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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
De acordo com a NBR 6118:2014, elementos de concreto protendido consistem em estruturas previamente alongada, por equipamentos especiais, com o objetivo de limitar e/ou impedir fissuras e deslocamentos da estrutura. Esses elementos são submetidos a ações de forças especiais, denominadas de protensão, que para Hanai (2005) nada mais é que, comprimir o concreto. Para Pfeil (1984), protensão consiste em: “artifício de introduzir, numa estrutura, um estado prévio de tensões, de modo a melhorar sua resistência ou seu comportamento, sob ação de diversas solicitações”. O autor salienta ainda, que a protensão tem significativa importância para o concreto, porque esse possui pouca resistência à tração, que além de pequena é pouco confiável, e por isso, desprezada em cálculo. Logo, essa característica negativa do concreto pode ser melhorada pela introdução da protensão (compressão prévia), nas áreas onde os esforços solicitantes resultam em tensões de tração, permitindo com isso construções de grandes vãos. A origem do concreto protendido é datada do ano 1866, com sua primeira aplicação realizada por H. Jackson. O primeiro trabalho sobre concreto protendido, contudo, só veio a ser desenvolvido no início do século XIX, na França, por Freyssinet. Nele métodos construtivos, equipamentos, aços e concretos com elevadas resistências foram apresentados ao mercado. No Brasil, sua primeira aplicação se deu na construção da ponte do Galeão, na cidade do Rio de Janeiro – RJ, no ano de 1948. Desde então, sua técnica de construção, bem como os materiais necessários à sua utilização, foram alvos de constante modernização, e hoje diversas estruturas, tais como viaduto, ponte, barragem, silos, reservatórios, laje, viga, etc., adotam esse método construtivo. Diferente do concreto armado, as peças em concreto protendido são compostas de dois tipos de armaduras, a passiva e a ativa. A primeira, também denominada de armadura não protendida ou armadura frouxa, consiste em qualquer armadura que não seja utilizada com a finalidade de produzir forças de protensão, ou seja, que não seja previamente alongada. Essas são as barras de aço normalmente utilizadas em concreto armado, tais como armaduras longitudinais suplementares, estribos, armadura de fretagem e armaduras regionais. A segunda por sua vez, destina-se à protensão, logo, nela é aplicado um pré-alongamento inicial. A armadura de proteção (ativa) constitui-se de barras, fios isolados ou cordoalhas (NBR 6118:2014).
A pesar de a partir de 2003 serem regidos pela mesma norma, “NBR 6118:2014 – Projeto de estruturas de concreto – Procedimento” , os concretos armado e protendido, se diferem em muitos aspectos. O primeiro deles consiste na aplicação da força de protensão. Os outros devidos a esse, são o uso de aço e concreto de altas resistência, de até 2100 MPa e até 85 MPa respectivamente. Outras diferenças são oriundas da aplicação desses materiais, como a limitação de fissuras e maior controle das flechas, peças mais leves e esbeltas, com toda sua seção transversal resistindo aos esforções de tração, melhor resistência às forças cortantes e o pré-teste durante o estiramento. Contudo, a concreto protendido requer maior controle de seus materiais e de sua execução, disponibilidade de tecnologia, bem como mão-de-obra especializada e uma rigorosa análise dos cálculos dos efeitos de retração e fluência do concreto, e do relaxamento do aço protendido, entre outros cuidados.
