ADERÊNCIA E ANCORAGEM CAPÍTULO 10. Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo ADERÊNCIA E ANCORAGEM

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1 ADERÊNCIA E ANCORAGEM CAPÍTULO 10 Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo 25 setembro 2003 ADERÊNCIA E ANCORAGEM Aderência (bond, em ingês) é a propriedade que impede que haja escorregamento de uma barra em reação ao concreto que a envove. É, portanto, responsáve pea soidariedade entre o aço e o concreto, fazendo com que esses dois materiais trabahem em conjunto. A transferência de esforços entre aço e concreto e a compatibiidade de deformações entre ees são fundamentais para a existência do concreto armado. Isto só é possíve por causa da aderência. Ancoragem é a fixação da barra no concreto, para que ea possa ser interrompida. Na ancoragem por aderência, deve ser previsto um comprimento suficiente para que o esforço da barra (de tração ou de compressão) seja transferido para o concreto. Ee é denominado comprimento de ancoragem. Aém disso, em peças nas quais, por disposições construtivas ou peo seu comprimento, necessita-se fazer emendas nas barras, também se deve garantir um comprimento suficiente para que os esforços sejam transferidos de uma barra para outra, na região da emenda. Isto também é possíve graças à aderência entre o aço e o concreto TIPOS DE ADERÊNCIA Esquematicamente, a aderência pode ser decomposta em três parceas: adesão, atrito e aderência mecânica. Essas parceas decorrem de diferentes fenômenos que intervêm na igação dos dois materiais Aderência por Adesão A aderência por adesão caracteriza-se por uma resistência à separação dos dois materiais. Ocorre em função de igações físico-químicas, na interface das barras com a pasta, geradas durante as reações de pega do cimento. Para pequenos desocamentos reativos entre a barra e a massa de concreto que a envove, essa igação é destruída. A Figura 10.1 mostra um cubo de concreto modado sobre uma paca de aço. A igação entre os dois materiais se dá por adesão. Para separá-os, há necessidade de se apicar uma ação representada pea força F b1. Se a força fosse apicada na

2 horizonta, não se conseguiria dissociar a adesão do comportamento reativo ao atrito. No entanto, a adesão existe independente da direção da força apicada. Figura 10.1 Aderência por adesão Aderência por Atrito Por meio do arrancamento de uma barra em um boco concreto (Figura 10.2), verifica-se que a força de arrancamento F b2 é maior do que a força F b1 mobiizada pea adesão. Esse acréscimo é devido ao atrito entre a barra e o concreto. Figura 10.2 Aderência por atrito O atrito manifesta-se quando há tendência ao desocamento reativo entre os materiais. Depende da rugosidade superficia da barra e da pressão transversa σ, exercida peo concreto sobre a barra, em virtude da retração (Figura 10.2). Em barras curvas ou em regiões de apoio de vigas em piares, aparecem acréscimos dessas pressões de contato, que favorecem a aderência por atrito. O coeficiente de atrito entre aço e concreto é ato, em função da rugosidade da superfície das barras, resutando vaores entre 0,3 e 0,6 (LEONHARDT, 1977). Na Figura 10.2, a oposição à ação F b2 é constituída pea resutante das tensões de aderência (τ b ) distribuídas ao ongo da barra. 10.2

3 Aderência Mecânica A aderência mecânica é devida à conformação superficia das barras. Nas barras de ata aderência (Figura 10.3), as saiências mobiizam forças ocaizadas, aumentando significativamente a aderência. Figura 10.3 Aderência mecânica em barras nervuradas A Figura 10.4 (LEONHARDT, 1977) mostra que mesmo uma barra isa pode apresentar aderência mecânica, em função da rugosidade superficia, devida à corrosão e ao processo de fabricação, gerando um denteamento da superfície. Para efeito de comparação, são apresentadas superfícies microscópicas de: barra de aço enferrujada, barra recém aminada e fio de aço obtido por aminação a quente e posterior encruamento a frio por estiramento. Nota-se que essas superfícies estão muito onge de serem efetivamente isas. Portanto, a separação da aderência nas três parceas - adesão, atrito e aderência mecânica - é apenas esquemática, pois não é possíve quantificar isoadamente cada uma deas. Figura Rugosidade superficia de barras e fios isos (LEONHARDT, 1977) 1.1. TENSÃO DE ADERÊNCIA Para uma barra de aço imersa em uma peça de concreto, como a indicada na figura 10.5, a tensão média de aderência é dada por: 10.3

