AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE DURABILIDADE DE ANCORAGENS METÁLICAS EM PAREDES DE ALVENARIA

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1 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES DE DURABILIDADE DE ANCORAGENS METÁLICAS EM PAREDES DE ALVENARIA Fernando Pinho Professor Auxiliar FCT UNL Lisboa - Portugal Válter Lúcio Professor Associado FCT UNL Lisboa - Portugal Luís Moura Engenheiro Mecânico ZIRCOM, SA Palmela - Portugal Nuno Travassos Engenheiro Civil A2P Consult, Lda Lisboa - Portugal Inês Avó Almeida Engenheira Civil A2P Consult, Lda Lisboa - Portugal SUMÁRIO A tecnologia existente para execução de ancoragens permite efectuar furos longos em paredes heterogéneas. O problema da ligação de ancoragens metálicas a paredes de alvenaria tem importância devido à escassez de informação que caracterize numericamente o desempenho deste tipo de ligações. Neste contexto, entendeu-se oportuna a realização de um conjunto de ensaios que permitisse analisar a durabilidade dos sistemas de ancoragem e a precisão da execução dos furos e, num segundo conjunto de ensaios, avaliar a resistência ao arrancamento de ancoragens inseridas em alvenaria. Nesta comunicação faz-se referência aos primeiros resultados de um estudo solicitado pela empresa Zircom, S.A. à FCT UNL, relacionados com a durabilidade do sistema, por sua vez dependente do recobrimento dos varões das ancoragens pela calda de injecção. Este estudo tem a colaboração da empresa A2P. 1. INTRODUÇÃO A reabilitação e reforço de estruturas de alvenaria de pedra e tijolo tem assumido uma importância crescente em Portugal, decorrente da necessidade de recuperar e/ou adaptar uma grande quantidade de estruturas já existentes. Neste contexto, são muitas vezes aplicadas ancoragens metálicas, podendo ter variadas funções, nomeadamente fixações de novos elementos (metálicos, madeira, etc.) a paredes, melhoria de interligação entre paredes ortogonais (tipicamente em cunhais) e elementos mais longos em ligação de panos de paredes paralelos ou em cozimento extenso de uma parede. As ancoragens metálicas podem ser mais ou menos extensas em função do objectivo pretendido. No caso de fixações de novos elementos a uma parede de alvenaria, as ancoragens têm extensão limitada a um pouco menos que a largura dessa parede (para não tornar a ligação aparente). Nesta situação, as ancoragens metálicas correntes têm desde 0.30 m a 0.60 m, na proporção daquilo que é a largura corrente da parede de alvenaria. Na presença de uma parede de maior espessura, poder-se-ão utilizar comprimentos de ancoragens ainda maiores para a referida função. Nos cunhais ou cantos, formados por paredes ortogonais, a utilização de ancoragens metálicas é motivada pela utilidade, já há muito demonstrada, de interligar eficazmente panos de parede ortogonais como forma de consolidação e garantia de melhor funcionamento de conjunto, quer em caso de acção sísmica, quer de cargas estáticas horizontais que provoquem deslocamentos nas paredes, figura 1. 81

2 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures A A Figura 34: Esquema ilustrativo de ancoragem metálica em cunhais Na presença de fracturas (ou de fendilhação) em paredes de alvenaria, pode fazer sentido efectuar um cozimento comum às diversas fracturas. Esse cozimento pode ser executado com ligadores (tirantes) metálicos longos inseridos na parede de forma superficial ou a meia espessura da mesma. A segunda situação requer a realização de furos na alvenaria, figura 2. Figura 35: Esquema ilustrativo de utilização de tirantes longos em fachadas As ancoragens longas são ainda utilizadas na ligação de paredes paralelas, de modo a garantir o funcionamento do conjunto, evitando movimentos opostos. Nestes casos, para além do atravessamento das paredes propriamente ditas, podem existir situações em que os furos onde se instalam as ancoragens tenham de atravessar também o extradorso de abóbadas, o qual pode ser constituído por materiais com coesão diversificada, figura 3. 82

