3ES ENGENHARIA
Concreto Armado - Fundamentos
1. Introdução
Principal norma brasileira para projeto de estruturas de Concreto Armado e Concreto Protendido é a:
NBR 6118/2014 “PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO – PROCEDIMENTO”.
Aplica-se a estruturas com concretos normais, com massa específica seca maior que 2.000 kg/m3, não excedendo 2.800 kg/m3, do grupo I de resistência (C20 a C50), e do grupo II de resistência (C55 a C90), conforme a NBR 8953.
2. Outras Normas Importantes:
- MC-90 - COMITÉ EURO-INTERNATIONAL DU BÉTON (CEB)
- EUROCODE 2/2005 - EUROPEAN COMMITTEE STANDARDIZATION
- ACI 318/11 - AMERICAN CONCRETE INSTITUTE
3. Composição do concreto Armado:
cimento, água, agregados miúdo e graúdo, aditivos e adições.
Pasta = cimento + água
Argamassa = pasta + agregado miúdo
Concreto Simples = argamassa + agregado graúdo
4. Elementos de concreto simples estrutural:
“elementos estruturais elaborados com concreto que não possui qualquer tipo de armadura ou que a possui em quantidade inferior ao mínimo exigido para o
concreto armado.”
5. Primeiros Materiais Empregados nas construções:
pedra natural, madeira e ferro.
Pedra = resistência à compressão e durabilidade muito elevadas.
Madeira = razoável resistência, mas durabilidade limitada.
Ferro = resistências elevadas, mas requer produtos protetores para apresentar durabilidade.
Construção antiga em rocha
Construção antiga em rocha
Construção antiga em rocha
Construção antiga em madeira
Construção antiga em madeira
Ferro em construção antiga
Ferro em construção antiga
6. Concreto Armado:
Concreto Armado = concreto simples + armadura
vantagens de poder assumir qualquer forma com rapidez e facilidade e proporcionar a necessária proteção do aço contra a corrosão.
-
Alta resistência às tensões de compressão;
-
Baixa resistência à tração (cerca de 10 % da resistência à compressão);
-
Obrigatório juntar uma armadura (aço) ao concreto.
No concreto armado o concreto absorve as tensões de compressão e as barras de aço, convenientemente dispostas, absorvem as tensões de tração.
Porém, é imprescindível a aderência entre os dois materiais:
real solidariedade entre o concreto e o aço, para o trabalho conjunto, tal que: es = ec
es = deformação na barra de aço;
es = deformação da seção de concreto.
Concreto Armado
=
concreto simples
+
armadura
+
aderência
Vergalhão Aço inserido no concreto
7. Elementos de Concreto Armado:
aqueles cujo comportamento estrutural depende da aderência entre concreto e armadura, e nos quais não se aplicam alongamentos iniciais das armaduras antes da materialização dessa aderência.
Armadura passiva = qualquer armadura que não seja usada para produzir forças de protensão, isto é, que não seja previamente alongada”.
Uma viga de concreto simples (sem armadura) rompe bruscamente logo que aparece a primeira fissura, após a tensão de tração atuante igualar a resistência do concreto à tração.
Colocando-se uma armadura convenientemente posicionada na região das tensões de tração, eleva-se significativamente a capacidade de carga da viga.
Viga de Concreto Simples (acima) e Concreto Armado (abaixo).
8. Concreto Protendido:
Idéia básica
aplicar tensões prévias de compressão nas regiões da peça que serão tracionadas pela ação do carregamento externo aplicado.
Objetivo
diminuir ou anular as tensões de tração.
São diversos os sistemas de protensão.
9. Elementos em Concreto Protendido:
“aqueles nos quais parte das armaduras é previamente alongada por equipamentos especiais de protensão, com a finalidade de, em condições de serviço, impedir ou limitar a fissuração e os deslocamentos da estrutura, bem como propiciar o melhor aproveitamento de aços de alta resistência no estado-limite último (ELU).”
Armadura ativa
armadura constituída por barras, fios isolados ou cordoalhas, destinada à produção de forças de protensão, isto é, na qual se aplica um pré-alongamento inicial.