4 Figura 10.5 Tensão de aderência R s φ b τ b Rs = π. φ. b é a força atuante na barra; é o diâmetro da barra; é o comprimento de ancoragem. A tensão de aderência depende de diversos fatores, entre os quais: Rugosidade da barra; Posição da barra durante a concretagem; Diâmetro da barra; Resistência do concreto; Retração; Adensamento; Porosidade do concreto etc. Aguns desses aspectos serão considerados na seqüência deste texto SITUAÇÕES DE ADERÊNCIA Na concretagem de uma peça, tanto no ançamento como no adensamento, o envovimento da barra peo concreto é infuenciado pea incinação dessa barra. Sua incinação interfere, portanto, nas condições de aderência. 10.4

5 Por causa disso, a NBR 6118 (2003) considera em boa situação quanto à aderência os trechos das barras que estejam com incinação maior que 45º em reação à horizonta (figura 10.6 a). FIGURA 10.6 Situações de boa e de má aderência (PROMON, 1976) As condições de aderência são infuenciadas por mais dois aspectos: Atura da camada de concreto sobre a barra, cujo peso favorece o adensamento, mehorando as condições de aderência; Níve da barra em reação ao fundo da forma; a exsudação produz porosidade no concreto, que é mais intensa nas camadas mais atas, prejudicando a aderência. Essas duas condições fazem com que a NBR 6118 (2003) considere em boa situação quanto à aderência os trechos das barras que estejam em posição horizonta ou com incinação menor que 45º, desde que: 10.5

6 para eementos estruturais com h < 60cm, ocaizados no máximo 30cm acima da face inferior do eemento ou da junta de concretagem mais próxima (Figuras 10.6b e 10.6c); para eementos estruturais com h 60cm, ocaizados no mínimo 30cm abaixo da face superior do eemento ou da junta de concretagem mais próxima (Figura 10.6d). Em outras posições e quando do uso de formas desizantes, os trechos das barras devem ser considerados em má situação quanto à aderência. No caso de ajes e vigas concretadas simutaneamente, a parte inferior da viga pode estar em uma região de boa aderência e a parte superior em região de má aderência. Se a aje tiver espessura menor do que 30cm, estará em uma região de boa aderência. Sugere-se, então, a configuração das figuras 10.6e e 10.6f para determinação das zonas aderência RESISTÊNCIA DE ADERÊNCIA A resistência de aderência de cácuo entre armadura e concreto é dada pea expressão (NBR 6118, 2003, item ): f bd = η 1 η 2 η 3 f ctd 1, 0 para barras isas η 1 = 1, 4 para barras entahadas 2, 25 para barras nervuradas η 2 1,0 para situações de boa aderência = 0,7 para situações de má aderência 1,0 paraφ 32mm η 3 = (132 φ) /100 paraφ > 32mm O vaor f ctd é dado por (item da NBR 6118, 2003): fctk,inf f ctd = sendo fctk,inf = 0,7 fctm e fctm = 0,3 f γ c 2 / 3 ck Portanto, resuta: 0,21 2 / 3 fctd = fck γ c 10.6

