ENSAIOS DE PUNÇOAMENTO EM CAMADAS DE FORMA

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1 Congresso Construção º Congresso Nacional 17 a 19 de Dezembro, Coimbra, Portugal Universidade de Coimbra ENSAIOS DE PUNÇOAMENTO EM CAMADAS DE FORMA João Ferreira, Jorge de Brito e Fernando Branco ICIST / Instituto Superior Técnico / Universidade Técnica de Lisboa Av. Rovisco Pais, Lisboa {joaof, jb, fbranco}@civil.ist.utl.pt Resumo Na presente comunicação, apresenta-se um estudo realizado para avaliação experimental da resistência ao punçoamento, de acordo com a classificação UPEC, de camadas de forma realizadas através de dois diferentes sistemas propostos pela firma maxit. Um dos sistemas consiste numa camada de grânulos soltos de argila expandida, com 5 cm ou 10 cm de espessura, sobre a qual assenta uma camada de betonilha leve com 4 cm de espessura. O outro sistema é idêntico ao primeiro mas, neste caso, os grânulos de argila expandida são agregados com calda de cimento, em camadas de 10 cm ou 15 cm. O estudo permitiu obter as classes de resistência dos diferentes sistemas ensaiados, tendo-se concluído, apesar de alguma variabilidade dos resultados, que todos os revestimentos leves analisados satisfazem, pelo menos, as condições relativas à classe de punçoamento UPEC-P 4, pelo que são passíveis de ser utilizados em camadas de forma na maior parte das situações correntes. Palavras-chave: camadas de forma, argila expandida, betão leve, punçoamento, UPEC. 1 Introdução As camadas de forma de coberturas em terraço, de modo a garantir a pendente adequada para o escoamento das águas pluviais, apresentam geralmente espessuras elevadas, da ordem das dezenas de centímetros. Esta camada deve, por um lado, apresentar um reduzido peso específico, minimizando o carregamento sobre a laje de cobertura e, por outro, apresentar características mecânicas compatíveis com as suas funções. A camada de forma recebe geralmente as camadas de impermeabilização, isolamento térmico e revestimento final. Além disso, tem de suportar equipamentos que apresentam frequentemente apoios pontuais (ar condicionado, antenas parabólicas e outros equipamentos) e ainda, em terraços acessíveis, a circulação de pessoas. A necessidade de minimizar a carga sobre a laje de cobertura leva geralmente à adopção de enchimentos com materiais leves que, em geral, apresentam resistência ao punçoamento muito inferior à das argamassas e betonilhas tradicionais. Na presente comunicação, apresentam-se dois tipos de camadas de forma em que se pretendeu, por um

2 João Ferreira, Jorge de Brito, Fernando Branco lado, reduzir o peso específico face às soluções mais correntes e, por outro, garantir a necessária resistência ao punçoamento, cujo estudo de avaliação experimental é apresentado. 2 Materiais e sistemas ensaiados Os nomes comerciais das soluções ensaiadas são sistema LBF e sistema de enchimento leve termoacústico Leca Solta. O sistema Leca Solta é meramente constituído por uma camada inferior de Leca com espessura variável, sobre a qual assenta uma betonilha leve, cuja designação comercial é maxit Floor Light (maxit Floor 4075) e cuja espessura recomendada é de 4 cm. O sistema LBF (Light Basement Floor) é constituído por uma camada inferior de uma mistura de Leca com uma calda de cimento, de designação comercial Leca Grout, com espessura variável, sobre a qual assenta uma betonilha leve com as mesmas características do sistema anterior. A Leca é argila expandida em grânulo que, de acordo com a ficha técnica do fabricante, apresenta as seguintes propriedades (valor médio / desvio padrão): massa volúmica aparente seca: 264 / 15 kg/m 3 ; humidade: 1 / 1 % base seca; resistência ao esmagamento: 0,86 / 0,11 MPa; grânulos partidos: 26 / 9 % em peso; massa volúmica seca da partícula: 481 kg/m 3 (valor médio); absorção de água às 24 h: 36,3 % (valor médio). A Leca Grout é uma pré-mistura leve e isolante para camadas de enchimento leve que é utilizada na