10. Sistemas de pré-tensão
O aço de protensão é fixado numa das extremidades da pista de protensão, e na outra extremidade um cilindro hidráulico estira (traciona) o aço, nele aplicando uma tensão de tração pouco menor que a tensão correspondente ao limite elástico. Em seguida, o concreto é lançado na fôrma, envolve e adere ao aço de protensão. Após o endurecimento e decorrido o tempo necessário para o concreto adquirir resistência, o aço de protensão é solto (relaxado) das ancoragens e, como o aço tende elasticamente a voltar à deformação inicial (nula), ele aplica uma força (de protensão) que comprime o concreto de parte ou de toda a seção transversal da peça. Esse processo de aplicação da protensão é geralmente utilizado na produção intensiva de grandes quantidades de peças, geralmente em pistas de protensão.
Aplicação de protensão com pré-tensão.
11. Sistemas de pós-tensão
Na pós-tensão primeiramente é fabricada a peça de concreto, contendo dutos (bainhas) ao longo do comprimento da peça, para serem posteriormente preenchidos com o aço de protensão, de uma extremidade a outra da peça. Quando o concreto apresenta a resistência suficiente, o aço de protensão, fixado numa das extremidades da peça, é estirado (tracionado) pelo cilindro hidráulico na outra extremidade, com o cilindro apoiando-se na própria peça. Esta operação provoca a aplicação de uma força que comprime o concreto de parte ou de toda a seção transversal na peça. Terminada a operação de estiramento, o próprio cilindro hidráulico fixa o aço na extremidade da peça. Posteriormente a bainha pode ser preenchida com nata de cimento para criar aderência entre o aço e o concreto da peça.
Aplicação de protensão com pós-tensão.
Sistema de protensão pós-tensão (Dywidag, 2000).
12. Fissuração no Concreto Armado
A armadura tracionada pode alongar-se até 10 ‰ (10 ‰ = 1 % = 10 mm/m).
O concreto, aderente à armadura, fissura sob tal alongamento.
Formação de fissura em peça tracionada.
Eliminar completamente as fissuras seria antieconômico, pois teria-se que aplicar tensões de tração muito baixas na peça e na armadura.
As fissuras devem ser limitadas a aberturas aceitáveis (w < 0,3 mm) em função do ambiente, e que não prejudiquem a estética e a durabilidade.
Dispor barras de diâmetros pequenos e distribuídas (fissuras capilares, não levando ao perigo de corrosão ao aço).
Retração também origina fissuras. Fazer cuidadosa cura nos primeiros dez dias de idade do concreto e utilizar armadura suplementar (armadura de pele) quando necessário.
Fissuras em uma viga após ensaio experimental em laboratório.
13. Breve histórico do Concreto Armado
- Cal hidráulica e cimento pozolânico (vulcânico) aplicados como aglomerante pelos romanos.
- Primeira associação de um metal à argamassa de pozolana na época dos romanos
Panteão e Coliseu romano
- O cimento Portland foi descoberto na Inglaterra em 1824.
- Em Paris (1770), associou-se ferro com pedra para formar vigas como as modernas, com barras longitudinais na tração e barras transversais para resistir a cortante.
- O cimento armado surgiu na França (1849) - barco de Lambot. Construído com telas de fios finos de ferro preenchidas com argamassa (sem sucesso comercial).
- 1861, francês Mounier fabricou vasos de argamassa de cimento com armadura de arame, reservatórios e ponte (vão = 16,5 m).
- 1850, americano Hyatt fez ensaios e vislumbrou a verdadeira função da armadura no trabalho conjunto com o concreto.
- Hennebique (França) foi o primeiro após Hyatt a compreender a função das armaduras no concreto. “Percebeu a necessidade de dispor outras armaduras além da armadura reta de tração. Imaginou armaduras dobradas, prolongadas em diagonal e ancoradas na zona de compressão. Foi o primeiro a colocar estribos com a finalidade de absorver tensões oriundas da força cortante e o criador das vigas T, levando em conta a colaboração da laje como mesa de compressão”.
