Introdução ao Concreto Estrutural

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1 Universidade de São Paulo Escola Politécnica - Engenharia Civil PEF - Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações PEF ESTRUTURAS DE CONCRETO I MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO Concreto Estrutural: armado e protendido, Alvenaria: tijolos e blocos, Aço, Alumínio, Madeira,... 1

2 CONCRETO material composto, preparado por ocasião de sua aplicação, mistura de um aglomerante hidráulico (cimento) com materiais inertes (agregados) e água, traço do concreto: proporção entre os diversos componentes, fator água/cimento (a/c): parâmetro importante para a resistência do concreto aditivos: acentuar características específicas, como acelerador de pega, super fluidificante, etc. argamassa cimento + água + agregado miúdo + agregado graúdo pasta Concreto Simples CIMENTOS Componentes básicos: cal (CaO), sílica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ) e óxido de ferro (Fe 2 O 3 ), os componentes básicos são sempre os mesmos, variando para cada tipo a proporção em que esses componentes comparecem. Cimento de endurecimento normal CP cimento Portland (NBR 5732): CP25, CP32, CP40; Cimentos de endurecimento lento AF cimento de alto forno (NBR 5735): AF25, AF32; POZ cimento pozolânico (NBR 5736): POZ25, POZ32; ARS cimento de alta resistência a sulfatos (NBR5737); MRS cimento de moderada resistência a sulfatos (NBR5737); Cimentos de endurecimento rápido ARI cimento de alta resistência inicial (NBR5733). 2

3 AGREGADOS podem ser de origem natural (areia e pedregulho) ou artificial (pedrisco e pedra britada) agregado miúdo: qdo é retido menos do que 5% do total na peneira com malha de abertura de 4.8 mm; agregado graúdo: qdo passa menos do que 5% do total na peneira com malha de abertura de 4.8 mm; PEDRA BRITADA é classificada pelo seu diâmetro máximo nominal, normalmente são utilizadas as britas 1 e 2. brita diâmetro nominal (mm) 0 4,8 a 9,5 1 9,5 a a a a a 100 CONCRETO SIMPLES (características principais) boa resistência a compressão f cc (tensão normal de ruptura a compressão) variando de 10 a 40 MPa. baixa resistência a tração f ct (tensão normal de ruptura a tração) da ordem de f cc /10. módulo de elasticidade E c = MPa a MPa, NBR 6118 E cs = 0,85 x 5.600(f ck ) 1/2 coeficiente de dilatação térmica α t = 10-5 o C -1 Os efeitos da variação térmica são importantes, havendo necessidade, muitas vezes, da utilização de juntas de dilatação. retração do concreto Diminuição de volume no decorrer do tempo, independente de qquer solicitação, em ambiente normal. Depende de vários fatores: umidade do meio ambiente, espessura das peças, etc. (ε s = -15x10-5 => T=-15 o C) fluência do concreto incremento adicional de deformação ao longo do tempo (ε cc ), qdo solicitado permanentemente. ε cc = ϕ. ε c0, ϕ = 2 a 3, ε = (1+ ϕ) ε c0 3

4 CONCRETO ESTRUTURAL baixa resistência à tração do concreto simples, inviabiliza o seu uso em peças como tirantes e vigas IDÉIA! associação do concreto simples com o aço (ótima resistência à tração) que constitui a armadura do material composto concreto estrutural ADERÊNCIA entre o concreto e a armadura garante a ligação dos materiais. COSTURA as armaduras devem seguir a trajetória das tensões principais de tração, ao ocorrer a ruptura do concreto da zona tracionada da seção, a armadura costura as partes resultantes, restando apenas uma fissura como registro desta ruptura. CONCRETO ESTRUTURAL 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 CONCRETO SIMPLES + ARMADURA PASSIVA CONCRETO PROTENDIDO CONCRETO SIMPLES + ARMADURA ATIVA 4

5 CONCRETO ARMADO Aderência entre o concreto e a armadura, permitindo a mobilização da armadura imersa na massa de concreto. Aderência Perfeita. Proteção da armadura pelo concreto, evitando a corrosão mesmo na presença de pequenas fissuras. Importância dos limites para as aberturas de fissuras e de cobrimentos adequados. Coeficientes de dilatação térmica os dois materiais apresentam valores muito próximos, evitando problemas relativos a diminuição, ou até mesmo a eliminação, da aderência entre os dois materiais. CONCRETO ARMADO VANTAGENS materiais econômicos e disponíveis com abundância; grande facilidade de moldagem, permitindo adoção das mais variadas formas; emprego extensivo de mão-de-obra não qualificada e equipamentos simples; elevada resistência à ação do fogo e ao desgaste mecânico; grande estabilidade sob a ação de intempéries, dispensando trabalhos de manutenção; aumento de resistência à ruptura com o tempo; facilidade e economia na construção de estruturas contínuas, sem juntas. 5

