pode provocar a ruptura da seção por tração. Dessa forma, a viga não teria utilidade prática por não apresentar reserva de resistência para suportar carga útil adicional. Esta deficiência do concreto, por causa de sua baixa resistência à tração, é contornada através de sua associação com armaduras; resulta, assim, o concreto estrutural. A resistência à tração do concreto pode ser obtida através dos métodos expostos abaixo. Ensaio de Tração na Flexão (NBR 114:010) Esse ensaio é feito com a utilização de um corpo-de-prova prismático, com seção transversal de 15 cm x 15 cm e comprimento de 75 cm, que é submetido à aplicação de carga transversal nos terços médios entre os apoios, conforme Figura 3. P P L/3 L/3 L/3 Figura 4 Ensaio de tração na flexão. M r = P. L 3 σ r = M r. y máx I = f ct,f 5

6 onde f ct,f é a resistência do concreto à tração na flexão. A NBR 6118:014 estabelece que: f ct = 0,7. f ct,f Ensaio de Compressão Diametral Ensaio mais utilizado para a determinação da resistência à tração do concreto, é também chamado na literatura internacional de Ensaio Brasileiro, por ter sido idealizado pelo pesquisador brasileiro Fernando Lobo Carneiro. Este ensaio consiste na aplicação de um carregamento em duas arestas diametralmente opostas de um corpo de prova cilíndrico de 15cm de diâmetro por 30 cm de altura, conforme mostrado na Figura 5a. Devido à aplicação desta carga de compressão, surgem tensões de tração praticamente constantes na direção perpendicular ao carregamento (Figura 5b). a) b) Figura 5 Ensaio de compressão diametral. Caso as tensões de tração fossem constantes ao longo do diâmetro do CP: σ t =. F π. d. L Em razão do aparecimento de tensões de compressão é feita a seguinte correção: σ t = 0,55. F d. L = f ct,sp onde f ct,sp é a resistência do concreto à tração indireta. A NBR 6118:014 estabelece que: f ct = 0,9. f ct,sp 6

7 Resistência à Tração Média (MPa) Introdução ao Concreto Estrutural Fórmulas Empíricas da NBR 6118:014 Na falta dos ensaios descritos acima pode ser avaliado o seu valor médio ou característico de resistência à tração por meio das equações seguintes: Para concretos de classes até C50: f ct,m = 0,3. f ck /3 Para concretos de classes C55 até C90: f ct,m =,1. ln(1 + 0,11. f ck ) f ctk,inf = 0,7. f ct,m f ctk,sup = 1,3. f ct,m Onde: fck e fct,m são dados em MPa. A Figura 06 ilustra o comportamento da evolução da resistência à tração média para concretos convencionais (C0 a C50) e concretos de alto desempenho (C55 a C90) C55 a C90 C0 a C Resistência à Compressão Característica (MPa) Figura 6 Evolução da resistência média à tração para diversos tipos de concreto. Módulo de elasticidade Ec = (5 GPa a 47 GPa) segundo a NBR 6118:014. 7

8 O Módulo de elasticidade (Ec) é a relação entre a tensão atuante e a deformação longitudinal resultante desta tensão. Por esta definição, temos que seu valor em um determinado ponto M (Figura 7), deve ser dado por: E cm = tgφ M Figura 7 Curva tensão deformação do concreto (NBR 85:008) Segundo a NBR 6118:014 quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto usado na idade de 8 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade usando a expressão: E ci = α E f ck para as classes de C-0 a C-50. E ci = 1, α E. ( f ck ,5) 1/3 para as classes de C-55 a C-90. sendo Eci o módulo de elasticidade ou módulo de deformação inicial do concreto (fck e Eci em MPa). Os valores de α E levam em consideração a natureza do agregado graúdo, recebendo os seguintes valores: α E = 1, para basalto e diabásio α E = 1,0 para granito e gnaisse α E = 0,9 para calcário α E = 0,7 para arenito O módulo de elasticidade secante a ser utilizado nas análises elásticas de projeto, especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço, deve ser calculado pela expressão: E cs = α i. E ci α i = 0,8 + 0,. f ck 80 1,0 sendo Ecs o módulo de elasticidade secante do concreto. 8