7 10.5 COMPRIMENTO DE ANCORAGEM Todas as barras das armaduras devem ser ancoradas de forma que seus esforços sejam integramente transmitidos para o concreto, por meio de aderência, de dispositivos mecânicos, ou por combinação de ambos. Na ancoragem por aderência, os esforços são ancorados por meio de um comprimento reto ou com grande raio de curvatura, seguido ou não de gancho. Com exceção das regiões situadas sobre apoios diretos, as ancoragens por aderência devem ser confinadas por armaduras transversais ou peo próprio concreto, considerando-se este caso quando o cobrimento da barra ancorada for maior ou igua a 3φ e a distância entre as barras ancoradas também for maior ou igua a 3φ. Nas regiões situadas sobre apoios diretos, a armadura de confinamento não é necessária devido ao aumento da aderência por atrito com a pressão do concreto sobre a barra Comprimento de Ancoragem Básico Define-se comprimento de ancoragem básico b (Figura 10.5) como o comprimento reto necessário para ancorar a força imite R s = A s f yd, admitindo, ao ongo desse comprimento, resistência de aderência uniforme e igua a f bd, obtida conforme o item O comprimento de ancoragem básico b é obtido iguaando-se a força útima de aderência b πφ f bd com o esforço na barra R s = A s f yd (ver Figura 10.5): b πφ f bd = Α s f yd 2 πφ Como A s = obtém-se: 4 φ f yd b = 4 f bd De maneira simpificada, pode-se dizer que, a partir do ponto em que a barra não for mais necessária, basta assegurar a existência de um comprimento supementar b que garanta a transferência das tensões da barra para o concreto Comprimento de Ancoragem Necessário Nos casos em que a área efetiva da armadura Α s,ef é maior que a área cacuada A s,cac, a tensão nas barras diminui e, portanto, o comprimento de 10.7

8 ancoragem pode ser reduzido na mesma proporção. A presença de gancho na extremidade da barra também permite a redução do comprimento de ancoragem, que pode ser cacuado pea expressão: b,nec As,cac = α 1. b A s,ef b,min 1, 0 para barras sem gancho α1 = 0, 7 para barras tracionadas com gancho,com cobrimento 3φ no panonorma aodo gancho b é cacuado conforme o item ; b,min é o maior vaor entre 0,3 b, 10 φ e 100 mm Ancoragem de Barras Comprimidas Nas estruturas usuais de concreto armado, pode ser necessário ancorar barras compridas, nos seguintes casos: em vigas - quando há barras ongitudinais compridas (armadura dupa); nos piares - nas regiões de emendas por traspasse, no níve dos andares ou da fundação. As barras excusivamente compridas ou que tenham aternância de soicitações (tração e compressão) devem ser ancoradas em trecho reto, sem gancho (Figura 10.7). A presença do gancho gera concentração de tensões, que pode evar ao fendihamento do concreto ou à fambagem das barras. Em termos de comportamento, a ancoragem de barras comprimidas e a de barras tracionadas é diferente em dois aspectos. Primeiramente, por estar comprimido na região da ancoragem, o concreto apresenta maior integridade (está menos fissurado) do que se estivesse tracionado, e poder-se-ia admitir comprimentos de ancoragem menores. Um segundo aspecto é o efeito de ponta, como pode ser observado na Figura Esse fator é bastante reduzido com o tempo, peo efeito da fuência do concreto. Na prática, esses dois fatores são desprezados. Portanto, os comprimentos de ancoragem de barras comprimidas são cacuados como no caso das tracionadas. Porém, nas comprimidas não se usa gancho. No cácuo do comprimento de traspasse 0c de barras comprimidas, adota-se a seguinte expressão (NBR 6118, 2003, item ): 10.8

9 = 0c b,nec 0c,min 0c,min é o maior vaor entre 0,6 b, 15 φ e 200 mm. Figura 10.7 Ancoragem de barras comprimidas (FUSCO, 1975) 10.6 ANCORAGEM NOS APOIOS De acordo com a NBR 6118 (2003), item , a armadura ongitudina de tração junto aos apoios deve ser cacuada para satisfazer a mais severa das seguintes condições: a) no caso de ocorrência de momentos positivos, a armadura obtida através do dimensionamento da seção; b) em apoios extremos, para garantir ancoragem da diagona de compressão, armadura capaz de resistir a uma força de tração R s dada por: a R s = Vd + N d (4) d onde V d é a força cortante no apoio e N d é a força de tração eventuamente existente. A área de aço nesse caso é cacuada pea equação: A = s, cac R f s yd c) em apoios extremos e intermediários, por proongamento de uma parte da armadura de tração do vão (A s,vão ), correspondente ao máximo momento positivo do tramo (M vão ), de modo que: 10.9

