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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA UFPB CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM CHAPAS METÁLICAS, COLADAS COM GEOPOLÍMERO, E COM MANTAS DE SISAL COLADAS COM RESINA EPÓXI TAIA MARINHO PIMENTA João Pessoa - PB Novembro, 2012

COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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Page 1: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA – UFPB

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

REFORÇADAS COM CHAPAS METÁLICAS, COLADAS COM GEOPOLÍMERO, E

COM MANTAS DE SISAL COLADAS COM RESINA EPÓXI

TAIA MARINHO PIMENTA

João Pessoa - PB

Novembro, 2012

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TAIA MARINHO PIMENTA

COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

REFORÇADAS COM CHAPAS METÁLICAS, COLADAS COM GEOPOLÍMERO, E

COM MANTAS DE SISAL COLADAS COM RESINA EPÓXI

Trabalho de Conclusão de curso em

cumprimento às exigências para obtenção do

grau de Bacharel em Engenharia Civil da

Universidade Federal da Paraíba.

Orientador: Prof. Dr. Normando Perazzo.

João Pessoa - PB

Novembro, 2012

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TAIA MARINHO PIMENTA

COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

REFORÇADAS COM CHAPAS METÁLICA, COLADAS COM GEOPOLÍMERO, E

COM MANTAS DE SISAL COLADAS COM RESINA EPÓXI

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à banca examinadora do Curso de Engenharia

Civil da Universidade Federal da Paraíba, em cumprimento às exigências para obtenção do

título de Bacharel em Engenharia Civil.

Banca Examinadora: Nota

______________________________________________ _________

Prof. Dr. Normando Perazzo – Orientador

Universidade Federal da Paraíba

______________________________________________ _________

Prof. Me. José Marcílio Filgueiras Cruz

Universidade Federal da Paraíba

_______________________________________________ _________

Prof. Me. Carlos Antônio Taurino Lucena

Universidade Federal da Paraíba

Média: __________

Aprovado em: ______ de novembro de 2012.

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4

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por ter me dado sabedoria, força e persistência para continuar

mesmo nos momentos de desânimo. Aos meus pais, por serem exemplo de vida, força de

vontade e amor. Ao meu irmão, familiares e companheiros por estarem sempre ao nosso lado,

confiando no nosso êxito.

Em especial, agradeço ao meu orientador Normando Perazzo, a Cláudio Matias da

Silva, Ricardo Luiz de Carvalho, João da Silva Messias, Delby Fernades de Medeiros Filho e

João Dellonx que muito me ajudaram nessa etapa da minha vida. À Belgo Aço Pronto, na

pessoa de Diego Ribas, que me cederam o aço para confecção das vigas.

E a todos os professores que diretamente contribuíram para minha formação

acadêmica. Com eles, adquiri a consciência do valor da nossa profissão. Aos meus amigos de

turma pelo companheirismo e opiniões valiosas.

Aos meus amigos que suportaram minha ausência durante o desenvolvimento desse

trabalho e deram todo o apoio durante o curso, tornando o percurso muito mais aconchegante

e feliz.

E a todos que me ajudaram de forma direta ou indireta nesta nova conquista. Agradeço

mutuamente pela paciência e dedicação que sustentamos durante o desenvolvimento desse

trabalho.

A todos meus sinceros agradecimentos.

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5

"Toda arte é um problema de equilíbrio

entre dois opostos."

- Cesare Pavese

Page 6: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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RESUMO

Reforços estruturais são utilizados com intuito de aumentar a capacidade resistente de um

elemento estrutural, que por diversos motivos não atendem mais a função para que foram

projetados ou para a função desejada. Paralelo a isso, o desenvolvimento de soluções mais

sustentáveis na engenharia civil vem sendo cada vez mais cobrada pela sociedade, uma vez

que esta é uma das áreas mais poluidoras e consumidoras dos recursos naturais do mundo.

Diante disso pretende-se introduzir materiais não convencionais, como o geopolímero e a

manta de sisal, no reforço de vigas a flexão, conjuntamente com a chapa de aço e a resina

epóxi, com o intuito de contribuir para um desenvolvimento mais sustentável da engenharia.

Palavras–chave: Reforço de estruturas, manta de sisal, geopolímero, chapa de aço, resina

epóxi, materiais não convencionais.

Page 7: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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ABSTRACT

Structural reinforcements are used in order to increase the load capacity of a structural

element, which for various reasons do not meet the function for which they were designed or

to the desired function anymore. Parallel to this, the development of more sustainable

solutions in civil engineering has been increasingly required by society, since civil

engineering is one of the most polluting and consuming of the world's natural resources.

Therefore, this research intend to introduce unconventional materials such as sisal rug and

geopolímero, in the reinforcement of bending beams, together with the steel plate and epoxy

resin. In order to contribute to a more sustainable development of civil engineering.

Keywords:. Strengthening of structures, sisal rug, geopolímero, steel, epoxy, unconventional

materials.

Page 8: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 01: Diagrama Tensão x Deformação de Cálculo do Aço.........................................19

FIGURA 02: Diagrama Tensão x Deformação do Concreto....................................................20

FIGURA 03: Configuração deformada do Concreto Armado..................................................21

FIGURA 04: Diagrama das deformações, tensões e reações do concreto armado...................21

FIGURA 05: Diagrama de deformações retangular.................................................................22

FIGURA 06: Deformação do Aço............................................................................................25

FIGURA 07: Dimensões das vigas em estudo..........................................................................35

FIGURA 08: Deformação considerada no cálculo estrutural da viga......................................37

FIGURA 09: Armadura de flexão.............................................................................................39

FIGURA 10: Carregamento da viga.........................................................................................39

FIGURA 11: Armação longitudinal e transversal das vigas de estudo.....................................42

FIGURA 12: Diagramas de deformações, tensões e reações da viga.......................................43

FIGURA 13: Reações na viga reforçada com chapa de aço.....................................................44

FIGURA 14: Prensa mecânica..................................................................................................50

FIGURA 15: Ensaio de flexão. ................................................................................................53

FIGURA 16: Extensômetro locado no centro da viga..............................................................53

FIGURA 17: Curva carga x deflexão da viga de referência.....................................................54

FIGURA 18: Aspecto da viga fissurada...................................................................................54

FIGURA 19: Esmagamento do concreto na região comprimida da viga.................................55

FIGURA 20: Viga reforçada com chapa de aço.......................................................................55

FIGURA 21: Curva carga x deflexão da viga reforçada com chapa de aço

colada com geopolímero. .........................................................................................................56

FIGURA 22: Descolamento da chapa de aço da viga...............................................................56

FIGURA 23: Comparação entre as curvas de carga x deflexão

da viga reforçada com chapa de aço e a viga de referência......................................................57

FIGURA 24: Viga reforçada com manta de sisal colada com adesivo epóxi...........................58

FIGURA 25: Curva carga x deflexão da viga reforçada com manta de

sisal colada com geopolímero..................................................................................................58

FIGURA 26: Fissuração da viga reforçada com manta de sisal...............................................59

FIGURA 27: Comparação das curvas de carga x deflexão da viga de

referência com a reforçada com manta de sisal........................................................................59

FIGURA 28: Comparação entre a viga reforçada com chapa de aço e a

reforçada com a manta de sisal................................................................................................60

Page 9: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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LISTA DE TABELAS

TABELA 01: Coeficientes de ponderação da resistência do concreto e do aço,

segundo combinações normais, especiais ou de construção e excepcionais............................20

TABELA 02: resistência a tração direta característica do concreto.........................................26

TABELA 03: valores do parâmetro αv2 para as classes de concreto.......................................28

TABELA 04: Taxas geométricas para armadura transversal mínima segundo

as classes de concreto................................................................................................................29

TABELA 05: Consumo de água em Kg/m³ e teor de ar aprisionado em % em

função do abatimento e Dmáx..................................................................................................31

TABELA 06: Relação água/cimento em função da resistência médias aos 28 dias.................31

TABELA 07: Volume de agregado graúdo Vp por m³ de concreto em função de

Dmáx e MF..............................................................................................................................32

