Transcript
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA
1. Introdução e Fundamentos Teóricos 1.1. Introdução e Objetivos Gerais Nos estudos de Engenharia Estrutural em cursos de graduação em Engenharia Civil é ministrado um conjunto de disciplinas básicas, que analisam, em diferentes graus de profundidade, sistemas compostos por peças estruturais, executadas com um material “ideal” – elástico, homogêneo e uniforme. No entanto, nas estruturas reais, os materiais usualmente empregados, apenas parcialmente e em diferentes graus, apresentam tais características. Nos dias de hoje, há dois materiais estruturais mais comumente usados: concreto e aço. O concreto é, já há bastante tempo, o material estrutural mais empregado pela humanidade. Estima-se, atualmente, que o consumo mundial de concreto seja na ordem de 6 bilhões de toneladas por ano, que significa, aproximadamente, 1 tonelada por ser humano vivo; o único material consumido em maior quantidade pelo homem seria a água. Denomina-se, usualmente, concreto armado o material estrutural composto pelo concreto e barras de aço nele inseridas, associados de modo que constituam um sólido único, do ponto de vista mecânico, quando submetido às ações externas. Esta associação tem por objetivo aproveitar as propriedades de ambos, concreto e aço, do ponto de vista de resistência, durabilidade e custo, destacando-se: a) a elevada resistência à compressão do concreto e a elevada resistência à tração do aço; b) a boa aderência entre o aço e o concreto, que permite a sua atuação conjunta; c) a proteção contra a corrosão do aço fornecida pelo concreto que o envolve; d) os coeficientes de dilatação térmica, aproximadamente iguais, do aço e do concreto. O concreto armado apresenta, dessa forma, vantagens que justificam o seu emprego em larga escala na indústria da construção, o que motiva o seu estudo em um conjunto específico de disciplinas, tanto no que se refere aos aspectos relativos à sua produção quanto ao projeto estrutural, que objetiva o estabelecimento das dimensões das peças e as correspondentes áreas de aço e o seu detalhamento geométrico no interior das peças, de forma que possam atender às necessidades exigidas pela edificação, quanto à segurança, funcionalidade, durabilidade e manutenção. Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
1
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA Este curso visa contribuir com aqueles que se iniciam na arte de projetar estruturas, apresentando os conceitos e práticas fundamentais do projeto de estruturas de concreto armado. No curso, busca-se equilibrar e apresentar, com concisão, aspectos científicos e técnicos da matéria, com o objetivo central da clareza didática, e enfatizando, quando possível, tópicos de interesse à produção e manutenção de estrutura de concreto duráveis.
1.2. Composição do Concreto Armado Nas construções da antiguidade – 3.000 anos atrás, os materiais estruturais mais empregados, inicialmente, foram a pedra e a madeira e, mais tarde, o ferro fundido. O uso do concreto armado é recente: as primeiras peças surgiram há pouco mais de 150 anos, mas seu emprego efetivo em construção, com embasamento técnico e o emprego de modelos racionais ocorre há menos de 100 anos. Com o aperfeiçoamento das ligas metálicas e dos processos industriais de laminação de perfis, o aço sucedeu o ferro fundido, destacando-se como material estrutural de grande viabilidade, principalmente, a partir da metade do século XIX, com a Revolução Industrial. Um material de construção com finalidade estrutural deve ter duas qualidades principais: resistência e durabilidade. Quanto a esses aspectos, os primeiros materiais apresentavam as seguintes características: a) Pedra: boa resistência à compressão e ruim a tração; alta durabilidade; dificuldades de transporte e moldagem. b) Madeira: durabilidade e resistências dependentes de vários fatores, como tipo de madeira, acabamento, proteção, direção de aplicação de carga em relação às fibras, etc. Em geral, para parte substancial das madeiras, a durabilidade é limitada, e as resistências a compressão e a tração são pouco elevadas para fins estruturais. Há ainda limitações impostas pela necessidade de proteção, mão-de-obra especializada e, mais recentemente, por questões ecológicas. c) Aço: resistência elevada à tração e compressão, mas com necessidade de se atentar para os problemas de durabilidade devido à corrosão, que impõe a necessidade de sua proteção. Com a utilização de materiais com características “aglomerantes” (endurecem ao entrarem em contato com a água), é possível a obtenção de uma “pedra artificial”, denominada “concreto”. O Concreto é uma mistura, em determinadas proporções, de Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
