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Universidade Federal de Pelotas Centro de Engenharias Cursos de Engenharia Civil e Engenharia Agrícola Estruturas em Concreto Armado Profª Estela Garcez AULA 1 - Introdução ao Concreto Armado

Instalações de armazenagem (Fonte: Prof. André Lubeck)

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Projeto de uma instalação típica: (Fonte: Prof. André Lubeck)

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Projeto de uma instalação típica: (Fonte: Prof. André Lubeck)

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Projeto de uma moega concêntrica (Fonte: Prof. André Lubeck) :

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Projeto de uma moega concêntrica (Fonte: Prof. André Lubeck):

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Projeto de uma moega excêntrica:

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•  O concreto armado é uma combinação de dois materiais bem conhecidos pela humanidade:

Concreto + aço

1 – Introdução

Utilizado para suprir a deficiência do concreto em regiões tracionadas

Boa resistência à compressão

Concreto armado - ρ = 2.500kg/m3

•  Pode-se dizer que a descoberta do concreto armado aconteceu em meados de 1800, na França, por obra de Joseph Lambot;

1 – Introdução

Joseph Lambot (1814 – 1887)

Ø Construção de um pequeno barco com armação de barras de ferro, c o m f o r m a t o d e s e j a d o , e preenchimento com argamassa de cimento.

Ø  Joseph Lambot obteve, em 1855, a patente para o seu produto, denominado, então, de “cimento armado”, designação que perdurou até o início do século XX.

•  Partindo da idéia de Lambot, Joseph Monier, em 1877, patenteou um método para construção de vasos de “cimento armado”;

1 – Introdução

Joseph Monier (1823 – 1906)

Ø Construções sem embasamento teórico ou experimentações.

•  Em 1886, o engenheiro alemão Gustav Wayss adquire de Monier a patente para produzir construções com este material na Alemanha;

•  Juntamente com Matthias Koenen, publicam fundamentos teóricos sobre o concreto armado;

•  Através da sua empresa construtora, Wayss & Freytag, disseminou o uso do concreto armado, com filiais em vários países.

•  O concreto já tinha ampla aplicação no mundo desde 1900;

•  A partir de 1904, foram realizadas obras no Rio de Janeiro, São Paulo, Santos e Belo Horizonte;

•  Foi dessa época o primeiro prédio construído em concreto armado de São Paulo;

1 – Introdução

Ø Primeira edificação em concreto armado de São Paulo, datada de 1909.

•  O maior nome do concreto armado do Brasil, na primeira metade do século XX, foi o do engenheiro Emilio Baumgart, também chamado de “pai do concreto armado do Brasil”;

1 – Introdução

Ø  Destacam-se entre suas obras: 1)  Ponte Maurício de Nassau em Recife (ainda como estudante);

2)  Ponte sobre o rio do Peixe em SC (maior vão livre conhecido na época – 68m);

3)  O edifício do jornal “A noite” no Rio de Janeiro (foi na época o mais alto edifício em concreto armado do mundo – 104,75m);

4)  Edifício do Ministério da Educação e Saúde no Rio de Janeiro;

5)  Hotel Copacabana Palace no Rio de Janeiro;

6)  Hotel Glória no Rio de Janeiro.

Emilio Henrique Baumgart Blumenau – 1889 Rio de Janeiro -1943

•  Obras em concreto armado 1 – Introdução

Ponte Maurício de Nassau - PE (178 m) (1917)

Ponte sobre o Rio do Peixe - SC Ponte Emilio Baumgart (68 m)

(1930)


Hotel Copacabana Palace - RJ (1923)

Edifício do jornal “A Noite” - RJ (1930)


Catedral Metropolitana de Brasília - DF (1970)

Estátua do Cristo Redentor - RJ (1931)


Igreja de São Francisco / Pampulha - MG (1943)

Museu de Arte Contemporânea – RJ (1996)


Estação Cabo Branco - João Pessoa/PB (2008)

Rampa de acesso – Estação Cabo Branco

•  O concreto é o material formado pela mistura dos seguintes materiais:

2 – O concreto armado

Agregados (naturais ou britados) + Cimento

+ Água

•  Em função de necessidades específicas, são acrescentados aditivos que melhoram as características do concreto fresco ou endurecido.