9 Coeficiente de Poisson e Módulo de Elasticidade Transversal Para tensões de compressão menores que 0,5 fc e tensões de tração menores que fct, o coeficiente de Poisson ν (relação entre as deformações transversais e longitudinais) pode ser tomado como igual a 0, e o módulo de elasticidade transversal G c igual a E cs /,4. Coeficiente de dilatação térmica o C t Os efeitos da variação de temperatura são importantes. Chegam a exigir a utilização de juntas de dilatação. Considere-se uma variação de temperatura T = 15 o C, usualmente admitida no projeto de estruturas; tem-se a seguinte deformação: ( T ) t t 5 3 t t T , , 15mm / m. Se esta deformação for impedida, as tensões normais correspondentes seriam da ordem de 3 E 0000( 0, 1510 ) 3MPa. t c t Tensões desta ordem, quando de tração (queda de temperatura com deformação impedida), podem levar a peça à ruptura por tração. Por outro lado, a força normal resultante, dada por (t Ac) seria muito grande [por exemplo, para uma seção retangular de 0 cm por 30 cm, Nt = t Ac = ( ). 0,.0,3 = 180 kn 18 tf = kgf]. Estes problemas são atenuados através de juntas de dilatação e, de apoios com vínculos criteriosamente definidos. Estas juntas reduzem os comprimentos dos trechos contínuos e, consequentemente, os deslocamentos impostos aos seus apoios. Estes por sua vez são projetados de modo a reduzir o impedimento à deformação livre da estrutura. Para se ter uma ideia da distância entre essas juntas, imagine-se a deformação axial livre com variação das aberturas limitadas a cerca de 5 mm. Resultaria, então, distâncias da ordem de 5 t 5mm 33333, 3mm 33m. 3 0, 1510 A Figura 8 ilustra alguns exemplos de juntas em edificações. a) Junta de dilatação na Santa b) Junta de dilatação em ponte de concreto armado Casa de Araçatuba/SP na Linha Amarela (Rio de Janeiro/RJ) Figura 8 Exemplos de juntas de dilatação em edificações. 9

10 Retração do concreto Em ambiente normal, o concreto sofre diminuição de volume no decorrer do tempo, independente de qualquer solicitação. Este fenômeno é denominado retração do concreto e depende de vários fatores: umidade do meio ambiente, espessura das peças, etc. Em peças livres alongadas, resulta em deformação de encurtamento, com valor assintótico no tempo infinito, da ordem de s = ( shrinkage ). Costuma-se relacionar este encurtamento com uma variação (queda) equivalente de temperatura; obtém-se T s s t o 15 C. No cálculo das estruturas, esta variação equivalente de temperatura deve ser adicionada à variação de temperatura propriamente dita. Em casos de queda de temperatura, poder-se-ia chegar a um efeito global da ordem de (-30 o C). Fluência do concreto O concreto quando solicitado permanentemente, apresenta um incremento adicional de deformação (cc) ao longo do tempo. Este fenômeno é conhecido por fluência do concreto ( creep ). Normalmente, admite-se que esta deformação seja proporcional à deformação imediata ou inicial, co. cc = co onde,, denominado coeficiente de fluência, é crescente assintoticamente para valores da ordem de a 3 no tempo infinito ( = a 3). Este coeficiente é função de vários fatores: umidade do meio ambiente, tipo de cimento, espessuras das peças, etc. Portanto, em cada instante, a deformação total é dada por = co + cc = co (1 + ) chegando-se a até quadruplicar a deformação inicial..4. O concreto estrutural Uma das características do concreto simples é a sua baixa resistência à tração. Ela inviabiliza o seu uso em certas peças, como nos tirantes e nas vigas. Para contornar esta deficiência, surge a ideia de associar o concreto simples ao aço, que apresenta ótima resistência à tração. Este aço constitui a armadura do material composto, concreto estrutural. Esta associação é obtida moldando-se o concreto com a armadura adequadamente posicionada na peça. A ligação dos materiais (trabalho conjunto) é garantida pela aderência entre o concreto e a armadura. Em princípio, o alinhamento das barras que compõem a armadura deve seguir a trajetória das tensões principais de tração. Assim, ao ocorrer a ruptura do concreto da zona tracionada da seção, a armadura tem condições de costurar as partes resultantes, restando apenas uma fissura como registro desta ruptura. Pode-se, assim, garantir a capacidade portante do elemento estrutural à custa da armadura com a presença de fissuras (fissuração). 10

