AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE TUBOS DE CONCRETO REFORÇADOS COM FIBRAS DE AÇO

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE TUBOS DE CONCRETO REFORÇADOS COM FIBRAS DE AÇO Pedro Jorge Chama Neto 1, Antonio Domingues de Figueiredo 2 1 Eng. Civil, Prof. de Saneamento Urbano da UNIP e Mestre em Engª. Civil pela Escola Politécnica, Universidade de São Paulo pedrochama@ajato.com.br Tel: / / Eng. Civil, Professor Doutor, Departamento de Engenharia Construção Civil Escola Politécnica, Universidade de São Paulo antonio.figueiredo@poli.usp.br Tel: Pedro Jorge Chama Neto R. Nilza Medeiros Martins, 200 ap. 83 Bl. 05 São Paulo - CEP: Palavras Chaves:Concreto Reforçado com Fibras; Tubulações Resumo Atualmente os tubos de concreto são produzidos sem armação ou armados para utilização principalmente em galerias de águas pluviais e sistemas de esgotos sanitários. Neste estudo investigou-se a utilização de fibras de aço na produção de tubos de concreto para esgoto sanitário no sentido de avaliar comparativamente o desempenho dos mesmos em relação aos tubos de concreto simples e armados para a mesma aplicação. Com este objetivo foi realizado o levantamento do estado da arte sobre o assunto e um estudo experimental com tubos de concreto simples, armados e reforçados com fibras de aço. No experimento foram utilizadas fibras de aço de dois fabricantes e em três dosagens diferentes (10 kg/m 3, 20 kg/m 3, e 40 kg/m 3 ) de forma a verificar o comportamento dos tubos com diâmetro de 800mm. Constatou-se a equivalência de desempenho do tubo com fibras em relação aos tubos de concreto armado tipo A2, notadamente quando os tubos eram solicitados a menores níveis de deformação e abertura de fissuras. Verificou-se também que a maior resistência mecânica da fibra facilita a obtenção de equivalência de desempenho quando da utilização de concretos de alta resistência. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 1

2 1.Introdução A utilização de tubos de concreto em obras de saneamento básico, com diâmetros variando principalmente de 400mm a 1200mm, é reconhecida como uma alternativa a ser considerada em projeto tanto do ponto de vista técnico como econômico. Tradicionalmente são utilizados em obras de esgotos sanitários tubos de concreto armado classes A2 e A3, assim definidos, de acordo com as exigências das cargas de trinca e ruptura prescritas na NBR 8890/1985. Entretanto, em virtude dos constantes avanços perseguidos por fabricantes de materiais e componentes a serem utilizados em saneamento, visando à melhoria de qualidade, durabilidade, e competitividade, os tubos de concreto reforçados com fibras de aço se apresentam como uma alternativa importante, principalmente porque, a adição de fibras ao concreto melhora suas características em relação à fissuração, tenacidade, e resistência ao impacto (Bentur ; Mindess, 1990). Dentre as vantagens técnicas citadas por Bentur e Mindess (1990), devido a adoção de fibras de aço adicionadas ao concreto, a capacidade das mesmas em propiciar uma abertura menor das fissuras, se mostra de fundamental importância na produção de tubos de concreto para obras de esgotos sanitários porque os tubos estarão em contato direto com o esgoto. Portanto tal fato poderá melhorar a durabilidade e a vida útil das tubulações aplicadas. Aliada a esta vantagem pode-se considerar também a melhoria de resistência dos tubos em relação à movimentação em fábrica devido ao aumento de resistência ao impacto propiciado pela adição das fibras (Bentur; Mindess, 1990), ocasionando assim uma menor perda de componentes por quebra durante o manuseio e transporte. 2. Tubos de Concreto 2.1. Histórico geral e evolução Do ponto de visto histórico podemos dividir a história dos tubos de concreto em quatro períodos: período pré 1800, período de 1800 a 1880, período de 1880 a 1930 e período pós Dos períodos citados merecem destaque especial o período de 1800 a 1880, que é caracterizado como o período em que aconteceu o nascimento da indústria de tubos de concreto e o período de 1880 a 1930 que é caracterizado como período em aconteceram grandes avanços na modernização dos projetos e técnicas de construções de redes de esgotos e galerias de águas pluviais, bem como no projeto e produção de tubos de concreto pela indústria. Estes avanços incluíram o desenvolvimento de teorias hidráulicas, conceitos sobre cargas atuantes no tubo e normas para materiais e ensaios (ACPA, 1980) Principais aplicações Em todo o mundo tubos de concreto são normalmente utilizados para irrigação, drenagem, redes de esgotos sanitários, galerias e bueiros, e abastecimento de água sobre pressão, mas neste trabalho o foco ficará restrito a tubos de concreto destinados a esgotos sanitários. Os tubos de concreto para esgotos sanitários foram desenvolvidos para atender a demanda por sistemas de esgotos sanitários, os quais tornaram possível principalmente, o crescimento das grandes cidades (ACPA, 1980 ). Os tubos de concreto são, até o momento, o material mais utilizado em obras de esgotos sanitários, em diâmetros superiores a 400mm, e funcionando como conduto livre, devido ao seu custo em relação a outros materiais. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 2