2
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA quatro componentes básicos: cimento, pedra (agregado graúdo), areia (agregado miúdo) e água. Tipos de concreto: simples, armado e magro. O concreto simples é preparado com os quatro componentes básicos e tem grande resistência aos esforços de compressão, mas baixa resistência aos esforços de tração. Já o concreto armado tem elevada resistência tanto aos esforços de tração como aos de compressão, mas para isso precisa de um quinto componente: armadura ou ferro. As principais características do concreto simples são: •
boa resistência à compressão;
•
baixa resistência à tração (1/5 a 1/15 resistência à compressão);
•
facilidade no transporte e modelagem;
•
meio predominantemente alcalino (pH = 12 a 13,5), o que inibe a corrosão do aço das armaduras;
•
durabilidade elevada, semelhante à pedra artificial; e
•
emprego na construção limitado a situações onde são predominante as tensões de compressão, e não muito elevadas: blocos de apoio de pilares, fundação corrida de paredes, pisos sobre terrenos compactados, pequenas estacas, etc. Pode-se dizer que o concreto armado surgiu da necessidade de se obter um
material de construção que, com a durabilidade da pedra natural, podendo ser fundido nas dimensões e formas desejadas, apresentasse também uma resistência satisfatória à tração. O concreto armado é uma associação do concreto simples a um material resistente à tração, denominado armadura. Essa armadura é mais comumente constituída por barras de aço, mas pode também ser usadas fibras de carbono, na forma de barras ou mantas. No caso de se associar armaduras constituídas por barras de aço ao concreto simples, pode-se suprir deficiências localizadas do concreto à tração e, ao mesmo tempo, o concreto bem executado e com espessuras adequadas da camada de cobrimento sobre o aço, fornece pelo pH elevado, a proteção do aço contra a corrosão, garantindo a durabilidade da estrutura.
1.3. Concreto Armado Conceito: material de construção constituído pela associação do concreto simples com uma armadura passiva, resistindo ambos solidariamente aos esforços a que foram submetidos. Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
3
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA A armadura passiva incorporada a uma peça estrutural de concreto deve resistir às tensões, principalmente as de tração, provenientes dos esforços causados pelas ações atuantes, sem introduzir esforços suplementares à peça. Ou seja, a armadura em peça de concreto armado só trabalha quando houver solicitação. A solidariedade é garantida pela aderência entre a armadura e o concreto, o que assegura a existência do concreto armado. Para que os materiais trabalhem solidariamente não deve existir escorregamento relativo entre ambos. É necessário que o conjunto concreto-armadura se comporte como uma peça monolítica e, para isto, é indispensável que exista aderência eficiente entre os materiais. A aderência é garantia de que vão se concretizar as hipóteses básicas do comportamento elástico das peças estruturais, como, por exemplo, “as seções transversais planas permanecem planas até a ruptura da peça”, ou “as tensões normais são diretamente proporcionais às distâncias das fibras ao eixo neutro”, além de outras. Vantagens do concreto armado •
Facilmente adaptável às formas, por ser lançado em estado semi-fluido, abrindo enormes possibilidades para a concepção arquitetônica.
•
Economia nas construções com a possibilidade de obtenção de materiais nas proximidades da obra, e nos custos de manutenção, por não necessitar, na maioria dos casos, de proteção especial;
•
Facilidade e rapidez na construção com o uso de peças pré-moldados e de tecnologia avançada para a execução de formas e escoramento;
•
Durabilidade elevada, com manutenção preventiva simples e debaixo custo;
•
Boa resistência a choques e vibrações; e
•
Resistência a compressão do concreto aumenta com a idade. Desvantagens marcantes
•
Peso-próprio elevado (peso específico = 25 kN/m3);
•
Fissuração inerente à baixa resistência à tração do concreto;
•
Dificuldade em adaptações posteriores;
•
Mal isolante térmico e acústico; e
•
Consumo elevado de formas convencionais e execução lenta, devido aos prazos de retirada das mesmas, no caso do concreto moldado no local.