Page 10: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................12

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................................13

2.2 REFORÇOS DE ESTRUTURAS DE CONCRETO, MEDIANTE A

COLAGEM DE CHAPAS DE AÇO COM RESINAS EPÓXI........................................13

2.1.1 Prevenções à união dos materiais..............................................................................14

2.1.2 Resinas a serem utilizadas..........................................................................................14

2.2 GEOPOLÍMERO..............................................................................................................16

2.3 MANTA DE SISAL..........................................................................................................17

2.4 DIMENSIONAMENTO DE ARMADURA LONGITUDINAL À

FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO (CA50)..........................................18

2.5 DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO CORTANTE DE VIGAS

DE CONCRETO ARMADO (CA50) – ESTRIBOS VERTICAIS..................................26

2.6 PROPORCIONAMENTO DO CONCRETO...................................................................30

3 MATERIAIS....................................................................................................................33

3.1 AÇO..................................................................................................................................33

3.2 CHAPA DE AÇO.............................................................................................................33

3.3 MANTA DE SISAL..........................................................................................................33

3.4 EPÓXI...............................................................................................................................34

3.5 GEOPOLÍMERO..............................................................................................................34

4 METODOLOGIA...........................................................................................................34

4.1 CÁLCULO DA ARMADURA LONGITUDINAL DA VIGA DA PESQUISA.............35

4.2 ARMADURA TRANSVERSAL DA VIGA DA PESQUISA.........................................39

4.3 DETERMINAÇÃO DOS REFORÇOS............................................................................43

4.3.1 Chapa de aço colada com Geopolímero....................................................................43

4.4 CONFECCÇÃO DO CONCRETO..................................................................................46

4.4.1 Dosagem do Concreto.................................................................................................46

3.3.1 Verificação do traço desenvolvido................................................................................49

5.4.4 Cálculo do volume de concreto com correção do traço segundo a umidade............51

5 RESULTADOS................................................................................................................52

5.1 VIGA DE REFERÊNCIA.................................................................................................54

5.2 VIGA REFORÇADA COM CHAPA DE AÇO E COLADA COM GEOPOLÍMERO..55

5.3 VIGA REFORÇADA COM MANTA DE SILSAL COLADA

Page 11: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

11

COM ADESIVO COMPOUND.......................................................................................57

5.4 VIGA REFORÇADA COM CHAPA DE AÇO/GEOPOLÍMERO

X VIGA REFORÇADA COM MANTA DE SISAL/COMPOUND...............................60

6 CONCLUSÃO.................................................................................................................61

7 BIBLIOGRAFIA.............................................................................................................62

8 ANEXOS..........................................................................................................................64

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1 INTRODUÇÃO

Reforços estruturais são utilizados com intuito de aumentar a capacidade resistente de

um elemento estrutural, que por falhas de concepção ou execução de projeto, alteração da

função da edificação, desgaste natural, surgimento de patologias, variações térmicas no

concreto, falta de manutenção, entre outros motivos, não atendem mais as suas condições

originais ou novas necessidades da estrutura. Os reforços se justificam pelo fato de a vida útil

de uma estrutura e seu investimento serem por demais elevados, para ser simplesmente

inutilizada ou destruída (FERRARI et al., 2002).

Para o caso de reforço à flexão em vigas de concreto armado, diversas soluções

convencionais, que apresentam resultados confiáveis podem ser utilizadas, entre as quais,

citam-se: adição na face tracionada da viga de um novo concreto ou argamassa de elevado

desempenho com novas barras de aço longitudinal ou colagem de chapas de aço na superfície

da viga, com ou sem a utilização de parafuso (FERRARI et al., 2002).

Paralelamente, com a expansão mundial da consciência ambiental e sustentável e o

crescimento constante da construção civil, um dos maiores contribuintes para poluição global,

faz-se necessário repensar os materiais utilizados nessa área a fim de gerar um menor impacto

ao ambiente.

Desse modo, nesse trabalho, pretende-se utilizar dois métodos de reforços, a flexão em

vigas, inovadores, associando um material convencional a um material não convencional.

No primeiro, será utilizada a chapa de aço convencional colada com geopolímero,

material não convencional.

No segundo método, será utilizado como elemento de reforço, o material não

convencional, manta de sisal, colada com o material convencional, adesivo compound, a base

de resina epóxi.

Os dois reforços serão analisados entre si e comparados a uma viga de referência, sem

reforços.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 REFORÇOS DE ESTRUTURAS DE CONCRETO, MEDIANTE A COLAGEM DE

CHAPAS DE AÇO COM RESINAS EPÓXI

Os reforços de estruturas de concreto executados mediante a colagem de chapas de aço

com resinas epóxi consistem na introdução de uma armadura acessória ao elemento

defeituoso, por forma de chapas de aço coladas ao concreto em lugar adequado. Estes buscam

permitir uma união monolítica entre o aço e o concreto a fim de fazer com que a estrutura

reforçada seja capaz de trabalhar sob as tensões previstas em cálculo, de maneira satisfatória,

e que assim continue trabalhando ao longo do tempo (LOPES, 2000).

A eficiência dessa técnica é considerada por Cánovas (1988), de alta eficácia, sendo

raras as vezes em que ocorrem falhas por aderência, e sendo essas exceções em sua maioria

ocasionadas por uma deficiência no processo de execução, o reforço ter sido mal projetado ou

o concreto não ser adequado ao trabalho, ou, ainda, o que segundo ele é mais frequente,

devido à formulação da resina epóxi não ser a correta. Quando isso ocorre, a chapa de aço,

apesar de muitas vezes ainda está aderida ao concreto, deixa de trabalhar em conjunto com a

estrutura, e o objetivo do reforço deixa de ser atingido.

A formulação da resina, nesse caso a epóxi, é de suma importância nesse processo,

pois é ela que vai permitir a aderência e a transmissão de esforços do concreto para o aço.

Logo, em reforços dado por união de dois materiais, a propriedade mais importante que deve

ser analisada é a adesão, sendo, no caso em análise, predominante a adesividade tangencial.

Isso, devido a serem produzidos momentos fletores, que geram esforços tangenciais ao plano

de união, quando a estrutura é submetida aos carregamentos.

Ainda, segundo Cánovas (1988), a adesividade desses dois materiais depende da

qualidade do adesivo a ser utilizado, do estado das superfícies dos materiais que serão unidos,

bem como das propriedades dessa superfície.

A resina epóxi possui propriedades mecânicas superiores às do concreto, mas

inferiores às do aço, logo sugere-se que o defeito se dará, sempre, por cortante superficial

combinada com a tração no concreto. (CÁNOVAS, 1988)

Page 14: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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2.1.1 Prevenções à união dos materiais

A eficiência dos reforços em estruturas de concreto, mediante a colagem de chapas de aço

com resinas epóxi está intrinsecamente condicionada à adesão da resina epóxi aos materiais

que serão unidos. Para tanto, quanto ao estado superficial dos materiais a serem unidos, estes

devem estar completamente secos e isentos de pó, ou qualquer outra substância que possa

comprometer a aderência desejada (CÁNOVAS, 1988).

Nesse sentido, antes de se fazer a colagem, é feita, na superfície da estrutura de concreto

onde se dará a união, uma limpeza, que pode ser feita com jato de areia. Este além de fazer

uma limpeza adequada, cria uma rugosidade superficial que aumenta a superfície de contato

entre adesivo e base.

Também se deve atentar para planicidade da superfície do concreto, onde a chapa de aço

irá aderir, para que não haja variação na espessura da camada de epóxi, podendo ocasionar

fluência da mesma, maior consumo do produto, além de interferir na resistência ao cortante na

união (CÁNOVAS, 1988)

Precauções quanto à manipulação da resina epóxi também devem ser tomadas. Determinar

o teor ótimo entre a resina e o endurecedor é essencial para se evitar qualquer excesso ou

deficiência, que poderão enfraquecer o produto final.