6 CONCRETO ARMADO DESVANTAGENS a maior desvantagem do concreto armado é a sua massa específica elevada (2,5 ton/m³), a utilização de agregados leves permite reduzir o peso do concreto em cerca de 40%, porém esses agregados não são geralmente disponíveis em condições competitivas. dificuldades para reformas ou demolições; baixa proteção térmica; necessidade de impermeabilização de coberturas e ou superfícies em contato permanente com água. CONCRETO PROTENDIDO Sendo concreto um material de propriedades tão diferentes à compressão e à tração, o seu comportamento pode ser melhorado aplicando-se uma compressão prévia (isto é, pré-tensão ou protensão) nas regiões onde as solicitações produzem tensões de tração. a protensão pode ser definida como um artifício de introduzir, numa estrutura, um estado prévio de tensões, de modo a melhorar sua resistência ou comportamento, sob a ação de diversas solicitações. a protensão do concreto é realizada, na prática, por meio de cabos de aço de alta resistência, tracionados e ancorados no próprio concreto. Sistemas de Protensão Sistemas de Protensão Pré-tracionado Pós-tracionado 6

7 CONCRETO PROTENDIDO Sistemas de Protensão - Pré-tracionado as armaduras de aço (1) são esticadas entre dois encontros (2), ficando ancoradas provisoriamente nos mesmos, o concreto (3) é colocado dentro das formas, envolvendo as armaduras, após o concreto haver atingido resistência suficiente, soltam-se as ancoragens dos encontros (2), transferindo-se a força para a viga, por aderência (4) entre o aço e o concreto. CONCRETO PROTENDIDO Sistemas de Protensão - Pós-tracionado o concreto (3) é moldado e deixado endurecer; cabos de aço (1) são colocados no interior das bainhas (2); podendo deslocar-se no interior da viga;, após o concreto haver atingido a resistência suficiente, os cabos são esticados pelas extremidades até atingir o alongamento desejado; os cabos são ancorados nas faces da viga com dispositivos mecânicos, aplicando um esforço de compressão no concreto. 7

8 NOTAÇÃO INTERNACIONAL Recomendações do CEB (Comité Européen du Béton) a letra principal deve ser escolhida conforme a tabela 1 que fornece o guia para a escolha do seu tipo; e as tabelas 2 a 5 que fornecem o seu significado; os índices mais comuns são indicados nas tabelas 6 a 8; algarismos podem ser usados como índices; pode haver mais de um índice (separados ou não por vírgulas) num mesmo símbolo; neste caso, o primeiro índice indica a situação e os índices seguintes a causa; não havendo possibilidade de confusão, índices podem ser omitidos, por exemplo: f ccd (resistência do concreto à compressão em valor de cálculo - design ) f cd ; convenciona-se o sinal (+) para a tração e o sinal (-) para a compressão. TABELA 1 Guia para a escolha do tipo da letra principal (CEB/72) Tipo de letra Maiúscula romana Minúscula romana Maiúscula grega Minúscula grega Significado Força cortante, força normal, carga concentrada, carga total, reação, momento Área, momento estático, momento de inércia Módulo de deformação, temperatura Momento por unidade de largura,força ou carga por unidade de comprimento Dimensões lineares Resistência Tempo, frequência, velocidade, aceleração Índices Expressões matemáticas Coeficientes e relações adimensionais Deformações Ângulos Densidade Tensões 8

9 TABELA 2 Significados das letras maiúsculas romanas (CEB/72) Letra A C E F G I K L M N P Q S T V W X Y Z Significado área momento de inércia à torção módulo de deformação ação (cargas e deformações impostas) módulo de deformação transversal; carga permanente momento de inércia coeficiente com dimensões pode ser usado como vão; comprimento de um elemento no lugar de l momento fletor esforço normal força de protensão carga variável momento estático; esforço solicitante momento de torção; temperatura esforço cortante carga de vento reações e forças em geral, paralelas ao eixo x reaçoes e forças em geral, paralelas ao eixo y reações e forças em geral, paralelas ao eixo z TABELA 3 Significado das letras minúsculas romanas (CEB/72) Letra a b c d e f g h i j k l m n p q r s t u v w x y z Significado flecha; distância largura cobrimento de concreto altura útil; diâmetro excentricidade resistência carga permanente distribuida; aceleração da gravidade altura total; espessura raio de giração número de dias coeficientes com dimensões vão; comprimento de um elemento momento fletor por unidade de comprimento ou de largura força normal por unidade de comprimento ou de largura carga acidental distribuida raio desvio padrão; afastamento; espaçamento tempo; momento de torção por unidade de comprimento ou de largura perímetro força cortante por unidade de comprimento ou de largura carga distribuida de vento; abertura de uma fissura coordenada; altura da linha neutra coordenada; altura do diagrama retangular coordenada; braço de alavanca 9