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
4
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA 1.4. Viabilidade do Concreto O sucesso do concreto armado se deve a três fatores: •
Aderência existente entre o concreto e armadura;
•
Valores próximos entre os coeficientes de dilatação térmica do concreto e da armadura; e
•
Proteção da armadura existente pelo concreto que as envolve. O principal fator de sucesso é decorrente da aderência entre o concreto e a
armadura. Isto se dá, pois as deformações ocorridas nas armaduras serão as mesmas ocorridas no concreto adjacente, não existindo assim escorregamento entre um material e o outro. Por este simples fato das deformações serem iguais entre a armadura e o concreto adjacente, associado a hipótese das seções planas de Navier, que permite o desenvolvimento de quase todos os fundamentos do concreto armado. A proximidade nos valores dos coeficientes de dilatação térmica do aço e do concreto torna praticamente nulos os deslocamentos relativos entre a armadura e o concreto que a envolve quando existe variação de temperatura. Este fato possibilita que se adote para o concreto armado o mesmo coeficiente de dilatação térmica do concreto simples. Por fim, o envolvimento das barras da armadura pelo concreto protege-as contra a oxidação fazendo com que o concreto armado não necessite de cuidados especiais, como ocorre no caso de estruturas metálicas.
1.5. Propriedades do Concreto O concreto, assim como outro material, que possui coeficiente de dilatação térmica pode ser representado por um diagrama tensão-deformação, possui módulo de elasticidade, etc. possui também duas propriedades específicas, que são a retração e a fluência (deformação lenta). Segundo a NBR 8953 (Concreto para fins estruturais: Classificação por grupos de resistência.), os concretos a serem usados com fins estruturais são divididos em dois grupos, e estão classificados segundo a sua resistência característica à compressão (fck), conforme está apresentado na tabela abaixo.
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
5
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA
Tabela 1.1 – Classes de concreto estrutural.
Na tabela a letra ‘C’ indica a classe do concreto, e o número que se segue indica a resistência característica à compressão (fck), em MPa. A dosagem do concreto deverá ser feita de acordo com a NBR 12655 (Preparo, controle e recebimento do concreto – Procedimento.). A composição de cada concreto classe C15 ou superior deve ser definida em dosagem racional e experimental, com a devida antecedência em relação ao início da obra. O controle tecnológico deve ser feito de acordo com a NBR 12654 (Controle Tecnológico dos Materiais Componentes do Concreto.). A NBR 61168:03 (Projeto e execução de obras de concreto armado: Procedimento.) recomenda para concretos uma massa específica compreendida entre 20 kN/m3 e 28 kN/m3. Se a massa específica real não for conhecida, para efeitos de cálculo, pode-se adotar para o concreto simples o valor 24 kN/m3 e para o concreto armado 25 kN/m3. Para efeito de análise estrutural, o coeficiente de dilatação térmica pode ser admitido como sendo igual a 10-5 C-1. As recomendações da NBR 6118:03 referem-se à resistência à compressão obtida em ensaios de corpos de prova cilíndricos moldados segundo a NBR 5738 (Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto) e realizados segundo a NBR 5739 (Ensaio de Compressão de Corpos-de-Prova Cilíndricos). Quando não for indicada a idade, as resistências referem-se à idade de 28 dias. A estimativa da resistência à compressão média, fcm,j, corresponde a uma resistência fck,j especificada, deve ser feita conforme indicado na NBR 12655. A evolução da Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
6
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA resistência à compressão com a idade deve ser obtido através de ensaios especialmente executados para tal finalidade. Segundo NBR 6118:03 item 12.3.3, na ausência desses resultados experimentais pode-se adotar, quando a verificação se faz em data j inferior a 28 dias, os valores abaixo indicados: f ck , j ≅ β1. f ck