2. SISTEMAS DE APLICAÇÃO DA PROTENSÃO
Na primeira metade do século XX, foram desenvolvidos diferentes processos de protensão. Em geral, as principais diferenças residiam na ancoragem e nos equipamentos para utilizados para tracionar a armadura. Esses processos eram patenteados e executados por empresas especializadas. Várias metodologias foram desenvolvidas, mas com o passar do tempo as mais viáveis tecnicamente e economicamente permaneceram no mercado (VERÍSSIMO, 1998). Hoje a maioria das empresas especializadas em estruturas protendidas possui a concessão de utilização de algum processo patenteado, pagando royalties para o detentor da patente. Cita-se o processo de Eugene Freyssinet (frânces), o qual utiliza cordoalhas de fios e cunhas metálicas para a ancoragem, e o de Diwidag (alemão), que emprega barra laminadas com roscas e porcas metálicas (VERÍSSIMO, 1998). Os sistemas de protensão são classificados pela existência ou não da aderência entre o concreto e armadura ativa, e também pelo momento no qual ocorre o tensionamento dos cabos. Quando é realizado antes da concretagem denomina-se pré-tensão, e após a cura do concreto, pós-tensão (CHOLFE e BONILHA, 2013).
Figura 2. 2 – Armaduras pré-tracionadas ancoradas por aderência no concreto
Fonte: Pfeil (1984). Esquema de um fio pré-tracionado ancorado no concreto (𝑙𝑏𝑝 = comprimento de ancoragem por aderência; 𝜙 0 = diâmetro sem carga; 𝜙 1 = diâmetro da armadura protendida). b) Diagrama de tensões no fio ancorado; a tensão é nula na face da viga, aumentando linearmente ao longo do comprimento 𝑙𝑏𝑝, até atingir o valor da tensão inicial instalada (𝜎𝑝𝑜).
De acordo com Pfeil, o comprimento 𝑙𝑏𝑝 depende de vários fatores como: a qualidade do concreto e a superfície da armadura ativa. Dados experimentais mostram que esse comprimento varia de 100𝜙 a 140𝜙 para fios entalhados, e de 45𝜙 a 90𝜙 para cordoalha de sete fios. Devido o procedimento construtivo, o traçado geométrico do cabo é geralmente muito simples, reto ou poligonal. A Figura 2.3 mostra exemplos de distribuição de armadura pré- tracionada ao longo de uma viga.
Figura 2. 3 - Exemplos de distribuição de armadura pré-tracionada ao longo de uma viga
Fonte: Pfeil (1984). a) viga de pequeno porte, com armaduras retilíneas; b) viga de grande-porte, com parte da armadura poligonal; c) viga de grande-porte, com armadura retilínea e seção transversal de altura decrescente para o apoio. Acham-se indicadas apenas as armaduras protendidas, omitindo-se as armaduras convencionais.
Os efeitos da protensão dependem da força de protensão e da sua excentricidade, em alguns casos, é possível obter o efeito desejado variando apenas uma dessas características. Em vigas bi apoiadas com carregamento distribuído, o momento fletor é máximo no meio do vão e tende a zero nos apoios. Se a força de protensão e a excentricidade forem mantidas constantes ao longo da viga pode ser necessário atitudes para evitar esforços de tração indesejáveis nas extremidades (VERÍSSIMO, 1998). No caso de armadura ativa reta com excentricidade constante (força cortante e momento fletor constantes), para evitar o surgimento de esforços de tração indesejáveis nas extremidades da peça pode-se: utilizar armadura passiva superior, cabos auxiliares na parte superior da viga ou isolar parte das cordoalhas de protensão nas proximidades dos apoios (CHOLFE e BONILHA, 2013). Pode-se concluir que vigas com armaduras poligonal são mais eficientes, pois apresentam maior excentricidade no centro, local onde o momento fletor devido às cargas externas é maior. Nesse sistema, não é possível alterar a força de protensão após a concretagem. Os cabos aderentes, além de aplicar o esforço de protensão, podem funcionar como armadura convencional melhorando o comportamento da peça quanto à fissuração (CHOLFE e BONILHA, 2013).
2.2 Sistemas com armaduras pós - tracionadas
As armaduras pós-tracionadas costumam ser utilizadas quando o processo de protensão é feito em obra ou com a finalidade solidarizar várias peças pré-moldadas. Nos sistemas de pós-tração, os cabos são tensionados após o endurecimento do concreto e são ancorados nas faces do elemento estrutural (CHOLFE e BONILHA, 2013). A Figura 2. mostra um esquema simplificado de fabricação de peça protendida com pós-tração.