execução do sistema LBF (mistura dos grânulos com a calda à boca da mangueira da máquina de bombagem / misturadora) ou Leca Solta (calda depositada por gravidade sobre os grânulos soltos). A calda é obtida em obra por mistura com água do ligante em pó pré-doseado. A Leca Grout apresenta, de acordo com a ficha técnica do fabricante, as seguintes propriedades: massa volúmica do material endurecido aos 28 dias: 1700 ± 150 kg/m 3 ; resistência à compressão aos 28 dias: 17 MPa; resistência à flexão aos 28 dias: 4,0 MPa; massa volúmica aparente seca: 950 ± 150 kg/m 3 ; água de amassadura: 40%. A maxit Floor Light é uma betonilha leve (1200 kg/m 3 ) para pavimentos de aplicação manual ou com máquina de bombagem adequada ou misturadora contínua. A betonilha é obtida em obra por mistura do ligante em pó pré-doseado com água e apresenta, de acordo com a ficha técnica do fabricante, as seguintes propriedades: massa volúmica do material endurecido aos 28 dias: 1200 ± 150 kg/m 3 ; resistência à compressão aos 28 dias: 12,0 MPa; resistência à flexão aos 28 dias: 3,0 MPa; reacção ao fogo: classe A1. De acordo com indicações da maxit, e correspondendo às situações mais correntes na prática, foram ensaiadas duas variantes de cada uma das soluções comerciais, em termos da espessura da camada inferior: 10 e 15 cm para o sistema LBF; 5 e 10 cm para o sistema Leca Solta. Para cada um destes quatro tipos de solução, foram preparados doze provetes, correspondendo a três provetes repetidos para cada nível de carga. Os provetes / painéis foram executados pela maxit, apresentando as dimensões em planta de 25 cm x 25 cm e, em espessura, os valores acima referidos. A forma de identificação dos painéis correspondeu a um código Pn 1 D-n 2-Pn 3 em que: 2

3 Congresso Construção 2007, 17 a 19 de Dezembro, Coimbra, Portugal n1-1 ou 2, sendo que 1 corresponde aos painéis de menor espessura (5 cm para Leca Solta e 10 cm para LBF) e 2 aos painéis de maior espessura (10 cm para Leca Solta e 15 cm para LBF); D - designação do sistema (L, para a Leca Solta, ou LBF); n2-1, 2 ou 3, correspondendo ao número de ordem do painel ensaiado de cada tipo de solução e para cada nível de carga de punçoamento; n3-2, 3, 4 ou 4s, correspondendo à classe de punçoamento ensaiada, de acordo com a classificação UPEC. Os moldes dos provetes são constituídos por um painel de contraplacado inferior e paredes do mesmo material. Os provetes foram agrupados quatro a quatro em painéis quadrados em planta, com 50 cm de lado. Verificou-se a necessidade de, antes dos ensaios, reforçar a ligação entre os painéis verticais da cofragem através de parafusos. De acordo com o Cahiers 3509 do CSTB [1], os pavimentos devem ser classificados, em termos da resistência ao punçoamento, nas classes P 2, P 3, P 4 ou P 4S, que correspondem a diferentes tipos de utilização dos locais onde podem ser aplicados. Na Tabela 1, apresenta-se os valores-limite inferiores das cargas e correspondentes tensões a que os pavimentos devem resistir para serem classificados em cada uma das classes, assim como o diâmetro do círculo correspondente à área carregada (materializada nos ensaios realizados através de pastilhas metálicas cilíndricas). Tabela 1 - Definição das classes de punçoamento UPEC. P 2 P 3 P 4 P 4S Carga concentrada por apoio (kgf) Tensão induzida (MPa) Diâmetro da área carregada (cm) 2,52 2,91 3,99 5,05 3 Procedimentos de ensaio Os ensaios foram realizados numa prensa Instron de tracção / compressão, com capacidade de 250 kn e curso total de 100 mm. A força aplicada em cada instante foi medida com uma célula de carga da marca TML de 50 kn de capacidade, para obter maior precisão do que a garantida pela célula de carga da própria prensa. Os valores da força e do deslocamento da cabeça (inferior) da prensa foram registados em computador à taxa de 5 leituras por segundo, através de uma unidade de aquisição de dados HBM, modelo Spider8. Os ensaios foram realizados sem desmoldagem