Sendo o valor de β1 dado por: 1 28 2 s . 1− t
β1 = e Onde,
s=0,38 para concreto de cimento CPIII e IV; s=0,25 para concreto de cimento CPI e II; s=0,20 para concreto de cimento CPV-ARI; t é a idade efetiva do concreto em dias. Essa verificação deve ser feita aos t dias, para as cargas aplicadas até essa data. Ainda deve ser feita a verificação para a totalidade das cargas aplicadas aos 28 dias. Nesse caso, o controle tecnológico da resistência à compressão deve ser feito em duas datas: aos t dias e aos 28 dias, de forma a confirmar os valores de fck,j e fck adotados em projeto. Segundo a NBR 6118:2003 item 8.2.5, a resistência à tração indireta fct,sp e a resistência à tração na flexão fct,f devem ser obtidas em ensaios realizados segundo a NBR 7222 (Argamassa e concreto – Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos de prova cilíndricos.) e a NBR 12142 (Concreto – Determinação de resistência à tração na flexão em copos-de-prova prismáticos), respectivamente. A resistência à tração direta fct pode ser considerada iguala a 0,9.fct,f ou, na falta de ensaios para a obtenção de fct,sp e fct,f, pode se avaliado o seu valor médio ou característico por meios das seguintes equações:
f ct ,m= 0,3. f ck2 3 f ctk ,inf= 0,7. f ct , m= 0,21. f ck2 3 f ctk ,sup= 1,3. f ct , m= 0,39. f
f ct , m e f ck em MPa
23 ck
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
7
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA sendo fckj ≥ 7,0 MPa, as equações acima podem também serem usadas para idades diferentes de 28 dias. O fctk,inf é utilizado para a determinação de armaduras mínimas. O fctk,sup é utilizado nas análises estruturais. Segundo a NBR 6118:03 item 8.2.8, o módulo de elasticidade deve ser obtido segundo ensaio descrito na NBR 8522, sendo considerado nesta Norma o módulo de deformação tangente inicial cordal a 30% de fc, ou outra tensão especificada em projeto. Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto utilizado aos 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade tangente inicial pela expressão: Eci = 5.600 f ck
E ci e f ck em MPa
O módulo de elasticidade em uma idade j ≥ 7 dias pode ser avaliado pela equação acima, substituindo fck por fckj. Quando for o caso, é esse o módulo de elasticidade a ser especificado em projeto e controlado em obra. O módulo de elasticidade secante a ser usado nas análises elásticas de projeto, especificamente com a finalidade de determinação de esforços solicitantes e verificações de estados limites de serviço, deve ser calculado pela equação: Ecs = 0,85.Eci Na avaliação de um comportamento de um elemento estrutural ou seção transversal pode ser adotado um módulo de elasticidade único, à tração e à compressão, igual ao módulo de elasticidade secante. Na avaliação do comportamento global da estrutura pode ser utilizado em projeto o módulo de elasticidade tangente inicial. Para tensões de compressão inferiores a 0,5. fc e tensões de tração menores que fct, o coeficiente de Poisson pode ser tomado com valor igual a 0,2. 1.6. Diagrama Tensão-deformação – compressão
Uma característica do concreto é não apresentar, para diferentes dosagens, um mesmo tipo de diagrama tensão-deformação. Os concretos mais ricos em dosagens de cimento (mais resistentes) têm um “pico” de resistência (máxima tensão) em torno da deformação 2‰. Já os concretos mais fracos apresentam um “patamar” de resistência que se inicia entre as deformações 1‰ e 2‰, ver figura abaixo.
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
8
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA
Figura 1.1 – Diagrama tensão-deformação (compressão) para concretos diversos
A NBR 6118:03 item 8.3.10.1, não leva em consideração os diferentes diagramas tensão-deformação apresentado acima, e apresenta de modo simplificado, o diagrama parábola-retângulo (diagrama P-R) mostrado abaixo:
Figura 1.2 – Diagrama tensão-deformação (compressão) simplificado da NBR 6118:03
1.7. Diagrama Tensão-deformação – tração
Para o concreto não fissurado, pode se empregar o diagrama tensão-deformação bilinear de tração apresentado abaixo (NBR 6118:03, item 8.2.10.2).