3 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria Pormenor 4 Pormenor 4 Pormenor 1 Pormenor 1 Pormenor 2 Pormenor 1 Figura 36: Esquemas ilustrativos de ligações de paredes paralelas À excepção da inserção superficial de ancoragens metálicas, todas as outras utilizações implicam a realização prévia de furos nas alvenarias, sendo que a execução dos mesmos e a posterior instalação das ancoragens metálicas requer um conjunto de cuidados de boa execução, os quais, embora já sejam correntes, são por vezes desvalorizados e descurados com prejuízo para o desempenho final da ancoragem metálica. De entre os procedimentos de execução, merecem destaque aspectos como a escolha adequada do diâmetro do furo face ao diâmetro do elemento metálico, o modo de execução do furo, a limpeza do furo antes da instalação do ligador, o tipo de ancoragem metálica e o material e o modo de preenchimento do furo. No que se refere ao alinhamento dos furos, é normal que, sendo a alvenaria um material heterogéneo (sobretudo a alvenaria de pedra), possa haver dificuldade em assegurar o alinhamento perfeito do furo e uma distância regular 83

4 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures relativamente à face da parede. Por outro lado, quanto mais longo for o furo mais difícil se torna garantir que o ligador metálico se mantém centrado ao longo do furo. Estas questões assumem maior relevância quando se trata de ligadores junto de uma face da parede sujeita ao ambiente exterior, em geral mais condicionante sob o ponto de vista de agressividade do ambiente. 2. OBJECTIVOS DO PROGRAMA EXPERIMENTAL, EM CURSO NA FCT UNL Num primeiro grupo de ensaios, entendeu-se ser útil a verificação da qualidade da execução de ancoragens longas através da avaliação da centralidade do elemento metálico ao longo do furo e o seu consequente recobrimento expectável. Para isso, foi realizado um muro constituído por troços em alvenaria ordinária e em alvenaria de tijolo, e instalado o SISTEMA DE ANCORAGENS ZIRCOM. Este sistema é composto por um elemento metálico (a definir pelo projecto), por centradores, manga elástica (para evitar fugas de grande quantidade de calda em caso de vazios na alvenaria) e calda de injecção. O sistema é fornecido prémontado. Através do corte do muro em diferentes secções foi analisado, em cada uma delas, o posicionamento do elemento metálico. Num segundo grupo de ensaios, entendeu-se oportuna a análise do desempenho do mesmo sistema em alvenaria quando sujeito ao arrancamento, nomeadamente no que respeita aos modos de rotura e às forças máximas de arrancamento. Para isso, foram realizados modelos constituídos por alvenaria de pedra e por alvenaria de tijolo e instalado o SISTEMA DE ANCORAGENS ZIRCOM com diferentes comprimentos também por meio de furos executados na alvenaria e posteriormente injectados com grout, figura 4. No presente artigo, dá-se enfoque, essencialmente, à primeira campanha de ensaios, e aqui, ao posicionamento do elemento metálico no interior do furo. 3. IMPORTÂNCIA DA AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DE ANCORAGENS Numa ancoragem longa, pretende-se que o elemento metálico fique centrado, mantendo a sua posição relativa ao longo do furo. Para tal, podem ser utilizados dispositivos centradores com espaçamentos regulares ao longo do elemento metálico pois, de outro modo, este ficaria apoiado na base do furo, originando um recobrimento tendencialmente nulo. Na prática, este posicionamento é inevitavelmente imperfeito, sendo os desvios face à geometria ideal incrementados pelo processo de injecção do furo. A utilização da calda de injecção como forma de recentrar o elemento metálico, tal como utilizado nalguns sistemas de pré-esforço exterior, implicaria uma pressão de injecção incompatível com a estabilidade da alvenaria envolvente do furo. A análise do desvio obtido no posicionamento do elemento metálico após a injecção do furo pretende avaliar dois aspectos: por um lado, o valor do recobrimento mínimo conferido pela calda de injecção, a qual assegura as condições de alcalinidade que determinam a durabilidade do elemento metálico; por outro lado, o diâmetro máximo efectivo do furo que é mobilizado na ligação, o qual deverá ser comparado com o valor preconizado em projecto. Além dos aspectos já referidos relativamente à execução das ancoragens, constata-se que a informação relativa à caracterização numérica do desempenho da ligação de ancoragens metálicas a paredes de alvenaria é ainda escassa. A avaliação desse tipo de ligações é muitas vezes realizada através de uma analogia com formulações de cálculo desenvolvidas para betão, considerando propriedades minoradas para reflectir as características da alvenaria. Importa, assim, aferir a validade dessa analogia. 4. BREVE CARACTERIZAÇÃO DOS MODELOS EXPERIMENTAIS Para o presente estudo foram construídos na FCT UNL, a pedido da empresa Zircom, S.A e em colaboração com a empresa A2P, sete modelos experimentais, sendo um deles destinado à verificação do posicionamento das ancoragens e os restantes destinados aos ensaios de arrancamento, figura 4. Os modelos têm diferentes formas geométricas, destinadas, por um lado, a maximizar a quantidade de ensaios e, por outro lado, a reflectir algumas situações correntes, nomeadamente os cunhais em paredes ortogonais. Todos os modelos foram executados sobre bases em betão armado (apoiadas em betonilha de regularização do solo), com 0.20 m de altura. 84

