Universidade Federal de Pelotas Centro de Engenharias Cursos de Engenharia Civil e Engenharia Agrícola

Transcrição

1 Universidade Federal de Pelotas Centro de Engenharias Cursos de Engenharia Civil e Engenharia Agrícola Estruturas em Concreto Armado Profª Estela Garcez AULA 1 - Introdução ao Concreto Armado

2

3

4

5

6

7

8 Instalações de armazenagem (Fonte: Prof. André Lubeck) 8

9 Projeto de uma instalação típica: (Fonte: Prof. André Lubeck) 9

10 Projeto de uma instalação típica: (Fonte: Prof. André Lubeck) 10

11 Projeto de uma moega concêntrica (Fonte: Prof. André Lubeck) : 11

12 Projeto de uma moega concêntrica (Fonte: Prof. André Lubeck): 12

13 Projeto de uma moega excêntrica: 13

14 1 Introdução O concreto armado é uma combinação de dois materiais bem conhecidos pela humanidade: Concreto + aço Boa resistência à compressão Concreto armado - ρ = 2.500kg/m 3 Utilizado para suprir a deficiência do concreto em regiões tracionadas

15 1 Introdução Pode-se dizer que a descoberta do concreto armado aconteceu em meados de 1800, na França, por obra de Joseph Lambot; Ø Construção de um pequeno barco com armação de barras de ferro, com formato desejado, e preenchimento com argamassa de cimento. Joseph Lambot ( ) Ø Joseph Lambot obteve, em 1855, a patente para o seu produto, denominado, então, de cimento armado, designação que perdurou até o início do século XX.

16 1 Introdução Partindo da idéia de Lambot, Joseph Monier, em 1877, patenteou um método para construção de vasos de cimento armado ; Ø Construções sem embasamento teórico ou experimentações. Joseph Monier ( ) Em 1886, o engenheiro alemão Gustav Wayss adquire de Monier a patente para produzir construções com este material na Alemanha; Juntamente com Matthias Koenen, publicam fundamentos teóricos sobre o concreto armado; Através da sua empresa construtora, Wayss & Freytag, disseminou o uso do concreto armado, com filiais em vários países.

17 1 Introdução O concreto já tinha ampla aplicação no mundo desde 1900; A partir de 1904, foram realizadas obras no Rio de Janeiro, São Paulo, Santos e Belo Horizonte; Foi dessa época o primeiro prédio construído em concreto armado de São Paulo; Ø Primeira edificação em concreto armado de São Paulo, datada de 1909.

18 1 Introdução O maior nome do concreto armado do Brasil, na primeira metade do século XX, foi o do engenheiro Emilio Baumgart, também chamado de pai do concreto armado do Brasil ; Ø Destacam-se entre suas obras: 1) Ponte Maurício de Nassau em Recife (ainda como estudante); 2) Ponte sobre o rio do Peixe em SC (maior vão livre conhecido na época 68m); 3) O edifício do jornal A noite no Rio de Janeiro (foi na época o mais alto edifício em concreto armado do mundo 104,75m); 4) Edifício do Ministério da Educação e Saúde no Rio de Janeiro; 5) Hotel Copacabana Palace no Rio de Janeiro; 6) Hotel Glória no Rio de Janeiro. Emilio Henrique Baumgart Blumenau 1889 Rio de Janeiro -1943

19 1 Introdução Obras em concreto armado Ponte Maurício de Nassau - PE (178 m) (1917) Ponte sobre o Rio do Peixe - SC Ponte Emilio Baumgart (68 m) (1930)

20 1 Introdução Obras em concreto armado Hotel Copacabana Palace - RJ (1923) Edifício do jornal A Noite - RJ (1930)

21 1 Introdução Obras em concreto armado Catedral Metropolitana de Brasília - DF (1970) Estátua do Cristo Redentor - RJ (1931)

22 1 Introdução Obras em concreto armado Igreja de São Francisco / Pampulha - MG (1943) Museu de Arte Contemporânea RJ (1996)

23 1 Introdução Obras em concreto armado Estação Cabo Branco - João Pessoa/PB (2008) Rampa de acesso Estação Cabo Branco

24 2 O concreto armado O concreto é o material formado pela mistura dos seguintes materiais: Agregados (naturais ou britados) + Cimento + Água Em função de necessidades específicas, são acrescentados aditivos que melhoram as características do concreto fresco ou endurecido.

