Aplicações do Concreto de Ultra Alto Desempenho (CUAD ...O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) foi desenvolvido nas últimas duas décadas, a partir de diferentes regras de

ANAIS DO 60º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2018 – 60CBC2018 1

Aplicações do Concreto de Ultra Alto Desempenho (CUAD) em obras de reforço e recuperação de estruturas

Applications of Ultra High Performance Concrete (UHPC) for structural retrofitting

BUTTIGNOL, T E T (1); FERNANDES, J F (2); SOUSA, J L A O (3); BITTENCOURT T N (4)

(1) Professor, Universidade Presbiteriana Mackenzie Av. Brasil, 1220 - Jardim Guanabara, Campinas - SP, 13073-148

(2) Pesquisadora, Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica (3) Professor Titular, Universidade Estadual de Campinas, Departamento de Estruturas

(4) Professor Titular, Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações

Resumo

As principais propriedades do concreto de ultra alto desempenho (CUAD) e as suas aplicações para reforço e recuperação estrutural são discutidas. Na primeira parte são descritas as propriedades do CUAD, no estado fresco e endurecido, com e sem adição de fibras. Na segunda parte são descritas as principais aplicações do material, que tem sido utilizado em obras de reforço e recuperação estrutural, materiais compósitos, juntas e conexões de elementos estruturais. Na última parte são realizadas análises de projeto de vigas de concreto armado antes e após o reforço com CUAD. O objetivo é verificar o desempenho estrutural e as vantagens da utilização do material. Há um enorme potencial para o desenvolvimento do CUAD no Brasil. Por exemplo, a falta de manutenção e readequação viária das pontes construídas no Brasil entre os anos 1970 e 1980 demandam um enorme esforço de engenharia civil e financeira. Esse artigo tem a função de contribuir para a busca de soluções inovadoras que garantam maior durabilidade e vida útil às estruturas com um custo-benefício competitivo. Neste caso, soluções inovadoras, como o CUAD, podem levar a reduções tanto do custo global de reparação quanto diminuição do número de intervenções ao longo da vida útil da estrutura. Dentre os benefícios, está a maior capacidade resistente à fadiga (associada à fissuração), à abrasão (desgaste superficial) e às intempéries (efeito térmico, poluição do ar, água da chuva). A adição de fibras promove uma grande capacidade de absorção de energia e redistribuição de esforços. Palavra-Chave: CUAD, CRF, reforço, comportamento estrutural, modelos constitutivos.

Abstract

The main properties of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) and its applications, focusing on structural retrofit, are discussed. In the first part, the properties of UHPC in the fresh and hardened states, with and without fibers incorporation, are described. In the second part, the material applications are described. In the last part, design analyses of reinforced concrete beams retrofitted with UHPC are carried out. The objective is to investigate the structural behaviour and the advantages of the material. There is an enormous potential for the development of UHPC in Brazil. For example, the lack of proper maintenance and retrofit of Brazilian bridges constructed between 1970’s and 1980’s demands an enormous effort from the point of view of civil and financial engineering. This paper is aimed to contribute to the search of innovative solutions that guarantee a higher durability and long life cycle to existing structures, with a competitive cost benefit. Innovative solutions, as is the case of UHPC, can lead to a reduction of both the global cost of the repair and the number of interventions during the structure life cycle. The benefits includes an increase in the bearing capacity, a higher resistance to fatigue (associated with crack formation and crack openings), abrasion (superficial destruction) and weather effects (thermal variations, air pollution, acid rain, rainwater). The addition of fibers is able to promote high energy absorption capacity and stress redistributions within the structural element. Keywords: UHPC, FRC, retrofitting, structural behavior, constitutive models.


1 Introdução

O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) foi desenvolvido nas últimas duas décadas, a partir de diferentes regras de dosagem que incorporavam inicialmente materiais pós-reativos para alcançar elevadas resistências. Diferentes laboratórios comerciais e de pesquisa, como Lafarge-Holcim, CEMTEC, BSI-Eiffage e COR-TUF, pesquisaram e patentearam dosagens-padrão.