3 Os fabricantes têm produzido tubos de concreto, em diâmetros que variam de 400mm a 2000 mm, de maneira que os mesmos atendam às exigências prescritas nas normas NBR 8889/1985 Tubo de Concreto Simples, de Seção Circular para Esgoto Sanitário, e NBR 8890/ Tubo de Concreto Armado, de Seção Circular para Esgoto Sanitário. Apesar dos tubos de concreto estarem disponíveis no mercado na faixa de diâmetro citada anteriormente, a maioria das aplicações se restringe a faixa de diâmetro de 400mm a 1200mm Tubos de concreto reforçados com fibras de aço A substituição parcial da armadura tradicional por fibras de aço, embora seja uma idéia promissora para tubos de diâmetros iguais ou maiores que 1200mm não será abordada aqui. Por razões de segurança, na prática, é comum incorporar algum reforço para tubulações com diâmetro acima de 1000mm.. Todas as características do reforço com fibras de aço obviamente dependem da resistência e do tipo de fibra usada nos tubos e da resistência da matriz e por este motivo toda conclusão sobre o desempenho do tubo deverá estar vinculada a estes fatores (Bekaert, 1996). Cabe-nos ressaltar que alguns aspectos muito importantes como a equivalência de desempenho entre o reforço convencional com telas e o com fibras nunca foi estudado com o devido aprofundamento. Com isso, procurou-se investir no plano experimental descrito no capítulo 6, de modo a se obter parâmetros iniciais desta equivalência, que proporcionarão uma maior segurança para a utilização futura desta tecnologia. 3. Critérios de projeto e dimensionamento A solução econômica de problemas de esgotamento sanitário envolve duas etapas principais (Zaidler, 1983): projeto hidráulico e projeto estrutural. No projeto hidráulico são tomadas as decisões necessárias para garantir o bom desempenho funcional do condutor, com a definição de suas características geométricas (secção de vazão, locação em planta e corte etc.), medidas de proteção contra a erosão, entupimentos, riscos de inundação etc., levando-se em conta todas as ações hidráulicas capazes de agir sobre a estrutura. Os conceitos, teorias e orientações correntes, que constituem a base do projeto estrutural de tubos, são decorrentes dos trabalhos de Marston e Spangler, e salvo alguns aperfeiçoamentos pouco significativos, o projeto estrutural de tubos tem-se resumido à determinação do carregamento e ao dimensionamento Cargas Há dois tipos principais de cargas a serem consideradas no cálculo dos tubos: as cargas de terra, devidas ao peso do solo acima da tubulação, e as cargas móveis, representadas pelo tráfego na superfície do terreno. A carga de terra pode ser calculada pelas fórmulas de Marston, e depende principalmente do tipo de tubo (rígido ou flexível), tipo de solo, profundidade, e tipo de instalação. Em razão da reconhecida influência das condições construtivas as canalizações enterradas podem ser classificadas em dois tipos principais: valas ou aterros conforme figura 3.1. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 3

4 FIGURA Tipos de Instalações para Tubos Enterrados (Zaidler, 1983) Portanto, para tubos rígidos, das fórmulas de Marston temos: Instalação em vala: Q 1 = C v. γ.b 2 (1) Instalação em aterro: Q 1 = C a. γ.d 2 (2) Onde: Q 1 = carga sobre o tubo, por unidade de comprimento, C v = coeficiente de carga de Marston para tubos instalados em vala, C a = coeficiente de carga de Marston para tubos instalados em aterro, γ = peso específico do solo de reaterro, B = largura da vala, no nível da geratriz superior do tubo conforme fig. 3.1, D = diâmetro externo do tubo. As cargas móveis são resultantes do tráfego na superfície, sendo que a pressão resultante no solo pode ser calculada através da integração de Newmark para a fórmula de Boussinesq: cargas concentradas - Q 2 = C. ( P. f ) / L (3) cargas distribuídas - Q 2 = C. q. f. D (4) onde: C = coeficiente de carga, f = fator de impacto, f = 1,5 para rodovias f = 1,75 para ferrovias f = 1,00 a 1,50 para aeroportos q = carga distribuída na superfície do solo, P = carga concentrada (roda de veículo, por exemplo) aplicada na superfície do solo, D = diâmetro externo do tubo, e L = comprimento do tubo. A carga total é resultante da soma da carga de terra, da carga móvel e de outras que porventura existam, tais como fundações etc. Q T = (Q 1 + Q 2 + Q n ) (5) 3.2. Dimensionamento O dimensionamento dos tubos pode ser reduzido ao cálculo de um tubo capaz de resistir a uma determinada carga num determinado ensaio de laboratório. Este processo é conhecido como de Spangler e Marston, sendo largamente aceito e aplicado no caso de tubos rígidos. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 4

