Reforço de Estruturas de Concreto Armado por Meio de ... estruturas de diversos tipos: de concreto armado, de concreto protendido, de aço e mistas. A aplicação da protensão melhora

Reforço de Estruturas de Concreto Armado por Meio de Protensão Externa Julho/2017

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ISSN 2179-5568 - Revista Especialize On-line IPOG - Goiânia - 13ª Edição nº 012 Vol.01/2017 Julho/2017

REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO POR MEIO DE PROTENSÃO EXTERNA

Rafael Pinheiro dos Santos – [email protected] (discente do IPOG)

Fábio Sérgio da Costa Pereira – [email protected] (professor PhD do UNI-RN) MBA Projeto, Execução e Controle de Estruturas e Fundações

Instituto de Pós-Graduação - IPOG Natal, RN, 20 de outubro de 2016

Resumo Desde 1950, a protensão externa vem sendo largamente utilizada para o reforço estrutural de estruturas de diversos tipos: de concreto armado, de concreto protendido, de aço e mistas. A aplicação da protensão melhora o comportamento em serviço e aumenta a capacidade portante das estruturas. Em menor escala, contribui também para resistência ao cisalhamento. O aumento de rigidez proporcionado pela protensão, decorrente do melhor controle da fissuração do concreto, pode reduzir as flechas e a vibração das estruturas, bem como reduzir a variação de tensões aumentando a resistência à fadiga. O grande diferencial da protensão quando comparada a outras técnicas de reforço é seu caráter ativo. Não é necessário que a estrutura se deforme para que o reforço comece a atuar sobre ela. São diversas as causas que podem levar à possibilidade de reabilitação de uma estrutura por meio da protensão, destacando-se a sua deterioração ao longo do tempo ou por causa de acidentes, falhas de projeto ou de construção, e alterações no uso. Palavras-chave: Protensão externa. Reforço. Concreto armado.

1 Introdução Ao longo de sua vida útil, os materiais, componentes e elementos empregados na construção civil interagem com o ambiente, o qual é constituído por agentes agressivos que apresentam variados níveis de agressividade. Segundo BEBER (2003), é natural e inevitável que, com o passar do tempo, as estruturas de concreto se deteriorem.

A utilização de materiais e componentes de baixa qualidade, especificações de projeto fora dos padrões estabelecidos por normas, exposição a ambientes agressivos, sobrecarga nas estruturas e danos devido a desastres naturais podem causar sérias deteriorações na infraestrutura. (PEREIRA, 2009, p. 15).

O meio ambiente age, principalmente, através da combinação de efeitos distintos dos diversos agentes de deterioração. Estes agentes, combinados, podem produzir um efeito maior do que a soma dos efeitos destes agentes atuando individualmente. Desta forma, o conhecimento das origens dos mecanismos de deterioração é indispensável. Apesar da grande variedade de lesões que as estruturas possam apresentar, existe uma solução para a maioria dos quadros patológicos em estruturas de concreto.


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As estruturas de concreto devem ser consideradas como produtos extremamente complexos, que apresentam uma enorme variedade de características, das quais dependerá a sua maior ou menor adequação aos propósitos estabelecidos inicialmente pelo projeto. Excetuando-se os casos correspondentes à ocorrência de catástrofes naturais, pela violência das solicitações e caráter imprevisível das mesmas, os problemas patológicos têm suas origens motivadas por falhas que ocorrem durante uma das três etapas básicas do processo da construção: concepção, execução e utilização. (BEBER, 2003, p. 5).

