Reparação com argamassas de pilares de betão armado M. Margarida Corrêa 1, João Vinagre 2 Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa Av. Rovisco Pais, 109-001 Lisboa, Portugal Regina H. Souza 3 Universidade Federal fluminense, Departamento de Engenharia Civil, Niterói, Brasil RESUMO Neste artigo apresenta-se, de forma resumida, um trabalho desenvolvido pelos autores que pretende analisar o comportamento de pilares de betão armado reparados com argamassa, avaliando a importância das propriedades dos materiais envolvidos neste tipo de intervenção [1]. Para tal, procedeu-se à execução e reparação estrutural de modelos reduzidos de pilares de betão armado, posteriormente ensaiados até à rotura, tendo sido avaliados dois tipos de argamassas de reparação: uma cimentícia e outra polimérica. O estudo consistiu na análise dos resultados obtidos nos ensaios e na comparação entre as diferentes soluções de reparação testadas, tendo-se verificado a qualidade e a eficácia do funcionamento conjunto e do comportamento da interface de ligação à compressão. Dado que as propriedades dos materiais envolvidos têm grande importância na interacção entre o betão e o material de reparação, procedeu-se à realização de ensaios de caracterização dos materiais, à avaliação da aderência entre a argamassa e a superfície do betão e à determinação da retracção das argamassas e do betão, ao longo do tempo. 1. INTRODUÇÃO A reabilitação de estruturas apresenta inúmeras vantagens sendo de realçar, em termos económicos, a possibilidade de prolongar a vida útil das estruturas e, em termos ambientais, evitar o consumo desnecessário de energia e materiais. Apesar da constante evolução das técnicas e dos materiais de reparação, muitas estruturas sofrem repetidas intervenções. Além das dificuldades associadas à falta de mão-deobra especializada, que pode comprometer a qualidade da aplicação de tais produtos, os fabricantes dos sistemas de reparação nem sempre fornecem todas as informações técnicas indispensáveis à sua correcta aplicação [2]. Vários autores têm ressaltado a importância da ligação de materiais com diferentes propriedades, como é o caso dos materiais de reparação e 1 Mestre pelo Instituto Superior Técnico, UTL (mmcorrea@telcel.net.ve) 2 Professor Auxiliar do Instituto Superior Técnico, UTL; Director da Escola Superior de Tecnologia do Barreiro (joão.vinagre@estbarreiro.ips.pt) 3 Professora Titular do departamento de Engenharia Civil, universidade Federal Fluminense, Niterói (regsouza@nitnet.com.br) Número 20, 200 Engenharia Civil UM 17
o betão [3,, 5]. Por isso, continua a ser necessária a execução de estudos detalhados sobre este tipo de produtos, principalmente no que se refere ao comportamento estrutural da reparação. O principal objectivo do trabalho foi o de avaliar, experimentalmente, o comportamento estrutural à compressão simples de pilares de betão armado reparados com argamassa, por forma a verificar-se se esta solução permitiria restabelecer a capacidade resistente do elemento estrutural. O trabalho inseriu-se num programa de investigação realizado no Instituto Superior Técnico, da Universidade Técnica de Lisboa, relativo ao comportamento de pilares de betão armado reparados com argamassa. Ao todo foram ensaiados onze pilares e testados dois tipos distintos de argamassa de reparação: uma cimentícia (Tipo 1) e outra polimérica (Tipo 2). Um dos pilares não foi reparado (considerado como modelo de referência), cinco foram reparados na região central, em duas faces opostas (Tipo A) e os outros cinco modelos foram reparados também na região central, mas em todo o seu perímetro (Tipo B). No presente artigo serão apresentados somente os resultados dos modelos Tipo A, reparados com os dois tipos de argamassas (Tipo 1 e Tipo 2), procedendo-se à comparação com os do pilar de referência. 