25 2 O concreto armado A resistência do concreto endurecido depende de vários fatores: 1. Consumo de cimento; 2. Quantidade de água na mistura; 3. Tipo de agregado; 4. Grau de adensamento; Consumo de cimento Resistência mecânica Relação água/cimento Resistência mecânica Tipo de agregado (seixos arredondados e lisos) Grau de adensamento Resistência mecânica Resistência mecânica

26 2 O concreto armado Concreto armado = concreto + barras de aço; Em virtude da baixa resistência à tração do concreto, as barras de aço cumprem a função de absorver os esforços de tração na estrutura; As barras de aço também servem para aumentar a capacidade de carga das peças comprimidas; O funcionamento conjunto desses dois materiais só é possível graças a aderência: ε s ε c Tensão (σ) x Deformação (ε)

27 2 O concreto armado Como vantagens do concreto armado sobre os demais materiais estruturais podemos citar: 1. Economia; 2. Facilidade de execução em diversas formas; 3. Resistência ao fogo; 4. Resistência ao desgaste mecânico; 5. Praticamente não requer manutenção; Como desvantagens do concreto armado podemos citar: 1. O elevado peso das construções; 2. Dificuldades para a execução de reformas ou demolições.

28 3 O comportamento do concreto Concreto em compressão simples; Ø A resistência à compressão do concreto é determinada através de ensaios padronizados de curta duração (carregamento rápido); Ø No Brasil, adota-se a resistência obtida em corpos de prova cilíndricos, com ensaios realizados na idade padrão de 28 dias; Ø Normalmente adota-se: d=15cm h=30cm Ø Ensaio de compressão uniaxial para a determinação da resistência

29 3 O comportamento do concreto Concreto em compressão simples; Ø Não há proporcionalidade entre tensão e deformação; Ø O material não obedece a Lei de Hooke

30 3 O comportamento do concreto Concreto em compressão simples; Ø Devido a sua natureza aleatória, verifica-se uma dispersão dos valores da resistência; Ø Usualmente, admite-se uma distribuição normal de probabilidade; Ø A resistência característica à compressão (f ck ) é um valor tal que existe uma probabilidade de 5% de se obter resistências inferiores à mesma; f = f 1,645 σ ck cm n σ = i= 1 2 ( fci fcm ) ( n 1) onde f cm é a resistência média e σ é o desvio padrão das resistências

31 3 O comportamento do concreto Concreto em compressão simples; Ø Os concretos são classificados em grupos de resistência, conforme a resistência característica à compressão f ck ; Grupo I C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 Grupo II C55 C60 C70 C80 Ø Os concretos são designados pela letra C, seguida do valor da resistência característica à compressão aos 28 dias de idade, expressa em MPa; Ø Para concreto armado, deve-se empregar a classe C20 ou superior (f ck 20MPa); Ø A classe C15 pode se usada apenas em fundações e em obras provisórias.

32 3 O comportamento do concreto Concreto em compressão simples; Ø A resistência à compressão do concreto depende de vários fatores, como: 1. Composição (consumo e tipo de cimento, fator água/cimento, etc); 2. Condições de cura; 3. Forma de aplicação da carga (ensaio estático ou dinâmico); 4. Duração do carregamento (ensaio de curta ou longa duração); 5. Idade do concreto (efeito do envelhecimento); 6. Estado de tensões (compressão simples ou multiaxial); 7. Forma e dimensões dos corpos de prova.

33 3 O comportamento do concreto Concreto em tração simples; Ø A resistência à tração do concreto pode ser determinada em três ensaios diferentes: 1. Ensaio de tração axial; 2. Ensaio de compressão diametral (ensaio brasileiro); 3. Ensaio de flexão. Ø Em função do f ck, o valor médio da resistência à tração direta (axial) f ctm, pode ser obtido da relação: f f ctk,inf = 0,7 ctk f,sup = 1, 3 f ctm ctm f ctm 2 3 ck = 0,3 f, [MPa]

34 3 O comportamento do concreto Concreto em tração simples; Ø Ensaio de compressão diametral; f ct, sp = 2P u π dh onde d é o diâmetro, h a altura do corpo de prova e P u a carga de ruptura.

