Fundamentos do concreto, Manual de Cálculo para Engenheiros. Universidade de Pernambuco (UPE)
FelipeCosta
FelipeCosta20 de Setembro de 2016

Fundamentos do concreto, Manual de Cálculo para Engenheiros. Universidade de Pernambuco (UPE)

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Esquadrinha todas as características do concreto e ainda demonstra a utilização deste em uma edificação.
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FUNDAMENTOS DO CONCRETO E PROJETO DE EDIFÍCIOS

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS Departamento de Engenharia de Estruturas

FUNDAMENTOS DO CONCRETO

E PROJETO DE EDIFÍCIOS

Libânio M. Pinheiro

São Carlos, maio de 2007

ESTRUTURAS DE CONCRETO – CAPÍTULO 1

Libânio M. Pinheiro; Cassiane D. Muzardo; Sandro P. Santos

Março de 2004

INTRODUÇÃO Este é o capítulo inicial de um curso cujos objetivos são:

• os fundamentos do concreto;

• as bases para cálculo de concreto armado;

• a rotina doprojeto estrutural para edifícios de pequeno porte.

É um trabalho dedicado a alunos degraduação e a iniciantes em Engenharia Estrutural. Interessados em aprofundar conhecimentos deverão consultar bibliografia complementar adequada.

1.1 DEFINIÇÕES

Concreto é um material de construção proveniente da mistura, em proporção adequada, de: aglomerantes, agregados e água.

a) Aglomerantes

Unem os fragmentos de outros materiais. No concreto, em geral se emprega cimento portland, que reage com a água e endurece com o tempo.

b) Agregados

São partículas minerais que aumentam o volume da mistura, reduzindo seu custo. Dependendo das dimensões características φ, dividem-se em dois grupos:

• Agregados miúdos: 0,075mm < φ < 4,8mm. Exemplo: areias.

• Agregados graúdos: φ ≥ 4,8mm. Exemplo: pedras.

c) Pasta

Resulta das reações químicas do cimento com a água. Quando há água em excesso, denomina-se nata.

USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas Introdução 2

PASTA CIMENTO + ÁGUA

d) Argamassa

Provém da pela mistura de cimento, água e agregado miúdo, ou seja, pasta com agregado miúdo.

ARGAMASSA CIMENTO + AREIA + ÁGUA

e) Concreto simples

É formado por cimento, água, agregado miúdo e agregado graúdo, ou seja, argamassa e agregado graúdo.

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CONCRETO SIMPLES CIMENTO + AREIA + PEDRA + ÁGUA

Depois de endurecer, o concreto apresenta:

boa resistência à compressão;

baixa resistência à tração;

• comportamento frágil, isto é, rompe com pequenas deformações.

Na maior parte das aplicações estruturais, para melhorar as características do concreto, ele é usado junto com outros materiais.

f) Concreto armado

É a associação do concreto simples com uma armadura, usualmente constituída por barras de aço. Os dois materiais devem resistir solidariamente aos esforços solicitantes. Essa solidariedade é garantida pela aderência.

CONCRETO ARMADO CONCRETO SIMPLES + ARMADURA + ADERÊNCIA

g) Concreto protendido

No concreto armado, a armadura não tem tensões iniciais. Por isso, é denominada armadura frouxa ou armadura passiva. No concretoprotendido, pelo menos uma parte da armadura tem tensões previamente aplicadas, denominada armadura de protensão ou armadura ativa.

CONCRETO PROTENDIDO CONCRETO + ARMADURA ATIVA

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h) Argamassa armada

Éconstituída por agregado miúdo e pasta de cimento, com armadura de fios de aço de pequeno diâmetro, formando uma tela. No concreto, a armadura é localizada em regiões específicas, Na argamassa, ela é distribuída por toda a peça.

i) Concreto de alto desempenho CAD

Pode ser obtido, por exemplo, pela mistura de cimento e agregados convencionais com sílica ativa e aditivosplastificantes. Apresenta características melhores do que o concreto tradicional. Em vez de sílica ativa, pode-se também utilizar cinza volante ou resíduo de alto forno.