dos provetes de modo a que não ocorresse a desagregação das camadas de argila expandida da base dos mesmos. Assim, para montagem dos ensaios, a caixa de cofragem (contendo 4 provetes) foi posicionada na máquina de ensaios de modo a centrar o provete a ensaiar com o eixo da prensa. A caixa dos provetes assentou numa chapa metálica apoiada sobre a cabeça inferior da prensa enquanto, sobre a face superior do provete, era posicionada a pastilha metálica de punçoamento, a célula de carga e uma rótula esférica, garantindo que a força se exercia perpendicularmente à face do provete (Figura 1). Os ensaios foram realizados com controlo de deslocamentos, impondo-se à cabeça inferior móvel da prensa uma velocidade, de baixo para cima, de 0,05 mm/segundo, suficientemente reduzida para garantir que não se faziam sentir quaisquer efeitos de carácter dinâmico no processo. Considerou-se que a ocorrência da rotura correspondia ao primeiro pico da força visível nos gráficos força - deslocamento, embora os ensaios fossem levados bastante para além deste patamar (tipicamente até cerca de 10 mm de deslocamento da cabeça da máquina), de modo a permitir a análise do comportamento pós-rotura. 3

4 João Ferreira, Jorge de Brito, Fernando Branco Figura 1 - Montagem dos ensaios. 4 Apresentação e análise de resultados Verificou-se que existem três tipos fundamentais de modos de rotura dos provetes, sendo no entanto frequente a combinação de mais do que um destes modos no fim do ensaio: rotura por esmagamento dos grânulos de argila expandida (Figura 2); em todos os ensaios se manifestou este modo de rotura, começando a ocorrer desde uma fase relativamente inicial do carregamento, correspondendo a dois fenómenos: o rearranjo dos grânulos e o esmagamento propriamente dito de alguns deles; Figura 2 - Rotura dos grânulos de argila expandida. rotura por punçoamento propriamente dito da betonilha (camada superior) (Figura 3); em alguns dos ensaios, sobretudo nos dos painéis de Leca Solta, só se tornou visível este modo de rotura 4

5 Congresso Construção 2007, 17 a 19 de Dezembro, Coimbra, Portugal perto do fim do carregamento, depois da ocorrência da carga nominal de rotura e geralmente para valores da carga superiores a esta última; Figura 3 - Rotura da argamassa por punçoamento. rotura por flexão da betonilha (Figura 4), tendo as linhas de rotura um alinhamento na face superior dos painéis irradiando do ponto de carregamento para os cantos ou para o centro das faces; em alguns dos ensaios, sobretudo nos dos painéis de LBF, só se tornou evidente este modo de rotura perto do fim do carregamento, depois da ocorrência da carga nominal de rotura e geralmente para valores da carga inferiores a esta última. Figura 4 - Rotura da argamassa por punçoamento e flexão (direita). A Tabela 2 e o gráfico da Figura 5 apresentam um resumo dos valores obtidos em termos de carga de rotura. Os modos de rotura reflectem-se no andamento dos diagramas força - deslocamento. De facto, nos painéis de Leca Solta, independentemente da classe de punçoamento ensaiada, verifica-se que, após a primeira queda da força (carga nominal de rotura), com o aumento do deslocamento esta acaba por atingir patamares mais elevados do que a carga nominal (exemplo da Figura 6, referente ao nível de carga P 3 no sistema Leca Solta com 5 cm de espessura). Este fenómeno pode ser explicado com o aumento da rigidez do sistema constituído pelos grânulos soltos de argila expandida, à medida que os menos resistentes vão sendo esmagados, preenchendo os interstícios entre os restantes, e se vai dando o rearranjo e compactação do conjunto. As quedas da força correspondem, em princípio, à formação 5

6 João Ferreira, Jorge de Brito, Fernando Branco de linhas de rotura por flexão ou punçoamento da betonilha. É a rigidez desta que permite mobilizar uma área em planta de argila expandida muito superior à da pastilha metálica. Tabela 2 - Valores individuais e médios das cargas de rotura ao punçoamento (kgf). P 2 P 3 P 4 P 4S P1L P2L P1LBF P2LBF Média Média Média Média Força (kgf) P1L P2L P1LBF P2LBF P2 P3 P4 P4S Figura 5 - Valores médios de resistência ao punçoamento dos tipos de solução ensaiados (kgf). 6