A composição do material é caracterizada por uma elevada quantidade de cimento, acima de 600 kg/m3, agregados com diâmetro máximo inferior a 6 mm, relação água-cimento (a/c) inferior a 0,2, além da incorporação de aglomerantes como sílica ativa e pozolana. O resultado é um material com uma microestrutura densa e homogênea, que apresenta um elevado empacotamento dos grãos e uma porosidade inferior a 1,5%. As propriedades mecânicas são substancialmente melhoradas, destacando-se a elevada resistência à compressão, da ordem de 150 MPa. A resistência à tração e o Módulo de Elasticidade aumentam subproporcionalmente em relação à resistência à compressão em comparação aos concretos convencionais.

Para alcançar uma maior tenacidade, podem ser incorporadas fibras ao concreto para se obter uma resposta dúctil no regime de pós-fissuração. A adição de fibras permite que se obtenha um aumento significativo da tenacidade, com o aumento da redundância do material devido à fase de multifissuração do concreto (enrijecimento), anterior a localização da fissura (amolecimento) na qual predomina o efeito de arrancamento das fibras. De acordo com JUNGWIRTH e MUTTONI (2008), a contribuição das fibras para a resistência à tração depende de sua densidade, comprimento, diâmetro e aderência à matriz de cimento. Segundo ORGASS e KLUG (2004), há um aumento proporcional da resistência a flexão do CUAD em função do aumento do volume de fibras. Como afirma WUEST et al (2004), comportamento à tração do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (CUADRF) depende tanto do volume, quanto do fator de forma e da distribuição e orientação das fibras, além das propriedades mecânicas da matriz de cimento.

A elevada durabilidade do CUADRF reduz os custos de manutenção durante a vida útil da estrutura, especialmente em relação às estruturas de aço (BRÜHWILER e DENARIÉ, 2008; CHARRON et al, 2007; SRITHARAN, 2015). A durabilidade se refere à resistência do material à abrasão (desgaste superficial) e à degradação devido a ação das intempéries (efeito térmico, poluição do ar, umidade e água da chuva), maior resistência à fadiga, controle de fissuração devido à elevada tenacidade e ductilidade (grande capacidade de absorção de energia e de deformação), proteção das armaduras devido à baixíssima permeabilidade, especialmente em regiões litorâneas e estruturas submersas ou em contato direto com a água.

Devido à baixíssima porosidade do CUAD, há grande redução no ingresso de agentes agressivos no interior do concreto, como cloretos (corrosão da armadura), sulfatos (reação expansiva devido à formação de etringita) e dióxido de carbono (carbonatação e redução do pH do concreto), que provocam um progressivo aumento da degradação.

O CUADRF pode ser aplicado para a construção de pontes, passarelas, torres eólicas, conexões de elementos estruturais e recuperação, reforço e reabilitação estrutural. Uma


das aplicações com maior potencial é o reforço e recuperação estrutural. O CUAD tem uma dupla função: estrutural e de proteção. Ele contribui para a resistência aos esforços solicitantes da estrutura e atua como proteção contra impactos, ação do fogo, desgaste devido à ação das intempéries, além de servir como barreira de proteção contra o ingresso de agentes agressivos.

A utilização do concreto de ultra-alto desempenho ainda encontra barreiras tecnológicas para a sua aplicação em larga escala, principalmente devido ao custo de produção e a falta de parâmetros para aplicações em larga escala. Atualmente, o CUAD e o CUADRF têm sido empregados em várias regiões do mundo, por exemplo, Estados Unidos (SRITHARAN, 2015; NAAMAN e WILLE, 2012), Malásia (VOO et al, 2012), Canadá (HABEL et al, 2008), Coréia do Sul (BATOZ e BEHLOUL, 2009), Europa (BRÜHWILER e DENARIÉ, 2008; DI PRISCO et al, 2008) e China (CHEN et al, 2016). O desenvolvimento de recomendações para a produção e caracterização do material é de grande relevância para fornecer os requisitos básicos de projeto. Vários países têm criado regras de projeto: Japão (JAPAN SOCIETY OF ENGINEERS CIVIL, 2008); Austrália (GOWRIPALAN, N.; GILBERT, 2000); França (AFGC, 2002; SETRA-AFGC, 2011) e Alemanha (Brühwiler, 2016).