2. DEFINIÇÃO E EXECUÇÃO DOS MODELOS 2.1 Geometria dos modelos Os pilares foram executados com 1,0 m de altura e com uma secção transversal de 0,15 0,15 m 2, alargada nas extremidades para 0,15 0,25 m 2. Esta geometria foi adoptada para afastar a zona de rotura das extremidades dos corpos de prova e garantir a não existência de efeitos localizados. Por outro lado, os cabeçotes permitiram um melhor apoio na prensa de ensaio, melhorando a distribuição de tensões e a transmissão do carregamento. Os pilares foram moldados deixando, na região central, uma secção transversal de 0,15 0,0 m 2 e 0,035 m de espessura, preenchida com poliestireno expandido, a fim de simular a zona a ser reparada e evitar trabalhos de corte do betão (com a possível introdução de danos não desejados). Na figura 1 apresenta-se a geometria dos modelos de referência e a reparar. PILAR DE REFERÊNCIA PILAR TIPO A 0.25 0.15 0.30 0.50 SECÇÃO TIPO A 0.035 0.080 0.035 1.00 0.0 1.0 0.0 0.15 0.30 0.50 0.15 0.05 0.15 0.05 Figura 1 - Vista e secção longitudinal dos pilares de referência e Tipo A. 18 Engenharia Civil UM Número 20, 200
0.15 φ10 c/1.37m 0.15 0.25 0.02 0.05 0.05 0.05 0.05 0.02 1.0 φ6 c/1.31m 15 φ6 c/0.66m 8 φ6 c/0.37m 0.08 0.31 0.23 0.36 0.13 0.13 0.13 0.12 Figura 2 Pormenorização de armaduras dos pilares. Para todos os modelos foi adoptada a mesma pormenorização, conforme representado na figura 2. Optou-se pela execução de uma cofragem única, colocada horizontalmente, para limitar eventuais dificuldades de betonagem, obter maior rigidez do conjunto e, consequentemente, contribuir para uma melhor qualidade dos elementos produzidos. Figura 3 - Cofragem conjunta de todos os pilares. O betão empregue na execução dos modelos apresentou boa consistência plástica e foi satisfatoriamente colocado e compactado com o auxílio de um vibrador. A cura do betão foi controlada através de molhagens sucessivas e da aplicação de membranas adequadas. 2.2 Materiais de reparação e nomenclatura adoptados Foram utilizadas argamassas de alta resistência, não retrácteis, reoplásticas e tixotrópicas, com boa trabalhabilidade e aderência às superfícies a reparar. Estas argamassas foram designadas por Tipo 1 (argamassa cimentícia) e por Tipo 2 (argamassa polimérica). Na tabela seguinte apresenta-se a designação adoptada para os modelos executados, em função do tipo de argamassa utilizada e do tipo de intervenção. Número 20, 200 Engenharia Civil UM 19
Tipo de geometria da secção central Tabela 1 - Nomenclatura dos pilares. Argamassa de Reparação Designação Argamassa 1 (cimentícia) Argamassa 2 (polimérica) PR Pilar de referência (sem reparação) TIPO A P1A1 P2A1 P1A2 P2A2 P3A2 2.3 Reparação dos pilares Vinte e oito dias após a betonagem, o poliestireno expandido foi removido conforme se observa na figura 5. A superfície do betão nessa região foi preparada com martelo de agulhas, de modo a obter uma rugosidade que, não devendo ser excessiva, aumentasse a superfície de contacto e melhorasse a aderência da argamassa de reparação ao betão. Antes da colocação da argamassa de reparação, a superfície foi limpa e saturada com água, até atingir uma cor mate, sendo o excesso removido com uma esponja. A argamassa de reparação foi preparada conforme as recomendações do fabricante e aplicada de modo a imprimir boa compactação, para garantir uma boa aderência e continuidade entre os materiais. Todas as superfícies livres foram cuidadosamente curadas através de mangueiras com temporizadores e cobertas com plástico, mantendo as superfícies húmidas. Figura 5 Aspecto da superfície do pilar após a retirada do EPS e trabalhos de preparação da superfície a reparar com martelo de agulhas. Figura 6 Reparação dos pilares. 20 Engenharia Civil UM Número 20, 200