•  A resistência do concreto endurecido depende de vários fatores:

1.  Consumo de cimento;

2.  Quantidade de água na mistura;

3.  Tipo de agregado;

4.  Grau de adensamento; Consumo de cimento Relação água/cimento Tipo de agregado (seixos arredondados e lisos)

Grau de adensamento

Resistência mecânica Resistência mecânica Resistência mecânica Resistência mecânica


•  Concreto armado = concreto + barras de aço;

•  Em virtude da baixa resistência à tração do concreto, as barras de aço cumprem a função de absorver os esforços de tração na estrutura;

•  As barras de aço também servem para aumentar a capacidade de carga das peças comprimidas;

•  O funcionamento conjunto desses dois materiais só é possível graças a aderência:

s cε ε≅ ⇒


Tensão (σ) x Deformação (ε)

•  Como vantagens do concreto armado sobre os demais materiais estruturais podemos citar:

1.  Economia;

2.  Facilidade de execução em diversas formas;

3.  Resistência ao fogo;

4.  Resistência ao desgaste mecânico;

5.  Praticamente não requer manutenção;

•  Como desvantagens do concreto armado podemos citar:

1.  O elevado peso das construções;

2.  Dificuldades para a execução de reformas ou demolições.


•  Concreto em compressão simples;

3 – O comportamento do concreto

Ø A resistência à compressão do concreto é determinada através de ensaios padronizados de curta duração (carregamento rápido);

Ø No Brasil, adota-se a resistência obtida em corpos de prova cilíndricos, com ensaios realizados na idade padrão de 28 dias;

Ø Normalmente adota-se: d=15cm h=30cm

Ø Ensaio de compressão uniaxial para a determinação da resistência



Ø Não há proporcionalidade entre tensão e deformação;

Ø O material não obedece a Lei de Hooke



1,645 ck cmf f σ= −( )

( )

2

11

n

ci cmi

f f

nσ =

−=

−

∑

Ø  Devido a sua natureza aleatória, verifica-se uma dispersão dos valores da resistência;

Ø  Usualmente, admite-se uma distribuição normal de probabilidade;

Ø  A resistência característica à compressão (fck) é um valor tal que existe uma probabilidade de 5% de se obter resistências inferiores à mesma;

onde fcm é a resistência média e σ é o desvio padrão das resistências



Ø Os concretos são classificados em grupos de resistência, conforme a resistência característica à compressão fck;

Grupo I C10 C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50

Grupo II C55 C60 C70 C80

Ø Os concretos são designados pela letra C, seguida do valor da resistência característica à compressão aos 28 dias de idade, expressa em MPa;

Ø Para concreto armado, deve-se empregar a classe C20 ou superior (fck ≥ 20MPa);

Ø A classe C15 pode se usada apenas em fundações e em obras provisórias.



Ø  A resistência à compressão do concreto depende de vários fatores, como:

1.  Composição (consumo e tipo de cimento, fator água/cimento, etc);

2.  Condições de cura;

3.  Forma de aplicação da carga (ensaio estático ou dinâmico);

4.  Duração do carregamento (ensaio de curta ou longa duração);

5.  Idade do concreto (efeito do envelhecimento);

6.  Estado de tensões (compressão simples ou multiaxial);

7.  Forma e dimensões dos corpos de prova.

•  Concreto em tração simples;


Ø  A resistência à tração do concreto pode ser determinada em três ensaios diferentes:

1.  Ensaio de tração axial;

2.  Ensaio de compressão diametral (ensaio brasileiro);

3.  Ensaio de flexão.

Ø Em função do fck, o valor médio da resistência à tração direta (axial) fctm, pode ser obtido da relação:

230,3 , [MPa]ctm ckf f=

,inf 0,7ctk ctmf f=

,sup 1,3ctk ctmf f=



Ø  Ensaio de compressão diametral;

,2 u

ct spPfdhπ

=

onde d é o diâmetro, h a altura do corpo de prova e Pu a carga de ruptura.