2 Justificativa

A utilização de materiais inovadores na engenharia civil, como o concreto de ultra-alto desempenho, tem sido responsável pela construção de estruturas mais esbeltas, com maior resistência e durabilidade, menor número de intervenções para manutenção e reabilitação, além do aumento da eficiência e redução do custo das obras.

No Brasil, há estudos sobre o CUAD realizados de forma isolada e sem conexão entre eles o que torna os resultados das pesquisas de baixo impacto e sem o condão de alavancar o desenvolvimento de regras de projeto e métodos de aplicação e dosagem do material. Há necessidade de integração e coordenação entre os centros de pesquisa dedicados ao tema. Um dos aspectos principais para o avanço das pesquisas na área é a definição de requisitos básicos para aplicações estruturais, que possibilita o desenvolvimento de novas aplicações práticas para o material.

Esse artigo tem como objetivo contribuir para a investigação de aplicações para o material que garantam maior custo-benefício, durabilidade e resistência às estruturas. Um dos campos mais promissores é o da reabilitação estrutural. São realizadas análises de projeto para a investigação do comportamento de vigas de concreto armado reforçadas com CUAD. O objetivo é comparar o comportamento estrutural antes e após o reforço. Além disso, as principais propriedades do CUAD, tanto no estado fresco quanto endurecido, e as suas principais aplicações, com foco em obras de reforço e recuperação estrutural, são descritas.


3 Propriedades do material

3.1 Estado fresco

A maioria das especificações para dosagem do concreto, como afirma YU et al (2014), é obtida a partir de procedimentos empíricos, por tentativa e erro, e, portanto, são descritas de forma genérica, sem embasamento teórico. Como resultado, há uma grande variabilidade da quantidade de cimento entre as misturas descritas na literatura (de 600 kg/m3 a mais de 1000 kg/m2). De acordo com YU et al (2014), um processo de otimização, por exemplo, adotando o modelo de distribuição granulométrica de Andreasen and Andersen (1930), pode aumentar a eficiência do empacotamento dos grãos, contribuindo para o ganho de resistência do concreto, com redução da porosidade e dos efeitos da fluência e retração.

No CUAD, o controle da relação água-cimento (a/c < 0,2) é mais crítico do que no concreto convencional (0,4 < a/c < 0,6), uma vez que um erro de dosagem pode ocasionar uma grande redução da resistência final. Além disso, a elevada quantidade de aglomerantes na mistura favorece a formação de bolas de cimento não hidratadas, dissecação da mistura, superaquecimento devido às reações químicas durante o processo de hidratação do cimento. Os grãos de cimento não hidratados permanecem como uma reserva do sistema (material inerte) que pode ser ativada após a fissuração, contribuindo no processo de redução da fissuração por meio da cicatrização. Os grãos anidros de cimento também colaboram para o aumento do grau de compacidade do material e para a redução da porosidade.

Para garantir a trabalhabilidade do concreto com uma pequena relação a/c e uma elevada quantidade de cimento, deve-se incorporar super e hiperplastificantes na mistura, o que leva a um longo período de dormência, de aproximadamente 24 horas, antes do início do processo de hidratação e ganho de resistência (HABEL et al, 2006). Os aditivos formam uma película ao redor dos grãos de cimento, impedindo o contato e a reação química com a água. Após esse período inicial de dormência, há uma rápida evolução das propriedades do concreto, que atinge, aos 7 dias, 60% de sua resistência à tração e 80% da resistência à compressão. De acordo com HABEL et al (2006), após 90 dias, o processo de hidratação está virtualmente completo. Em concretos convencionais e de alta resistência (CAR), a resistência à compressão continua a aumentar mesmo após muitos anos. Ensaios experimentais realizados por BUTTIGNOL et al (2016) demonstraram que no caso do CAR reforçado com fibras, após 10 anos, houve um ganho da resistência à compressão de mais de 30% e à flexão de aproximadamente 50%.