7 Congresso Construção 2007, 17 a 19 de Dezembro, Coimbra, Portugal Força (kgf) P1L-1-P3 P1L-2-P3 P1L-3-P Deslocamento (mm) Figura 6 - Diagramas força - deslocamento típico dos ensaios de Leca solta. Nos painéis de LBF, independentemente da classe de punçoamento ensaiada, verifica-se que, após a primeira queda da força (carga nominal de rotura), o aumento do deslocamento não consegue mobilizar cargas mais elevadas do que a carga nominal (exemplo da Figura 7, referente ao nível de carga P 3 no sistema LBF com 10 cm de espessura). No sistema LBF, os grânulos de argila expandida não se encontram soltos, pelo que também não têm a possibilidade de se rearranjar. Logo, quando se dá a primeira queda da força, ela corresponde a uma rotura geralmente por punçoamento e o painel já não recupera a sua rigidez Força (kgf) Deslocamento (mm) P1LBF-1-P3 P1LBF-2-P3 P1LBF-3-P3 Figura 7 - Diagramas força - deslocamento típico dos ensaios de LBF. Existem situações isoladas em que ocorreu uma clara perda de rigidez para cargas já muito elevadas e próximas da carga de rotura. Esta perda de rigidez ocorreu nos provetes em que os grânulos de argila expandida se mantiveram aglutinados após o final do ensaio, podendo ser explicada pela rotura destes grânulos que, pela melhor aglutinação, atingem uma força mais elevada. Os deslocamentos registados nos gráficos correspondem apenas à variação de posição da cabeça inferior da máquina de ensaios, não correspondendo apenas à variação de espessura do provete uma vez que existem diversas fontes de flexibilidade como o painel inferior da cofragem, os painéis verticais da 7

8 João Ferreira, Jorge de Brito, Fernando Branco mesma cofragem (nalguns casos houve mesmo arrancamento dos parafusos adicionais e noutros apenas alguma cedência desta ligação) ou as peças constituintes do sistema de ensaio. Constatou-se, no conjunto dos ensaios, que os respectivos resultados, sendo dependentes do grau de confinamento (sobretudo nos painéis de Leca Solta), foram afectados por dois factores: as dimensões em planta dos painéis ensaiados (25 cm x 25 cm), que poderão ser insuficientes para simular um meio quase-infinito no plano (os pavimentos reais), passando os resultados a depender do grau de confinamento conferido, em cada caso, pelos painéis laterais de cofragem; por outro lado, a dimensão da placa de betonilha solicitada pelo carregamento pontual ficou limitada no seu valor máximo a estas dimensões, o que permite explicar a pequena variação da carga de rotura medida com as dimensões da pastilha metálica; a rigidez dos painéis laterais de cofragem, que se revelou insuficiente nos casos referidos acima; com painéis de maiores dimensões, esta questão deixaria de ser relevante na medida em que diminuiriam as pressões laterais sobre estes elementos provocadas pelo carregamento pontual. Os aspectos acima referidos permitem antever que os resultados ora obtidos serão, em princípio, conservativos em relação aos reais, obtidos num pavimento, pelo facto de a dimensão da placa de betonilha mobilizada pela carga concentrada dever ser maior e pelo confinamento eventualmente superior ao dos painéis de cofragem que um meio quase-infinito pode conferir. Refira-se que uma hipotética solução de provetes de pequenas dimensões com cofragem quase infinitamente rígida poderá dar origem à situação inversa, ou seja, uma sobreavaliação da capacidade resistente ao punçoamento das soluções. De referir a significativa variabilidade dos resultados obtidos em provetes supostamente idênticos em termos de geometria, materiais e área carregada. Para além dos dois factores acima referidos, pode-se também citar como causa desta situação a falta de homogeneidade na distribuição da calda de cimento no sistema