35 3 O comportamento do concreto Concreto em tração simples; Ø Resistência à tração na flexão; f 6aP u ct, fl = 2 bh

36 3 O comportamento do concreto Módulo de deformação longitudinal do concreto; Ø O concreto apresenta um comportamento não-linear quando submetido a tensões de certa magnitude; Ø Segundo a NBR 6118:2003: E c = 5600 f, [MPa] ck Ø Ø O módulo secante é dado por: E cs = 0,85E Usualmente adota-se: ε o 2 ε u 3,5 c

37 3 O comportamento do concreto Evolução das propriedades do concreto; Ø Ø Ø As propriedades do concreto, como o módulo de deformação longitudinal e as resistências à tração e compressão, sofrem uma contínua variação no tempo; Isso ocorre em virtude das reações químicas decorrentes da hidratação do cimento; Esse fenômeno, denominado envelhecimento, ocorre durante praticamente toda a vida útil da estrutura, sendo muito acentuado nos primeiros dias após a concretagem;

38 3 O comportamento do concreto Evolução das propriedades do concreto; Ø As propriedades do concreto em uma idade t dependem: 1. Do tipo de cimento a. De endurecimento rápido (CP V-ARI) b. De endurecimento normal (CP I e CP II) c. De endurecimento lento (CP III e CP IV) 2. Das condições de cura a. Temperatura b. Umidade

39 3 O comportamento do concreto Evolução das propriedades do concreto; Ø O efeito da temperatura na maturidade do concreto pode ser levado em conta, substituindo-se a idade real t por uma idade equivalente t e, dada por: t e n = Δte i= 1 i , Ti onde Δt i é o número de dias em que a temperatura foi igual a T i o C.

40 3 O comportamento do concreto Evolução das propriedades do concreto; Ø Efeito da temperatura no envelhecimento f cm =18,7MPa aos 28 dias para T=10 o C f cm =20MPa aos 28 dias para T=20 o C f cm =21,8MPa aos 28 dias para T=40 o C ü ü Temperaturas mais elevadas são favoráveis para o aumento de resistência, principalmente nos primeiros dias após a concretagem; A resistência final sofre pouca influência da temperatura existente durante o período de endurecimento;

41 3 O comportamento do concreto Evolução das propriedades do concreto; Ø O módulo de deformação longitudinal do concreto em uma idade t dias, E c (t), pode ser estimado através da equação: ( ) ( ) 1 2 β E t = t E c cc c onde E c é o módulo de deformação longitudinal aos 28 dias de idade.

42 3 O comportamento do concreto Resistência do concreto sob carga de longa duração; Ø Ø Ø Um fenômeno que ocorre é a redução da resistência do concreto sob carga de longa duração; Esse fenômeno descrito por Rüsch (1960), é conhecido como Efeito Rüsch; No ensaio convencional o concreto é levado à ruína em pouco tempo após o início do carregamento (ensaio rápido). Se a velocidade de aplicação da carga for reduzida, resultando em uma maior duração do ensaio, ocorre uma diminuição da resistência.

43 3 O comportamento do concreto Resistência do concreto sob carga de longa duração; Ø f cm = 20MPa com t o = 28 dias e t o = 180 dias ü ü ü Considerando que em uma estrutura de concreto armado nem todas as cargas são aplicadas na idade convencional de 28 dias; E além do mais, nem todas as cargas são de longa duração; As normas de projeto limitam a máxima tensão de compressão no concreto em 85% de sua resistência;

44 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto; Ø Ø Ø O comportamento reológico do concreto corresponde a sua deformabilidade dependente do tempo; As deformações diferidas (dependentes do tempo) do concreto são convencionalmente separadas em duas: 1. Fluência: é o acréscimo contínuo das deformações que ocorre mesmo para uma tensão constante; 2. Retração: é a redução de volume na ausência de uma carga externa; Os efeitos indesejáveis da fluência e da retração são o aumento das flechas de lajes e vigas; aumento da curvatura de pilares devido à fluência; fissuração das superfícies externas devido à retração; introdução de esforços indesejáveis devidos à retração; etc.

45 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Fluência do concreto; Ø Ø Abaixo é representado as variações da deformação de um corpo de prova de concreto carregado no instante t o ; A tensão aplicada é mantida constante até o instante t 1, quando o corpo de prova é descarregado; ü ü Uma parcela da deformação de fluência é recuperável - ε ed (deformação elástica diferida); Outra parcela é irrecuperável - ε pd (deformação plástica diferida);

46 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Fluência do concreto; Ø Fatores que afetam a fluência do concreto; 1. Resistência à compressão do concreto ü Quanto maior a resistência à compressão do concreto menor será a fluência;

47 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Fluência do concreto; Ø Fatores que afetam a fluência do concreto; 2. Idade do concreto na aplicação da carga ü Quanto mais jovem for o concreto quando da aplicação do carregamento, maior será o coeficiente final de fluência;

48 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Fluência do concreto; Ø Fatores que afetam a fluência do concreto; 3. Esbeltez do elemento ü Quanto mais esbelto for o elemento estrutural, maior será o valor do coeficiente final de fluência;