Para a determinação do grau de hidratação do CUAD, podem ser utilizados, segundo HABEL et al, (2006), os modelos de WALLER (2002) ou o estendido de POWERS’ (BREUGEL et al, 2003). No caso do CUAD, é considerado um sistema fechado, sem transferência de umidade entre o concreto e o exterior, uma vez que a baixíssima porosidade restringe a percolação de água na matriz de cimento.


3.2 Estado endurecido

A resistência à compressão do CUAD se situa na faixa de 150 MPa a 200 MPa. A evolução da resistência no tempo pode ser estimada, de acordo com GRAYBEAL et al (2008), a partir da Equação 1.

(Equação 1)

Resultados experimentais realizados por YU et al (2014) demonstraram um aumento pronunciado tanto da resistência à compressão quanto da resistência à flexão com a incorporação de fibras ao CUAD. A comparação entre corpos-de-prova com e sem fibras mostrou que a adição de 2,5% de fibras de aço pode elevar a resistência à compressão em aproximadamente 50%, além de dobrar a capacidade resistente à flexão.

O valor da fluência no CUAD é menor em comparação ao concreto convencional devido à baixíssima porosidade e reduzida quantidade de água incorporada na mistura, que proporciona uma redução da difusão no interior da microestrutura do CSH, cujo efeito está diretamente relacionado com a relaxação das microtensões internas. Para o CUAD, de acordo com SRITHARAN (2015), o coeficiente de fluência é de aproximadamente 0,8. Segundo TOUTLEMONDE e RESPLENDINO (2011), o coeficiente de fluência do CUADRF é próximo de 1,0, sendo reduzido no caso de cura térmica para valores entre 0,2 e 0,5.

A retração do CUAD se situa entre 3.10-6 e 4.10-6, valores similares aos encontrados para o concreto convencional (KAMEN, 2006; FLIETSTRA, 2011). Devido à baixíssima porosidade e a grande quantidade de cimento, a retração autógena durante a hidratação pode ocasionar microfissuras devido às elevadas tensões induzidas de tração (tensões autoequilibradas).

A elevada densificação da microestrutura do CUAD garante uma elevada aderência com o concreto antigo, com as fibras incorporadas na mistura e com as barras de aço. De acordo com CHARRON et al (1993), a ancoragem das barras pode ser feita com um comprimento de 10x o seu diâmetro (Da), enquanto que no caso do concreto convencional, a ancoragem recomendada pela norma é de 40x Da.

A resistência à punção é maior no CUAD em relação aos concretos convencionais e de alta resistência devido à sua maior resistência à tração. Segundo HARRIS (2004), uma laje com 63,5 mm de espessura é capaz de fornecer a resistência necessária ao cisalhamento.

De acordo com BRÜHWILER e SHEN (2017), testes em laboratório demonstraram que a utilização de uma camada de reforço com CUADRF retarda a formação de fissuras inclinadas de cisalhamento. Além disso, para diferentes configurações geométricas, o reforço com CUADRF altera o padrão de ruptura, de um modo frágil por cisalhamento para um modo dúctil por flexão.


4 Principais Aplicações

O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) pode ser utilizado para a execução de conexões estruturais entre diversos elementos pré-moldados. O projeto “Accelerated Bridge Construction” (ABC), desenvolvido pela Universidade da Flórida (SHAFIEIFAR, 2016), investiga a utilização do CUAD em conexões de elementos pré-fabricados em pontes e passarelas. Um dos maiores desafios é a durabilidade das juntas devido ao desgaste e às grandes deformações à flexão impostas pelo constante fluxo de veículos. A formação de fissuras na interface das conexões com os elementos estruturais devido a deformações mecânicas de origem visco-elasto-plástica e dilatações térmicas e de retração, favorecem o ingresso de cloretos que podem causar e acelerar o processo de corrosão da armadura.

O CUAD proporciona uma elevada capacidade resistente em face da ação de grandes carregamentos e da concentração de tensões na região das juntas. A utilização do CUAD permite a redução da área das juntas, diminuindo o problema da retração do concreto. A grande capacidade de absorção de energia contribui para o controle da fissuração. A elevada densidade da matriz permite a obtenção de um concreto com baixíssima permeabilidade (estanqueidade). Além disso, o material apresenta elevada aderência com o substrato existente.