2.1.2 Resinas a serem utilizadas

Os adesivos empregados na união das chapas de aço e o concreto nesses tipos de

reforços estruturais são definidos pelo CEB - COMITE EURO-INTERNACIONAL DU

BETON (1983 citado por LOPES, 2000) “como sistemas constituidos por dois componentes.

Um material a base de resina líquida ( epóxi,poliéster, poliuretano acrílica, etc.), e um

segundo que é o endurecedor.”

Segundo SOUZA & RIPPER (1998 citado por LOPES 2000):

os adesivos a base de resinas epóxis são sistemas formados por dois

componentes dos quais um é o endurecedor, ou agente de cura, e o

outro é a resina. O componente A (resina) da maioria dos epóxis é

estável e bem conhecido, enquanto o componente B (endurecedor),

devido a sua instabilidade, toma-se responsável pelos rumos tomados

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15

durante o processo de constituição do produto final, do material

curado.

Essas resinas epóxis são utilizadas na união do aço e concreto em forma de massa e

para tanto devem apresentar uma série de características, enumeradas (CÁNOVAS, 1988):

retração reduzida;

baixa fluência sob carga mantida;

bom comportamento frente as mudanças de temperatura dentro de certas variações;

adesão perfeita frente ao aço e o concreto;

estabilidade de suas características no tempo;

bom comportamento em serviço em atmosferas úmidas ou agressivas;

elevadas resistências mecânicas;

adequado módulo de deformação transversal e;

etc.

No entanto, existe no mercado uma grande variabilidade de produtos com características e

qualidades muito diferentes, devido ao emprego de diferentes tipos de componentes e de suas

estruturas químicas, das razões de mistura, da quantidade e do tipo de filler e, eventualmente,

da areia adicionada.

Logo, segundo Lopes (2000), “as propriedades requeridas devem ser precisamente

definidas, de forma a selecionar a correta formulação da mistura sintética”. Geralmente, as

resinas usadas em reparos e/ou em trabalhos de reforço, segundo ele, devem possuir:

Pot-life (tempo de manuseio) adequado, baixo tempo de endurecimento e boa

trabalhabilidade;

Cura independente da umidade e temperatura ambiente;

Boa tolerância para misturas incorretas;

Excelentes características de colagem para o concreto e o aço e uma pequena ou

simplesmente não redução de adesão em função do tempo de exposição a umidade;

Pequena ou negligenciável retração e deformação por fluência;

Boa resistência ao aquecimento;

Baixos valores de viscosidade, quando as resinas forem usadas para injeções ou

impregnações, e altos valores, quando as resinas forem usadas para colagem;

Page 16: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

16

Valores de módulo de elasticidade não muito baixos, para redução de vazios, locais de

rigidez nos elemento da estrutura.

Ainda segundo Lopes (2000), são muitas as opções de tecnologias que podem ser

aplicadas no reforço das estruturas, no entanto para se obter maior eficácia é preciso

considerar conjuntamente com os materiais a serem empregados outros aspectos muitas vezes

esquecidos:

Análise das causas que levam a necessidade da reabilitação;

Recursos monetários disponíveis, manutenção da obra e possíveis mudanças

arquitetônicas;

Consideração da estética, mas antes de tudo, a funcionalidade;

Manutenção das atividades do imóvel sem interrupções, na medida em que isto for

possível;

Comprovação da qualidade dos trabalhos através de um estudo final dos esforços.

2.2 GEOPOLÍMERO

Geopolímeros são polímeros inorgânicos, alcalinamentes ativados de elevado

desempenho térmico e mecânico (DAVIDOVITS, 1991 apud Barros et al.,2012 ). Trata-se de

material alternativo a colagem estrutural, que contribui para a redução de emissões de

poluentes, reduzindo resíduos industriais e mantendo propriedades termomecânicas eficientes,

o que permite seu uso tanto em estruturas como em compósitos (BARROS et al.,2012).

Juntas coladas são consideradas a principal alternativa às juntas mecânicas

convencionais, tais como: rebites, parafusos e soldagem. Sua vantagem está no fato de melhor

distribuir as tensões na junta, na redução dos custos, no melhor acabamento, nas boas

propriedades elétricas e térmicas e na maior resistência a corrosão. Materiais alcalinamente

ativados, como os geopolímeros, possuem uma boa capacidade adesiva, porém a sua

aplicação direta como cola tem sido pouco estudada. Do ponto de vista da aderência foi visto

que esses materiais podem chegar a níveis comparáveis àqueles de um adesivo comercial com

um mesmo processo de cura, com uma vantagem sobre eles, os geopolímeros são capazes de

resistir a altas temperaturas, ao contrário das resinas epóxi mais comuns. (BARROS et

al.,2008).

Page 17: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

17

No processo de colagem um dos fatores a ser cuidadosamente controlado é o valor de

espessura da camada de cola. Espessuras entre 0,05 e 0.6 mm são típicas para a maioria das

colagens. (BARROS et al.,2008).

Os geopolímeros são resultados da mistura de um material argiloso, com um ativador,

podem ser obtidos pela mistura de metacaulinita (Al2O3. 2SiO2) e os ativadores silicato de

sódio e silicato de potássio ou combinações destes. Estes, tratam-se de uns dos silicatos

solúveis mais comuns utilizados. Além disso, o caulim é uma importante fonte de silício e

alumínio, sendo, por isso, considerado um bom precursor para a geopolimerização.

2.3 MANTA DE SISAL

A produção nacional de sisal está concentrada na região Nordeste, situadas em áreas

em que o clima e o solo são pouco propícios ao desenvolvimento de outras culturas, sendo o

estado da Bahia e da Paraíba os principais produtores.

As folhas do sisal produzem uma fibra altamente resistente e que é utilizada para

produzir artesanatos, vassouras, sacos, bolsas, chapéus, barbantes, cordas, capachos e tapetes,

bem como na fabricação de celulose para a produção de papel kraft (de alta resistência) e

outros tipos de papel fino (para cigarro, filtro, papel dielétrico, absorvente higiênico, fralda

etc). Além dessas aplicações, há possibilidade de utilização da fibra na indústria automotiva,

de móveis, de eletrodomésticos, de geotêxteis (proteção de encostas, na agricultura e

revestimento de estradas), na mistura com polipropileno, em substituição à fibra de vidro

(composição de objetos plásticos) e na construção civil (PROSSIGA, 2004; CAMPBELL,

2004 apud ALVES; SANTIAGO, 2005).

O desfibramento do sisal é a principal etapa da pós-colheita. Consiste no processo de

eliminação da polpa ou mucilagem que envolve a fibra da folha, mediante uma raspagem

mecânica. Após o desfibramento é feita à lavagem da fibra e no dia seguinte as fibras são

colocadas em varais feitos com fios de arame, para secarem ao sol A próxima etapa é o

batimento, que consiste em remover o pó que envolve a fibra de sisal. Após o batimento a

fibra é classificada e enfardada para então ser comercializada (SILVA, 1999 apud ALVES;

SANTIAGO, 2005). Do batimento da fibra, resultam, além da fibra, os subprodutos bucha e

pó.

Page 18: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

18

A bucha é utilizada para fazer cordas de segunda e manta. O pó é utilizado na mistura

com milho para a preparação de ração animal.

Como se observa, a cadeia de serviços da atividade sisaleira abrange desde os

trabalhos de manutenção até a extração e o processamento da fibra para o beneficiamento, as

atividades de industrialização de diversos produtos e o uso para fins artesanais, que pode

trazer diversos benefícios aos municípios localizados no semi-árido nordestino, nos aspectos

econômico, social ou ambiental (contribuindo para a desconcentração do Produto Interno

Bruto - PIB, pelo significativo impacto que pode gerar na economia local; gerando divisas,

pelo grande potencial exportador; servindo de cobertura do solo, impedindo a desertificação;

sendo fonte de renda e emprego, por ser intensiva em utilização de mão-de-obra em todas as

fases de implantação, manutenção, colheita e desfibramento; favorecendo a desconcentração

da estrutura fundiária, ao viabilizar economicamente as propriedades familiares). Além dessas

vantagens, existe a possibilidade de abertura de novos mercados para os produtos do sisal,

diante da preocupação crescente das populações de países desenvolvidos com a preservação

ambiental (NEIRA, 2005).