3. SISTEMA DE ENSAIO E INSTRUMENTAÇÃO Com o objectivo de se verificar a eficácia do reforço, os pilares foram instrumentados externa e internamente, permitindo obter os deslocamentos (verticais e transversais) e as deformações do betão, da argamassa e das armaduras, ao longo dos ensaios. Na Figura 7 apresenta-se uma fotografia de um modelo no início do ensaio, bem como um desenho esquemático do posicionamento dos transdutores verticais e horizontais, utilizados para o registro dos deslocamentos. Para melhor compreensão dos gráficos posteriormente apresentados foi adoptada como positiva (+) a direcção da seta indicativa dos transdutores. T3 T T1 T2 Figura 7 - Localização dos transdutores verticais (T1, T2) e transversais (T3, T) Com a finalidade de se obterem informações sobre as deformações médias das fibras do betão e das argamassas, foram instalados extensómetros eléctricos de resistência nas suas superfícies (posições 9 a 16, da figura 8, embora no pilar de referência não tenham sido colocados os extensómetros 10 e 12, por questões de economia). As deformações médias nas armaduras foram também medidas através da colocação de extensómetros eléctricos dispostos na secção central (posições 3,, 5 e 6, na zona reparada da figura 8) e em duas secções próximas das extremidades do pilar (1, 2, 7 e 8, da mesma figura). Para a execução dos gráficos adoptaram-se como positivas (+) as deformações nas armaduras, nas fibras do betão e da argamassa, associadas a tensões de compressão. PILAR DE REFERÊNCIA (PR) PILAR TIPO A 1 2 15 13 1 15 2 13 3 11 5 9 6 10 5 3 12 11 9 6 1 16 7 8 1 7 16 8 Figura 8 - Localização dos extensómetros nas armaduras longitudinais, nas superfícies de betão e de argamassa nos diversos modelos de pilares. Número 20, 200 Engenharia Civil UM 21
Para a realização dos ensaios à compressão dos modelos recorreu-se a um sistema de carga que permitisse realizar ensaios à compressão até um limite de 1 000 kn. Chapa 0.0x0.0x0.015 Célula de carga Chapa 0.0x0.0x0.05 Modelo a ensaiar Chapa 0.30x0.30x0.05 Macaco hidráulico Rótula Chapas de ajuste Mesa de prensa Figura 9 - Esquema e vista geral do sistema de ensaio à compressão dos pilares.. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS Foram testados provetes de betão e provetes de argamassas, retirados das amassaduras de execução dos pilares e amostras dos varões de armadura, do mesmo lote dos utilizados na produção dos modelos. Estes ensaios foram executados respeitando-se todas as normas em vigor [8, 9, 10, 11, 12, 13]. Tabela 2 - Características mecânicas dos aços, obtidas experimentalmente. Diâmetro Tipo Secção f sy f su (mm) (mm 2 ) (MPa) (MPa) 6 00NR 28,3 726 73 10 00NR 78,5 630 66 f sy - tensão de cedência; f su - tensão de rotura Foram realizados ensaios para determinar as resistências à compressão (f c ) a partir de cilindros, para o betão, e de cubos de cm de aresta, para as argamassas, à tracção por compressão diametral (f ctm,ts ) e por flexão (f ctm,fl ) em prismas com secção de 0,0 0,0 0,16m 3 o módulo de elasticidade em compressão (E cm ), o coeficiente de Poisson (ν), a aderência pull-off test (τ ad ) e a retracção. Os provetes para medição da retracção foram acondicionados em dois ambientes: ambiente do laboratório e em câmara condicionada com 50% de humidade relativa. 22 Engenharia Civil UM Número 20, 200
Material Betão Tabela 3 - Características dos materiais obtidos com os ensaios. Retracção Idade f cm f ctm,ts f ctm,fl E cm τ ad (28dias) ν (dias) (MPa) (MPa) (MPa) (GPa) (MPa) (x10-3 ) (x10-3 ) 50% H.R. Amb. Lab. 28 28,3 2,3 0,86 0,07 50 32,7 7 33, 2,6 33,7 0,26 Argamassa 1 (cimentícia) Argamassa 2 (polimérica) 15 62,9 5,2 7,7-0,98-0,885 21 65,1 5,7 8,5 1 66,1 6, 9,6 26,9 0,20 0,83 13,2,8 7,2-0,969-0,635 19 50,1 6,0 8,9 39 8,5 5,8 8,7 23,5 0,21 0,81 5. ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS Durante a realização dos ensaios dos pilares foram registados os deslocamentos e deformações, que permitiram a caracterização do comportamento dos modelos experimentais. Seguidamente procedeu-se a uma análise comparativa de todos os ensaios realizados, procurando verificar-se a influência da geometria do modelo e dos materiais utilizados, de forma a avaliar a eficácia das reparações efectuadas. 5.1 Análise simplificada de tensões Para facilitar a interpretação dos resultados e avaliar a coerência das leituras dos diferentes extensómetros, procedeu-se a uma análise simplificada de tensões para estimar o nível de tensões esperados na região reparada e a região do pilar onde seriam esperadas maiores tensões. Admitindo a hipótese de que as secções se mantêm planas após a deformação, a compatibilização de deformações na secção central permite escrever: Ec Ac Nc N E A + E A + E A (1) c c s Ea Aa Es As Na Nc ; N s Nc (2) Ec Ac Ec Ac em que: N c, N a, N s resultantes das tensões aplicadas em cada material (betão, argamassa e armadura, respectivamente; E c, E a, E s módulos de elasticidade dos diferentes materiais; A c, A a, A s áreas de cada material, na secção. s a a Número 20, 200 Engenharia Civil UM 23
