O PAPEL DO CONCRETO PROJETADO NA IMPERMEABILIZAÇÃO DE TÚNEIS: Os últimos 10 anos

Antonio D. de Figueiredo

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

antonio.figueiredo@usp.br

VOCÊS SE LEMBRAM DO QUE ACONTECEU HÁ DEZ ANOS?

Eu não lembrava...

Em 2005 ocorreu:Falecimento de João Paulo IIJulgamento de SaddanKatrina em Nova Orleans...

RESOLVI BUSCAR O QUE EU HAVIA FALADO ANTES...

Grande preocupação (ITA, 1998)

“Necessidade” de túnel “estanque”:Minimizar entrada de agentes agressivos e

lixiviação – garantir durabilidade da estrutura

Alteração do nível do lençol freático

Ataque às instalações do túnel

4

COMPARANDO CONCRETO PROJETADO COM O CONVENCIONAL

DANTAS & TANGO (1990) e ARMELIN et al (1994)

Material K (cm/s) Vazios permeáveis (%)

Concreto

convencional

3,41x10-9 12,9

Concreto

projetado

<10-11 15,1

Concreto projetado do revestimento do túnel

Via seca 10-8 a 10-10 12,4

Via úmida ~10-11 14,4

5

EFEITO DA PERMEABILIDADE

Dados de partidaK~10-10

20 m.c.a.

espessura~15cm

Darcy:Vazão de água: ~(0,48cm3/hora)/m2

Tempo do percurso: ~35 anos

6

PORQUE ENTÃO OS TÚNEIS VAZAM?

PAPEL DO CONCRETO PROJETADO NA IMPERMEABILIZAÇÃO

O próprio concreto projetado proporciona certa impermeabilização.

Em muitos túneis, ele é o único responsável por isso. A fissura faz o resto.

É a base para qualquer sistema de impermeabilização.

Quanto menos água passa pelo concreto projetado, menos se exige do sistema de impermeabilização.

7

O QUE TER EM MENTE?

Não basta controlar a compacidade/resistência do concreto projetado: deve-se controlar fissuração.

Quanto maior a exigência de resistência, maior é o consumo de finos e, consequentemente, maior o nível de retração/fissuração

8

O QUE TER EM MENTE?

Túneis são obras contínuas e o concreto projetado retrai sempre: com boa aderência há restrição e fissura...

9

CUIDADOS NA ESPECIFICAÇÃO

Não basta usar modelos do concreto convencional

Exigências de desempenho devem ser compatíveis com a utilização

Resistência não é sinônimo de desempenho

Fibras podem ajudar quando bem especificadas

10

ALTERNATIVA PARA CONTROLAR FISSURAS: USO DE FIBRAS

11

P P

Concreto sem fibras

P P

Menor concentração de tensões Linha de tensão

Matriz de concreto

Fibra de aço

Concreto com fibras

Fissura

Concentração de tensões Fissura

O QUE FOI FEITO NOS ÚLTIMOS TEMPOS?

É impossível imaginar que algo evolua sem um esforço de P&D.

Se alguma coisa foi feita e não se registrou, muito provavelmente vai se perder.

A evolução é contínua: não podemos pensar em soluções baseadas apenas na experiência: o que eu já fiz e funcionou...

PROCURANDO NA PLATAFORMA LATTES...

Em primeiro lugar aparece Danielicujo último artigo foi publicado em 2002

SITUAÇÃO DIFÍCIL: POUCA EVOLUÇÃO PERTO DAS NECESSIDADES

Apesar de esparsos, houve progressos:Publicação do novo fib Model Code

Publicação de modelos de previsão de comportamento

Melhor potencial de parametrização do material

Alternativas de controle do concreto projetado com fibras.

SITUAÇÃO ATUAL DO CRF

A evolução do CRF no Brasil está bem atrasada.

Na Europa já há aplicações em lajes de edifícios unicamente reforçadas com fibras (DESTRÉE, 2009).

Aqui ainda fazemos, principalmente, pavimentos e sem controle de qualidade adequado.

PRINCIPAIS APLICAÇÕES DO CRF NO BRASIL

Pavimentos63%

Concreto projetado

22%

Pré-fabricados

11%

Outros4%

2009

Pavimentos74%

Concreto projetado

20%

Pré-fabricados

3%

Outros3%

1o Semestre de 2010

DIFICULDADE: NORMAS OU FALTA DE...

Primeiramente: não há normas brasileiras de projeto estrutural e controle de qualidade no Brasil focando o CRF

Horizonte promissor: Novo Código Modelo fib

Adoção do modelo pela ABECE (2013)

NOVO CÓDIGO MODELO FIB

Comportamentos básicos do CRF

Baseado no trabalho: M. di Prisco, G. Plizzari, L. Vandewalle FIBER REINFORCED CONCRETE IN THE NEW FIB MODEL CODE. 3rd fib International Congress - 2010

LEIS CONSTITUTIVAS PARA TRAÇÃO UNIAXIAL

Para comportamento hardeningocorre a múltipla fissuração.