Ø  Resistência à tração na flexão;

, 2

6 uct fl

aPfbh

=

•  Módulo de deformação longitudinal do concreto;


Ø  O concreto apresenta um comportamento não-linear quando submetido a tensões de certa magnitude;

5600 , [MPa]c ckE f=

0,85cs cE E=

Ø  Segundo a NBR 6118:2003:

Ø  O módulo secante é dado por:

Ø  Usualmente adota-se:

εo≈2‰

εu≈3,5‰

•  Evolução das propriedades do concreto;


Ø  As propriedades do concreto, como o módulo de deformação longitudinal e as resistências à tração e compressão, sofrem uma contínua variação no tempo;

Ø  Isso ocorre em virtude das reações químicas decorrentes da hidratação do cimento;

Ø  Esse fenômeno, denominado envelhecimento, ocorre durante praticamente toda a vida útil da estrutura, sendo muito acentuado nos primeiros dias após a concretagem;



Ø  As propriedades do concreto em uma idade t dependem:

1.  Do tipo de cimento

a.  De endurecimento rápido (CP V-ARI)

b.  De endurecimento normal (CP I e CP II)

c.  De endurecimento lento (CP III e CP IV)

2.  Das condições de cura

a.  Temperatura

b.  Umidade



Ø  O efeito da temperatura na maturidade do concreto pode ser levado em conta, substituindo-se a idade real “t” por uma idade equivalente “te”, dada por:

400013,65273

1

in

Te i

it t e

⎡ ⎤−⎢ ⎥+⎣ ⎦

=

= Δ∑

onde Δti é o número de dias em que a temperatura foi igual a Ti oC.



fcm=18,7MPa aos 28 dias para T=10oC

fcm=20MPa aos 28 dias para T=20oC

fcm=21,8MPa aos 28 dias para T=40oC

Ø  Efeito da temperatura no envelhecimento

ü  Tempera tu ras ma is e levadas são favoráveis para o aumento de resistência, principalmente nos primeiros dias após a concretagem;

ü  A resistência final sofre pouca influência da temperatura existente durante o período de endurecimento;


Ø  O módulo de deformação longitudinal do concreto em uma idade “t” dias, Ec(t), pode ser estimado através da equação:


( ) ( )12

c cc cE t t Eβ⎡ ⎤= ⎣ ⎦

onde Ec é o módulo de deformação longitudinal aos 28 dias de idade.

•  Resistência do concreto sob carga de longa duração;


Ø  Um fenômeno que ocorre é a redução da resistência do concreto sob carga de longa duração;

Ø  Esse fenômeno descrito por Rüsch (1960), é conhecido como Efeito Rüsch;

Ø  No ensaio convencional o concreto é levado à ruína em pouco tempo após o início do carregamento (ensaio rápido). Se a velocidade de aplicação da carga for reduzida, resultando em uma maior duração do ensaio, ocorre uma diminuição da resistência.

•  Resistência do concreto sob carga de longa duração;


Ø  fcm = 20MPa com to = 28 dias e to = 180 dias

ü  Considerando que em uma estrutura de concreto armado nem todas as cargas são aplicadas na idade convencional de 28 dias;

ü  E além do mais, nem todas as cargas são de longa duração;

ü  As normas de projeto limitam a máxima tensão de compressão no concreto em 85% de sua resistência;

•  Comportamento reológico do concreto;


Ø  O comportamento reológico do concreto corresponde a sua deformabilidade dependente do tempo;

Ø  As deformações diferidas (dependentes do tempo) do concreto são convencionalmente separadas em duas:

1.  Fluência: é o acréscimo contínuo das deformações que ocorre mesmo para uma tensão constante;

2.  Retração: é a redução de volume na ausência de uma carga externa;

Ø  Os efeitos indesejáveis da fluência e da retração são o aumento das flechas de lajes e vigas; aumento da curvatura de pilares devido à fluência; fissuração das superfícies externas devido à retração; introdução de esforços indesejáveis devidos à retração; etc.

3 – O comportamento do concreto 3 – O comportamento do concreto

Ø  Abaixo é representado as variações da deformação de um corpo de prova de concreto carregado no instante to;

Ø  A tensão aplicada é mantida constante até o instante t1, quando o corpo de prova é descarregado;

•  Comportamento reológico do concreto – Fluência do concreto;


ü  Uma parcela da deformação de fluência é recuperável - εed (deformação elástica diferida);

ü  Outra parcela é irrecuperável - εpd (deformação plástica diferida);



Ø  Fatores que afetam a fluência do concreto;

1.  Resistência à compressão do concreto

ü  Quanto maior a resistência à compressão do concreto menor será a fluência;




2. Idade do concreto na aplicação da carga

ü  Quanto mais jovem for o concreto quando da aplicação do carregamento, maior será o coeficiente final de fluência;






3. Esbeltez do elemento

ü  Quanto mais esbelto for o elemento estrutural, maior será o valor do coeficiente final de fluência;




4. Umidade ambiente

ü  Q u a n t o m a i s s e c o f o r o a m b i e n t e , m a i o r s e r á o coeficiente de fluência;

•  Comportamento reológico do concreto – Retração do concreto;


Ø  É a redução de volume do concreto durante o processo de endurecimento, devido à diminuição do volume de água dos poros;

Ø  Quando o tempo tende ao infinito, a deformação de retração, para um concreto de fck=20MPa feito com cimento de endurecimento normal, é igual a:

εcs∞=-63x10-5 para RH=50%;

εcs∞=-48x10-5 para RH=70%;

εcs∞=-20x10-5 para RH=90%;

Outras propriedades do concreto...