5 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria Sobre cada modelo foi ainda executado um lintel com 0.15 m de espessura, no primeiro grupo de ensaios, e de 0.25 m, no segundo grupo, destinado a reproduzir o efeito de confinamento associado à compressão vertical existente numa parede real e a garantir a aplicação das cargas verticais nos modelos onde se vão realizar os ensaios de arrancamento de varões. Figura 37: Aspecto geral dos modelos dos dois ensaios Para os ensaios de verificação do posicionamento das ancoragens, foi construído um muro (M1) constituído por troços alternados de alvenaria de pedra e de tijolo (figura 5), no qual foi posteriormente instalado o SISTEMA DE ANCORAGENS ZIRCOM por meio de furos executados na alvenaria. em cima: respresentação esquemática; em baixo: imagem do muro Figura 38: Constituição do muro M1 a ensaiar 85

6 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures Nos troços de alvenaria de pedra foi utilizada pedra calcária com uma dimensão máxima entre 30 a 35 cm, assente com argamassa de cal hidráulica natural e areia (com partes iguais de rio e de areeiro) com uma resistência mecânica média de 1.90 MPa, em cura seca, aos 28 dias. Nos troços de alvenaria de tijolo foram utilizados tijolos cerâmicos furados com 22 cm x 10.5 cm x 7 cm, assentes com a mesma argamassa (juntas com cerca de 1 cm), figura 6. Figura 39: Execução do muro M1 O muro foi cortado em diferentes secções através de uma serra de disco, para ser analisado, em cada uma delas, o posicionamento do elemento metálico, figura 7. Figura 40: Seccionamento do muro M1 5. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS Na presente comunicação apresentam-se os resultados preliminares do posicionamento do elemento metálico (varão de secção circular) registados nas secções de transição entre a alvenaria ordinária e o tijolo, respectivamente a 1.0 m (S4), 2.0 m (S7) e 3.0 m (S10) relativamente à secção inicial (S0). Nestas secções foi medido o recobrimento efectivo (c eff ), isto é, a distância mínima entre o varão e o limite do furo real (limite da calda de injecção), figura 8. 86

7 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria c nom c v c eff c diâmetro da caroteadora (52mm) v diâmetro varão (12mm) c eff recobrimento efectivo c nom recobrimento nominal Figura 41: Recobrimento nominal e recobrimento efectivo O recobrimento a especificar pelo projectista, recobrimento nominal (c nom ), deve ser a soma do recobrimento mínimo (c min ) com a tolerância de execução da tecnologia utilizada ( c): c nom c min c O recobrimento mínimo (c min ) admissível em obra é definido em função do tempo de vida útil de projecto da estrutura, da agressividade do ambiente e das características da calda de injecção, isto é, da sua capacidade para proteger a aço contra a corrosão [3]. Para um determinado diâmetro do varão ( v ) e diâmetro da caroteadora ( c ), o recobrimento nominal, que é um valor teórico, é dado pela distância entre a superfície do varão e o limite teórico do furo, figura 8, ou seja, o recobrimento nominal é dado pela seguinte expressão: c nom c v 2 No presente trabalho foi usada uma caroteadora com c = 52 mm e um varão com v = 12 mm, resultando c nom = 20mm. Em seguida apresentam-se os gráficos com as medições realizadas em cada furo nas secções referidas. Para apoio destas leituras inclui-se nas figuras um esquema do muro, indicando as secções em análise. 87