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
9
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA Figura 1.3 – Diagrama tensão-deformação (tração) da NBR 6118:03.
1.8. Propriedades do aço
O aço, assim como outro material, possui coeficiente de dilatação térmica, pode ser representado por um diagrama tensão-deformação, possui módulo de elasticidade, etc. Possui também uma propriedade específica, que é o coeficiente de conformação superficial. Nos projetos estruturais de concreto armado deve ser utilizado aço classificado segundo a NBR 7480 com valor característico da resistência ao escoamento nas categorias CA25, CA50 e CA60 (item 8.3.1 da NBR 6118:03). Tais aços e suas respectivas resistências características à tração (fyk) estão representados na tabela abaixo:
Tabela 1.2 – Aços da Armadura passiva.
Os fios e barras podem ser lisos ou possuírem saliências ou mossas. Para cada categoria de aço, o coeficiente de conformação superficial mínimo, determinado através de ensaios segundo a NBR 7477, deve atender ao especificado na NBR 7480 (item 8.3.2 da NBR 6118:03). A NBR 7480 relaciona o coeficiente de conformação superficial, η, com as categorias dos aços.
Tabela 1.3 – Coeficientes de conformação superficial (NBR 7480) e Coeficiente para cálculo da tensão de aderência (NBR 6118:03).
A NBR 6118:03 caracteriza a superfície das barras através do coeficiente para o cálculo da tensão de aderência da armadura, η1. Os coeficientes estabelecidos pela NBR 7480 e NBR 6118:03 encontram-se apresentados na tabela acima. Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
10
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA Segundo a Norma pode-se adotar para massa específica do aço da armadura passiva o valor de 78,5 kN/m3. Para intervalos de temperatura entre -20ºC e 150ºC (item 8.3.4 da NBR 6118:03) pode ser considerado para o coeficiente de dilatação térmica do aço o valor de 10-5 ºC-1.
Na ausência de valores fornecidos pelo fabricante, o módulo de elasticidade do aço pode ser admitido com o valor de 210 GPa item 8.3.5 da NBR 6118:03). O diagrama tensão-deformação do aço, os valores característicos da resistência ao escoamento fyk, da resistência a tração fstk e da deformação específica última εuk devem ser obtidos através de ensaios de tração realizados segundo NBR 6152 ( ). O valor de fyk para os aços sem patamar de escoamentos é o valor da tensão correspondente à deformação permanente de 2‰ (item 8.3.6 da NBR 6118:03).
Figura 1.4 – Diagrama tensão-deformação do aço.
Nos projetos de estruturas de concreto armado, a NBR 6118:03 permite utilizar o diagrama simplificado apresentado na figura acima, para os aços com ou sem patamar de escoamento. Este digrama é válido para intervalos de temperatura correspondidos entre -20ºC e 150ºC e pode ser aplicado para a tração e compressão. Conforme especifica a NBR 7480, item 4.1, os aços a serem utilizados em estruturas de concreto armado são classificados como: •
Barras, se possuírem diâmetro nominal igual ou superior a 5,0mm e forem obtidos exclusivamente por laminação à quente; e
•
Fios, se possuírem diâmetro nominal igual ou inferior a 10,0mm e forem obtidos por trefilação ou processo equivalente. De acordo com a categoria, as barras e fios de aço serão classificados como
mostra a tabela abaixo.
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
11
Concreto Armado I Universidade Estadual Vale do Acaraú – UVA
Tabela 1.4 – Barras e fios de aço.
As características das barras (CA25 e CA50) e fios (CA60), definidas pela NBR 7489, estão apresentadas nas tabelas abaixo.
Tabela 1.5 – Características das barras de concreto armado.
Tabela 1.6 – Características dos fios de concreto armado.
Profª. MSc. Elaine Cristina Rodrigues Ponte
[email protected]
12