49 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Fluência do concreto; Ø Fatores que afetam a fluência do concreto; 4. Umidade ambiente ü Quanto mais seco for o ambiente, maior será o coeficiente de fluência;

50 3 O comportamento do concreto Comportamento reológico do concreto Retração do concreto; Ø Ø É a redução de volume do concreto durante o processo de endurecimento, devido à diminuição do volume de água dos poros; Quando o tempo tende ao infinito, a deformação de retração, para um concreto de f ck =20MPa feito com cimento de endurecimento normal, é igual a: ε cs =-63x10-5 para RH=50%; ε cs =-48x10-5 para RH=70%; ε cs =-20x10-5 para RH=90%;

51 Outras propriedades do concreto...

52 4 Aços para concreto armado De acordo com a NBR 7480:2007, as armaduras para concreto armado podem ser classificadas em: 1. Barras possuem diâmetros mínimos de 6,3mm 2. Fios possuem diâmetros máximos de 10mm Segundo o processo de fabricação, as barras são obtidas por laminação a quente e os fios são obtidos por trefilação ou processo equivalente; Para efeitos de cálculo do seu peso, considera-se a massa específica do aço igual a 7850 kg/m 3 ; O comprimento das barras e fios retos deve ser de 12m com tolerância de ±1%.

53 4 Aços para concreto armado Características das barras (NBR 7480:2007) Diâmetro φ Massa e tolerância por unidade de comprimento Valores nominais Barras Massa nominal (Kg/m) Máxima variação permitida para a massa nominal Área da seção (mm 2 ) Perímetro (mm) 6,3 0,245 ±7% 31,2 19,8 8,0 0,395 ±7% 50,3 25,1 10,0 0,617 ±7% 78,5 31,4 12,5 0,963 ±6% 122,7 39,3 16,0 1,578 ±5% 201,1 50,3 20,0 2,466 ±5% 314,2 62,8 22,0 2,984 ±4% 380,1 69,1 25,0 3,853 ±4% 490,9 78,5 32,0 6,313 ±4% 804,2 100,5 40,0 9,865 ±4% 1256,6 125,7

54 4 Aços para concreto armado Características dos fios (NBR 7480:2007) Diâmetro φ Fios Massa e tolerância por unidade de comprimento Massa nominal (Kg/m) Máxima variação permitida para a massa nominal Valores nominais Área da seção (mm 2 ) Perímetro (mm) 2,4 0,036 ±6% 4,5 7,5 3,4 0,071 ±6% 9,1 10,7 3,8 0,089 ±6% 11,3 11,9 4,2 0,109 ±6% 13,9 13,2 4,6 0,130 ±6% 16,6 14,5 5,0 0,154 ±6% 19,6 15,7 5,5 0,187 ±6% 23,8 17,3 6,0 0,222 ±6% 28,3 18,8 6,4 0,253 ±6% 32,2 20,1 7,0 0,302 ±6% 38,5 22,0 8,0 0,395 ±6% 50,3 25,1 9,5 0,558 ±6% 70,9 29,8 10,0 0,617 ±6% 78,5 31,4

55 4 Aços para concreto armado A forma do diagrama tensão-deformação dos aços, obtido em um ensaio de tração simples, é influenciado pelo processo de fabricação; ü ü ü ü ü ü As Barras obtidas por laminação a quente apresentam um patamar de escoamento; f y = tensão de escoamento; f st = tensão de ruptura; ε y = deformação de escoamento; ε u = deformação de ruptura; E s = 210GPa; é módulo de elasticidade longitudinal;

56 4 Aços para concreto armado A forma do diagrama tensão-deformação dos aços, obtido em um ensaio de tração simples, é influenciado pelo processo de fabricação; ü ü ü ü Os fios obtidos por trefilação não apresentam um patamar de escoamento; A tensão de escoamento, f y, é o valor convencional que corresponde a uma deformação de 2 ; ε u = deformação de ruptura; E s = 210GPa; é módulo de elasticidade longitudinal;

57 4 Aços para concreto armado De forma análoga ao concreto, define-se uma tensão de escoamento característica dos aços, f yk, obtida em um conjunto de corpos de prova submetidos à tração; As barras são classificadas nas categorias CA-25 e CA-50; Os fios são da categoria CA-60; CA indica um aço para concreto armado e o número é o valor de f yk expresso em kn/cm 2 ; Assim, CA-50 significa que se trata de um aço para concreto armado cuja tensão de escoamento característica é f yk =50kN/cm 2 (500MPa);

58 4 Aços para concreto armado Barras lisas são restritas à categoria CA-25. As mesmas possuem baixa aderência ao concreto. As barras da categoria CA-50 devem obrigatoriamente ser nervuradas; Os fios da categoria CA-60 podem ser lisos ou podem possuir entalhes para melhorar sua aderência ao concreto.