5 Como a capacidade de carga de uma tubulação enterrada, não depende apenas da resistência do tubo, mas também das condições de execução, a relação entre a efetiva resistência do tubo instalado e a carga fornecida pelo ensaio de três cutelos, é dada em cada caso por um fator de equivalência (fe). Portanto em função das condições de assentamento tem-se os fatores de equivalência para tubos instalados em valas e na condição de aterro. Os valores de (fe) podem ser obtidos consultando-se as referências bibliográficas. Em função de todos os conceitos e variáveis envolvidas no projeto e dimensionamento de tubos de concreto abordados até este ponto, e considerando-se a condição de assentamento, pode-se calcular a carga total atuante sobre a tubulação através da seguinte fórmula: Q = (Q 1 + Q 2 + Q n ) / fe (6) Após o cálculo do valor da carga total atuante sobre a tubulação, deverá ser escolhida a classe de resistência do tubo que atende ao valor calculado, conforme NBR 8889/85 e NBR 8890/85. Escolhida a classe do tubo que atende ao valor da carga total atuante sobre a tubulação, os tubos produzidos devem ser submetidos ao ensaio de compressão diametral pelo método dos três cutelos, para verificação do atendimento dos valores prescritos em norma, sendo que: - tubos de concreto simples Q < Q ruptura (7) - tubos de concreto armado Q < Q trinca e 1,5Q < Q ruptura (8) Os valores das cargas de trinca e ruptura (Q trinca e Q ruptura) acima descritas, podem ser obtidas das tabelas da NBR 8889/85 e NBR 8890/85, respectivamente para o caso de tubos de concreto simples e armados. 4. Especificações Historicamente, e da mesma forma que as normas definem atualmente, a primeira exigência a que devia satisfazer um tubo de concreto era dupla: resistência à carga de trinca e resistência à carga de ruptura, no ensaio de compressão diametral. A resistência à carga de trinca é definida como a carga de ensaio, lida em Newton, no momento em que aparecem no tubo, submetido ao ensaio, fissura ou fissuras longitudinais de 0,25mm de abertura. Considera-se a fissura de 0,25mm de abertura quando a ponta de uma lâmina padrão, conforme definido na NBR 8891/92, penetrar 2mm, com pequenos intervalos, numa extensão de 300 mm de comprimento. A carga de ruptura é definida como a maior carga de ensaio resistida pelo tubo, lida em Newton, e a partir da qual o valor de carga deixa de sofrer acréscimo, mesmo com o prosseguimento do ensaio. Dentre os requisitos mínimos estabelecidos para tubos de concreto, a serem aplicados em obras de esgoto sanitário, as NBRs.8889/85 e 8890/85, de maneira geral, abordam aspectos relativos ao concreto, fixando: consumo mínimo de cimento em 350 kg/m 3 ; máxima relação água/cimento em 0,45 l/kg; uso de cimento com teor de C 3 A < 8%; máxima absorção de água de 6%; e realização de ensaio de permeabilidade com pressão de 0,1 MPa, para controle de qualidade dos tubos e juntas. Com relação ao ensaio de compressão diametral as normas especificam o valor da carga de trinca e ruptura, em função da classe e diâmetro nominal do tubo. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 5

6 Dentre as outras exigências, cabe salientar que, atenção especial merece ser dada ao cobrimento das armaduras e defeitos visuais, tais como, trincas e danos nos tubos oriundos do manuseio e transporte, porque estes fatores afetam de forma significativa a durabilidade dos tubos. 5. Concretos Reforçados com Fibras 5.1. Introdução O primeiro composto manufaturado usado em grande escala no tempo moderno foi o cimento reforçado com fibras de amianto, que foi desenvolvido por volta de 1900 com a invenção do processo de Hatschec. Desde o uso inicial das fibras de amianto, uma grande variedade de outros tipos de fibras tem sido utilizadas para reforçar um número de diferentes materiais, tais como, epóxis, plásticos, cerâmicas e concretos (Bentur; Mindess, 1990). Entre elas pode-se citar as fibras de vidro, aço, carbono, poliméricas e vegetais. As fibras de aço são bastante empregadas como reforço do concreto por apresentarem uma grande vantagem sobre os outros tipos de fibras, devido a sua alta resistência à tração e grande capacidade de aderência à matriz que a envolve. Tais fibras podem ser facilmente deformadas melhorando sua capacidade de aderência, o que contribui para o aumento da tenacidade do compósito (Bentur; Mindess, 1990). Na grande maioria dos concretos reforçados com fibras de aço são empregados baixos volumes de incorporação, o que resulta em praticamente nenhum aumento de suas resistências à compressão e a tração. Desta forma, a matriz fissura com o mesmo nível de tensão e de deformação do que quando não armada (Moraes; Carnio; Pinto Jr., 1998). Os principais efeitos que trazem consigo a incorporação de fibras de aço ao concreto e argamassas, podem ser resumidos em (Neville, 1982): Importante incremento da tenacidade, redução da deformação sob aplicação de cargas, forte incremento da resistência ao impacto, grande resistência a fadiga, controle da fissuração e melhora na durabilidade Todavia, como todo concreto utilizado em obras civis, o concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) precisa dos mesmos cuidados na dosagem, execução, transporte, lançamento, adensamento e cura para que se possa obter um bom desempenho do material relativo a sua durabilidade e utilização. Isto garantido, a durabilidade do CRFA pode ser superior quando comparada com a do concreto convencional, devido sua capacidade de controle de propagação de fissuras (Nunes; Tanesi; Figueiredo, 1997), porque as fibras evitam que as micro fissuras se tornem maiores e assim protegem o concreto de ataque quando sujeito a meios agressivos. Apesar das vantagens que os concretos reforçados com fibras de aço propiciam, algumas limitações ao seu uso ainda continuam existindo, tais como, a falta de estudos que objetivem fornecer parâmetros para a dosagem racional da fibra, em função das exigências de desempenho a que estará submetido o compósito, métodos de avaliação e controle, como já foi feito para a aplicação do concreto projetado com fibras de aço para revestimentos de túneis (Figueiredo, 1997), e custo elevado da fibra em relação a outros materiais (Nunes; Tanesi; Figueiredo, 1997) Interação fibra-matriz A interação fibra-matriz, que governa o processo de transferência de tensões e conseqüentemente a tenacidade do compósito, é influenciada pelos seguintes parâmetros (Moraes; Carnio; Pinto Jr., 1998): Fator de forma das fibras (relação l/d) Ancoragem das fibras à matriz V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 6