1.2 VANTAGENS DO CONCRETO, RESTRIÇÕES E PROVIDÊNCIAS

Como material estrutural, o concreto apresenta várias vantagens em relação a outros materiais. Serão relacionadas também algumas de suas restrições e as providências que podem ser adotadas para contorná-las.

1.2.1 Vantagens do concreto armado

Suas grandes vantagens são:

• É moldável, permitindo grande variabilidade de formas e de concepções arquitetônicas.

• Apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitação, desde que seja feito um correto dimensionamento e um adequado detalhamento das armaduras.

• A estrutura é monolítica, fazendo com que todo o conjunto trabalhe quando a peça é solicitada.

• Baixo custo dos materiais - água e agregados graúdos e miúdos.

• Baixo custo de mão-de-obra, pois em geral não exige profissionais com elevado nível de qualificação.

Processos construtivos conhecidos e bem difundidos em quase todo o país.

• Facilidade e rapidez de execução, principalmente se forem utilizadas peças pré-moldadas.

• O concreto é durável e protege a armação contra a corrosão.

• Os gastos de manutenção são reduzidos, desde que a estrutura seja bem projetada e adequadamente construída.

USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas Introdução 5

• O concreto é pouco permeável à água, quando executado em boas condições de plasticidade, adensamento e cura.

• É um material seguro contra fogo, desde que a armadura seja convenientemente protegida pelo cobrimento.

• É resistente a choques e vibrações, efeitos térmicos, atmosféricos e a desgastes mecânicos.

1.2.2 Restrições do concreto

O concreto apresenta algumas restrições, que precisam ser analisadas Devem ser tomadas as providências adequadas para atenuar suas conseqüências. As principais são:

• Baixa resistência à tração,

Fragilidade,

Fissuração,

Peso próprio elevado,

• Custo de formas para moldagem,

Corrosão das armaduras.

1.2.3 Providências

Para suprir as deficiências do concreto, há várias alternativas.

A baixa resistência à tração pode ser contornada com o uso de adequada armadura, em geral constituída de barras de aço, obtendo-se o concreto armado. Além de resistência à tração, o aço garante ductilidade e aumenta a resistência à compressão, em relação ao concreto simples.

A fissuração pode ser contornada ainda na fase de projeto, com armação adequada e limitação do diâmetro das barras e da tensão na armadura.

Também é usual a associação do concreto simples com armadura ativa, formando o concreto protendido. A utilização de armadura ativa tem como principal finalidade aumentar a resistência da peça, o que possibilita a execução de grandes vãos ou o uso de seções menores, sendo que também se obtém uma melhora do concreto com relação à fissuração.

O concreto de alto desempenhoCAD – apresenta características melhores do que o concreto tradicional – como resistência mecânica inicial e final elevada, baixa permeabilidade, alta durabilidade, baixa segregação, boa trabalhabilidade, alta aderência, reduzida exsudação, menor deformabilidade por retração e fluência, entre outras.

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O CAD é especialmente apropriado para projetos em que a durabilidade é condição indispensável para sua execução. A alta resistência é uma das maneiras de se conseguir peças de menores dimensões, aliviando o peso próprio das estruturas.

Ao concreto também podem ser adicionadas fibras, principalmente de aço, que aumentam a ductilidade, a absorção de energia, a durabilidade etc.

A corrosão da armadura é prevenida com controle da fissuração e com o uso de adequado de cobrimento, cujo valor depende do grau de agressividade do ambiente em que a estrutura for construída.

A padronização de dimensões, a pré-moldagem e o uso de sistemas construtivos adequados permite a racionalização do uso de formas, permitindo economia neste quesito.

A argamassa armada é adequada para pré-moldados leves, de pequena espessura.

1.3 APLICAÇÕES DO CONCRETO

É o material estrutural mais utilizado no mundo. Seu consumo anual é da ordem de uma tonelada por habitante.

Entre os materiais utilizados pelo homem, o concreto perde apenas para a água.

Outros materiais como madeira, alvenaria e aço também são de uso comum e há situações em que eles são imbatíveis. Porém, suas aplicações são bem mais restritas.

Algumas aplicações do concreto são relacionadas a seguir.