As mantas de fibra de sisal podem ser fabricadas pelo processo de angulhagem ou

tecida a base de látex natural e água.

A planta de sisal te em média em sua composição até 8% de lignina, 78% de celulose,

10% de hemicelulose e o restante como extrativos. As fibras de sisal apresentam valores na

faixa de 3 a 3,5% de cinzas em sua composição e a densidade das fibras é de 1,26g/cm³. A

lignina é uma substância macromolecular componente da madeira, que confere firmeza e

rigidez estrutural ao conjunto de fibras de celulose (NEIRA, 2005).

2.4 DIMENSIONAMENTO DE ARMADURA LONGITUDINAL À FLEXÃO DE VIGAS

DE CONCRETO ARMADO (CA50)

Para o dimensionamento de armadura longitudinal à flexão das vigas de concreto armado,

a NBR 6118 considera algumas hipóteses na análise de estruturas ou partes das estruturas que

possam ser assimiladas a elementos lineares (vigas, pilares, tirantes, arcos, pórticos, grelhas,

treliças), são elas:

a) Manutenção da seção plana após a deformação;

b) Aderência perfeita;

c) Resistência a tração do concreto desprezada;

d) Deformação máxima para o aço é de 10 0/00, como pode ser vista na figura 01:

Page 19: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

19

Figura 01: Diagrama Tensão x Deformação de Cálculo do Aço.

e) Deformação máxima no concreto em flexão é 3,5 0/00 e em compressão centrada é de

20/00.

Adotando-se esse valor e ainda segundo a NBR 6118, para tensões de compressão

menores que 0,5 fc, pode-se admitir uma relação linear entre tensões e deformações. No estado

limite último pode-se empregar o diagrama tensão-deformação, indicado na Figura 02.

Page 20: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

20

Figura 02: Diagrama Tensão x Deformação do Concreto.

A resistência de cálculo do concreto (fcd) é dado por:

Sendo o coeficiente de ponderação da resistência do concreto no estado limite último, ,

dado pela tabela 01:

Tabela 01: Coeficientes de ponderação da resistência do concreto e do aço,

segundo combinações normais, especiais ou de construção e excepcionais.

Page 21: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

21

O estado limite último é considerado atingido com o diagrama das deformações

passando por um dos pontos A ou B, conforme figura 03.

Figura 03: Configuração deformada do Concreto Armado.

Então o dimensionamento é feito procurando-se uma configuração deformada que

passe pelos pontos A ou B e consiga equilibrar o momento solicitante de cálculo, Msd.

Figura 04: Diagrama das deformações, tensões e reações do concreto armado.

Page 22: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

22

(1)

A distribuição de tensões no concreto pode ser feita de acordo com o diagrama parábola-

retângulo, definido na figura 04, com tensão de pico igual a 0,85 fcd. Esse diagrama pode ser

substituído pelo retângulo de altura 0,8 x (x = profundidade da linha neutra), com tensão de

0,85 fcd, para casos onde a largura da seção se mantém constante a até a borda comprimida,

confome figura 05.

Figura 05: Diagrama de deformações retangular.

Assim:

(2)

Dos diagramas, o braço de alavanca, z, é dado por:

(3)

Substituindo (2) e (3) em (1):

(Eq. Do 2° grau em x) (4)

Resolvendo-se acha-se x, e com x encontra-se a deformação no aço:

Page 23: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

23

Indo ao diagrama de tensão x deformação do aço, σ x Ɛ, na figura 01, e como:

(5)

E também:

(6)

Então, a seção de armadura:

Assim, a área da seção do aço é dada por:

Como, de (3):

E:

(7)

Dividindo a equação (3) por d:

E fazendo

(8)

Então,

(9)

Como para essas considerações, σsd = fyd, a equação 7 passa a:

Page 24: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

24

(10)

Dividindo todos os termos a equação (4) por e fazendo:

(3a)

(3b)

Resulta na equação do 2° grau adimensionalizada:

(11)

Resolvendo a equação do 2° grau obtém-se ξ:

Porém, por questões de ductilidade deseja-se que a deformação no aço seja pelo menos

a de escoamento:

Page 25: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

25

Figura 06: Deformação do Aço.

(12)

Para o aço CA 50, , então:

Então, o valor limite para o momento adimensional é dado por:

(13)

Este seria o valor teórico, porem a ultima versão na NBR 6118 diz, com respeito às

condições de ductilidade:

A capacidade de rotação dos elementos estruturais é função da LN no ELU. Quanto

menor for tanto maior será essa capacidade.”

Para melhorar a ductilidade nas regiões de apoio das vigas, a posição da LN no ELU deve

obedecer aos seguintes limites:

a) para concretos com

b) para concretos com

Isto quer dizer que nos momentos negativos os valores de passam a ser (da equação

12):

a) para concretos com

b) para concretos com

c) Se significa dizer que a linha neutra passaria de e se

cairia no domínio 4.

Page 26: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

26

Por questões de ductilidade, estabeleceu-se que se de qualquer dos casos

anteriores deve-se usar armadura dupla nas seções de concreto armado, mantendo-se fixa a

posição da linha neutra, ou seja, . No entanto não cabe a este trabalho detalhar este

procedimento.

2.5 DIMENSIONAMENTO AO ESFORÇO CORTANTE DE VIGAS DE CONCRETO

ARMADO (CA50) – ESTRIBOS VERTICAIS

Para o dimensionamento ao esforço cortante de vigas de concreto armado a NBR 6118

descreve dois modelos de cálculo que põem a analogia com modelo em treliça, de banzos

paralelos, associado a mecanismos resistentes complementares desenvolvidos no interior do

elemento estrutural e traduzidos por uma componente adicional, Vc.

Todos os elementos lineares submetidos a força cortante, à exceção de alguns casos

específicos que a norma descreve, que na pesquisa em questão não são relevantes, devem

conter armadura transversal mínima constituída por estribos, com taxa geométrica:

Onde: Asw é a área da seção transversal dos estribos;

s é o espaçamento dos estribos, medido segundo o eixo longitudinal do elemento

estrutural;

α é a inclinação dos estribos em relação ao eixo longitudinal do elemento

estrutural;

bw é a largura média da alma, medida ao longo da altura útil da seção;

fywk é a resistência ao escoamento do aço da armadura transversal;

fct,m é a resistência à tração direta média ou característica do concreto.

Na falta de ensaios para obtenção de fct,sp (resistência a tração indireta do concreto) e

fct,f (resistência a tração na flexão do concreto), a resistência à tração direta fct pode ser

considerada igual ao seu valor médio ou característico por meio das equações:

fct,m = 0,3 fck2/3

fctk,inf = 0,7 fct,m

Page 27: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

27

fctk,sup = 1,3 fct,m

A resistência à tração direta de cálculo é dada por:

Para as seguintes classes de concreto pode-se adotar os valores de fct,m dados pela tabela 02:

Concreto C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50

fctm 2,2 2.6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1

Tabela 02: resistência a tração direta característica do concreto.

Assim, é determinado, que o elemento linear possui armadura mínima, quando a força

cortante solicitante de cálculo na seção, VSd, é menor/igual a força cortante absorvida por

mecanismos complementares ao de treliça (mecanismos resistentes), Vc:

Logo, temos que a área da seção transversal dos estribos, Asw , pelo espaçamento entre os

estribos, s, é igual a:

Onde: bw = largura média da alma ao longo da altura útil da seção.

A resistência do elemento estrutural, numa determinada seção transversal, deve ser

considerada satisfatória quando verificadas simultaneamente as seguintes condições:

Onde: VSd é a força cortante solicitante de cálculo, na seção;

Page 28: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

28

VRd2 é a força cortante resistente de cálculo máxima, relativa à ruína das diagonais

comprimidas de concreto;

VRd3 = Vc + Vsw é a força cortante resistente de cálculo máxima, relativa à ruína por

tração diagonal, onde Vc é a parcela de força cortante absorvida por mecanismos

complementares ao de treliça e Vsw a parcela resistida pela armadura transversal.