7 Resistência à tração das fibras Resistência de aderência Teor de fibras incorporado Os três primeiros parâmetros são funções do tipo de fibra empregado, e a resistência de aderência está intimamente ligada à resistência da matriz, que por sua vez é função direta da microestrutura da região de interface entre a fibra e a matriz, ou seja, da zona de transição fibra-matriz. O fator de forma é a relação entre o comprimento da fibra e o diâmetro da circunferência cuja área é equivalente a seção transversal da fibra, conforme figura 5.1. Supõe-se, que seja um índice capaz de indicar com apenas um número a eficiência da fibra para melhora da tenacidade do compósito (Nunes; Agopyan, 1998). FIGURA 5.1 Conceituação do fator de forma da fibra Um aumento no fator de forma pode representar um aumento no comprimento da fibra ou decréscimo no diâmetro equivalente. Em outras palavras, o aumento do fator de forma pode representar uma melhora na resistência ao arrancamento da fibra ou um aumento no número de fibras que podem interceptar uma fissura ou até os dois casos simultaneamente. De qualquer maneira, até um certo limite, quanto maior o fator de forma da fibra, maior é a tenacidade (Nunes; Agopyan, 1998) Compósito matriz - fibra Segundo Nunes, Tanesi e Figueiredo (1997), concreto reforçado com fibras de aço é um compósito onde a matriz é o concreto de cimento Portland e o reforço constituído pelas fibras de aço, as quais são elementos descontínuos, distribuídos aleatoriamente e cujo comprimento predomina sobre sua seção transversal. Preferencialmente, a utilização de fibras adicionadas ao concreto, visa o controle da fissuração e alterar o comportamento do material após a matriz estar fissurada, melhorando a capacidade de absorção de energia( tenacidade) do compósito (Bentur; Mindess, 1990). Isto ocorre porque a fibra atua como ponte de transferência de tensões através das fissuras, controlando a abertura da fissura ou a sua propagação (Moraes; Carnio; Pinto Jr., 1998), conforme apresentado na figura 5.2. FIGURA 5.2 Mecanismo de controle de propagação das fissuras (Moraes; Carnio; Pinto Jr., 1998) V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 7

8 As fibras por serem descontínuas e distribuídas de forma aleatória por toda a matriz cimentícia, são pouco eficientes para resistir aos esforços de tração. Por outro lado elas são mais eficientes, no controle da fissuração, do que o reforço convencional com barras. Em função disto são utilizadas para incremento das propriedades do concreto com relação ao impacto e fadiga, qualificando seu uso em aplicações, tais como, construção e recuperação de pavimentos rodoviários, pavimentos industriais, concreto projetado para revestimento de túneis, contenção de taludes, estruturas militares, pré-moldados, etc. (Bentur; Mindess, 1990). As fibras quando adicionadas ao concreto atuam como inclusões rígidas com uma grande área superficial e uma geometria diferente dos agregados. Portanto não é de se estranhar que as mesmas reduzam a fluidez do compósito e aumentem consideravelmente a consistência do concreto, salvo se façam as correções necessárias de dosagem (Bentur; Mindess, 1990). 6. Avaliação Experimental do Desempenho de Tubos de Concreto Reforçados com Fibras de Aço 6.1. Introdução Neste capítulo será apresentada a avaliação experimental, onde se comparou o desempenho de tubos de concreto reforçados com fibras de aço, tubos de concreto simples e tubos de concreto armado classes A2 e A3, assim definidos de acordo com a carga de trinca e ruptura estabelecida na NBR 8890/85. Esta avaliação foi feita através de ensaios de compressão diametral, o qual possui a maior relevância na qualificação destes produtos. De forma a possibilitar estas avaliações, foram realizados ensaios de caracterização do material, compressão axial e compressão diametral em corpos de prova cilíndricos e absorção de água em testemunhos extraídos dos tubos. A verificação de desempenho foi feita através de ensaios de compressão diametral, com controle de deslocamentos, em tubos de concreto simples, armados e reforçados com fibras de aço. Foram realizados também ensaios de tenacidade em corpos de prova prismáticos, conforme recomendação da JSCE-SF4, 1984 para caracterização do compósito Materiais e métodos Materiais O traço em massa da matriz de concreto utilizada na fabricação de todos os tubos foi de 1 : 2,48 : 1,10 : 2,07 : 0,38 (cimento : areia : misto : pedrisco : água), sendo o consumo de materiais por metro cúbico o seguinte: Cimento CPV ARI RS : 362,50 kg/m 3 Areia : 900 kg/m 3 (módulo de finura 2,59) Misto (pó de pedra) : 400 kg/m 3 (módulo de finura 4,30) Pedrisco : 750 kg/m 3 (módulo de finura 5,86) Água : 137,50 l/m 3 As fibras empregadas como reforço dos tubos, cujas características se encontram relacionadas na tabela 6.1 foram escolhidas principalmente em função do seu fator de forma e comprimento, visando forçar o seu posicionamento no plano tangencial à parede do tubo e perpendicular ao plano preferencial das fissuras, de maneira a se obter à maior eficiência possível na interceptação das fissuras. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 8