10 A s,apoio 1/3 (A s,vão ) se M apoio for nuo ou negativo e de vaor absouto M apoio 0,5 M vão ; A s,apoio 1/4 (A s,vão ) se M apoio for negativo e de vaor absouto M apoio > 0,5 M vão Comprimento mínimo de ancoragem em apoios extremos Em apoios extremos, para os casos (b) e (c) anteriores, a NBR 6118 (2003) prescreve que as barras devem ser ancoradas a partir da face do apoio, com comprimento mínimo dado por: be,min b,nec (r + 5,5φ ) 60mm conforme sendo r o raio interno de curvatura do gancho (Tab.10.1) Desta forma, pode-se determinar o comprimento mínimo necessário do apoio: t min = be, min + c no qua c é o cobrimento da armadura (Figuras 10.8a e 10.8b). a) Barra com ponta reta b) Barra com gancho Figura 10.8 Ancoragem no apoio A NBR 6118 (2003), item , estabeece que quando houver cobrimento da barra no trecho do gancho, medido normamente ao pano do gancho, de peo menos 70 mm, e as ações acidentais não ocorrerem com grande freqüência com seu vaor máximo, o primeiro dos três vaores anteriores pode ser desconsiderado, prevaecendo as duas condições restantes

11 Esforço a ancorar e armadura cacuada Na fexão simpes, o esforço a ancorar é dado por: R a d s = V d, face A armadura para resistir esse esforço, com tensão σ s = f yd, é dada por: A = s,cac R f s yd Armadura necessária em apoios extremos Na expressão do comprimento de ancoragem necessário (item ), impondo b,nec = α 1 b A s,cac A s,ef b,nec = b, disp e s,ef As, nec α1 b A s,nec = A b,disp s,cac A =, obtém-se: A área das barras ancoradas no apoio não pode ser inferior a A s, nec ANCORAGEM FORA DE APOIO Agumas barras ongitudinais podem ser interrompidas antes dos apoios. Para determinar o ponto de início de ancoragem dessas barras, há necessidade de se desocar, de um comprimento a, o diagrama de momentos fetores de cácuo Desocamento a do diagrama O vaor do desocamento a é dado por (item c da NBR 6118, 2003): a V = d 2 (V Sd,max Sd,max 0,5d caso gera (1 + cotgα) cotgα V c) 0,2d para estribos incinados a 45º em que α é o ânguo de incinação da armadura transversa em reação ao eixo ongitudina da peça (45 α 90). O vaor de V c para fexão simpes, fexo-tração com a inha neutra cortando a seção ou para fexo-compressão em vigas não protendidas é dado por: V c = V co = 0,6.f ctd. b w.d 10.11

12 Vae ressatar que, nos casos usuais, nos quais a armadura transversa (estribos) é norma ao eixo da peça, α = 90 o e a expressão de a resuta: a V = d 2 (V Sd,max Sd,max 0,5d V c) O desocamento a é fundamentado no comportamento previsto para resistência da viga à força cortante, em que se considera que a viga funcione como uma treiça, com banzo comprimido e diagonais (bieas) formados peo concreto, e banzo tracionado e montantes constituídos respectivamente pea armadura ongitudina e peos estribos. Nesse modeo há um acréscimo de esforço na armadura ongitudina de tração, que é considerado através de um desocamento a do diagrama de momentos fetores de cácuo Trecho de ancoragem Será cacuado conforme o item da NBR 6118, 2003 (Figura 10.9). Figura 10.9 Ancoragem de barras em peças fetidas 10.12