O modelo de cálculo adotado nessa pesquisa é o modelo de cálculo I, descrito pela

NBR 6118 em seu subitem 17.4.2.2. O modelo I admite diagonais de compressão inclinadas

de θ = 45° em relação ao eixo longitudinal do elemento estrutural e admite ainda que a parcela

complementar Vc tenha valor constante, independente de VSd.

Pelo modelo, o cortante resistente de cálculo máximo é dado por:

VRd2= 0,27. αv2.fcd.bw.d kN (fcd em kN/cm2; bw, d em cm)

Onde: αv2 = (1 - f / 250)

Para as seguintes classes de concreto pode-se adotar os valores de αv2 dados na tabela

03:

Concreto C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50

αv2 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 0,80

Tabela 03: valores do parâmetro αv2 para as classes de concreto.

O valor da força cortante solicitante de cálculo, na seção, VSd, é dado por:

Onde: V = cortante solicitante.

Logo, se , dizemos que a estrutura “não passa”, não resiste ao cortante ao

qual é submetida, devendo-se assim aumentar bw.

O cortante resistido pelos mecanismos resistentes, Vc, é dado por:

Vc = 0,6.fctd.bw.d kN (fcd em kN/cm2; bw, d em cm)

E o cortante resistido pela armadura mínima, Vswmín:

Page 29: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

29

Vswmin = [ρsw,min (%)/100].0,9.d.bw.fywd kN (d,b em cm; fywd em kN/cm2)

Onde: fywd é a resistência de cálculo ao escoamento do aço da armadura transversal;

Pode-se obter através das classes do concreto os valores para ρsw,min (%) na tabela 04:

concreto C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50

ρsw,min

(%)

0,088 0,104 0,116 0,128 0,140 0,152 0,288

Tabela 04: Taxas geométricas para armadura transversal mínima segundo

as classes de concreto.

O cortante resistido pela peça estrutural com armadura mínima é dado por:

VRd3,min= Vc+ Vswmin

Se Vsd≤ VRd,min, temos que:

(As/s) = (As/s)min= [ρsw,min(%)]. b cm2/m (b em cm)

Se Vsd>VRd,min, o cortante resistido pela armadura, Vsw, é dado por:

Vsw = Vsd – Vc

E assim:

(As/s) = Vsw / (0,9.d.fywd) cm2/m(d em m, fywd em kN/cm

2)

2.6 PROPORCIONAMENTO DO CONCRETO

A dosagem é um processo, no qual se procura determinar a melhor proporção entre os

materiais componentes do concreto, que atenda certa especificação. A resistência

característica (razões de projeto) e o abatimento (razões de aplicação) são as principais

especificações do concreto. No entanto, outras especificações podem ser exigidas (MEHTA;

MONTEIRO, 2008).

Page 30: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

30

O método do ACI – Modificado apresenta, em seu conteúdo, dois métodos distintos para

calcular o traço unitário em peso do concreto (TUP), o método dos pesos e o método do

volume absoluto.

Apesar, da resistência característica, fck, do concreto de classe C30 ser 30MPa, para o

cálculo do TUP, o valor que deve ser obtido é o da resistência de dosagem, que no Brasil ,

segundo a NBR 6118, é dada por:

Onde: Sd = desvio padrão do conjunto de exemplares.

Quando não se conhece o desvio padrão, este pode ser adotado de acordo com o

controle do concreto, que pode r ser realizado segundo três condições: A (Sd = 4,0 MPa), B

(Sd = 5,5 MPa), ou C (Sd = 7,0 MPa).

Pelo método do volume absoluto, através do abatimento escolhido em projeto e o

diâmetro máximo do agregado graúdo a ser utilizado, determina-se o consumo de água, Ag,

pela tabela 05.

Tabela 05: Consumo de água em Kg/m³ e teor de ar aprisionado em % em

função do abatimento e Dmáx.

A relação água/cimento, a/c, é dada a partir do fc28, pela tabela 06:

Page 31: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

31

Tabela 06: Relação água/cimento em função da resistência médias aos 28 dias.

Sendo assim, o consumo de cimento é dado por:

O volume de água é dado por:

O volume de cimento é dado por:

Pelo método, a partir de um Dmáx da brita e o módulo de finura da areia obtem-se o

volume de agregado graúdo Vp por m³ pela tabela 07:

Tabela 07: Volume de agregado graúdo Vp por m³ de concreto em função de Dmáx e MF.

Page 32: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

32

Logo, o consumo de agregado graúdo é dado por:

Assim, O volume de agregado graúdo é dado por:

Ainda através de um Dméx da brita, tem-se um teor de ar aprisionado, que pode ser

verificado na tabela 05,sendo o volume de ar dado por:

O volume de agregado miúdo é dado por:

Assim, o consumo de areia é dado por:

Por fim, traço em peso é:

Consumo de cimento : consumo de areia : consumo de brita : volume de água

3 MATERIAIS

3.1 AÇO

Page 33: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

33

O aço utilizado na armação das vigas foi o CA 50, os quais, as barras são provida de

saliências ou mossas, a fim de aumentar a aderência do concreto e sua resistência de

escoamento é 50 kgf/mm2

ou 500 Mpa.

3.2 CHAPA DE AÇO

Foi utilizada chapa de aço zincada de espessura de 2mm como reforço estrutural.

3.3 MANTA DE SISAL

Para o reforço da segunda viga foi utilizada duas tiras de manta de sisal, de 2mm de

espessura, 10cm de largura e 1,5m de comprimento, com um transpasse de 1m e um

afastamento das bordas de 10cm.

3.4 EPÓXI

Para colagem da manta de sisal na segunda viga foi utilizado adesivo compound, da

marca Vedacit, à base de resinas epóxi. Este foi escolhido como referência devido a suas boas

propriedades mecânicas.

3.5 GEOPOLÍMERO

O geopolímero foi utilizado como elemento colante da chapa de aço e a viga de

concreto armado. Seu traço foi desenvolvido em estudos realizados pelo doutorando João

Dellonx, da Universidade Federal da Paraíba. No entanto, não foi possível utilizar o melhor

traço desenvolvido por ele, por este ser extremamente viscoso, não permitindo a

trabalhabilidade desejada no estudo. Assim, foi utilizado o traço MK02:

Page 34: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

34

4 63 : 68 : 19,4 g

Metacalinita : Silicato de Sódio : Silicato de Potássio

Para conseguir a metacalinita, foi necessário aquecer a calinita por 6 horas a uma

temperatura de 750º Celsius.

Assim, foi feita a mistura manualmente, e usada como material aderente entre o aço e

o concreto.

5 METODOLOGIA

Foi feito um estudo experimental comparativo de três vigas, igualmente armadas, uma

delas de referência, outra reforçada com chapa de aço, colada com geopolímero e a terceira

reforçada com manta de sisal, colada com adesivo compound, a base de resina epóxi.

Calculou-se a armadura de forma que a ruptura da peça ocorresse com o escoamento

do aço.

A armadura de cisalhamento foi dimensionada de sorte a peça ficar

superdimensionada ao esforço cortante, para que fosse enfatizado o efeito do reforço em

flexão.

Desenvolve-se um traço de concreto, para uma resistência de fck 30 MPa e abatimento

de 80mm, usando o método do ACI – Modificado (METHA).

As três vigas foram moldadas em fôrmas de madeira, com as dimensões de 0,1 x 0,2 x

2,2 m. Depois de três meses, elas foram desenformadas e aplicados os reforços.

Para colagem da chapa de aço, preparou-se inicialmente a mistura de geopolímero e

limpou-se a superfície em contato com a cola. Aplicou-se, então, a cola na viga,

pressionando-se em seguida a chapa de aço.

Para colagem da manta de sisal, preparou-se inicialmente a mistura dos dois

componentes do adesivo compound e limpou-se a superfície em contato com a cola. Aplicou-

se, então, a cola na viga, pressionando-se em seguida as mantas.