- Os alemães estabeleceram a teoria mais completa do novo material, baseada em experiências e ensaios. “O verdadeiro desenvolvimento do concreto armado no mundo iniciou-se com Gustavo Adolpho Wayss”.
- A primeira teoria realista (consistente) sobre o dimensionamento das peças de concreto armado surgiu em 1902, por E. Mörsch, engenheiro alemão, professor da Universidade de Stuttgart (Alemanha). Suas teorias resultaram de ensaios experimentais, dando origem às primeiras normas para o projeto de estruturas em concreto armado.
14. Concreto Armado
no Brasil:
RIO DE JANEIRO
- Construção de galerias de água em cimento armado - 47 m e 74 m de comprimento (1901). Construídas casas e sobrados no (1904).
- Construída a ponte na Rua Senador Feijó, com vão de 5,4 m (1909). Construção de uma ponte com 9 m de vão, com projeto e cálculo de François Hennebique (1908).
Construída em Socorro uma ponte de concreto armado com 28 m de comprimento, na Av. Pereira Rebouças sobre o Ribeirão dos Machados (1910 - existe ainda hoje em ótimo estado de conservação).
Ponte em concreto armado com 28 m de comprimento
SÃO PAULO
- Primeiro edifício (1907/1908 - um dos mais antigos do Brasil em “cimento armado”), com três pavimentos.
- A partir de 1924 os cálculos estruturais passaram a serem feitos no Brasil, com destaque para o engenheiro Emílio Baumgart.
RECORDES DO BRASIL NO SÉCULO PASSADO
- Marquise do Jockey Clube do Rio de Janeiro, com balanço de 22,4 m (recorde mundial em 1926);
Marquise do Jockey Club do Rio de Janeiro.
- Ponte Presidente Feliciano Sodré em Cabo Frio, em 1926, com arco de 67 m de vão, recorde na América do Sul.
Ponte em cabo frio.
- Edifício “A Noite” no Rio de Janeiro em 1928, com 22 pavimentos, o mais alto do mundo em concreto armado, com 102,8 m de altura, projeto de Emílio Baumgart;
Edifício A Noite em construção e em uso. Projetado pelo arquiteto francês Joseph Gire (Copacabana Palace).
- Edifício Martinelli (São Paulo - 1925), com 106,5 m de altura (30 pavimentos – recorde mundial);
Edifício Martinelli em São Paulo.
- Ponte Emílio Baumgart – “dos Arcos” (Indaial/SC, 1926), com 175 m de comprimento e 6 m de largura.
Ponte Emílio Baumgart
- Elevador Lacerda (Salvador - 1930), com altura total de 73 m;
- Ponte do Herval, projetada por Emílio Baumgart, entre Herval do Oeste e Joaçaba/SC, de 1930, com o maior vão do mundo (68 m), onde foi utilizado pela primeira vez o processo de balanços sucessivos;
Ponte do Herval
- Museu de Arte de São Paulo (1969), com laje de 30 x 70 m livres, recorde mundial de vão, com projeto estrutural de Figueiredo Ferraz;
- Ponte da Amizade em Foz do Iguaçu em 1962, com o maior arco de concreto armado do mundo, com 290 m de vão;
Ponte da Amizade entre Brasil e Paraguai
- Edifício Itália (São Paulo - 1962), o mais alto edifício em Concreto Armado do mundo durante alguns meses;
- Ponte Colombo Salles em Florianópolis em 1975, a maior viga contínua protendida do mundo, com 1.227m de comprimento, projeto estrutural de Figueiredo Ferraz;
- Usina Hidroelétrica de Itaipu em 1982, a maior do mundo com 190 m de altura, projetada e construída por brasileiros e paraguaios, com coordenação americano-italiana;
- Em 1913, a vinda da firma alemã Wayss & Freytag constituiu o ponto mais importante para o desenvolvimento do concreto armado no Brasil”. Importaram mestres de obras da Alemanha, e a firma serviu de escola para a formação de especialistas nacionais, evitando a importação de mais estrangeiros.