8 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures Figura 42: Recobrimento ao longo do furo 1 Figura 43: Recobrimento ao longo do furo 2 88

9 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria Figura 44: Recobrimento ao longo do furo 3 Figura 45: Recobrimento ao longo do furo 4 89

10 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures Figura 46: Recobrimento ao longo do furo 5 Figura 47: Recobrimento ao longo do furo 6 Nos gráficos anteriores, e na tabela 1, onde se sintetizam os valores de c eff de cada furo, constata-se que o recobrimento efectivo é menor do que o recobrimento nominal. O desvio do valor efectivo do recobrimento em relação ao valor nominal resulta, basicamente, de dois factores: a posição do varão não corresponder, regra geral, 90

11 Conferência Internacional sobre Reabilitação de Estruturas Antigas de Alvenaria ao centro do furo e o furo, efectivamente executado pela caroteadora, não ter uma secção circular perfeita, sendo esta maior do que a secção da caroteadora. Enquanto que o primeiro factor reduz o recobrimento efectivo e em relação ao recobrimento nominal, o segundo factor tende a aumentá-lo. Os valores do furo 1 foram desprezados devido a uma anomalia durante a injecção deste furo. Este estudo terá continuação com a análise dos recobrimentos noutras secções para além das apresentadas. Tabela 1- Síntese dos valores do recobrimento efectivo registados Recobrimento efectivo c eff [mm] Furo Secção S0 S4 S7 S Tabela 2- Desvio do recobrimento em relação ao seu valor nominal c i = c nom - c eff,i [mm] Furo Secção S4 S7 S Na Tabela 2 apresentam-se os valores do desvio do recobrimento em relação ao seu valor nominal nas secções medidas até ao momento: S4, S7 e S10. Tendo por base apenas estes valores, conclui-se que o valor médio do desvio é de 2.5 mm, com um desvio padrão de 1.9 mm. Considerando uma tolerância de execução ( c) igual ao valor característico superior do desvio em relação ao recobrimento nominal, isto é, o valor do desvio que tem uma probabilidade de ser ultrapassado apenas em 5% dos casos, o valor obtido é c = 5.0 mm. Note-se que a amostra considerada possui um número relativamente reduzido de valores, que será complementada com as medições nas secções ainda em falta. 6. CONCLUSÕES Os resultados preliminares deste estudo mostram que a calda de injecção garantiu um eficiente recobrimento dos varões. Na primeira ancoragem detectou-se uma anomalia durante a injecção, a qual foi corrigida nas restantes ancoragens. Nos furos 2 a 6, verifica-se que o recobrimento efectivo é menor do que o recobrimento nominal. Constata-se que o facto de a furação atravessar partes de paredes com coesão diferenciada, faz com que a secção do furo não seja circular e seja variável ao longo do seu comprimento, resultando daí um diâmetro efectivo da furação superior ao diâmetro da caroteadora. Esta diferença tenderá a aumentar com a degradação das condições de coesão das alvenarias. Esta irregularidade da furação é, de uma forma geral, favorável ao recobrimento dos varões. Constata-se ainda que o varão não se posiciona, regra geral, no centro do furo, resultando daí uma redução do seu recobrimento. Em média, e excluindo o furo 1, o desvio em relação ao valor do recobrimento nominal foi de 2.5 mm, podendo-se considerar uma tolerância de execução para esta tecnologia de c = 5.0 mm. Estes resultados são preliminares, sendo em breve complementados com leituras em outras secções dos muros em ensaio. 91

12 International Conference on Rehabilitation of Ancient Masonry Structures 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Eng.º Pedro Daniel Freire, o apoio prestado na recolha dos dados do ensaio apresentados nesta comunicação. 8. REFERÊNCIAS [1] APPLETON, João (2003) Reabilitação de Edifícios Antigos. Patologias e Tecnologias de Intervenção. Edições Orion, Lisboa [2] PINHO, Fernando (2008) Paredes de Edifícios Antigos em Portugal. Colecção Edifícios. Nº 8. 2ª Edição. LNEC, Lisboa [3] NP EN (2007) Betão. Parte 1: Especificação, desempenho, produção e conformidade. 92