Esses procedimentos foram realizados com as vigas em posição invertida, ou seja, com

a armadura de flexão voltada para cima.

As vigas, então, foram posicionadas sobre um pórtico do laboratório de estruturas, da

Universidade Federal da Paraíba, e o carregamento aplicado em 2 pontos.

Page 35: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

35

O carregamento foi aplicado de forma crescente e contínua e a deflexão medida

através de um extensômetro.

5.1 CÁLCULO DA ARMADURA LONGITUDINAL DA VIGA DA PESQUISA

Para fins de estudos serão consideradas três vigas armadas, segundo o método da NBR

6118, com dimensões de 10 x 20 x 220 cm, cada uma, concretadas com concreto da classe

C30 e com cobrimento da ferragem de 2cm.

Figura 07: Dimensões das vigas em estudo.

A resistência característica do concreto da classe C30, é fck = 30MPa, considerando,

segundo a NBR 6118, uma combinação normal, temos que o coeficiente de ponderação do

concreto, = 1,4, assim a resistência de cálculo à compressão do concreto é dada por:

A resistência característica do aço a tração da classe CA 50, é fyk = 500 Mpa,

considerando, segundo a NBR 6118, uma combinação normal, temos que o coeficiente de

ponderação do aço, = 1,15, assim a resistência de cálculo do aço a tração é dada por:

Page 36: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

36

Apesar de que por questões de ductilidade, segundo a NBR 6118, a deformação no aço

desejada seja pelo menos a de escoamento, ou seja, para o aço CA 50, , neste,

pretende-se que o aço trabalhe com deformação igual a º/ºº, para que a deformação

na face inferior da viga seja a maior possível, de forma a mobilizar o reforço.

Figura 08: Deformação considerada no cálculo estrutural da viga.

Assim:

Page 37: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

37

Como o cobrimento considerado é de 2cm, a altura útil, d = 18 cm, assim:

Para achar a armadura, pela NBR 6118:

Mas também:

Assim:

Assim, a área da seção do aço é dada por:

Page 38: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

38

Como:

Assim,

Figura 09: Armadura de flexão.

5.2 ARMADURA TRANSVERSAL DA VIGA DA PESQUISA

Para o cálculo da armadura transversal da viga em estudo, foi utilizado o método descrito

no modelo I da NBR 6118.

O esforço cortante foi obtido a partir da figura 09, considerando-se o momento obtido

anteriormente.

Page 39: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

39

Figura 10: Carregamento da viga.

Assim,

12,02 kN

Para encontrarmos o cortante de cálculo devesse multiplicar o cortante máximo,

segundo a NBR 6118, por 1,4:

Para concreto calsse C30, fct,m = 2,9 MPa e αv = 0,88. E a resistência a tração direta média

de cálculo é dada por:

Page 40: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

40

Pelo modelo, o cortante resistente de cálculo máximo é dado por:

VRd2= 0,27. αv2.fcd.bw.d

Assim, temos que o cortante de cálculo é menor que o cortante resistente de cálculo

máximo, , o que implica que o cortante é resistido pela peça com armadura

mínima.

Para calcular a armadura mínima, temos que a taxa geométrica de estribos é:

O cortante resistido pela armadura mínima, Vswmín é:

Vswmin = [ρsw,min (%)/100].0,9.d.bw.fywd

Page 41: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

41

O cortante resistido pelos mecanismos resistentes, Vc, é:

Vc = 0,6.fctd.bw.d kN

O cortante resistido pelo conjunto da armadura mínima e os mecanismos resistentes é:

VRd3,min= Vc+ Vswmin

Como o cortante de cálculo Vsd é menor que o cortante resistido pela estrutura com

armadura mínima VRd3,mi, , , toda estrutura será armada com a armadura

mínima.

- que corresponde a a cada 33cm.

Adotou-se a cada 10 cm lineares.

Com isso, garante-se que a estrutura não se romperá por cisalhamento e sim por

flexão, que é o objetivo.

Na figura 11 tem-se a armação longitudinal e transversal das vigas:

Page 42: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

42

Figura 11: Armação longitudinal e transversal das vigas de estudo.

5.3 DETERMINAÇÃO DOS REFORÇOS

5.3.1 Chapa de aço colada com Geopolímero

O primeiro reforço a ser testado, foi a chapa de aço colada com geopolímero. A chapa

possui espessura de 2mm, comprimento de 2 m e largura de 10cm.

Para uma viga de dimensões 2,2 x 0,1 x 0,2 m, com 2 ferros de bitola 10 mm, fck = 30

MPa e d = 18,0 cm, admitindo-se que o aço esteja em escoamento no estado limite último:

Figura 12: Diagramas de deformações, tensões e reações da viga.

Page 43: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

43

Assim:

Logo, tem-se que o momento resistido pela viaga é MRd = 11,22 KNm.

O momento de serviço é dado pela divisão do momento resistido pela viga, pelo

coeficiente de segurança de 1,4:

Na figura 13 tem-se o esquema de reforço na viga e suas reações.

Figura 13: Reações na viga reforçada com chapa de aço.

Page 44: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

44

Assim,

A resistência de escoamento da chapa de aço, fychapa, é dada por:

Assim, sua resistência de cálculo é dada por:

Logo:

Assim:

Dessa forma:

Page 45: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

45

Nota-se que teoricamente esse valor é bem superior do que 10,94 kNm, encontrado

para a viga sem reforço.

5.4 CONFECCÇÃO DO CONCRETO

5.4.1 Dosagem do Concreto

Foi utilizado o método do volume absoluto, do ACI – Modificado, por este ser mais

preciso.

Para tanto, foi necessário ensaiar os materiais componentes do concreto, o agregado

graúdo – pedra granítica britada e o agregado miúdo – areia natural da Região do Caxitu.

Sendo assim, foram realizados ensaios para determinação de suas massas específicas, pelo

método da ABNT NBR NM 53 e ABNT NBR NM 52, massas unitárias, pelo método da

ABNT NBR NM 45 e composições granulométricas, pelo método da ABNT NBR NM 248.

Todos os ensaios foram realizados no LABEME – UFPB, com auxílio do técnico Cláudio, e

seus resultados podem ser verificados em anexo.

Para o cálculo da resistência de dosagem foi usado um Sd = 4,0 MPa, pois houve

assistência de tecnologista, todos materiais foram medidos em massa, houve correção das

quantidades de agregado miúdo e da água em função da determinações precisas do teor de

umidade dos agregados e houve, por fim, garantia da homogeneidade dos matérias.

Para o cálculo do TUP, foi determinada as seguintes condições: concreto C30, fc28 =

36,6 MPa, abatimento = 80 mm, ρcim = 3,15 Kg/dm³, ρareia = 2,64 g/cm³ = 2,64 Kg/dm³, ρbrita =

2,62 g/cm³ = 2,62 Kg/dm³, Dmáx = 19 mm, MUareia = 1,52 Kg/dm³ e MUbrita = 1,7 Kg/dm³.

Page 46: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

46

Pelo método, para um abatimento de 80 mm, temos o consumo de água é de Ag = 215

Kg/m³. Para encontrar a relação água/cimento para um fc28 = 36,6 MPa, é necessário fazer a

interpolação, segundo o método, entre os resultados fc28 = 40 ↔ a/c =0,41 e fc28 = 34 ↔ a/c

=0,48, o que nos dá o seguinte resultado:

Sendo assim, o consumo de cimento:

O volume de água é dado por:

O volume de cimento é dado por:

Pelo método, para um Dmáx da brita de 19 mm e um módulo de finura da areia de 1,91,

temos que o volume de agregado graúdo Vp por m³ é:

Vp = 0,6

Logo, o consumo de agregado graúdo é dado por:

Page 47: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

47

Assim, O volume de agregado graúdo é dado por:

Ainda pelo método, para um Dméx da brita de 19 mm, tem-se um teor de ar aprisionado

de 2%, assim o volume de ar é dado por:

O volume de agregado miúdo é dado por:

Assim, o consumo de areia é dado por:

Por fim, traço em peso é:

478 : 591 : 1020 : 215 (cimento:areia:brita:água) ÷ 478

1 : 1,2 : 2,1 : 0,45 - TUP

Page 48: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

48

5.4.2 Verificação do traço desenvolvido

Para determinação do volume de concreto a ser produzido para realizar a verificação

da textura, integridade e slump teste, inicialmente foi calculado o volume do tronco de cone,

que possui altura de 30cm e diâmetro de 20cm:

Assim, a quantidade de cimento é dada por:

Multiplicando todo o TUP por 5, temos que:

5 : 6 : 10,5 :2,25 dm³

Foi verificada uma boa textura e integridade do concreto, no entanto de difícil

trabalhabilidade. Para melhorar esse aspecto foi adicionado 2ml de aditivo MSET PLAT N,

da marca MSET, para cada quilo de cimento, conforme indicação do próprio produto. Assim,

no slump teste foi encontrado um slump de 120mm e não de 80mm. Esse aditivo não altera as

reações do cimento, apenas confere maior plasticidade ao concreto, dessa forma, obteve-se

um concreto mais fácil de se trabalhar e aplicar nas vigas armadas.