A reabilitação estrutural, utilizando três modos distintos, é mostrada na a Figura 1. No primeiro caso, a camada de cobrimento danificada é substituída por uma nova cobertura de concreto. No segundo caso, a deterioração da camada de cobrimento provocou a corrosão da armadura com a formação de fissuras radiais e tangenciais, sendo necessária a remoção do concreto ao redor da armadura para tratamento das barras e recomposição do concreto danificado. Nos dois casos, a utilização de CUAD com ou sem incorporação de fibras, garante maior durabilidade à estrutura e ganho de desempenho estrutural. No terceiro caso, é realizado um reforço com aumento da área de aço e da altura da seção para proporcionar maior capacidade portante em função de sobrecargas e aumento do carregamento atuante na estrutura.

Figura 1 - Configurações de reforço estrutural com CUADRF: (a) reconstituição da camada de cobrimento; (b) recuperação da camada de cobrimento e região da armadura existente; (c) reforço estrutural com

aumento da seção e da área de aço.


A utilização do CUAD ou do concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (CUADRF) para a recuperação de estruturas com sinais de degradação (desplacamentos, exposição da armadura, corrosão), a partir da reconstituição da camada de cobrimento deteriorada do concreto (Figuras 1a e 1b), garante maior durabilidade no longo prazo devido à restrição à formação de fissuras na camada de reforço e à permeabilidade extremamente baixa de água e íons de cloretos.

As colunas de ponte ferroviária no Canadá com aproximadamente 80 cm de largura, 7 m de comprimento e 3,3 m de altura, apresentavam armadura exposta com corrosão e desplacamentos da camada de cobrimento. De acordo com DOIRON et al (2016), a reabilitação com CUAD buscou garantir uma durabilidade duas vezes maior em relação ao concreto convencional, oferecendo proteção contra o ataque de cloretos e a ação do congelamento/descongelamento. Além disso, como descrito por BRÜHWILER e DENARIÉ (2008), o CUADRF foi utilizado para a recuperação de barreiras de concreto em rodovia na Alemanha para garantir maior durabilidade à estrutura e evitar interrupções onerosas devido ao intenso volume do tráfego no local.

O CUADRF também foi utilizado como elemento de reforço estrutural em piso industrial com 50 anos de utilização, sob a ação de veículos pesados. O objetivo, de acordo com BRÜHWILER e DENARIÉ (2008), foi promover um acréscimo na capacidade portante em função da previsão de futuro aumento do peso dos veículos. Foi lançada uma camada de 4 cm de espessura de CUADRF sobre a estrutura de concreto armado existente em substituição da camada de cobrimento original sem função estrutural. A nova cobertura de concreto, segundo BRÜHWILER e DENARIÉ (2008), contribuiu para uma melhor distribuição dos esforços localizados dos veículos e um aumento da área comprimida resistente do concreto.

O reforço de um viaduto na Suíça foi realizado com a utilização do CUADRF e introdução de nova camada de armadura na face superior do tabuleiro, como mostrado na Figura 1c. O pré-dimensionamento da estrutura, segundo BRÜHWILER e SHEN (2017), demonstrou um aumento de 73% no momento negativo resistente (camada de reforço submetida à tração) e de 33% no momento positivo resistente (camada de reforço submetida à compressão).

5 Dimensionamento à flexão

Duas vigas de concreto armado com resistências características à compressão de 25 MPa (CA) e 75 MPa (CAR) foram analisadas, considerando quatro hipóteses de cálculo: (i) viga de concreto armado simples (Figura 2a): (ii) viga de concreto armado com camada de 2 cm de CUAD na seção comprimida (Figura 2b); (iii) viga de concreto armado reforçada na seção tracionada com 2 barras de aço de 16 mm (Figura 2c); (iv) viga de concreto armado com camada de 2 cm de CUAD na seção comprimida e reforço da seção tracionada com barras de aço de 16 mm (Figura 2d).

O objetivo foi investigar a eficiência do reforço estrutural com CUAD, observando o aumento da capacidade resistente, os esforços resistentes no concreto e na armadura e a variação da altura da linha neutra.