Edifícios: mesmo que a estrutura principal não seja de concreto, alguns elementos, pelo menos, o serão;

Galpões e pisosindustriais ou para fins diversos;

Obras hidráulicas e de saneamento: barragens, tubos, canais, reservatórios, estações de tratamento etc.;

Rodovias: pavimentação de concreto, pontes, viadutos, passarelas, túneis, galerias, obras de contenção etc.;

Estruturas diversas: elementos de cobertura, chaminés, torres, postes, mourões, dormentes, muros de arrimo, piscinas, silos, cais, fundações de máquinas etc.

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1.4 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

Estrutura é a parte resistente da construção e tem as funções de resistir as ações e as transmitir para o solo.

Em edifícios, os elementos estruturaisprincipais são:

Lajes: são placas que, além das cargas permanentes, recebem as ações de uso e as transmitem para os apoios; travam os pilares e distribuem as ações horizontais entre os elementos de contraventamento;

Vigas: são barras horizontais que delimitam as lajes, suportam paredes e recebem ações das lajes ou de outras vigas e as transmitem para os apoios;

Pilares: são barras verticais que recebem as ações das vigas ou das lajes e dos andares superiores as transmitem para os elementos inferiores ou para a fundação;

Fundação: são elementos como blocos, lajes, sapatas, vigas, estacas etc., que transferem os esforços para o solo.

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Pilares alinhadosligados por vigas formam os pórticos, que devem resistir às ações do vento e às outras ações que atuam no edifício, sendo o mais utilizado elemento de contraventamento.

Em edifícios esbeltos, o travamento também pode ser feito por pórticos treliçados, paredes estruturais ou núcleos. Os dois primeiros situam-se, em geral, nas extremidades do edifício. Os núcleos costumam envolver a escada ou da caixa de elevadores.

Nos andares constituídos por lajes e vigas, a união desses elementospode ser denominada tabuleiro.

Os termos piso e pavimentodevem ser evitados, pois podem ser confundidos com pavimentação.

É crescente o emprego do concreto em pisos industriais e em pavimentos de vias urbanas e rodoviárias, principalmente nos casos de tráfego intenso e pesado.

Nos edifícios com tabuleiros sem vigas, as lajes se apóiam diretamente nos pilares, sendo denominadas lajes lisas.

Se nas ligações das lajes com os pilares houver capitéis, elas recebem o nome de lajes-cogumelo.

Nas lajes lisas, há casos em que, nos alinhamentos dos pilares, uma determinada faixa é considerada como viga, sendo projetada como tal − são as denominadas vigas-faixa.

São muito comuns as lajes nervuradas. Se as nervuras e as vigas que as suportam têm a mesma altura, o uso de um forro de gesso, por exemplo, dão a elas a aparência de lajes lisas.

Nesses casos elas são denominadas lajes lisas nervuradas. Nessas lajes, também são comuns as vigas-faixa eos capitéis embutidos.

Nos edifícios, são considerados elementos estruturais complementares: escadas, caixas d’água, muros de arrimo, consolos, marquises etc.

1.5 EDIFÍCIOS DE PEQUENO PORTE

Como foi visto no início, este é o primeiro texto de uma série, cujos objetivos são: apresentar os fundamentos do concreto, as bases para cálculo e a rotina do projeto estrutural para edifícios de pequeno porte.

Em um exemplo simples, serão dimensionadas e detalhadas as lajes, as vigas e os pilares. As fundações serão estudadas em uma fase posterior.

Serão considerados edifícios de pequeno porte aqueles com estruturas regulares muito simples, que apresentem:

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• até quatro pavimentos;

• ausência deprotensão; • cargas de uso nunca superiores a 3kN/m2;

• altura de pilares até 4m e vãos não excedendo 6m;

• vão máximo de lajes até 4m (menor vão) ou 2m, no caso de balanços.

O efeito do vento poderá ser omitido, desde que haja contraventamento em duas direções.

AGRADECIMENTOS

À FAPESP e ao CNPq, pelas bolsas de Iniciação Científica e de Pesquisador.

BIBLIOGRAFIA

Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6118:2003 - Projeto de estruturas de concreto. Rio de Janeiro.

Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7211:1982 - Agregados para concreto. Rio de Janeiro.