9 TABELA 6.1 Características das fibras utilizadas Fibra Tipo Seção Fator Resistência Transversal Forma Tração (MPa) 60 mm 75 mm mm 0,5 mm ,7 mm Os teores de fibra incorporados ao concreto, tanto para a fibra tipo A quanto para a fibra tipo B, foram fixados em 10 kg/m 3, 20 kg/m 3, e 40 kg/m 3, visando avaliar o comportamento de cada tipo de fibra e o respectivo desempenho dos tubos com fibras em relação aos tubos de concreto simples e armados. Além destes materiais, foram utilizados rolos de aço CA-60, de diâmetro igual a 6mm, cortados e soldados na própria fábrica, para a fabricação das telas metálicas utilizadas na armação dos tubos classe A2 e A Metodologia Processo de fabricação dos tubos, moldagem dos corpos de prova e ensaios Para a realização deste trabalho de avaliação experimental, foram produzidos 45 tubos de concreto para esgoto sanitário, de diâmetro 800mm, sendo: cinco tubos de concreto simples; cinco tubos de concreto armado com telas, classe A2 e cinco tubos de concreto armado com telas, classe A3; quinze tubos de concreto reforçados com fibras de aço tipo A, sendo cinco tubos com teor de 10kg/m 3, cinco tubos com teor de 20kg/m 3 e cinco tubos com teor de 40kg/m 3 ; e quinze tubos de concreto reforçados com fibras de aço tipo B, sendo cinco tubos com teor de 10kg/m 3, cinco tubos com teor de 20kg/m 3, e cinco tubos com teor de 40kg/m 3. Durante o processo de fabricação dos tubos foram moldados 42 corpos-de-prova cilíndricos de 100mm x 200mm, de acordo com a NBR 5738 e posteriormente foram realizados ensaios de compressão axial, conforme NBR 5739/94 e compressão diametral, conforme NBR 7222/94. Com os concretos utilizados na fabricação dos tubos reforçados com fibras foram moldados 28 corpos-de-prova prismáticos de 150mm x 150mm x 500mm, com a distribuição por tipo de fibra de 5 CPs para a dosagem de 10kg/m 3, 4 CPs para a dosagem de 20kg/m 3 e 5 CPs para a dosagem de 40kg/m 3, para a realização dos ensaios de tenacidade conforme recomendação da JSCE-SF4 (1984), medindo-se a energia absorvida e o fator de tenacidade para uma deflexão de l/150 ( 3mm ). Os ensaios de compressão diametral em tubos, através do método dos três cutelos, foram realizados em escala real (1:1) utilizando-se pórtico com capacidade para 20 toneladas e 2 medidores de deslocamentos a base de extensômetros elétricos de resistência, posicionados na geratriz superior do tubo, sendo um na região da ponta e outro na bolsa do tubo, conforme figura 6.1. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 9

10 FIGURA 6.1 Ensaio de compressão diametral em tubos Os valores das cargas e deslocamentos obtidos nos ensaios dos tubos foram utilizados para determinar a tenacidade correspondente aos deslocamentos de 2mm, 4mm, e 6mm, e posteriormente possibilitar a avaliação de desempenho dos tubos com fibras em relação aos tubos armados com telas. Após o ensaio de compressão diametral, foram retirados 8 testemunhos de 100mm de diâmetro das paredes dos tubos para execução de ensaio de absorção, índice de vazios, massa específica seca e massa específica submersa, conforme NBR 9778/87, na proporção de 2 amostras para os tubos de concreto simples e 2 amostras para cada teor de fibra tipo A (selecionada em função do seu maior fator de forma uma vez que o objetivo foi verificar se a fibra teve alguma influência na compactação do concreto dos tubos), conforme figura 6.2. FIGURA 6.2 Retirada de amostras para realização de ensaio de absorção Em relação a determinação do índice de absorção de água foi verificado se as amostras atendiam ao valor máximo de 6%, prescrito na NBR 8890/85, e comparado os valores obtidos em cada situação, ou seja, tubos simples e tubos reforçados com fibras 7. Resultados e análise dos resultados 7.1. Resistência à compressão axial e tração por compressão diametral Os valores médios, obtidos no ensaio de determinação da resistência à compressão axial e tração por compressão diametral para os diversos corpos-de-prova moldados com o concreto utilizado na fabricação dos tubos de concreto simples, armados com telas, e reforçados com fibras encontram-se na tabela 7.1. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 10