O reforço com CUAD na seção comprimida tem como função garantir a maior eficiência na utilização do material que possui elevadíssima resistência à compressão. O reforço com armadura na seção inferior busca otimizar o sistema de reforço com CUAD, garantindo um maior desempenho do elemento estrutural.

25 c

m

12,5 cm

2 Ø 6,3 mm

2 Ø 16 mm

(a) (b)

(c) (d)

Figura 2 – Seção transversal das vigas de concreto armado analisadas: a) simples (CA); b) reforçada com CUAD (CA+CUAD); c) reforçada com barras de aço (CA+AÇO); d) reforçada com CUAD e barras de aço

(CA+CUAD+AÇO).

Foi utilizado como referência para as análises uma viga de concreto armado de alta resistência (CAR) com fck igual a 75 MPa, ensaiada à flexão em quatro pontos no Hall Tecnológico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. As dimensões e o detalhamento da armadura são apresentados na Figura 3.


Figura 3 – Detalhamento da armadura da viga de concreto armado.

O arranjo experimental do ensaio à flexão é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Arranjo de ensaio de vigas submetidas à flexão em quatro pontos (medidas em cm).

As propriedades mecânicas dos materiais são apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1 – Propriedades mecânicas dos materiais. Aço CA-50

Es (GPa) fyk (MPa) εu (%) 200 500 1

Concreto convencional Ec (GPa) fck (MPa) fctk (MPa)

28 25 1,8 Concreto de alta resistência

Ec (GPa) fck (MPa) fctk (MPa) 44 75 3,3 Concreto de ultra-alto desempenho

(SRITHARAN, 2015) Ec (GPa) fck (MPa) fctk (MPa)

51 180 9


Para o aço foi considerado um comportamento elástico-perfeitamente plástico. Para o concreto convencional e de alta resistência foi considerado uma curva parábola-retângulo à compressão (NBR 6118:2014). Para o CUAD foi considerado um comportamento elástico perfeitamente-plástico (AFGC-SETRA) com um limite de resistência determinado a partir da Equação 2, em que: α = ηt

.ηf1.ηf2, sendo os parâmetros correspondentes

respectivamente ao coeficiente de carregamento de longa duração igual a 1,0, limite de deformação à compressão igual a 0,85 e comportamento estrutural igual a 1,0; θ = coeficiente para cargas transientes; γb = coeficiente de segurança do CUAD igual a 1,40. As curvas características à compressão são mostradas na Figura 5.

(Equação 2)

(a) (b) (b) Figura 5 – Curvas tensão-deformação do concreto: (a) concreto convencional; (b) CAR; (c) CUAD.

O dimensionamento da seção crítica no ELU foi realizado a partir do esquema estático descrito na Figura 6. Foram consideradas as seguintes hipóteses de cálculo: seções planas permanecem planas após a deformação (Lei de Bernoulli), pequenos deslocamentos, aderência perfeita entre o concreto e o aço, tensão de tração do concreto desprezada, modelos constitutivos idealizados para o concreto e o aço (Figura 5). Não foi considerada a contribuição da armadura superior no dimensionamento.

Os resultados das análises das vigas de concreto armado com 25 MPa (CA) e 75 MPa (CAR), reforçadas como descrito na Figura 2, são mostrados respectivamente nas Tabelas 2 e 3.

Tabela 2 – Resultados das análises das vigas de concreto armado com 25 MPa. Vigas com fck = 25 MPa

CA CA+CUAD CA+AÇO CA+CUAD+AÇO

Linha neutra (x), em cm 11,46

domínio 3 1,59

domínio 2 14,32

domínio 3 11,02

domínio 3

Resultante à compressão (Rc), em kN 173,91 - 347,83 129,25

Resultante à compressão (RCUAD), em kN - 173,91 - 218,57

Resultante à tração (Rs), em kN 173,91 173,91 347,83 347,83

Momento Resistente (MR), em kN m 30,29 36,87 (+22%) 60,07 (+98%) 73,59 (143%)


Tabela 3 – Resultados das análises das vigas de concreto armado com 75 MPa. Vigas com fck = 75 MPa