IBRACON (2001). Prática recomendada IBRACON para estruturas de pequeno porte. São Paulo, Instituto Brasileiro do Concreto: Comitê Técnico CT-301 Concreto Estrutural. 39p.

PINHEIRO, L.M., GIONGO, J.S. (1986). Concreto armado: propriedades dos materiais. São Carlos, EESC-USP, Publicação 005 / 86. 79p.

PINHEIRO, L.M. (2003). Notas de aula da disciplina Estruturas de Concreto A. São Carlos, EESC-USP.

ESTRUTURAS DE CONCRETO – CAPÍTULO 2

Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos

Março de 2004

CARACTERÍSTICAS DO CONCRETO

Como foi visto no capítulo anterior, a mistura em proporção adequada de cimento, agregados e água resulta num material de construção – o concreto –, cujas características diferem substancialmente daquelas apresentadas pelos elementos que o constituem.

Este capítulo tem por finalidade destacar as principais características e propriedades do material concreto, incluindo aspectos relacionados à sua utilização.

2.1 MASSA ESPECÍFICA

Serão considerados os concretos de massa específica normal (ρc), compreendida entre 2000 kg/m3 e 2800 kg/m3.

Para efeito de cálculo, pode-se adotar para o concreto simples o valor 2400 kg/m3 e para o concreto armado 2500 kg/m3.

Quando se conhecer a massa específica do concreto utilizado, pode-se considerar, para valor da massa específica do concreto armado, aquela do concreto simples acrescida de 100 kg/m3 a 150 kg/m3.

2.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

As principais propriedades mecânicas do concreto são:resistência à compressão, resistência à tração e módulo de elasticidade. Essas propriedades são determinadas a partir de ensaios, executados em condições específicas. Geralmente, os ensaios são realizados para controle da qualidadee atendimento às especificações.

2.2.1 Resistência à compressão

A resistência à compressão simples, denominada fc, é a característica mecânica mais importante. Para estimá-la em um lote de concreto, são moldados e preparados corpos-de-prova para ensaio segundo a NBR 5738 – Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto, os quais são

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2.2

ensaiados segundo a NBR 5739 – Concreto – Ensaio de compressão de corpos- de-prova cilíndricos.

O corpo-de-prova padrão brasileiro é o cilíndrico, com 15cm de diâmetro e 30cm de altura, e a idade de referência para o ensaio é 28 dias.

Após ensaio de um número muito grande de corpos-de-prova, pode ser feito um gráfico com os valores obtidos de fc versus a quantidade de corpos-de-prova relativos a determinado valor de fc, também denominada densidade de freqüência. A curva encontrada denomina-se Curva Estatística de Gauss ou Curva de Distribuição Normal para a resistência do concreto à compressão (Figura 2.1).

Figura 2.1 – Curva de Gauss para a resistência do concreto à compressão

Na curva de Gauss encontram-se dois valores de fundamental importância: resistência média do concreto à compressão, fcm, e resistência característica do concreto à compressão, fck.

O valor fcm é a média aritmética dos valores de fc para o conjunto de corpos-de- prova ensaiados, e é utilizado na determinação da resistência característica, fck, por meio da fórmula:

1,65sf f cmck −=

O desvio-padrão s corresponde à distância entre a abscissa de fcm e a do ponto de inflexão da curva (ponto em que ela muda de concavidade).

O valor 1,65 corresponde ao quantil de 5%, ou seja, apenas 5% dos corpos- de-prova possuem fc < fck, ou, ainda, 95% dos corpos-de-prova possuem fc ≥ fck.

Portanto, pode-se definir fck como sendo o valor da resistência que tem 5% de probabilidade de não ser alcançado, em ensaios de corpos-de-prova de um determinado lote de concreto.

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2.3

Como será visto posteriormente, a NBR 8953 define as classes de resistência em função de fck. Concreto classe C30, por exemplo, corresponde a um concreto com fck = 30MPa.

Nas obras, devido ao pequeno número de corpos-de-prova ensaiados, calcula- se fck,est, valor estimado da resistência característica do concreto à compressão.