•  De acordo com a NBR 7480:2007, as armaduras para concreto armado podem ser classificadas em:

1.  Barras – possuem diâmetros mínimos de 6,3mm

2.  Fios – possuem diâmetros máximos de 10mm

4 – Aços para concreto armado

•  Segundo o processo de fabricação, as barras são obtidas por laminação a quente e os fios são obtidos por trefilação ou processo equivalente;

•  Para efeitos de cálculo do seu peso, considera-se a massa específica do aço igual a 7850 kg/m3;

•  O comprimento das barras e fios retos deve ser de 12m com tolerância de ±1%.

•  Características das barras (NBR 7480:2007)


Diâmetro φ

Massa e tolerância por unidade de comprimento Valores nominais

Barras Massa nominal

(Kg/m) Máxima variação permitida

para a massa nominal Área da seção

(mm2) Perímetro

(mm)

6,3 0,245 ±7% 31,2 19,8

8,0 0,395 ±7% 50,3 25,1

10,0 0,617 ±7% 78,5 31,4

12,5 0,963 ±6% 122,7 39,3

16,0 1,578 ±5% 201,1 50,3

20,0 2,466 ±5% 314,2 62,8

22,0 2,984 ±4% 380,1 69,1

25,0 3,853 ±4% 490,9 78,5

32,0 6,313 ±4% 804,2 100,5

40,0 9,865 ±4% 1256,6 125,7

•  Características dos fios (NBR 7480:2007)


Diâmetro φ

Massa e tolerância por unidade de comprimento Valores nominais

Fios Massa nominal

(Kg/m) Máxima variação permitida

para a massa nominal Área da seção

(mm2) Perímetro

(mm)

2,4 0,036 ±6% 4,5 7,5

3,4 0,071 ±6% 9,1 10,7

3,8 0,089 ±6% 11,3 11,9

4,2 0,109 ±6% 13,9 13,2

4,6 0,130 ±6% 16,6 14,5

5,0 0,154 ±6% 19,6 15,7

5,5 0,187 ±6% 23,8 17,3

6,0 0,222 ±6% 28,3 18,8

6,4 0,253 ±6% 32,2 20,1

7,0 0,302 ±6% 38,5 22,0

8,0 0,395 ±6% 50,3 25,1

9,5 0,558 ±6% 70,9 29,8

10,0 0,617 ±6% 78,5 31,4

•  A forma do diagrama tensão-deformação dos aços, obtido em um ensaio de tração simples, é influenciado pelo processo de fabricação;


ü  As Barras obtidas por laminação a quente apresentam um patamar de escoamento;

ü  fy = tensão de escoamento;

ü  fst = tensão de ruptura;

ü  εy = deformação de escoamento;

ü  εu = deformação de ruptura;

ü  Es = 210GPa; é módulo de elasticidade longitudinal;

•  A forma do diagrama tensão-deformação dos aços, obtido em um ensaio de tração simples, é influenciado pelo processo de fabricação;


ü  Os fios obtidos por trefilação não apresentam um patamar de escoamento;

ü  A tensão de escoamento, fy, é o v a l o r c o n v e n c i o n a l q u e corresponde a uma deformação de 2‰;

ü  εu = deformação de ruptura;

ü  Es = 210GPa; é módulo de elasticidade longitudinal;

•  De forma análoga ao concreto, define-se uma tensão de escoamento característica dos aços, fyk, obtida em um conjunto de corpos de prova submetidos à tração;

•  As barras são classificadas nas categorias CA-25 e CA-50;

•  Os fios são da categoria CA-60;

•  CA indica um aço para concreto armado e o número é o valor de fyk expresso em kN/cm2;

•  Assim, CA-50 significa que se trata de um aço para concreto armado cuja tensão de escoamento característica é fyk=50kN/cm2 (500MPa);


•  Barras lisas são restritas à categoria CA-25. As mesmas possuem baixa aderência ao concreto.