CAR CAR+CUAD CAR+AÇO CAR+CUAD+AÇO

Linha neutra (x), em cm 3,82

domínio 2 1,59

domínio 2 7,64

domínio 3 5,34

domínio 2

Resultante à compressão (Rc), em kN 173,91 - 347,83 129,25

Resultante à compressão (RCUAD), em kN - 173,91 - 218,57

Resultante à tração (Rs), em kN 173,91 173,91 347,83 347,83

Momento resistente (MR), em kN m 35,60 36,87 (4%) 69,37 (95%) 76,53 (115%)

Figura 6 – Esquema estático para as seções das vigas: a) simples; b) reforçada com CUAD; c) reforçada

com barras de aço; d) reforçada com CUAD e barras de aço.

A comparação entre os resultados das vigas de concreto armado antes e após o reforço com CUAD demonstrou que a utilização do concreto de ultra-alto desempenho propiciou um ganho de desempenho estrutural, com redistribuição dos esforços internos e aumento da capacidade resistente da estrutura. É importante destacar que o reforço de CUAD foi de apenas 2 cm, substituindo a camada de cobrimento original das vigas.


O ganho de desempenho fica evidente no caso da viga de concreto armado convencional (fck = 25 MPa). Nesse caso, o reforço com CUAD garantiu um aumento da capacidade portante de aproximadamente 22% e, para a viga reforçada com armadura, de 143%.

No caso das vigas com concreto de alta resistência, o aumento de desempenho foi menor, mas mesmo neste caso houve uma importante redução da linha neutra, que passou de 3,82 cm para 1,59 cm entre as vigas sem e com reforço de CUAD.

É interessante notar que nas duas vigas de concreto armado (fck = 25 MPa e fck = 75 MPa), o CUAD foi responsável por toda a resistência à compressão do concreto. Houve um deslocamento da linha neutra para cima, com redução da área comprimida e aumento da ductilidade. A adição de armadura na zona tracionada tem a função de otimizar o sistema de reforço com CUAD, garantindo maior aproveitamento da área de concreto da viga, deslocando a linha neutra para baixo. No caso analisado, é possível elevar ainda mais a taxa de aço da viga reforçada com CUAD, de modo a aumentar a sua capacidade resistente.

A vantagem da utilização do CUAD é a possibilidade de se executar o reforço da estrutura sem aumento ou com um pequeno incremento da seção, o que não eleva os esforços atuantes na fundação e permite a execução em locais no qual não seja possível a redução da altura útil. Além disso, há um aumento da durabilidade da estrutura e redução de intervenções de manutenção, como descrito no item 4.

Uma das aplicações do CUAD com grande potencial, além de obras de reforço estrutural, são as estruturas pré-moldadas, que podem trabalhar com sistemas compósitos de modo a otimizar os elementos estruturais, obtendo seções mais esbeltas, reduzindo o peso-próprio e aumentando a durabilidade das estruturas.

6 Conclusões

Foram discutidas as principais propriedades do concreto de ultra alto desempenho (CUAD) e as suas aplicações para reforço e recuperação estrutural. Existem barreiras tecnológicas para a sua aplicação em larga escala, principalmente devido ao custo de produção e a falta de parâmetros para aplicações em larga escala devido à ausência de normas técnicas. Por exemplo, há necessidade de desenvolvimento de processos de otimização da mistura e regras de dimensionamento. Foram realizadas análises do comportamento de vigas de concreto armado antes e após o reforço com CUAD. Nos casos investigados, a aplicação do CUAD como elemento de reforço estrutural comprovou a sua eficiência. Houve redução da linha neutra com aumento da ductilidade e da capacidade resistente nas vigas reforçadas. A adição de armadura de reforço na zona comprimida otimizou o sistema de reforço com CUAD, garantindo maior aproveitamento da área de concreto da viga, deslocando a linha neutra para baixo e proporcionando maior capacidade portante. A principal vantagem da utilização do CUAD foi a possibilidade de se executar o reforço da estrutura sem aumento ou com um pequeno incremento da seção.