2.2.2 Resistência à tração

Os conceitos relativos à resistência do concreto à tração direta, fct, são análogos aos expostos no item anterior, para a resistência à compressão. Portanto, tem-se a resistência média do concreto à tração, fctm, valor obtido da média aritmética dos resultados, e a resistência característica do concreto à tração, fctk ou simplesmente ftk, valor da resistência que tem 5% de probabilidade de não ser alcançado pelos resultados de um lote de concreto.

A diferença no estudo da tração encontra-se nos tipos de ensaio. Há três normalizados: tração direta, compressão diametral e tração na flexão.

a) Ensaio de tração direta

Neste ensaio, considerado o de referência, a resistência à tração direta, fct, é determinada aplicando-se tração axial, até a ruptura, em corpos-de-prova de concreto simples (Figura 2.2). A seção central é retangular, medindo 9cm por 15cm, e as extremidades são quadradas, com 15cm de lado.

Figura 2.2 – Ensaio de tração direta

b) Ensaio de tração na compressão diametral (spliting test)

É o ensaio mais utilizado. Também é conhecido internacionalmente como Ensaio Brasileiro. Foi desenvolvido por Lobo Carneiro, em 1943. Para a sua realização, um corpo-de-prova cilíndrico de 15cm por 30 cm é colocado com o eixo horizontal entre os pratos da prensa (Figura 2.3), sendo aplicada uma força até a sua ruptura por tração indireta (ruptura por fendilhamento).

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2.4

Figura 2.3 – Ensaio de tração por compressão diametral

O valor da resistência à tração por compressão diametral, fct,sp, encontrado neste ensaio, é um pouco maior que o obtido no ensaio de tração direta. O ensaio de compressão diametral é simples de ser executado e fornece resultados mais uniformes do que os da tração direta.

c) Ensaio de tração na flexão

Para a realização deste ensaio, um corpo-de-prova de seção prismática é submetido à flexão, com carregamentos em duas seções simétricas, até à ruptura (Figura 2.4). O ensaio também é conhecido por “carregamento nos terços”, pelo fato das seções carregadas se encontrarem nos terços do vão.

Analisando os diagramas de esforços solicitantes (Figura 2.5) pode-se notar que na região de momento máximo tem-se cortante nula. Portanto, nesse trecho central ocorre flexão pura.

Os valores encontrados para a resistência à tração na flexão, fct,f, são maiores que os encontrados nos ensaios descritos anteriormente.

Figura 2.4 – Ensaio de tração na flexão

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2.5

Figura 2.5 – Diagramas de esforços solicitantes (ensaio de tração na flexão)

d) Relações entre os resultados dos ensaios

Como os resultados obtidos nos dois últimos ensaios são diferentes dos relativos ao ensaio de referência, de tração direta, há coeficientes de conversão.

Considera-se a resistência à tração direta, fct, igual a 0,9 fct,sp ou 0,7 fct,f, ou seja, coeficientes de conversão 0,9 e 0,7, para os resultados de compressão diametral e de flexão, respectivamente.

Na falta de ensaios, as resistências à tração direta podem ser obtidas a partir da resistência à compressão fck:

ctmsupctk,

ctminfctk,

2/3 ckctm

f 1,3f f 0,7f

f 0,3f

=

= =

Nessas equações, as resistências são expressas em MPa. Será visto oportunamente que cada um desses valores é utilizado em situações específicas.

2.2.3 Módulo de elasticidade

Outro aspecto fundamental no projeto de estruturas de concreto consiste na relação entre as tensões e as deformações.

Sabe-se da Resistência dos Materiais que a relação entre tensão e deformação, para determinados intervalos, pode ser considerada linear (Lei de

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2.6

Hooke), ou seja, ε Eσ = , sendo σ a tensão, ε a deformação específica e E o Módulo de Elasticidade ou Módulo de DeformaçãoLongitudinal (Figura 2.6).

Figura 2.6 - Módulo de elasticidade ou de deformaçãolongitudinal

Para o concreto a expressão do Módulo de Elasticidade é aplicada somente à parte retilínea da curva tensão-deformação ou, quando não existir uma parte retilínea, a expressão é aplicada à tangente da curva na origem. Neste caso, tem-se o Módulo de Deformação Tangente Inicial, Eci (Figura 2.7).