11 TABELA 7.1 Resultados obtidos para a resistência à compressão axial e tração por compressão diametral TUBOS VALOR MÉDIO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO (MPa) VALOR MÉDIO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (MPa) SIMPLES 56,93 5,75 ARMADO 59,82 4,54 REFORÇADO COM FIBRAS 54,29 4,96 62,75 4,66 60,73 5,10 Pelos resultados obtidos, conforme tabela 7.1, pode se constatar que para a incorporação de fibras nas dosagens utilizadas no experimento, não houve influência das fibras na resistência à compressão axial e diametral do concreto. Este comportamento era esperado dado que o volume de fibras empregado estava bem abaixo do crítico (Bentur e Mindess, 1990) e a resistência da matriz foi bem elevada, estando sempre acima de 50 MPa. Com isso, comprovou-se também que, apesar de ser um concreto de reologia seca, não houve qualquer prejuízo na compactação do material causado pelas fibras Determinação da absorção de água por imersão, índice de vazios, e massa específica Os valores obtidos no ensaio para determinação da absorção de água por imersão, índice de vazios, e massa específica, realizados nos corpos de prova extraídos das paredes dos tubos submetidos ao ensaio de compressão diametral, encontram-se apresentados na tabela 7.2, sendo que, os corpos-de-prova 1 e 2 correspondem aos tubos de concreto simples e os corpos de prova 10.1, 10.2, 20.1, 20.2, 40.1 e 40.2 correspondem aos tubos reforçados com fibras de aço tipo A. TABELA 7.2 Resultados obtidos para absorção, índice de vazios e massa específica MASSA M. MASSA. ABSORÇÃO ABSORÇÃO INDICE M. ESP. M. ESP. SATURADA SATURADA CP SECA MÉDIA SUBMERSA VAZIOS SECA SATURADA (g) (g) (g) (g) ( g ) ( % ) (g/cm 3 ) (g/cm 3 ) ,50 5,51 12,70 2,31 2,43 5, ,40 5,55 12,81 2,31 2, ,60 4,92 11,46 2,33 2,44 4, ,90 4,92 11,44 2,33 2, ,40 5,28 12,30 2,33 2,45 5, ,70 5,28 12,34 2,34 2, ,00 5,03 5,23 11,97 2,38 2, ,50 5,42 12,71 2,34 2,47 Os valores obtidos nos ensaios de absorção, índice de vazios e massa específica, conforme tabela 7.2, relativos a todos os testemunhos extraídos dos tubos de concreto simples e reforçados com fibras de aço foram muito semelhantes. Por outro lado, todos valores obtidos foram menores que 6%, que é o valor máximo admitido para tubos de concreto a serem utilizados em redes de esgoto, conforme prescrito pela NBR 8889/85 e NBR 8890/85 e representam de maneira fiel a situação dos tubos com relação a absorção. Isto se justifica pelo fato de ter sido mantido o mesmo traço na produção de todos os tubos de concreto, pelo fato das fibras, nas dosagens utilizadas, não alterarem o volume de vazios do concreto e, principalmente, porque os testemunhos extraídos diretamente da parede dos tubos de concreto mostraram que o processo de fabricação dos tubos V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 11

12 garantiu uma boa compactação do concreto. Assim, seja nos corpos-de-prova moldados ou nos tubos, as fibras não prejudicaram a compactação do material Índices de tenacidade Os resultados dos índices de tenacidade e resistência à tração na flexão, obtidos a partir de ensaios realizados em corpos-de-prova prismáticos, moldados com o concreto utilizado na produção dos tubos reforçados com fibras, encontram-se na tabela 7.3. TABELA 7.3 Índices de tenacidade e resistência à tração na flexão determinada em Corpos-de-prova prismáticos FIBRA RESIST. TRAÇÃO MÉDIA NA FLEXÃO (MPa) TENACIDADE(Tb) (N.mm) FATOR TENACIDADE(Ftm) MÉDIO (MPa) A 10 6, B 10 6, A 20 7, ,39 5,16 B 20 5, ,75 2,26 A 40 6, ,59 5,32 B 40 5, ,73 2,98 Os resultados obtidos nos ensaios de tenacidade em prismas, conforme tabela 7.3, indicam que, no caso da incorporação de fibras na dosagem de 10 kg/m 3 houve ruptura frágil do compósito em função do baixo teor de fibras e da alta resistência da matriz de concreto. Quanto aos teores de 20 kg/m 3 e 40 kg/m 3 os prismas reforçados com fibras tipo B apresentaram baixo fator de tenacidade em função da baixa resistência da fibra, da elevada resistência da matriz e devido ao menor fator de forma da fibra tipo B em relação as fibras tipo A. Com isso, no momento da ruptura da matriz e da transferência de tensão desta para as fibras, estas foram rompidas em grande número, reduzindo a resistência residual pós-fissuração e, conseqüentemente, a tenacidade. Em função dos resultados, fica claro que, no caso de concretos com altas resistências, para que se possa obter um adequado nível de tenacidade é necessário evitar a ruptura prematura das fibras, o que pode ser conseguido com a melhoria da resistência à tração das fibras, e aumentando o comprimento das mesmas. Estes ensaios estão, de certa forma, corroborando os resultados obtidos pela compressão diametral dos tubos onde as fibras de maior resistência e os maiores teores puderam reduzir a característica fragilidade do material como apresentado a seguir Compressão diametral dos tubos Os valores das cargas de trinca e ruptura obtidas nos ensaios de compressão diametral dos tubos, encontram-se relacionadas na tabela 7.4 e 7.5. TABELA 7.4 Valores das cargas de trinca em tubos TUBO DESLOCA- MENTO (mm) CARGA DE TRINCA (kn/m) A2 A2 0,293 54,03 45,00 CARGA DE TRINCA(kN/m) NBR 8890/85 A3 0,307 56,20 80,00 FIBRA A 10 0,311 55,28 A norma FIBRA A 20 0,313 57,14 não prevê carga de FIBRA A 40 0,318 65,05 trinca para FIBRA B 20 0,119 49,74 tubo com FIBRA B 40 0,337 51,32 fibras V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 12 A3