Na Tabela apresentam-se as áreas correspondentes a cada material, nas secções reparadas, e os módulos de elasticidade dos materiais envolvidos. Tabela Áreas e módulos de elasticidade dos materiais, nas secções centrais dos pilares. PR Tipo A Mód. Elasticidade Material Área [m 2 ] Área [m 2 [GPa] ] Betão 0.0225 0.0120 33.7 Aço 3.1E- 3.1E- 200.0 Argamassa 1 (Cimentícia) - 0.0105 26.9 Argamassa 2 (Polimérica) - 0.0105 23.5 A substituição dos valores da tabela nas equações (1) e (2) conduzem à relação de tensões apresentadas na tabela 5, expressas em percentagem da tensão no betão, nas secções não reparadas. Tabela 5 Tensões na secção central do pilar, expressas em percentagem da tensão no betão, na secção não reparada. Argamassa Secção não reparada (%) Secção reparada (%) Tipo 1 (Cimentícia) σ c 100 109 σ a - 87 Tipo 2 (Polimérica) σ c 100 115 σ a - 80 A análise dos resultados permite concluir o esperado agravamento de tensões no betão, nas zonas reparadas, dado o inferior módulo de elasticidade das argamassas, acentuando-se com a área de intervenção em relação à área inicial da secção. 5.2 Agravamento de tensões devido a efeitos de 2ª ordem Por forma a aferir a qualidade e a grandeza relativa das deformações registadas ao longo dos ensaios procedeu-se à estimativa da distribuição de tensões na secção central, tendo em conta os deslocamentos laterais medidos nos transdutores T3 e T (ver figura 7), e os consequentes efeitos de 2ª ordem introduzidos. Procurou-se, desta forma, avaliar qual a região mais esforçada da secção e confrontar esses resultados com a informação recolhida. Na figura seguinte apresenta-se, para a secção central dos pilares analisados, a localização esperada do canto mais solicitado (a tracejado) e o posicionamento dos extensómetros mais esforçados, no betão, na argamassa e na armadura. Como se pode constatar, é excelente a concordância entre as leituras dos extensómetros e a estimativa de tensões, pelo que se pode concluir pela fiabilidade dos registos. 2 Engenharia Civil UM Número 20, 200
Ensaio T 3 T Canto Solicitado Ext. Betão e Argamassa Ext. Armadura PR P1A1 P2A1 P1A2 P2A2 P3A2 1 3 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 11 9 Figura 10 Posicionamento esperado do canto mais comprimido, função das leituras dos transdutores, e extensómetro com maior registo, para cada ensaio efectuado. 5.3 Análise dos resultados experimentais Neste item é apresentada uma análise comparativa dos pilares reparados com o pilar de referência, considerando os materiais utilizados na reparação (Argamassas Tipo 1 e Tipo 2). Nas Figura 11 apresentam-se imagens dos modelos após a realização dos ensaios (pilar de referência e pilares reparados). 1 11 10 9, 13 9, 13 9 9 3/ 3/ 5/6 5/6 5/6 5/6 Figura 11 Rotura do pilar de referência (pormenor e vista global) e dos pilares P1A1 e P2A1. Tabela 6 Valores das cargas últimas dos pilares. Modelo PR 650 P1A1 701 P2A1 800 P1A2 675 P2A2 72 P3A2 625 Carga de Rotura (kn) Número 20, 200 Engenharia Civil UM 25
Como se pode observar da figura 11 e da tabela 6, os pilares reparados com argamassa Tipo 1 apresentaram o mesmo tipo de rotura (junto aos cabeçotes), tendo a carga última sido superior à do pilar de referência. Os pilares reparados com argamassa Tipo 2 apresentaram rotura na região reparada, com perda de aderência, descolamento da argamassa na interface entre os dois materiais e escorregamento de um dos estribos na secção de rotura, atingindo cargas últimas idênticas às do pilar de referência, mas inferiores à dos pilares reparados com a argamassa Tipo 1. Figura 12 Rotura dos pilares P1A2, P2A2 e P3A2 (Argamassa Tipo 2). 