Figura 2.7 - Módulo de deformação tangente inicial(Eci)

O módulo de deformação tangente inicial é obtido segundo ensaio descrito na NBR 8522 – Concreto – Determinação do módulo de deformação estática e diagrama tensão-deformação.

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2.7

Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto, para a idade de referência de 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade inicial usando a expressão:

1/2ckci f 5600 E =

Eci e fck são dados em MPa.

O Módulo de Elasticidade Secante, Ecs, a ser utilizado nas análises elásticas do projeto, especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de limites de serviço, deve ser calculado pela expressão:

Ecs = 0,85 Eci

Na avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou de uma seção transversal, pode ser adotado um módulo de elasticidade único, à tração e à compressão, igual ao módulo de elasticidade secante (Ecs).

2.2.4 Coeficiente de Poisson

Quando uma força uniaxial é aplicada sobre uma peça de concreto, resulta uma deformação longitudinal na direção da carga e, simultaneamente, uma deformação transversal com sinal contrário (Figura 2.8).

Figura 2.8 – Deformações longitudinais e transversais

A relação entre a deformação transversal e a longitudinal é denominada coeficiente de Poisson e indicada pela letra ν. Para tensões de compressão menores que 0,5 fc e de tração menores que fct, pode ser adotado ν =0,2.

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2.8

2.2.5 Módulo de elasticidade transversal

O módulode elasticidade transversal pode ser considerado Gc = 0,4 Ecs.

2.2.6 Estados múltiplos de tensão

Na compressão associada a confinamento lateral, como ocorre em pilares cintados, por exemplo, a resistência do concreto é maior do que o valor relativo à compressão simples. O cintamento pode ser feito com estribos, que impedem a expansão lateral do pilar, criando um estado múltiplo de tensões. O cintamento também aumenta a dutilidade do elemento estrutural.

Na região dos apoios das vigas, pode ocorrer fissuração por causa da força cortante. Essas fissuras, com inclinação aproximada de 45°, delimitam as chamadas bielas de compressão. Portanto, as bielas são regiões comprimidas com tensões de tração na direção perpendicular, caracterizando um estado biaxial de tensões. Nesse caso tem-se uma resistência à compressão menor que a da compressão simples.

Portanto, a resistência do concreto depende do estado de tensão a que ele se encontra submetido.

2.3 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO

Na preparação do concreto, com as mistura dos agregados graúdos e miúdos com cimento e água, tem início a reação química do cimento com a água, resultando gel de cimento, que constitui a massa coesiva de cimento hidratado.

A reação química de hidratação do cimento ocorre com redução de volume, dando origem a poros, cujo volume é da ordem de 28% do volume total do gel.

Durante o amassamento do concreto, o gel envolve os agregados e endurece com otempo, formando cristais. Ao endurecer, o gel liga os agregados, resultando um material resistente e monolíticoo concreto.

A estrutura interna do concreto resulta bastante heterogênea: adquire forma de retículos espaciais de gel endurecido, de grãos de agregados graúdo e miúdo de várias formas e dimensões, envoltos por grande quantidade de poros e capilares, portadores de água que não entrou na reação química e, ainda, vapor d’água e ar. Fisicamente, o concreto representa um material capilar pouco poroso, sem continuidade da massa, no qual se acham presentes os três estados da agregação – sólido, líquido e gasoso.

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2.9

2.4 DEFORMAÇÕES

As deformações do concreto dependem essencialmente de sua estrutura interna.

2.4.1 Retração

Denomina-se retração à redução de volume que ocorre no concreto, mesmo na ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura.

As causas da retração são:

Retração química: contração da água não evaporável, durante o endurecimento do concreto.

Retração capilar: ocorre por evaporação parcial da água capilar e perda da água adsorvida. O tensão superficial e o fluxo de água nos capilares provocam retração.

Retração por carbonatação: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (ocorre com diminuição de volume).

2.4.2 Expansão

Expansão é o aumento de volume do concreto, que ocorre em peças submersas. Nessas peças, no início tem-se retração química. Porém, o fluxo de água é de fora para dentro. As decorrentes tensões capilares anulam a retração química e, em seguida, provocam a expansão da peça.