10 TABELA 4 Significados das letras gregas minúsculas (CEB/72) Letra Símbolo Significado alfa α ângulo; relação; coeficiente beta β ângulo; relação; coeficiente gama γ peso específico; deformação angular; coeficiente de majoração ou redução delta δ coeficiente de variação; coeficiente epsilon ε deformação zeta ζ coeficiente eta η coeficiente de redução do esforço cortante teta θ rotação iota ι kapa κ lambda λ esbeltez; coeficiente mu µ coeficiente de atrito; momento fletor relativo nu ν coeficiente de Poisson; esforço normal relativo ksi ξ coeficiente omicron ο pi π ro ρ porcentagem geométrica de armadura sigma σ tensão normal tau τ tensão tangencial upsilon υ fi ϕ coeficiente de fluência qui χ psi ψ coeficiente omega ω porcentagem mecânica de armadura TABELA 5 Significado de símbolos matemáticos e especiais (CEB/72) Símbolo Φ Significado soma diferença; acréscimo diâmetro de uma barra de armadura ou de um cabo ( ) compressão (significado) e 2, π 3, n número 10

11 Letra a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 0, 1, 2,... Significados recalque de apoio; adicional aderência concreto, compressão valor de cálculo ( design ) elástico, efetivo forças e outras ações; mesa; atrito carga permanente horizontal, gancho inicial número de dias valor característico longitudinal valor médio; materiais número zero protensão carga acidental fissuração ( riss ) aço ( steel ) torção, tração; transversal último cisalhamento; vertical vento ( wind ) coordenada linear escoamento; coordenada linear coordenada linear valores particulares das quantidades TABELA 6 Índices gerais (CEB/72) Letra g q s w ep eq ex im a p cc cs te Significado carga permante carga acidental neve ( snow ) vento empuxo de terra tremor de terra explosão choque recalque de apoio protensão fluência do concreto retração do concreto temperatura TABELA 7 Índices para cargas e outras ações (CEB/72) 11

12 Abreviatura adm cal crit exc ext inf int lat lim max min obs sup tot var Significado admissível, tolerável calculado crítico excepcional externo inferior, abaixo interno lateral limite máximo mínimo observado superior, acima total variável TABELA 8 Índices formados por abreviaturas (CEB/72) NORMAS TÉCNICAS Os projetos envolvem uma série de critérios. É, altamente, desejável que eles sejam padronizados visando a uniformização do nível de qualidade da obra. Estes critérios normatizados constituem as diversas Normas de Projeto. Para o projeto de estruturas de concreto interessam, diretamente, as seguintes Normas Brasileiras: NBR Projeto de estruturas de concreto. Fixa os requisitos básicos exigíveis para projeto de estruturas de concreto simples, armado e protendido, excluidas aquelas em que se empregue concreto leve, pesado ou outros concretos especiais NBR Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. Fixa condições exigíveis para determinação dos valores das cargas que devem ser consideradas no projeto de estrutura de edificações, qualquer que seja sua classe e destino, salvo os casos previstos em normas especiais NBR Forças devidas ao vento em edificações. Fixa condições exigíveis na consideração das forças devidas à ação estática do vento, para efeitos de cálculo de edificações, e aplicável exclusivamente a edificações em que o efeito dinâmico do vento pode ser desprezado NBR-8681 Ações e segurança nas estruturas. Fixa os requisitos na verificação da segurança das estruturas usuais da construção civil e estabelece as definições e os critérios de quantificação das ações e resistências a serem consideradas no projeto das estruturas de edificações. 12

13 SISTEMAS DE UNIDADES Comprimento: m (cm, mm) força normal: kn = 10 3 N ( 0,1 tf) força cortante: kn, kn/m momento: kn.m; kn.m/m; kn.cm/m carga concentrada: kn carga distribuida: kn/m; kn/m 2 peso específico: kn/m 3 resistência, tensão: kn/cm 2, 1 MPa = 10 6 N/m 2 = 0,1 kn/cm 2 ( 10 fg/cm 2 ) 10 MPa = 1 kn/cm 2 APLICAÇÕES DO CONCRETO ARMADO VIGAS 13

14 APLICAÇÕES DO CONCRETO ARMADO LAJES APLICAÇÕES DO CONCRETO ARMADO PILARES 14