LBF. Finalmente, podendo apresentar uma grande influência nos resultados, deve ser referido o difícil controlo da espessura da betonilha colocada sobre a argila expandida. De facto, não é possível a posteriori medir com rigor essa espessura, dada a sua variabilidade em planta dentro do provete e o facto de a betonilha penetrar nos interstícios dos grânulos superiores de argila expandida, razão porque não foram apresentados no presente relatório os valores correspondentes aos diferentes provetes. Realce-se que, quer no modo de rotura por flexão quer no modo de rotura por punçoamento, a espessura da betonilha pode ser o parâmetro mais influente no valor da carga de rotura. Passando agora à análise geral dos resultados patentes na Figura 5, uma comparação entre diferentes classes de punçoamento permite detectar alguma insensibilidade do valor da carga de rotura às dimensões da pastilha metálica nos painéis com o sistema Leca Solta. Constatando-se que, para este sistema, a rotura inicial se deve fundamentalmente a um mecanismo de flexão, a área carregada, desde que relativamente pequena face às dimensões em planta do provete, é irrelevante. Já no caso dos painéis do sistema LBF, verifica-se que existe uma relação monoticamente crescente entre a carga de rotura e a dimensão da área carregada. Tal deve-se ao facto, já referido atrás, de, para este sistema, a rotura inicial se dever sobretudo ao punçoamento da betonilha que depende, ainda que não proporcionalmente, do perímetro da área carregada. Uma comparação entre diferentes sistemas permite constatar que os painéis com o sistema Leca Solta têm cargas de rotura claramente inferiores às dos painéis com o sistema LBF. Esta situação já foi abordada acima e deve-se à aglutinação e alguma compactação que a calda de cimento confere à argila expandida, o que permitiu mobilizar um modo de rotura mais favorável. Esta tendência é particularmente visível na comparação entre painéis da mesma espessura (10 cm), ou seja, os do tipo P2L e P1LBF. Comparando os painéis em termos de espessuras, verifica-se que os de Leca Solta não são sensíveis a este parâmetro, o que é, até certo ponto, inesperado. De facto, um aumento da espessura da argila expandida deveria corresponder a uma perda de rigidez da camada subjacente à betonilha (que funciona em flexão como laje em meio contínuo) e, consequentemente, a uma diminuição da carga de rotura. No que se refere aos painéis com o sistema LBF, verifica-se, na Figura 5, correspondente à média obtida em todos os provetes sem excepção, que existe um acréscimo significativo de capacidade de 8

9 Congresso Construção 2007, 17 a 19 de Dezembro, Coimbra, Portugal carga com o aumento da espessura da camada inferior de 10 para 15 cm. Esta tendência, como referido acima, contraria o expectável. No entanto, uma análise mais cuidada da Tabela 2 permitiu verificar que os quatro provetes do painel P2LBF-1 apresentam valores muito acima dos obtidos nos outros dois painéis, P2LBF-2 e P2LBF-3, para todos os níveis de carga aplicada. Uma observação mais cuidada desse painel pós-rotura permitiu constatar duas situações que permitem justificar esta diferença de comportamento: a espessura da betonilha, com as limitações referidas acima em relação ao rigor da sua medida, atinge cerca de 5 cm contra o valor nominal de 4 cm; este painel foi, destes três painéis, o único em que os grânulos de argila expandida se mantiveram agregados pela calda após a rotura, revelando uma maior homogeneidade de distribuição da calda e eventualmente uma maior quantidade desta. Estes dois aspectos vêm, mais uma vez, chamar a atenção para a extrema variabilidade dos resultados e a sua grande dependência da qualidade de execução do pavimento. A solução P2LBF merece alguns comentários adicionais: se se excluir, na média dos valores da carga nominal, o painel de maior resistência, que destoa claramente dos outros dois, os resultados passam para 976, 987, 1072 e 1144 kgf