2.4.3 Deformação imediata

A deformação imediata se observa por ocasião do carregamento. Corresponde ao comportamento do concreto como sólido verdadeiro, e é causada por uma acomodação dos cristais que formam o material.

2.4.4 Fluência

Fluência é uma deformação diferida, causada por uma força aplicada. Corresponde a um acréscimo de deformação com o tempo, se a carga permanecer.

Ao ser aplicada uma força no concreto, ocorre deformação imediata, com uma acomodação dos cristais. Essa acomodação diminui o diâmetro dos capilares e aumenta a pressão na água capilar, favorecendo o fluxo em direção à superfície. Tanto a diminuição do diâmetro dos capilares quanto o acréscimo do fluxo aumentam a tensão superficial nos capilares, provocando a fluência.

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2.10

No caso de muitas estruturas reais, a fluência e a retração ocorrem ao mesmo tempo e, do ponto de vista prático, é conveniente o tratamento conjunto das duas deformações.

2.4.5 Deformações térmicas

Define-se coeficiente de variação térmica αte como sendo a deformação correspondente a uma variação de temperatura de 1°C. Para o concreto armado, para variações normais de temperatura, a NBR 6118 permite adotar αte = 10-5 /°C.

2.5 FATORES QUE INFLUEM

Os principais fatores que influem nas propriedades do concreto são:

• Tipo e quantidade de cimento;

• Qualidade da água e relação água-cimento;

• Tipos de agregados, granulometria e relação agregado-cimento;

• Presença de aditivos e adições;

• Procedimento e duração da mistura;

• Condições e duração de transporte e de lançamento;

• Condições de adensamento e de cura;

• Forma e dimensões dos corpos-de-prova;

• Tipo e duração do carregamento;

• Idade do concreto; umidade; temperatura etc.

ESTRUTURAS DE CONCRETO – CAPÍTULO 3

Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos.

31 de março, 2003.

AÇOS PARA ARMADURAS

3.1 DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA

Aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro e de pequenas

quantidades de carbono (em torno de 0,002% até 2%).

Os aços estruturais para construção civil possuem teores de carbono da

ordem de 0,18% a 0,25%. Entre outras propriedades, o aço apresenta resistência e

ductilidade, muito importantes para a Engenharia Civil.

Como o concreto simples apresenta pequena resistência à tração e é frágil,

é altamente conveniente a associação do aço ao concreto, obtendo-se o concreto

armado.

Este material, adequadamente dimensionado e detalhado, resiste muito bem

à maioria dos tipos de solicitação. Mesmo em peças comprimidas, além de fornecer

ductilidade, o aço aumenta a resistência à compressão.

3.2 OBTENÇÃO DO PRODUTO SIDERÚRGICO

Para a obtenção do aço são necessárias basicamente duas matérias-primas:

minério de ferro e coque. O processo de obtenção denomina-se siderurgia, que

começa com a chegada do minério de ferro e vai até o produto final a ser utilizado

no mercado.

O minério de ferro de maior emprego na siderurgia é a hematita (Fe2O3),

sendo o Brasil um dos grandes produtores mundiais.

USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras

3.2

Coque é o resíduo sólido da destilação do carvão mineral. É combustível e

possui carbono. Em temperaturas elevadas, as reações químicas que ocorrem entre

o coque e o minério de ferro, separam o ferro do oxigênio. Este reage com o

carbono do coque, formando dióxido de carbono (CO2), principalmente.

Também é utilizado um fundente, como o calcário, que abaixa o ponto de

fusão da mistura.

Minério de ferro, coque e fundente são colocados pelo topo dos altos-fornos,

e na base é injetado ar quente. Um alto forno chega a ter altura de 50m a 100m. A

temperatura varia de 1000°C no topo a 1500°C na base.

A combinação do carbono do coque com o oxigênio do minério libera calor.

Simultaneamente, a combustão do carvão com o oxigênio do ar fornece calor para

fundir o metal. O ponto de fusão é diminuído pelo fundente.

Na base do alto forno obtém-se ferro gusa, que é quebradiço e tem baixa

resistência, por apresentar altos teores de carbono e de outros materiais, entre os

quais silício, manganês, fósforo e enxofre.