5. Deslocamentos Verticais Na Figura 13 apresenta-se a evolução dos deslocamentos verticais ao longo dos diversos ensaios (média das leituras medidas nos transdutores T1 e T2, ver Figura 7), podendo constatar-se serem semelhantes as curvas resultantes. Confirmou-se, assim, o correcto funcionamento global do sistema de carregamento, tendo permitido a indução de uma compressão uniforme nos extremos dos pilares. 900 800 700 600 Força (KN) 500 00 PR P1A1 300 P2A1 200 P1A2 100 P2A2 P3A2 0 0.00 1.00 2.00 3.00.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Deslocamentos (mm) Figura 13 Deslocamentos verticais médios dos pilares Tipo A e do pilar de referência. 26 Engenharia Civil UM Número 20, 200
5.5 Deformações na argamassa Na Figura 1 apresenta-se a evolução das deformações com o carregamento, medidas no extensómetro colado na argamassa. Como se pode observar, a concavidade das curvas de deformação dos modelos reparados indica uma excessiva deformação das argamassas na fase inicial do carregamento. Com o aumento do carregamento (e consequente aumento de tensão no núcleo de betão) as argamassas passaram a ter um comportamento idêntico ao do betão rigidez semelhante. 900 800 700 600 Força (KN) 500 00 300 200 100 PR P1A1 P2A1 P1A2 P2A2 P3A2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 000 Extensões (x10-6) Figura 1 Deformações nos pilares Tipo A e no pilar de referência, no extensómetro 9. 5.6 Deformações na secção reparada Na figura 15 apresenta-se a comparação dos resultados médios das deformações (medidas no betão e na argamassa) na região reparada dos pilares (valores medidos nas faces das argamassas extensómetro 9 - e na face correspondente de betão no pilar de referência). As deformações médias foram obtidas a partir do cálculo das médias dos valores registados nos pilares com idêntica geometria de reparação. Como se pode observar, ambas as argamassas apresentam deformações muito superiores às do betão, o que se deve aos menores valores do módulo de elasticidade que as argamassas apresentaram. Número 20, 200 Engenharia Civil UM 27
900 800 700 600 Força (kn) 500 00 300 PR 200 A1 100 A2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 000 Extensões (x10-6) Figura 15 Comparação das deformações no betão (PR) e nas argamassas (A1 e A2): médias dos registos nos extensómetros 9. 6. CONCLUSÕES FINAIS Neste artigo procedeu-se à apresentação de um estudo realizado com o objectivo de analisar o comportamento de pilares de betão armado reparados com argamassas, avaliando a importância das propriedades dos materiais envolvidos na intervenção. Procedeu-se à apresentação dos modelos executados, bem como a caracterização materiais utilizados. Da análise dos resultados obtidos, pode concluir-se que: os modelos reparados permitiram alcançar cargas de rotura idênticas ou superiores às do pilar de referência; as propriedades mecânicas obtidas para as argamassas foram semelhantes às especificadas na literatura técnica; os valores dos módulos de elasticidade do betão e das argamassas são significativamente diferentes, não podendo deixar de ser considerados na análise do comportamento da reparação; apesar dos elevados valores de retracção e das baixas resistências de aderência registados, as duas argamassas permitiram a eficiente reparação dos pilares, embora a argamassa cimentícia tenha apresentado melhor comportamento global; é de salientar a carência de documentos normativos que permitam a correcta utilização destes materiais no projecto, bem como a necessidade de maior transparência dos dados técnicos fornecidos pelos fabricantes (que por razões comerciais, evitam dar a conhecer a totalidade das informações); considera-se importante a realização de novos estudos nesta área, principalmente no que se refere à comparação com resultados de modelos analíticos, para verificação da compatibilidade dos materiais envolvidos na reparação. No entanto, para que tal seja possível, será necessário o correcto conhecimento das características dos materiais. 28 Engenharia Civil UM Número 20, 200
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