Page 49: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

49

O ensaio de resistência a compressão axial foi realizado 7 dias após a confecção e cura

na água dos corpos-de-prova. Nesse ensaio, uma prensa de ação descendente, comprime os

corpos-de-prova até que ele atinja seu limite último de resistência, ou seja, sua fratura. A

ABNT NBR NM 101, diz que deve ser admitido como resultado do ensaio o maior valor,

obtido com pelo menos dois testes.

Na figura 14 tem-se o rompimento de um dos corpos-de-prova.

Figura 14: Prensa mecânica.

Foram obtidas as seguintes forças para cada corpo de prova:

F1 =24663 Kgf

F2 = 20478 Kgf

Assim, tem-se que:

Page 50: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

50

Assim, a resistência a compressão axial do concreto produzido, aos 7 dias, foi de 31,4

MPa. Apesar desse valor ser inferior a resistência de cálculo determinada, de 36,6 MPa, esse

valor condiz ao 7 dias de vida do exemplar, pois até atingir 28 dias sua resistência subirá

consideravelmente.

5.4.4 Cálculo do volume de concreto com correção do traço segundo a umidade

Para determinação do volume de concreto a ser produzido para concretagem das três

vigas, de dimensões idênticas, 2,2 x 0,1 x 0,2 m:

Assim, tem-se que a quantidade de cimento é dada por:

Adotando-se uma margem de segurança, foi produzido um traço com 73 Kg de

cimento, dividido em 2 betonadas.

73 : 87,6 : 153,3 : 32,85 (traço completo) ÷2

36,5 : 43,8 : 76,65 : 16,425

cimento : areia : brita : água

Para correção da umidade da areia foi utilizado o método speed. O manômetro, então,

verificou um teor de umidade, w, de:

Page 51: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

51

w = 3,1

Assim, tem-se que:

Assim, para 43,8 quilos de areia seca, determinado no cálculo do traço, temos um peso

de areia úmida de:

O peso de água adicional, fornecida pela umidade da areia é dada por:

Assim, esse valor deve ser subtraído da relação água/cimento calculada:

Assim, foram feitas duas betonadas de concreto para concretagem das vigas, com as

seguintes quantidades de materiais:

36,5 : 45,16 : 76,65 : 15,065

cimento : areia : brita : água

6 RESULTADOS

Uma vez as vigas reforçadas, foi feito um ensaio a flexão com cada uma delas: uma

viga de referência, sem reforço; uma viga reforçada com chapa de aço colada com

geopolímero e uma viga reforçada com manta de sisal colada com adesivo epóxi.

Page 52: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

52

Tal ensaio foi realizado no pórtico do laboratório, conforme figura 15:

Figura 15: Ensaio de flexão.

Abaixo e no centro da viga, foi colocado um extensômetro, para medir a deflexão da viga

e fazer os comparativos. E através de um leitor de carga, pode-se verificar a carga aplicada até

sua ruptura, conforme figura 16.

Figura 16: Extensômetro locado no centro da viga.

Page 53: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

53

6.1 VIGA DE REFERÊNCIA

Na figura 17 tem-se a curva carga x deflexão para a viga de referência. O

comportamento é o esperado.

Figura 17: Curva carga x deflexão da viga de referência.

A carga máxima, 2P, foi de 50,45 kN e ela corresponde a um momento máximo de

16,39 kNm. O momento teórico de cálculo era de 10,94 kNm.

A figura 18 mostra o aspecto da viga fissurada.

Figura 18: Aspecto da viga fissurada.

Page 54: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

54

Na figura 19 vê-se a viga após a ruptura. Nota-se que houve esmagamento do concreto

na região comprimida da viga.

Figura 19: Esmagamento do concreto na região comprimida da viga.

6.2 VIGA REFORÇADA COM CHAPA DE AÇO E COLADA COM GEOPOLÍMERO

O segundo ensaio foi na viga reforçada com chapa de aço, colada com geopolímero,

como mostra a figura 20.

Figura 20: Viga reforçada com chapa de aço.

Na figura 21 tem-se a curva carga x deflexão para a viga reforçada com chapa de aço

colada com geopolímero.

Page 55: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

55

.

Figura 21: Curva carga x deflexão da viga reforçada com chapa de

aço colada com geopolímero.

A carga máxima, 2P, foi de 49,35 kN e ela corresponde a um momento máximo de

16,04 kNm. Isto mostra que não houve nenhum aumento da resistência a flexão da viga. A

explicação mais cabível, para esse ocorrido, é que o geopolímero não proporcionou a

aderência necessária entre os dois materiais, estando, a chapa de aço, ao final do ensaio,

praticamente intacta, não apresentando nenhuma deformação. A aderência é caracterizada

pela resistência as forças de cisalhamento que se dão entre os materiais colados, logo o

geopolímero utilizado não proporcionou essa resistência ao cisalhamento.

Na viga 22 tem-se o descolamento da chapa de aço da viga.

Figura 22: Descolamento da chapa de aço da viga.

Page 56: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

56

A falta dessa aderência, pode ter se dado devido a alta viscosidade do geopolímero, o que

dificulta sua mistura manual e sua trabalhabilidade na hora da colagem. No entanto, estudos

mais específicos, a cerca desse material precisariam ser desenvolvidos para descobrir as reais

causas desse ocorrido, o que não é escopo desse trabalho.

A comparação entre o comportamento da viga de referência e o da viga reforçada com

chapa de aço pode ser observada na figura 23:

Figura 23: Comparação entre as curvas de carga x deflexão

da viga reforçada com chapa de aço e a viga de referência.

Nota-se que os gráfico quase se sobrepõem, mostrando que não houve aumento de

capacidade de carga em momento algum.

6.3 VIGA REFORÇADA DO MANTA DE SILSAL COLADA COM ADESIVO

COMPOUND

O terceiro ensaio a ser realizado foi na viga reforçada com manta de sisal, colada com

adesivo epóxi, conforme figura 24.

Page 57: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

57

Figura 24: Viga reforçada com manta de sisal colada com adesivo epóxi.

Na figura 25 tem-se a curva carga x deflexão para a viga de reforçada com manta de

sisal colada com adesivo epóxi.

Figura 25: Curva carga x deflexão da viga reforçada com

manta de sisal colada com geopolímero.

A carga máxima, 2P, foi de 52,68 kN e ela corresponde a um momento máximo de

17,12 kNm. Isto nos mostra que não houve nenhum aumento considerável da resistência a

flexão da viga. Nesse caso, o adesivo compound proporcionou a aderência e resistência ao

cisalhamento necessárias a colagem, no entanto verificasse que a manta de sisal não forneceu

Page 58: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

58

capacidade resistente a flexão, não conferindo aumento de carga considerável a viga de

concreto armado.

A fissuração da viga é mostrada na figura 26.

Figura 26: Fissuração da viga reforçada com manta de sisal.

Logo, conclui-se que não é cabível utilizar esse tipo de material no reforço de vigas

solicitadas a flexão.