A transformação de gusa em aço ocorre nas aciarias, com a diminuição do

teor de carbono. São introduzidas quantidades controladas de oxigênio, que reagem

com o carbono formando CO2.

3.3 TRATAMENTO MECÂNICO DOS AÇOS

O aço obtido nas aciarias apresenta granulação grosseira, é quebradiço e de

baixa resistência. Para aplicações estruturais, ele precisa sofrer modificações, o que

é feito basicamente por dois tipos de tratamento: a quente e a frio.

a) Tratamento a quente

Este tratamento consiste na laminação, forjamento ou estiramento do aço,

realizado em temperaturas acima de 720°C (zona crítica).

USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Aços para armaduras

3.3

Nessas temperaturas há uma modificação da estrutura interna do aço,

ocorrendo homogeneização e recristalização com redução do tamanho dos grãos,

melhorando as características mecânicas do material.

O aço obtido nessa situação apresenta melhor trabalhabilidade, aceita solda

comum, possui diagrama tensão-deformação com patamar de escoamento, e resiste

a incêndios moderados, perdendo resistência, apenas, com temperaturas acima de

1150 °C (Figura 3.1).

Estão incluídos neste grupo os aços CA-25 e CA-50.

Figura 3.1 - Diagrama tensão-deformação de aços tratados a quente

Na Figura 3.1 tem-se:

P: força aplicada;

A: área da seção em cada instante;

A0: área inicial da seção;

a: ponto da curva correspondente à resistência convencional;

b: ponto da curva correspondente à resistência aparente;

c: ponto da curva correspondente à resistência real.

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3.4

b) Tratamento a frio ou encruamento

Neste tratamento ocorre uma deformação dos grãos por meio de tração,

compressão ou torção, e resulta no aumento da resistência mecânica e da dureza, e

diminuição da resistência à corrosão e da ductilidade, ou seja, decréscimo do

alongamento e da estricção.

O processo é realizado abaixo da zona de temperatura crítica (720 °C). Os

grãos permanecem deformados e diz-se que o aço está encruado.

Nesta situação, os diagramas de tensão-deformação dos aços apresentam

patamar de escoamento convencional, torna-se mais difícil a solda e, à temperatura

da ordem de 600°C, o encruamento é perdido (Figura 3.2).

Está incluído neste grupo o aço CA-60.

Figura 3.2 - Diagrama tensão-deformação de aços tratados a frio

Na Figura 3.2, tem-se:

P: força aplicada;

A: área da seção em cada instante;

A0: área inicial da seção;

a: ponto da curva correspondente à resistência convencional;

b: ponto da curva correspondente à resistência aparente;

c: ponto da curva correspondente à resistência real.

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3.5

3.4 BARRAS E FIOS

A NBR 7480 (1996) fixa as condições exigíveis na encomenda, fabricação e

fornecimento de barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado.

Essa Norma classifica barras os produtos de diâmetro nominal 5 ou superior,

obtidos exclusivamente por laminação a quente, e como fios aqueles de diâmetro

nominal 10 ou inferior, obtidos por trefilação ou processo equivalente, como por

exemplo estiramento. Esta classificação pode ser visualizada na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Diâmetros nominais conforme a NBR 7480 (1996)

O comprimento normal de fabricação de barras e fios é de 11m, com

tolerância de 9%, mas nunca inferior a 6m. Porém, comercialmente são encontradas

barras de 12m, levando-se em consideração possíveis perdas que ocorrem no

processo de corte.

3.5 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS

As características mecânicas mais importantes para a definição de um aço

são o limite elástico, a resistência e o alongamento na ruptura. Essas características

são determinadas através de ensaios de tração.

O limite elástico é a máxima tensão que o material pode suportar sem que

se produzam deformações plásticas ou remanescentes, além de certos limites.

5 6,3 8 10 12,5 16 20 22 25 32 40

2,4 3,4 3,8 4,2 4,6 5,0 5,5 6,0 6,4 7,0 8,0 9,5 10

BARRAS Ø >= 5 Laminação a Quente CA - 25 CA - 50

FIOS Ø <= 10 Laminação a Frio CA - 60

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