A indicação da abertura de fissura não é necessária: faz-se a avaliação experimental direta em ensaio de tração axial, sem entalhe (dog-bone) para obter a relação σ-ε:

Divide-se a deformação medida pelo braço de medida do extensômetro.

http://www.kz.tsukuba.ac.jp/~rclab/2frc-e.htm

Alternativas de controle do CRF

NOVO CÓDIGO MODELO FIB

Método básico de controle adotado EN 14651 (2007)

NOVO CÓDIGO MODELO FIB

Comportamento básico e equações constitutivas.

NOVO CÓDIGO MODELO FIB

NOVO CÓDIGO MODELO FIB

Comportamento básico e equações constitutivas. “a” se 0.5 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.7

“b” se 0.7 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.9“c” se 0.9 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.1 “d” se 1.1 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.3“e” se 1.3 ≤ fR3k/fR1k

fR1k/fLk ≥ 0,4fR3k/fR1k ≥ 0,5

TAMBÉM PODE USAR LVDT APOIADOS EM YOKE

Problema: dificuldade de realizar o ensaio com o concreto projetado.

GRANDE PROBLEMA: COMO CONTROLAR?

No Brasil nós mal controlamos a resistência à compressão:Poucos laboratórios acreditados pelo

INMETRO no Brasil (CARROMEU et al., em CBC IBRACON 2012)

Falta de confiabilidade nas determinações com variação dos resultados entre laboratórios (MAGALHÃES et al., em CBC IBRACON 2013).

GRANDE PROBLEMA: COMO CONTROLAR?

Tenacidade e comportamento pós-fissuração é muito pior:

P PP

ΔL ΔL ΔL

Não consegue com o JSCE-SF4:1984 (Guimarães e Figueiredo, 2002)

GRANDE PROBLEMA: COMO CONTROLAR?

Ensaio Barcelona Modificado:

Toaldo et al., 2013

GRANDE PROBLEMA: COMO CONTROLAR?

Ensaio Barcelona Modificado:

Toaldo et al., 2013

Monte et al., 2014

y = 0,26xR² = 0,96

y = 0,40xR² = 0,80

y = 0,16xR² = 0,99

y = 0,26xR² = 0,76

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Re

sis

tên

cia

re

sid

ua

l -

Ba

rce

lon

a

(MP

a)

Resistência residual - JSCE (MPa)

ELS_aco

ELS_PP

ELU_aco

ELU_PP

NOVAS ANÁLISES:

Trabalho em desenvolvimento com César Luis Silva e Isaac Galobardes:

“Assessment of the sprayed concrete residual strength class using the Barcelona test”

EQUAÇÕES CONSTITUTIVAS:APLICADAS EM TUBOS

Ensaio Barcelona Modificado:

Bons resultados em tubos (Monte et al., 2014)

EFNARC

ASTM C1550:2005

50kg/m3

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

Deflexão (mm)

Ca

rga

(kN

)

média

ABSORÇÃO DE ENERGIA

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25

Deflexão (mm)

Ene

rgia

(J)

média

Caráter totalmente empírico!

Nível

(EFNARC)

Energia

absorvida (J)

A 500

B 700

C 1000

ALTERNATIVA EFNARC (2011).

É possível estabelecer conexão com

EN14651 (2007)

COMO CONTROLAR A FISSURAÇÃO DO TÚNEL?

Há como prever o comportamento em termos de fissuração?

Há como avaliar qual é o consumo de fibras necessário para esse controle?

Como avaliar o padrão de fissuração?

2

f

sh

shcdπ

V2(w)f

εL

w1εE

Comprimento do elemento

Força média de

arrancamentoda fibra

Máxima abertura de fissura

especificada

Volume de fibras

necessário

Características da fibra

Deformação de retração na

iminência da fissuração

Módulo de Elasticidade na iminência da

fissuração

NUNES, N.L. Contribuição para a aplicação do concreto reforçado com fibras de aço em elementos de superfície restringidos. 2006. 242p. Tese (Doutorado)

– Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2006.

CURVA ANALÍTICA

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00

Abertura da fissura (mm)

Qu

an

tid

ad

e d

e f

ibra

s (

kg

/m³)

F1

F2

FFF1 < FFF2

(NUNES, 2006)

Como avaliar o padrão de fissuração?

Importante contribuição de Galobardes et al., 2014

Resistência à compressão

Módulo de elasticidade

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(GP

a)

Compressive strength (MPa)

I II

GALOBARDES, I., et al., Estimation of the modulus of elasticity for sprayed concrete.Construction & Building Materials. Vol. 53. 28 February 2014, Pages 48–58.

COMO PARAMETRIZAR O CONCRETO PROJETADO?