Mesmo assim, podemos fazer um comparativo entre o comportamento apresentado na

viga de referência e na reforçada com manta de sisal, conforme figura 27:

Figura 27: Comparação das curvas de carga x deflexão

da viga de referência com a reforçada com manta de sisal.

Page 59: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

59

Vê-se que as linhas dos gráficos praticamente se sobrepõem, revelando que não houve

quase aumento de capacidade de carga em momento algum.

6.4 VIGA REFORÇADA COM CHAPA DE AÇO/GEOPOLÍMERO X VIGA

REFORÇADA COM MANTA DE SISAL/COMPOUND

Como não houve aumento de carga em nenhuma das vigas reforçadas, temos que o

comportamento da viga reforçada com chapa de aço, colada com geopolímero e o

comportamento da viga reforçada com manta de sisal, colada com adesivo compound são

praticamente semelhantes entre si.

Figura 28: Comparação entre a viga reforçada com chapa de aço

e a reforçada com a manta de sisal.

O pequeno aumento de resistência, com o acréscimo da manta de sisal, não é

considerado significante, uma vez que pode facilmente ter sido ocasionado pelo processo de

execução das vigas.

7 CONCLUSÃO

Page 60: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

60

Ao final deste estudo, compreende-se que a necessidade do desenvolvimento de

alternativas mais sustentáveis para soluções de engenharia, como o reforço de vigas em

flexão, é um caminho que deve ser percorrido. Para tanto, estudos mais detalhados e com

melhores condições devem ser desenvolvidos a fim de garantir resultados mais precisos, e

consequentemente contribuir para o desenvolvimento de produtos, métodos e processos que

auxiliem na boa engenharia sustentável.

Apesar de os resultados com essa pesquisa não terem sido satisfatórios, não sendo

possível a aplicação de nenhum dos dois métodos sugeridos no reforço de vigas em flexão,

esta contribui para possíveis aprofundamentos no tema, servindo de parâmetros para estudos

futuros que possam realmente trazer resultados na área.

Algumas questões como a viscosidade do traço de geopolímero adotado e seu processo

de mistura, devem ser analisadas mais de perto, em posteriores estudos, uma vez que esses

fatores podem ter influenciado diretamente no não acionamento da chapa de aço, devido a

falta de aderência.

Quanto ao reforço com manta de sisal, este material deve ser repensado neste uso, uma

vez que foi utilizado um adesivo convencional de mercado, com bons resultados

comprovados, mas mesmo assim, o reforço não proporcionou aumento de capacidade de

carga da viga. A maior potencialidade desse tipo de reforço seria em estruturas de madeira,

que têm módulo de elasticidade mais compatível com os das mantas de sisal.

8 REFERÊNCIAS

Page 61: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

61

ALVES, Maria Odete. Tecnologia e relações sociais de produção no setor sisaleiro

nordestino. Fortaleza, 2005.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas

de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, 2004.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8953: Concreto para fins

estruturais – classificação por grupos de resistência – Procedimento. Rio de Janeiro, 1992.

BARROS, S De et al. Aderência de placas metálicas coladas com materiais alcalinamente

ativados. João Pessoa, 2008.

BARROS, S De et al. Adhesion of Geopolymer Bonded Joints Considering Surface

Treatments. João Pessoa, 2012.

CÁNOVAS, Manuel F. Patologia e Terapia do Concreto Armado. Editora: PINI. São Paulo,

1988.

FERRARI, Vladimir José et al. Reforço à flexão em vigas de concreto armado com manta de

fibra de carbono: mecanismos de incremento de ancoragem. Santa Catarina, 2002.

LOPES, Marcelo. Reforço a flexão mediante colagem de armadura externa: um estudo da

durabilidade. Campinas, 2000.

MEHTA, P. Kumar; MONTEIRO, Paulo J. M. Concreto: Microestrutura, Propriedades e

Materiais. Editora: IBRACON. São Paulo, 2008.

NEIRA, Dorivalda S. M. Fibras de sisal como isolante térmico de tubulações. Natal, 2005.

SALIBA, Clémenceu Chiabi. Técnicas de recuperação de estruturas de concreto armado sob

efeito da corrosão das armaduras. Belo Horizonte, 2005.

TEOBALDO, Izabela N. C. Estudo do aço como objeto de reforço estrutural em edificações

antigas. Belo Horizonte, 2004.

Page 62: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

62

9 ANEXOS

Page 63: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

63

Ensaio: Agregado miúdo – Determinação da massa específica e massa específica aparente.

Material: Areia natural

Procedência: Região do Caxitu

Resultados obtidos

Amostra: Massa seca em estufa (Ms): 500 g.

Massa do recipiente + água destilada: 923,4 g.

Massa do recipiente + água destilada + amostra: 1234,09 g.

Massa específica: 2,64 g/cm3.

Ensaio: Agregado graúdo – Determinação da massa específica, massa específica aparente e

absorção de água.

Material: Agregado Graúdo – Pedra ganítica britada

Procedência: Mineradora Rolim Braga

Resultados obtidos

Amostra: Massa seca em estufa (Ms): 500 g.

Massa do recipiente mais água destilada: 923,4 g.

Massa do recipiente mais água destilada mais agregado: 1232,3 g.

Massa específica: 2,62 g/cm3.

Ensaio: Agregados – Determinação da massa unitária e do volume de vazios – Método C.

Material: Agregado miúdo – Areia natural.

Procedência: Região do Caxitu.

Resultados obtidos

Discriminação 1a. Det. 2

a. Det. 3

a. Det. Média

Massa do recipiente + amostra (kg) 16,60 16,65 16,70

1,7 Massa do recipiente (kg) 4,75 4,75 4,75

Massa da amostra (kg) 11,85 11,90 11,95

Volume do recipiente (dm3) 7,00 7,00 7,00

Massa unitária estado solto (kg/dm3) 1,69 1,70 1,71

Page 64: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

64

Ensaio: Agregados – Determinação da massa unitária e do volume de vazios – Método C.

Material: Agregado graúdo – Pedra Granítica Britada.

Procedência: Mineradora Rolim Braga.

Resultados obtidos

Discriminação 1a. Det. 2

a. Det. 3

a. Det. Média

Massa do recipiente + amostra (kg) 15,20 15,40 15,60

1,5

2

Massa do recipiente (kg) 4,75 4,75 4,75

Massa da amostra (kg) 10,45 10,65 10,85

Volume do recipiente (dm3) 7,00 7,00 7,00

Massa unitária estado solto (kg/dm3) 1,49 1,52 1,55

ENSAIO: ABNT NBR NM 248 - Agregados - Determinação da composição granulométrica.

MATERIAL: areia natural

PROCEDÊNCIA: Região do Caxitu

RESULTADOS OBTIDOS

Peneiras (mm, µm) Peso retido (g)

Percentagem retida

(%)

Percentagem retida

acumulada (%)

4,75 7,80 0,78 1

2,36 40,90 4,09 5

1,18 68,00 6,80 12

600 163,80 16,38 28

300 325,1 + 0,2 32,53 61

150 226,70 22,67 84

Resíduo 167,50 16,75

Total 100,00 100,00

Dmáx. caract.(mm) 2,36

Módulo de Finura 1,91

ENSAIO: ABNT NBR NM 248 - Agregados - Determinação da composição granulométrica.

MATERIAL: Pedra granítica britada PROCEDÊNCIA: Mineradora Rolim

Page 65: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

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RESULTADOS

Peneiras Peso retido (g)

Percentagem retida

(%)

Percentagem retida

acumulada (%)

75 mm

63 mm

50 mm

37,5 mm

31,5 mm

25 mm

19 mm

12,5 mm 1431,40 28,63 29,00

9,5 mm 1124,60 22,49 51,00

6,3 mm 1297,10 25,94 77,00

4,75 mm 539,70 10,79 88,00

2,36 mm 88,00

1,18 mm 88,00

600 µm 88,00

300 µm 88,00

150 µm 88,00

RESÍDUO 607,2

TOTAL 5000,00

Dmáx. caract. (mm) 19,00 Módulo de Finura 6,08