13 O trecho da extremidade da barra de tração, considerado como de ancoragem, tem início na seção teórica onde sua tensão σ s começa a diminuir, ou seja, o esforço da armadura começa a ser transferido para o concreto. A barra deve proongar-se peo menos 10φ aém do ponto teórico de tensão σ s nua, não podendo em nenhum caso ser inferior ao comprimento de ancoragem necessário, cacuado conforme o item deste texto. Assim, na armadura ongitudina de tração das peças fetidas, o trecho de ancoragem da barra terá início no ponto A (Figura 10.8) do diagrama de forças R s = M d /z desocado. Se a barra não for dobrada, o trecho de ancoragem deve proongar-se aém de B, no mínimo 10φ. Se a barra for dobrada, o início do dobramento poderá coincidir com o ponto B (Figura 10.9) Ancoragem em apoios intermediários Se o ponto A de início de ancoragem estiver na face do apoio ou aém dea (Figura 10.10a) e a força R s diminuir em direção ao centro do apoio, o trecho de ancoragem deve ser medido a partir dessa face, com a força R s dada no item Quando o diagrama de momentos fetores de cácuo não atingir a face do apoio, as barras proongadas até o apoio (Figura 10.10b) devem ter o comprimento de ancoragem marcado a partir do ponto A e, obrigatoriamente, deve utrapassar 10φ da face de apoio. Quando houver quaquer possibiidade da ocorrência de momentos positivos nessa região, provocados por situações imprevistas, particuarmente por efeitos de vento e eventuais recaques, as barras deverão ser contínuas ou emendadas sobre o apoio. Figura Ancoragem em apoios intermediários 10.13

14 10.8 GANCHOS DAS ARMADURAS DE TRAÇÃO Os ganchos das extremidades das barras da armadura ongitudina de tração podem ser (item da NBR 6118, 2003): semicircuares, com ponta reta de comprimento não inferior a 2φ (Figura 10.11a); em ânguo de 45º (interno), com ponta reta de comprimento não inferior a 4φ (Figura 10.11b); em ânguo reto, com ponta reta de comprimento não inferior as 8φ (Figura 10.11c). Para barras isas, os ganchos devem ser semicircuares. Vae ressatar que, segundo as recomendações da NBR 6118 (2003), as barras isas deverão ser sempre ancoradas com ganchos. (a) (b) (c) Figura Tipos de ganchos Ainda segundo a NBR 6118 (2003), o diâmetro interno da curvatura dos ganchos das armaduras ongitudinais de tração deve ser peo menos igua ao estabeecido na Tabea Tabea Diâmetros dos pinos de dobramento BITOLA (mm) CA - 25 CA - 50 CA - 60 φ < 20 4φ 5φ 6φ φ 20 5φ 8φ

15 10.9 GANCHOS DOS ESTRIBOS A NBR 6118 (2003), item 9.4.6, estabeece que a ancoragem dos estribos deve necessariamente ser garantida por meio de ganchos ou barras ongitudinais sodadas. Os ganchos dos estribos podem ser: semicircuares ou em ânguo de 45 o (interno), com ponta reta de comprimento igua a 5φ, porém não inferior a 5cm; em ânguo reto, com ponta reta de comprimento maior ou igua a 10φ, porém não inferior a 7cm (este tipo de gancho não deve ser utiizado para barras e fios isos). O diâmetro interno da curvatura dos estribos deve ser, no mínimo, igua ao vaor dado na Tabea Tabea Diâmetros dos pinos de dobramento para estribos BITOLA CA - 25 CA - 50 CA - 60 φ t 10 3φ t 3φ t 3φ t 10 < φ t < 20 4φ t 5φ t - φ t 20 5φ t 8φ t - AGRADECIMENTOS Aos coaboradores na redação e na revisão deste texto: Marcos Vinícius Nata Moreira, Murio Aessandro Scadeai e Sandro Pinheiro Santos. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2003). NBR 6118 Projeto de estruturas de concreto. Rio de Janeiro, ABNT. FUSCO, P.B. (1975). Fundamentos da técnica de armar: estruturas de concreto. v.3. São Pauo, Grêmio Poitécnico

16 LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E. (1977). Construções de concreto: princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto armado. v.1. Rio de Janeiro, Interciência. PROMON ENGENHARIA (1976). Tabeas para dimensionamento de concreto armado: segundo a NB-1/76. São Pauo, McGraw-Hi do Brasi, 269p