Equations from the literature

Model Code 2010 Eurocode 2 EHE-08

Ecm

Ecm,j

𝐸𝑐𝑚 = 𝐸𝑐𝑜 · 𝛼𝐸 · 𝑓𝑐𝑘 + ∆𝑓

10

13

𝐸𝑐𝑚 ,𝑗 = 9.5 · 𝑓𝑐𝑚 ,𝑗3

𝐸𝑐𝑚 = 𝛼 · 8.5 · 𝑓𝑐𝑚3

𝐸𝑐𝑚 = 𝐸𝑐𝑜 · 𝛼𝐸 · 𝑓𝑐𝑚10

13

𝐸𝑐𝑚 ,𝑗 = 𝑒𝑥𝑝 𝑠 · 1− 28

𝑡 0.5

· 𝐸𝑐𝑚 𝐸𝑐𝑚 ,𝑗 =

𝑓𝑐𝑚 ,𝑗

𝑓𝑐𝑚

0.3

· 𝐸𝑐𝑚

Model Code 2010

Eurocode 2

EHE-08

MODELOS DE PREVISÃO DE COMPORTAMENTO

GALOBARDES et al., 2014

Avaliação das equações existentes

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(GP

a)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2

Mod. EHE-08 Model Code 2010

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(GP

a)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2

Mod. EHE-08 Model Code 2010

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(GP

a)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2

Mod. EHE-08 Model Code 2010

Age: 28 d

Age: 1 d Age: 7 d

Evaluation of fit

MODELOS DE PREVISÃO DE COMPORTAMENTO

Tendência se superestimação dos valores

GALOBARDES et al., 2014

Semi-analytical approachMathematical deduction

Rebound Voigt’s equation E = Va · Ea + Vm · Em

Va + Vm = 1 Va =E − EmEa − Em

• Difference between the volumes of aggregate ofconventional concrete (𝑉𝑎,𝑐) and sprayed concrete (𝑉𝑎,𝑠)is described as:

Va,s = Va,c · 1 − r

Es = Ec · 1 − r + Em · r

0

ESEC

= 1 − r = γrConsidering:

Eurocode 2 EHE-08

𝐸𝑐𝑚,𝑗 = 𝛾𝑝 · 𝛾𝑟 · 9.5 ·3𝑓𝑐𝑚,𝑗

𝐸𝑐𝑚,28 = 𝛾𝑝 · 𝛾𝑟 · 8.5 ·3𝑓𝑐𝑚,28 𝐸𝑐𝑚,𝑗 =

𝑓𝑐𝑚,𝑗

𝑓𝑐𝑚,28

0.3𝛾𝑝·𝛾𝑟

· 𝐸𝑐,𝑗

MODELOS DE PREVISÃO DE COMPORTAMENTO

GALOBARDES et al., 2014

Semi-analytical approach

Age: 28 d

Age: 1 d Age: 7 d

Evaluation of fit

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(G

Pa

)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2 Mod. EHE-08

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(G

Pa

)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2 Mod. EHE-08

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80

Mo

du

lus

of

ela

stic

ity

(G

Pa

)

Compressive strength (MPa)

LAB Mod. Eurococde 2 Mod. EHE-08

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

Ex

pe

rim

en

tal (

GP

a)

Estimation (MPa)

R2Mod. Eurocode 2 = 0.98

R2Mod.EHE-08 = 0.97

MODELOS DE PREVISÃO DE COMPORTAMENTO

GALOBARDES et al., 2014

• Considerando que E do concreto projetado é superestimado,deve-se avaliar as condições de tensão e fissuração dos projetoscom mais cuidado.

A IMPORTÂNCIA DO MÓDULO DE ELASTICIDADE

Deformação

específica

Ten

são

Material rígido

Material flexível

A FIBRA FUNCIONA DE FATO?

Projeto em andamento: Avaliação de alternativas de sistemas de reforço e caracterização de anéis segmentados de concreto para revestimento de túneis por TBM

A FIBRA FUNCIONA DE FATO?

Convencional: melhor desempenho no ELU

Sistema híbrido: melhor desempenho no ELS

PRECISA SE PREOCUPAR MESMO COM A PERMEABILIDADE DO PROJETADO?

Se utilizar uma manta de impermeabilização há necessidade de controle de fissuração?

A manta tem seus preços “estruturais” e “custo”...

Decisão de engenharia envolve custo de concepção!

COMENTÁRIOS FINAIS

Há que se reduzir custos globais das obras (execução, operação, manutenção, ambiental, etc.).

Há que se investir em P&D.

Mais importante ainda: transferir o conhecimento adquirido na pesquisa para a prática.

Se quiserem, podem tentar me convencer de que já está tudo resolvido...

Engenharia é desenvolvimento constante!

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AGRADECIMENTOS

Meus “meninos”:Nelson Nunes, Isaac Galobardes, César Luis Silva, Cristiana Guimarães, Renata Monte e Guilherme Toaldo

Meu grande motivador:Dr. Pedro Boscov

OBRIGADO PELA ATENÇÃO!

Antonio D. de Figueiredo

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

antonio.figueiredo@usp.br