No item 3.1.9, a NBR 6118:2014 define concreto com armadura ativa pós-tracionada sem aderência (protensão sem aderência) como: Concreto protendido em que o pré-alongamento da armadura ativa é realizado após o endurecimento do concreto, sendo utilizadas, como apoios, partes do próprio elemento estrutural, mas não sendo criada aderência com o concreto, ficando a armadura ligada ao concreto apenas em pontos localizados
Classificação dos sistemas de armaduras pós-tracionadas
Conforme Pfeil (1984), os sistemas com armaduras pós-tracionadas podem ser classificados em duas categorias de acordo com a posição relativa entre os cabos e à peça de concreto: em cabos internos e cabos externos à viga. Ambas as classificações podem ser aderentes ou não aderentes.
Cabos aderentes (internos e externos)
Os cabos internos aderentes são envolvidos por bainhas metálicas (lisas ou onduladas), as quais são preenchidas com uma nata de cimento que além de proteger o aço contra a corrosão criando um ambiente alcalino, geram aderência. A pós-tração com aderência geralmente é empregada em estruturas protendidas de médio e grande porte, destacando-se obras viárias de infraestrutura como pontes e viadutos. Os cabos externos aderentes são posicionados lateralmente a alma da viga, a aderência é obtida por concretagem direta do cabo. A ligação com a viga pode ser melhorada por meio de estribos. O revestimento de concreto protege as armaduras contra a corrosão. A Figura 2.5 mostra armaduras pós-tracionadas aderentes ao concreto.
Figura 2. 5 - Armaduras pós-tracionadas, aderentes ao concreto
Fonte: Pfeil (1984). a) Cabos internos aderentes: 1 - viga de concreto; 2 - aço de protensão; 3 - bainha metálica; 4 - nata de cimento injetada. b) Cabos externos aderentes: 1 - viga de concreto; 2 - aço de protensão; 5 - estribo de ligação com a viga; 6 - revestimento do cabo externo com concreto vibrado de boa qualidade.
Cabos não aderentes (internos e externos)
Nos sistemas com cabos não aderentes internos, as bainhas são de papel ou plásticas, sendo preenchidas por nata de cimento ou graxa inerte. A protensão sem aderência é empregada em lajes, pisos e radiers. Os cabos externos devem apresentar uma proteção mecânica e química. A Figura 2.6 exibe armaduras pós-tracionadas não aderentes ao concreto.
Figura 2. 6 - Armaduras pós-tracionadas, não aderentes ao concreto
Fonte: Pfeil (1984). a) Cabos internos não aderentes: 1 - viga de concreto; 2 - aço de protensão; 3 - bainha plástica ou de papel; 4 - nata de cimento ou graxa inerte. b) Cabos externos à seção da viga: 5 - tubo de aço ou plástico.