•  As barras da categoria CA-50 devem obrigatoriamente ser nervuradas;

•  Os fios da categoria CA-60 podem ser lisos ou podem possuir entalhes para melhorar sua aderência ao concreto.


•  Características exigíveis das armaduras – NBR 7480:2007


Categoria

Valores mínimos de tração

Resistência característica de escoamento fyk

Limite de resistência fst

Alongamento após a ruptura em 10φ

(MPa) (MPa) (%)

CA-25 250 1,20 fy 18

CA-50 500 1,08 fy 8

CA-60 600 1,05 fy 5

•  Características exigíveis das armaduras – NBR 7480:2007


Categoria

Ensaio de dobramento a 1800 Aderência

Diâmetro do pino (mm)

Coeficiente de conformação superficial

mínimo η

φ < 20mm φ ≥ 20mm φ < 10mm φ ≥ 10mm

CA-25 2φ 4φ 1,0 1,0

CA-50 3φ 6φ 1,0 1,5

CA-60 5φ - 1,0 1,5

•  A durabilidade das estruturas de concreto é um dos aspectos de maior relevância dentro da filosofia das modernas normas de projeto;

•  As exigências relativas à durabilidade estão se tornando cada vez mais rígidas, tanto na fase de projeto, quanto na fase de execução;

•  O descuido com a durabilidade tem contribuído para acelerar a deterioração de diversas estruturas relativamente novas;

•  Geralmente, as normas de projeto consideram uma vida útil mínima de 50 anos;

•  Durante esse período, não devem ser necessárias medidas extras de manutenção ou reparo das estruturas;

5 – Durabilidade das estruturas de CA

•  A agressividade do ambiente pode ser classificada como:


Classe de agressividade ambiental Agressividade Risco de deterioração da

estrutura

I Fraca Insignificante

II Moderada Pequeno

III Forte Grande

IV Muito forte Elevado

•  Classes de agressividade ambiental em função das condições de exposição:


Classificação geral do tipo de ambiente

Localização Ambientes internos Ambientes externos

A B C D Rural I I I I

Urbana I II I II

Marinha II III - III

Industrial II III II III

Industrial* III IV IV IV

Respingos de maré - - - IV

Submersa - - - I

Solo - - ** ***

* Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas.

** Adotar a classe I se o solo for seco e não agressivo. *** Adotar a classe II, III ou IV se o solo for úmido e agressivo.

•  Os ambientes A, B, C e D são descritos como:

Ambiente A: ambientes internos secos (com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%). Como exemplo: interiores de apartamentos residenciais e de conjuntos comerciais, ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura.

Ambiente B: ambientes internos úmidos ou caracterizados por ciclos de molhagem e secagem. Como exemplo: vestiários e banheiros coletivos, cozinhas e lavanderias industriais, garagens.

Ambiente C: ambientes externos secos (com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%).

Ambiente D: ambientes externos úmidos ou caracterizados por ciclos de molhagem e secagem. Como exemplo: obras externas em geral, partes não protegidas da chuva.


•  Critérios que visam evitar a deterioração e satisfazer as exigências quanto à durabilidade na fase de projeto:

1.  Especificação de um concreto de qualidade apropriada;

2.  Cobrimentos mínimos para as armaduras;

3.  Verificação da abertura das fissuras;

4.  Correto detalhamento das armaduras.


•  A durabilidade das estruturas é altamente dependente das características do concreto;


Concreto Classe de agressividade

I II III IV

Relação água/cimento máxima 0,65 0,60 0,55 0,45

Classe de resistência mínima C20 C25 C30 C40

•  Cobrimentos nominais (cm) das armaduras do concreto armado em função da classe de agressividade ambiental;


Elemento estrutural Classe de agressividade

I II III IV

Laje 2,0 2,5 3,5 4,5

Viga e pilar 2,5 3,0 4,0 5,0

•  Em todos os casos, o cobrimento nominal de uma determinada barra deve ser, no mínimo, igual ao diâmetro da própria barra.

•  No caso de peças de edifícios usuais, podem ser adotados os seguintes limites para a abertura das fissuras, em função da classe de agressividade ambiental:

1.  Classe I de agressividade: abertura máxima de 0,4mm;

2.  Classe II e III de agressividade: abertura máxima de 0,3mm;

3.  Classe IV de agressividade: abertura máxima de 0,2mm.


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