15. Aspectos Positivos do Concreto Armado
a) Custo: especialmente no Brasil, os seus componentes são facilmente encontrados e relativamente a baixo custo;
b) Adaptabilidade: favorece à arquitetura pela sua fácil modelagem;
c) Resistência ao fogo: As estruturas de concreto, sem proteção externa, tem uma resistência natural de 1 a 3 horas.
d) Resistência a choques e vibrações: os problemas de fadiga são menores;
e) Conservação: em geral, o concreto apresenta boa durabilidade, desde que seja utilizado com a dosagem correta. É muito importante a execução de cobrimentos mínimos para as armaduras;
f) Impermeabilidade: desde que dosado e executado de forma correta.
16. Aspectos Negativo do Concreto Armado
a) Baixa resistência à tração;
b) Fôrmas e escoramentos dispendiosos;
c) Baixa resistência por unidade de volume; Peso próprio elevado relativo à resistência:
densidade = 25 kN/m3 = 2,5 tf/m3 = 2.500 kgf/m3;
d) Alterações de volume com o tempo;
e) Reformas e adaptações de difícil execução;
f) Transmite calor e som.
17. Principais normais brasileira para Concreto Armado
NBR 6118/2014 - Projeto de estruturas de concreto – Procedimento.
NBR 6120/80 - Cargas para o cálculo de estruturas de edificações - Procedimento;
NBR 7480/07 - Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado - Especificação;
NBR 8681/03 - Ações e segurança nas estruturas – Procedimento;
NBR 8953/09 - Concreto para fins estruturais - Classificação pela massa específica, por grupos de resistência e consistência;
NBR 9062/06 - Projeto e execução de estruturas de concreto pré-moldado;
18. Elementos Estruturais em Concreto Armado
Elementos lineares:
Aqueles que têm a espessura da mesma ordem de grandeza da altura, mas ambas muito menores que o comprimento. São as “barras” (vigas, pilares, etc.).
Elementos lineares de seção delgada:
Aqueles cuja espessura é muito menor que a altura. Construídos em “Argamassa Armada” (elementos com espessuras menores que 40 mm) e perfis de aço.
Classificação geométrica dos elementos estruturais
Elementos bidimensionais:
Aqueles onde duas dimensões, o comprimento e a largura, são da mesma ordem de grandeza e muito maiores que a terceira dimensão (espessura). São os elementos de superfície (lajes, as paredes de reservatórios, etc.).
Cascas - quando a superfície é curva;
Placas ou chapas - quando a superfície é plana;
Placas - superfícies que recebem o carregamento perpendicular ao seu plano (lajes);
Chapas - tem o carregamento contido neste plano (viga-parede);
Elementos tridimensionais:
Aqueles onde as três dimensões têm a mesma ordem de grandeza. São os elementos de volume (blocos e sapatas de fundação, consolos, etc.)
Exemplos de estrutura em forma de casca.
Características dos carregamentos nas placas e nas chapas.
Lajes:
São elementos planos que recebem a maior parte das ações (cargas) aplicadas numa construção.
As ações, comumente perpendiculares ao plano da laje, podem ser: distribuídas na área, distribuídas linearmente e forças concentradas.
As ações são transferidas para as vigas de apoio nas bordas da laje.
As ações nas lajes são provenientes de pessoas, móveis, pisos, paredes, etc.
Forma laje maciça
Tipos lajes de concreto: maciça, nervurada, lisa e cogumelo.
As lajes maciças tem geralmente espessuras de 7 cm a 15 cm. São comuns em construções de grande porte, como edifícios de múltiplos pavimentos, escolas, indústrias, hospitais, pontes, etc.).
Não são geralmente aplicadas em construções de pequeno porte (casas, sobrados, galpões, etc.).
As lajes maciças são geralmente apoiadas nas bordas, mas podem também ter bordas livres.
Laje maciça
Lajes cogumelo são lajes apoiadas diretamente em pilares com capitéis, enquanto lajes lisas são as apoiadas nos pilares sem capitéis”. São também chamadas lajes sem vigas.
Vantagens: custos menores e maior rapidez de construção. No entanto, são suscetíveis a maiores deformações (flechas).
Lajes lisa e cogumelo.
Lajes lisa com capitel