13 TABELA 7.5 Valores das cargas de ruptura em tubos TUBO SIMPLES A2 A3 CARGA DE RUPTURA (kn/m) TUBOS COM FIBRAS CARGA DE RUPTURA NBR 8890/85 (kn/m) A 10 A 20 A 40 B 10 B 20 B 40 A2 A3 Média 63,89 132,91 125,82 60,77 65,65 82,73 61,89 66,17 70,59 63,00 112,00 Em função dos resultados obtidos nos ensaios, conforme tabelas 7.4 e 7.5, pode-se concluir que: os tubos classe A2 atenderam ao valor mínimo prescrito pela NBR 8890/85 para a carga de trinca. quanto aos tubos classe A3, os mesmos não conseguiram atingir o valor mínimo prescrito pela NBR 8890/85 para a carga de trinca, e isto se deve fundamentalmente a dosagem da matriz. Isto demonstra que a maior taxa de armadura dos tubos A3 não foi suficiente para representar um reforço capaz de aumentar a carga de trinca e que a carga de trinca é função, única e exclusivamente, da qualidade da matriz empregada na fabricação dos tubos. com relação à carga de ruptura tanto os tubos classe A2 quanto A3 atenderam os valores mínimos prescritos por norma e são basicamente similares pois não houve diferença significativa. os tubos reforçados com fibras tipo A no teor 10 kg/m 3 e fibras tipo A e tipo B nos teores de 20 kg/m 3 e 40 kg/m 3, atendem ao valor mínimo prescrito por norma para os tubos classe A2. como as cargas de trinca foram determinadas graficamente o valor da carga de trinca para os tubos reforçados com fibras tipo B no teor de 10 kg/m 3 não foi determinada porque os medidores de deslocamentos não foram instalados. Tal fato se deve a preocupação em danificar os medidores devido a ruptura frágil dos tubos. analisando os resultados obtidos para a carga de ruptura dos tubos reforçados com fibras de aço, pode-se concluir que os tubos reforçados com fibras tipo A e tipo B, nas dosagens acima de 20 kg/m 3, atendem ao valor mínimo prescrito por norma para tubos classe A2. Entretanto, na dosagem de 10 kg/m 3 os tubos reforçados com fibras não atendem ao valor mínimo de ruptura prescrito por norma para tubos classe A2 apesar do valor estar muito próximo do valor limite, com diferenças que não ultrapassam 4%. com relação à carga mínima de ruptura prescrita por norma para tubos classe A3, nenhum tubo reforçado com fibras atende ao valor mínimo de norma Tenacidade correspondente aos deslocamentos de 2mm, 4mm e 6mm Os resultados dos ensaios de compressão diametral foram utilizados para elaborar a tabela 7.6, onde constam os valores das tenacidades correspondentes aos deslocamentos de 2, 4 e 6mm para os diversos tipos de tubos, de forma a possibilitar avaliação comparativa de desempenho dos tubos armados e reforçados com fibras. V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 13

14 TABELA Tenacidade relativa aos deslocamentos de 2, 4 e 6mm TUBO TENACIDADE (kn. mm) 2mm 4mm 6mm A2 117,22 246,20 400,25 A3 122,80 267,28 439,99 Fibra A 10 95,26 164,39 222,04 Fibra A ,78 211,73 299,44 Fibra A ,55 288,38 430,51 Fibra B ,74 162,29 189,05 Fibra B ,47 225,25 289,88 Da tabela 7.6 pode-se concluir que quanto maior o deslocamento maior será a dificuldade das fibras em atenderem aos requisitos de equivalência. Na tabela 7.7 encontram-se relacionados os teores de fibras que apresentaram desempenho equivalente aos tubos A2 e A3 segundo o nível de tenacidade arbitrado para os deslocamentos de 2mm, 4mm e 6mm. TABELA 7.7 Teores equivalentes de fibras à taxa de armadura dos tubos A2 e A3 segundo a tenacidade obtida para os deslocamentos de 2mm, 4mm e 6mm DESLOCAMENTO (mm) TIPO DE TEOR EQUIVALENTE DE FIBRA TUBO FIBRA TIPO A FIBRA TIPO B A A3 27 Não atendeu A2 28 Não atendeu A3 33 Não atendeu A2 35 Não atendeu A3 42 Não atendeu Com isto, pode-se concluir que, quanto maior o nível de deslocamento e, conseqüentemente, maior nível de fissuração do tubo durante o ensaio, maior será a teor de fibras necessário para apresentar um desempenho equivalente ao dos tubos A2 e A3. Ressalte-se que, para 6mm de deslocamento o nível de fissuração é tal que compromete totalmente a condição de serviço do tubo uma vez que deixará a armadura completamente exposta ao ataque de agentes agressivos tanto do solo como do interior do mesmo. 8. Comentários finais Conforme definido no objetivo deste trabalho, observou-se que é possível executar tubos de concreto reforçado com fibras de aço para esgoto sanitário com desempenho mecânico equivalente àqueles reforçados com telas metálicas. Características como capacidade e resistência mecânica da matriz não foram afetadas pela introdução de fibras de aço, as quais contribuíram para a obtenção de níveis de tenacidade compatíveis com os tubos armados convencionalmente, tão mais facilmente quanto menor for o nível de deslocamento imposto aos tubos durante o ensaio. Os valores obtidos nos ensaios de compressão axial e tração por compressão diametral realizados em corpos-de-prova cilíndricos mostraram-se muito próximos quando se comparou o concreto com fibras, armados com telas e simples e não surpreenderam, porque o volume de fibras incorporado aos tubos foi menor que o volume crítico. Para os resultados dos ensaios de absorção de água, obtidos através de ensaios realizados em amostras retiradas das paredes dos tubos de concreto simples e V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 14