7 Referências

AFCG and SETRA. Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete-Interim Reccomendations. France, 2013.

ANDREASEN, A. e ANDERSEN, J. Ueber die Beziehung zwischen Kornabstufung und Zwischenraum in Produkten aus losen Körnern (mit einigen Experimenten). Kolloid-Zeitschrift, vol. 50, p. 217-228, 1930.

BRÜHWILER, E. e DENARIÉ, E. Rehabilitation of concrete structures using Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete. UHPC-2008: The Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Kassel, Alemanha, 2008.

BRÜHWILER, E. e SHEN, X. Strengthening of existing structures using R-UHPFRC: principles and conceptual design. The 2nd ACF Symposium - Innovations for Sustainable Concrete Infrastructures, Tailândia, Novembro, 2017

BUTTIGNOL, T. E. T.; COLOMBO, M. e DI PRISCO, M. Long-term aging effects on tensile characterization of steel fibre reinforced concrete. fib Structural Concrete, 2016.

CHARRON, J.-P.; DENARIÉ, E. e BRUHWILER, E. Permeability of ultra high performance fiber reinforced concretes (UHPFRC) under high stresses. Materials and Structures, vol. 40, p. 269–277, 2007.COMITÉ EURO-INTERNATIONAL DU BÉTON. CEB-FIP Model Code 1990. London, Thomas Telford, 1993.

DI PRISCO, M.; COLOMBO; M. e COLOMBO, I. The role of the structural characteristic length. 9th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures, 2016.

DOIRON, G.et al. Pier repair/retrofit using UHPC examples of completed projects in North America. Proceedings of the First International Interactive Symposium on UHPC, 2016.

FLIETSTRA, J. C. Creep and shrinkage behavior of ultra-high performance concrete under compressive loading with varying curing regimes. Master Dissertation, Michigan Technological University, 2011.

GRAYBEAL, B. e DAVIS, M. Cylinder or Cube: Strength Testing of 80 to 200 MPa (11.6 to 29 ksi) Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete. ACI Materials Journal, vol. 105, p. 603–609, 2008.

HABEL, K.; VIVIANI, M.; DENARIÉ, E. e BRÜHWILER, E. Development of the mechanical properties of an Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC). Cement and Concrete Research, p. 1362–1370, 2006.

HARRIS, D. K. Characterization of Punching Shear Capacity of Thin UHPC Plates. Master Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2004.

HILLERBORG, A.; MODEER, M. e PETERSON, P. E. Analysis of crack formation and crack growth by means of fracture mechanics and finite elements. Cement and Concrete Research, no. 6, pp. 773-782, 1976.


KAMEN, A. Time dependent behaviour of ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC). 6th International PhD Symposium in Civil Engineering, Zurich, 2006.

PERRY, H. e SEIBERT, P. J. The use of UHPFRC (Ductal®) for bridges in North America: The technology, applications and challenges facing commercialization.

SHAFIEIFAR, M. Alternative ABC Connections Utilizing UHPC. Quarterly Report, ABC UTC, 2016.

SRITHARAN, S. Design of UHPC Structural Members: Lessons Learned and ASTM Test Requirements. Advances in Civil Engineering Materials, vol. 4, p. 113-131, 2015.

TOUTLEMONDE, F. e RESPLENDINO, J. (eds.). Designing and Building with UHPFRC: State-of-the-Art and Development. John Wiley and Sons, 2011.

YU, R.; SPIESZ, P. e BROUWERS, H. J. H. Mix design and properties assessment of Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC). Cement and Concrete Research, vol. 56, p. 29-39, 2014.

VAN BREUGEL, K.; JENSEN, O. M. AND LURA, P. Autogenous shrinkage in high performance cement paste. An evaluation of basic mechanisms. Cement and Concrete Research, vol. 33, p. 223-232, 2003.

WALLER, V. Relations entre composition des bétons, exothermie en cours de prise et résistance à la compression. PhD thesis, Laboratoire Central des Ponst et Chaussées Nantes (LCPC), 2002.

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Aplicações do Concreto de Ultra Alto Desempenho (CUAD ...O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) foi desenvolvido nas últimas duas décadas, a partir de diferentes regras de