para as classes de punçoamento P2, P3, P4 e P4S, respectivamente; estes valores, inferiores aos obtidos, em cada classe, na solução P1LBF (10 cm de espessura da camada inferior em vez de 15 cm), confirmam a tendência esperada, ou seja, quando maior a espessura da camada com argila expandida menor a sua resistência ao punçoamento; se se tiver em conta apenas os valores mínimos da carga nominal dos 3 ensaios (correspondentes todos ao painel P2LBF-3), os resultados passam para 680, 883, 1051 e 851 kgf para as classes de punçoamento P2, P3, P4 e P4S, respectivamente. Comparando os valores da Figura 5 com os da Tabela 1, e tendo sempre em conta que esta campanha apenas compreende 3 ensaios por tipo de solução e nível de carga, verifica-se que: todas as soluções cumprem os mínimos relativos às classes de punçoamento P2, P3 e P4; na classe P4S, as duas soluções com o sistema Leca Solta não cumprem os requisitos e a solução menos espessa com o sistema LBF (10 cm de argila expandida e calda e 4 cm de betonilha) os cumpre sem reservas; a solução de LBF com 15 cm de argila expandida e calda e 4 cm de betonilha cumpriria os mínimos se se considerasse o valor médio dos provetes, mesmo excluindo o valor anomalamente elevado do painel 1; no entanto, o provete 3, que apresentou o valor mínimo, não cumpre por si só a condição, pelo que este conjunto de ensaios não pode ser considerado como conclusivo. 5 Conclusões Da campanha experimental efectuada para determinação da capacidade resistente ao punçoamento de um conjunto de soluções de revestimentos leves de pavimento envolvendo argila expandida, consistindo numa camada de grânulos de argila expandida (misturada ou não com uma calda de cimento) de espessura variável sob uma camada de betonilha leve de espessura fixa, retiram-se as seguintes conclusões gerais: os resultados apresentam uma variabilidade muito acentuada, pelo que é aconselhável, para se obter resultados fiáveis, a realização de uma campanha de ensaios envolvendo um número de provetes estatisticamente mais representativo por cada tipo de solução e nível de carga ensaiado; assim sendo, os resultados desta campanha, apesar de bastante úteis para apontar tendências, devem ser considerados como preliminares; as principais razões desta variabilidade residem nas características dos próprios materiais (grânulos de argila expandida, calda de cimento e betonilha leve) e sobretudo na qualidade da execução que, por isso, requer um controlo muito rigoroso; os parâmetros identificados como mais relevantes são a espessura da betonilha superior e, no sistema LBF, a quantidade de calda de cimento e a homogeneidade da sua distribuição na argila expandida; devem ser definidas especificações técnicas para a 9

10 João Ferreira, Jorge de Brito, Fernando Branco execução destes pavimentos e seu controlo de qualidade; com base nos resultados obtidos, todas as soluções ensaiadas cumprem os mínimos relativos às classes de punçoamento P2, P3 e P4; a classe P4S só é atingida pela solução com o sistema LBF com 10 cm de argila expandida e calda e 4 cm de betonilha, não o sendo nas soluções com o sistema Leca Solta (5 ou 10 cm de argila expandida e 4 cm de betonilha) e sendo os resultados inconclusivos na solução com o sistema LBF com 15 cm de argila expandida e calda e 4 cm de betonilha; ressalve-se que não foi feita qualquer análise às deformações do pavimento sob a acção das cargas limite, o que pode vir a ser considerado em futuros estudos, mas cujos critérios de conformidade serão sempre muito dependentes do tipo de utilização do espaço construído. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio da empresa maxit na realização do trabalho. Agradece-se à FCT o financiamento concedido através do ICIST - Instituto de Engenharia de Estruturas, Território e Construção. Referências [1] CSTB - Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, Cahiers Revêtements de sol - Notice sur le classement UPEC des locaux, Novembro de