Os cabos internos apresentam uma maior flexibilidade no traçado, admitindo diferentes trajetórias como sequências de trechos curvilíneos e retilíneos. Os cabos externos normalmente são retos ou poligonais, as mudanças de direção são realizadas por meio de selas de apoio dispostas nas laterais da peça. A aderência da armadura de protensão influencia no comportamento à fissuração do concreto. A aderência obtida nos sistemas de pré-tensão e na armadura convencional é menor que a estabelecida nos sistemas de pós-tensão. O uso de cabos externos sem aderência melhoram as condições de manutenção. Caso seja constatado a deterioração da armadura é mais fácil substituir os cabos. Nos sistemas de pós-tensão, quando os cabos estão dispostos no interior de bainhas flexíveis esses apresentam uma maior liberdade no traçado. A Figura 2.7 mostra o
3. CRITÉRIOS DE PROJETO
A NBR 8681: 2004 estabelece requisitos para a verificação da segurança das estruturas e apresenta definições e critérios de quantificação das ações e das resistências a serem consideradas no projeto das estruturas de edificações. Esta norma aponta os estados limites que uma estrutura pode alcançar, nos quais apresentaria um desempenho inadequado às finalidades da construção, ainda classifica:
3.1. Estados limites últimos
Estados que, em sua ocorrência, determinam a paralisação total ou parcial do uso da construção, relacionado ao colapso, ou a qualquer outra forma de ruína estrutural. Caracterizados por:
a) Perda de equilíbrio, global ou parcial, admitida a estrutura como um corpo rígido; b) Ruptura ou deformação plástica excessiva dos materiais; c) Transformação da estrutura, no todo ou em parte, em sistema hipostático; d) Instabilidade por deformação; e) Instabilidade dinâmica.
3.2. Estados limites de serviço
Estados que, em sua ocorrência, repetição ou duração, ocasionam efeitos estruturais que não respeitam as condições especificadas para o uso normal da construção, ou que são indícios de comprometimento da durabilidade da estrutura. Caracterizados por:
a) Danos ligeiros ou localizados, que comprometam o aspecto estético da construção ou a durabilidade da estrutura; b) Deformações excessivas que afetem a utilização normal da construção ou seu aspecto estético; c) Vibração excessiva ou desconfortável.
As verificações de estados limites de serviço devem ser realizadas no estádio I ou II, de acordo com o caso. Os limites atribuídos referem-se à segurança relativa à formação ou abertura de fissuras, flechas excessivas e compressão excessiva.
Figura 3.1 – Estados limites de utilização a considerar
Fonte: Veríssimo et al. (1999).
Para o caso do concreto protendido, algumas verificações adicionais devem ser realizadas. Abaixo estão apresentadas essas verificações, definidas de acordo com a NBR 6118:2014.
3.2.1. Estado limite de compressão excessiva (ELS-CE)
Estado em que as tensões de compressão atingem o limite convencional estabelecido (em geral, 60% da resistência característica). Usual no caso do concreto protendido na ocasião da aplicação da protensão.
3.2.2. Estado limite de descompressão (ELS-D)
Estado no qual em um ou mais pontos da seção transversal a tensão normal é nula, não havendo tração no restante da seção.
3.2.3. Estado limite de descompressão parcial (ELS-DP)
Estado no qual garante-se a compressão na seção transversal, na região onde existem armaduras ativas. Isto é, considerando a Figura 3.2, a parte cinza da seção representa a área
3.2.7. Estado-limite de vibrações excessivas (ELS-VE)
Estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da construção.
3.3. Combinações de serviço
São classificadas de acordo sua permanência na estrutura e devem ser verificadas como estabelecido na Figura 3.3 extraída da NBR 6118:2014.
Figura 3.3 – Combinações de serviço
Fonte: NBR 6118 (2014, p. 69)
4. ROTEIROS PARA DETERMINAÇÃO DE ARMADURA
LONGITUDINAL EM PEÇAS COM PÓS-TRAÇÃO E PRÉ-
TRAÇÃO.
Carvalho (2010) apresenta indicativos para o dimensionamento das armaduras. No entanto, ressalta-se que cabe ao projetista definir a solução que melhor julgar. Abaixo estão exibidos os roteiros, apresentados pelo autor, para duas situações.
4.1 Roteiro para determinação de armadura longitudinal em peças com pós- tração
Representam-se todos os cabos por um único cabo fictício, denominado cabo representante, obtido através da união do centro de gravidade de todos os demais. Abaixo seguem os passos para a determinação do número de cabos:
a) Esquema estrutural; b) Sistema e unidades de protensão; informações gerais; c) Cálculo das perdas imediatas do cabo representante; d) Cálculo das perdas ao longo do tempo do cabo representante; e) Cálculo do número de cabos necessários levando em conta o estado limite último; f) Detalhamento dos cabos na seção transversal; g) Verificação dos estados de fissuração; h) Traçado dos cabos; i) Cálculo e verificações considerando todos os cabos definidos.