59 4 Aços para concreto armado Características exigíveis das armaduras NBR 7480:2007 Valores mínimos de tração Categoria Resistência característica de escoamento f yk Limite de resistência f st Alongamento após a ruptura em 10φ (MPa) (MPa) (%) CA ,20 f y 18 CA ,08 f y 8 CA ,05 f y 5

60 4 Aços para concreto armado Características exigíveis das armaduras NBR 7480:2007 Categori a Ensaio de dobramento a Diâmetro do pino (mm) Aderência Coeficiente de conformação superficial mínimo η φ < 20mm φ 20mm φ < 10mm φ 10mm CA-25 2φ 4φ 1,0 1,0 CA-50 3φ 6φ 1,0 1,5 CA-60 5φ - 1,0 1,5

61

62 5 Durabilidade das estruturas de CA A durabilidade das estruturas de concreto é um dos aspectos de maior relevância dentro da filosofia das modernas normas de projeto; As exigências relativas à durabilidade estão se tornando cada vez mais rígidas, tanto na fase de projeto, quanto na fase de execução; O descuido com a durabilidade tem contribuído para acelerar a deterioração de diversas estruturas relativamente novas; Geralmente, as normas de projeto consideram uma vida útil mínima de 50 anos; Durante esse período, não devem ser necessárias medidas extras de manutenção ou reparo das estruturas;

63 5 Durabilidade das estruturas de CA A agressividade do ambiente pode ser classificada como: Classe de agressividade ambiental Agressividade Risco de deterioração da estrutura I Fraca Insignificante II Moderada Pequeno III Forte Grande IV Muito forte Elevado

64 5 Durabilidade das estruturas de CA Classes de agressividade ambiental em função das condições de exposição: Classificação geral do tipo de ambiente Ambientes internos Localização Ambientes externos A B C D Rural I I I I Urbana I II I II Marinha II III - III Industrial II III II III Industrial* III IV IV IV Respingos de maré IV Submersa I Solo - - ** *** * Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas. ** Adotar a classe I se o solo for seco e não agressivo. *** Adotar a classe II, III ou IV se o solo for úmido e agressivo.

65 5 Durabilidade das estruturas de CA Os ambientes A, B, C e D são descritos como: Ambiente A: ambientes internos secos (com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%). Como exemplo: interiores de apartamentos residenciais e de conjuntos comerciais, ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura. Ambiente B: ambientes internos úmidos ou caracterizados por ciclos de molhagem e secagem. Como exemplo: vestiários e banheiros coletivos, cozinhas e lavanderias industriais, garagens. Ambiente C: ambientes externos secos (com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%). Ambiente D: ambientes externos úmidos ou caracterizados por ciclos de molhagem e secagem. Como exemplo: obras externas em geral, partes não protegidas da chuva.

66 5 Durabilidade das estruturas de CA Critérios que visam evitar a deterioração e satisfazer as exigências quanto à durabilidade na fase de projeto: 1. Especificação de um concreto de qualidade apropriada; 2. Cobrimentos mínimos para as armaduras; 3. Verificação da abertura das fissuras; 4. Correto detalhamento das armaduras.

67 5 Durabilidade das estruturas de CA A durabilidade das estruturas é altamente dependente das características do concreto; Concreto Classe de agressividade I II III IV Relação água/cimento máxima 0,65 0,60 0,55 0,45 Classe de resistência mínima C20 C25 C30 C40

68 5 Durabilidade das estruturas de CA Cobrimentos nominais (cm) das armaduras do concreto armado em função da classe de agressividade ambiental; Elemento estrutural Classe de agressividade I II III IV Laje 2,0 2,5 3,5 4,5 Viga e pilar 2,5 3,0 4,0 5,0 Em todos os casos, o cobrimento nominal de uma determinada barra deve ser, no mínimo, igual ao diâmetro da própria barra.

69 5 Durabilidade das estruturas de CA No caso de peças de edifícios usuais, podem ser adotados os seguintes limites para a abertura das fissuras, em função da classe de agressividade ambiental: 1. Classe I de agressividade: abertura máxima de 0,4mm; 2. Classe II e III de agressividade: abertura máxima de 0,3mm; 3. Classe IV de agressividade: abertura máxima de 0,2mm.