15 reforçados com fibras de aço, pode-se concluir que as fibras, nas dosagens utilizadas, não alteram o volume de vazios do concreto, já que os valores obtidos para absorção foram praticamente iguais e abaixo do limite máximo de 6% prescrito por norma. Os ensaios de tenacidade realizados em prismas mostraram que as fibras tipo A tiveram um desempenho superior as fibras tipo B, em função principalmente da maior resistência, fator de forma e comprimento da fibra tipo A em relação à fibra tipo B. Tal resultado é muito similar ao observado no ensaio de compressão diametral dos tubos, onde os maiores teores produziram maior tenacidade enquanto os baixos teores não diminuíram a fragilidade do material por ocasião da ruptura. Os ensaios de compressão diametral realizados nos tubos, por serem realizados em verdadeira grandeza, representam fielmente a situação prática e mostraram que quando comparados, os tubos reforçados com fibras e os tubos armados, podemos concluir que os tubos reforçados com fibras apresentaram carga de trinca superior ao limite mínimo prescrito por norma e com valores muito próximos aos tubos armados, exceto no caso dos tubos reforçados com fibras tipo A na dosagem de 40 kg/m 3 que apresentaram valor aproximadamente 15% superior aos tubos armados e os tubos com fibra tipo B na dosagem de 10 kg/m 3 que tiveram ruptura frágil. Em função dos valores de tenacidade por teor de fibra obtidos em tubos para os deslocamentos de 2mm, 4mm e 6mm, pode-se concluir que quanto maior o nível de deslocamento do tubo durante o ensaio maior será o teor de fibras necessário para apresentar um desempenho equivalente ao dos tubos A2 e A3. Entretanto cabe ressaltar que para níveis de deslocamento da ordem de 6mm o nível de fissuração é de tal ordem que a condição de serviço do tubo estará totalmente comprometida. Portanto, em função dos resultados é possível concluir pela equivalência de desempenho dos tubos de concreto reforçados com fibra de aço tipo A na dosagem de 40 kg/m 3, em relação aos tubos de concreto armados com telas metálicas classe A2, principalmente para níveis de deslocamentos inferiores a 4mm, que na prática já provocam um nível de fissuração elevada no tubo. Com relação as fibras tipo A na dosagem de 20 kg/m 3 e fibras tipo B nas dosagens de 20 kg/m 3 e 40 kg/m 3, como os valores das cargas de ruptura estão muito próximos dos valores limites de norma e não houve ganho significativo na capacidade de absorção de energia destes tubos, conclui-se pela não equivalência de desempenho em relação aos tubos armados com telas metálicas classe A2. Tal conclusão se deve ao fato desta ser a primeira experiência prática realizada e porque os equipamentos disponíveis para produção de tubos possuem desempenho diferente no adensamento do concreto dos mesmos, necessitando portanto de novos estudos e novas avaliações em outras condições de fabricação. 9. Referências Bibliográficas AMERICAN CONCRETE PIPE ASSOCIATION. Concrete Pipe Handbook. Vienna, Virginia, USA, January, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Tubo de Concreto Simples, de Seção Circular para Esgoto Sanitário. NBR , ABNT, Rio de Janeiro.. Tubo de Concreto Armado, de Seção Circular para Esgoto Sanitário. NBR , ABNT, Rio de Janeiro. BEKAERT BUILDING PRODUCTS ( Humberside ) LTD. Dramix Steelwire for Concrete pipes. Editor M. Vandenberghe, Kortrijk, Belgium, V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 15

16 BENTUR, ARNON; MINDESS, SIDNEY. Fiber Reinforced Cementitious Composites. United Kingdon. Barking, Elsevier MORAES, ANTÔNIO ALEXANDRE DE; CARNIO, MARCO ANTÕNIO E PINTO JR., NEWTON DE OLIVEIRA. Tenacidade e Resistência equivalente à tração na flexão de concretos de alto desempenho reforçados com fibras de aço de baixo e alto teor de carbono. 40º Congresso Brasileiro do Concreto. IBRACON, Rio de Janeiro, RJ, Agosto NEVILLE, ADAM MATTHEW. Propriedades do Concreto. Tradução de Salvador E. Giammusso. PINI Editora, São Paulo, S.P, NUNES, NELSON LUCIO; AGOPYAN VAHAN. A influência do fator de forma da fibra na tenacidade a flexão do concreto reforçado com fibras de aço. Boletim Técnico nº.225, Departamento de Construção Civil, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, S.P., NUNES, NELSON LUCIO; TANESI, JUSSARA; FIGUEIREDO, ANTÔNIO DOMINGUES DE. Aplicação do Concreto Reforçado com Fibras de Aço na PINTO JR., NEWTON DE OLIVEIRA; MORAES, ANTÔNIO ALEXANDRE. Concreto Reforçado com Fibras de Aço (CRFA). In: 38ª Reunião do IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto. Ribeirão Preto, S.P. 19 a 23 de agosto de Anais v.2 p ZAIDLER, WALDEMAR. Projetos estruturais de tubos enterrados. PINI Editora, São Paulo, S.P., V Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto 16