11 Quando é utilizada na composição da peça a armadura livre de solicitações iniciais, tem-se o concreto armado. Caso, contrário, isto é, quando a armadura é aplicada já com certo estiramento inicial, tem-se o concreto protendido Concreto armado Para a viabilização do concreto armado concorrem três fatores: Aderência entre o concreto e a armadura. Este fator é muito importante pois permite a mobilização da armadura imersa na massa de concreto. Em geral, são aplicadas mossas e saliências tornando a conformação superficial da barra apropriada para garantir a aderência. As vigas adequadamente projetadas apresentam, junto à borda tracionada, fissuras discretas de pequena abertura que introduzem aí um comportamento singular. Contudo, observa-se o estabelecimento de um panorama de fissuração estabilizado com um comportamento, também, estabilizado. Isto permite, do ponto de vista macroscópico, admitir que a aderência possa ser considerada perfeita, sem escorregamento aparente entre os materiais. Esta consideração constitui uma das hipóteses básicas da teoria de solicitações normais no concreto armado. A Figura 9 ilustra acidente estrutural cometido em razão da não aderência entre o aço e o concreto envolvente. Figura 9 Acidente ocorrido em 1971 no pavilhão da Gameleira na cidade de Belo Horizonte/MG. Proteção da armadura pelo concreto. A armadura é protegida pelo concreto que a envolve, atenuando o efeito de sua corrosão. As fissuras de pequena abertura, praticamente, não afetam a corrosão. Daí, a importância em se garantir a presença de fissuras de pequena abertura e o envolvimento eficiente das armaduras. Procura-se atender estas necessidades através da observância de aberturas limites para as fissuras e, de um cobrimento mínimo das armaduras, valores estes determinados experimentalmente. A Figura 10 ilustra alguns exemplos de corrosão em estruturas de concreto armado. 11

12 a) Corrosão em pilares na Santa Casa de Araçatuba/SP. b) Corrosão em viga e laje de concreto armado. Figura 10 Exemplos de corrosão em estruturas de concreto armado. Coeficientes de dilatação térmica de valores próximos. Os elementos estruturais estão sujeitos a variação de temperatura. O concreto e o aço que constituem o concreto estrutural, tendem a apresentar deformações, dadas pelo produto da variação de temperatura (T) pelos respectivos coeficientes de dilatação térmica. Estas deformações poderiam provocar o aparecimento de tensões internas, eventualmente, destruindo a ligação entre o concreto e o aço, ou seja, eliminado a aderência, de fundamental importância para o concreto armado. Felizmente, este problema é praticamente eliminado pelo fato dos coeficientes de dilatação dos dois materiais apresentarem valores muito próximos entre si. Referências Bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto: procedimento. Rio de Janeiro, p.. NBR 1655: Concreto de cimento Portland - Preparo, controle, recebimento e aceitação - Procedimento. Rio de Janeiro, p.. NBR 5735: Cimento Portland de alto-forno. Rio de Janeiro, p.. NBR 573: Cimento Portland comum. Rio de Janeiro, p.. NBR 5733: Cimento Portland de alta resistência inicial. Rio de Janeiro, p. 1

13 . NBR 711: Agregados para concreto - Especificação. Rio de Janeiro, p.. NBR 114: Concreto - Determinação da resistência à tração na flexão de corpos de prova prismáticos. Rio de Janeiro, p.. NBR 5739: Concreto - Ensaios de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, p. 13