4.2 Roteiro para determinação de armadura longitudinal em peças com pré- tração
O autor apresenta também um roteiro simplificado para a determinação da armadura longitudinal do meio do vão de uma peça pré-fabricada:
a) Cálculo da armadura (ativa), Ap, no ELU no tempo “infinito”, isto é, considerando decorridas todas as perdas de protensão. b) Verificação do ELU no tempo “zero”, isto é, valor de Ap só com as perdas imediatas. Não havendo tração pode-se ir para o item (d); c) Verificação da ruptura. Caso as duas condições de tração e de compressão estejam atendidas ir para o item (f), caso haja compressão excessiva mudar a seção; havendo tração há várias possibilidades: 1. Diminuir a armadura de protensão e calcular uma armadura complementar de tração passiva. 2. Colocação de cabos na fibra oposta à protensão que combate a flexão.
bainhas são então preenchidas com graxa, apenas para proteger a armadura da corrosão. No segundo modo, as armaduras ativas são externas à peça, tais quais tirantes.
5.2. Tipos de protensão
5.2.1. Protensão completa (nível 3)
Segundo a NBR 9118:2014 há protensão completa quando:
a. Para as combinações raras de ações, quando previstas no projeto, é respeitado o estado limite de formação de fissuras. b. Para as combinações frequentes de ações, previstas no projeto, é respeitado o estado limite de descompressão; Pode-se trabalhar com protensão total quando há pré-tração em ambientes com agressividades forte ou muito forte.
5.2.2. Protensão limitada (nível 2)
Segundo a NBR 9118:2014 há protensão limitada quando:
a. Para as combinações frequentes de ações, previstas no projeto, é respeitado o estado limite de formação de fissuras. b. Para as combinações quase permanentes de ações, previstas no projeto, é respeitado o estado limite de descompressão; Pode-se trabalhar com protensão limitada quando há pré-tração em ambientes com agressividade moderada ou quando há pós-tração em ambientes com agressividades forte ou muito forte.
5.2.3. Protensão parcial (nível 1)
Segundo a NBR 9118:2014 há protensão limitada quando: a. Para as combinações frequentes de ações, previstas no projeto, é respeitado o estado limite de abertura de fissuras, wk ≤ 0,2 mm.
Pode-se trabalhar com protensão parcial quando há pré-tração em ambientes com agressividade fraca ou quando há pós-tração em ambientes com agressividades fraca ou moderada.
6. DETERMINAÇÃO DA FORÇA DE PROTENSÃO
6.1 Estimativa do valor da força de protensão
Segundo Veríssimo et al. (1998), pode-se ter a estimativa do valor da força de protensão em função dos seguintes parâmetros:
- Ações sobre a estrutura;
- Características dos materiais;
- Dados geométricos da seção transversal pré-estabelecida para a peça;
- Dados obtidos da experiência ou de pré-dimensionamento;
- Esforços devidos às cargas permanentes e variáveis;
- Grau de protensão estabelecido;
- Estimativas de perdas de tensão na armadura de protensão.
6.2 Definição dos valores da força de protensão
A ABNT NBR 7197: 1989, define os valores da força de protensão e suas respectivas notações como:
𝑃𝑖 = Força máxima aplicada à armadura de protensão pelo equipamento de tração. Esta força corresponde, como por exemplo, à força aplicada pelos macacos hidráulicos antes da ancoragem dos cabos; 𝑃𝑎 = Força na armadura de protensão (considera na pré-tração). Ela é adotada como a força aplicada imediatamente anterior à sua liberação das ancoragens externas, onde a seção da abcissa corresponde a x = 0;