O processo de tratamento de uma estrutura apresenta várias etapas. A primeira constitui-se em uma análise preliminar, através do levantamento de dados sobre a condição da estrutura, e é denominada diagnóstico. De posse dos resultados dessa análise, procede-se uma avaliação das possíveis causas e a discussão de alternativas de intervenção passíveis de serem aplicadas. Essa etapa é denominada análise. Em seguida, na etapa de prognóstico, são feitas uma simulação e uma verificação dos riscos e consequências da adoção de cada alternativa proposta. Finalmente, considerando todos os dados e informações reunidos nas etapas anteriores, define-se qual o tipo de intervenção a ser aplicada. A etapa de aplicação do tratamento escolhido para restabelecer as condições de segurança ou funcionalidade de uma estrutura é denominada terapia (BEBER, 2003). A princípio, uma estrutura de concreto armado é feita para atender a uma determinada finalidade, podendo, durante sua vida útil, esta finalidade ser alterada ou estendida. Porém, sua capacidade de atender a um determinado propósito irá determinar o tipo de intervenção a ser adotada para a sua adequação. Esta intervenção pode apresentar diferentes intensidades e objetivos. Segundo SANTOS (2014), dependendo do tipo de intervenção para a renovação de uma estrutura, duas estratégias podem ser adotadas: a recuperação ou o reforço. Entende-se por recuperação o retorno da integridade das peças estruturais, incluindo a vida útil inicial. Muitas vezes, a recuperação destina-se simplesmente a reduzir a taxa de deterioração, não necessariamente restabelecendo as condições de resistência e durabilidade originais. Já o reforço, pressupõe a perda da resistência residual, ou seja, a estrutura não atendendo mais às solicitações de projeto, sendo necessário restabelecer sua funcionalidade ao nível original ou mais alto, tanto do ponto de vista da durabilidade quanto de resistência. As ações para a reabilitação de estruturas são um complexo ramo da engenharia, cujo impacto torna-se cada vez maior, na medida em que a demanda por reparos, reforços e manutenção aumenta a cada dia. Estratégias de reabilitação eficientes e que satisfaçam várias exigências de projeto e execução representam o grande desafio a ser enfrentado. O número de estruturas continua a crescer em todo o mundo, assim como a sua idade média, porém a não durabilidade dessas estruturas está tornando, cada vez mais, a necessidade de manutenção inevitável, já que a completa reposição de uma estrutura é um processo no qual se desperdiça muitos recursos naturais e econômicos, o que torna a reabilitação uma alternativa muito viável. A sociedade moderna está baseada na manutenção do desempenho de uma grande variedade de estruturas (edifícios residenciais, comerciais e industriais, pontes, viadutos, barragens, etc.). Embora estas estruturas possam parecer diferentes, identificam-se, entre elas, diversas semelhanças, tais como: degeneração estrutural, ocasionalmente, acelerada pela ação de


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agentes agressivos; mudanças no regime de utilização e aumentos nas solicitações; necessidade de mínima interrupção durante as possíveis intervenções de reparo; necessidade de estender a vida útil, minimizando os custos de manutenção; e restrições econômicas que impõem uma rigorosa avaliação do custo-benefício das diversas soluções de manutenção (BEBER, 2003). Nas últimas décadas, diversos centros de pesquisa, espalhados por todo o mundo, têm se dedicado à proposição e ao desenvolvimento de novas alternativas para o reforço de estruturas de concreto armado, com o objetivo de estender a vida útil das estruturas. Uma das técnicas mais utilizadas é a aplicação de protensão externa. A palavra protensão expressa a ideia da aplicação de um estado prévio de tensões em algo. Antes de falar sobre a protensão no concreto, pode-se ilustrar o princípio dela através de alguns exemplos práticos bastante significativos. Pode-se citar um barril constituído por gomos de madeira apertados por cintas metálicas. A compressão produzida pelas cintas se opõe às tensões causadas pela pressão interna do líquido dentro do barril. Outro exemplo de estrutura protendida é uma roda de carroça. Diferente do que muitas pessoas pensam, não se trata de uma peça única. A roda é formada por várias partes de madeira pré-fabricadas e montadas apenas por encaixes. Em torno da roda de madeira, é colocado um aro de aço que, além de evitar o desgaste das partes de madeira, solidariza o conjunto. No momento de sua colocação, o aro de aço é aquecido, aumentando, assim, seu diâmetro inicial devido à dilatação do material. Depois de instalado, o aro tende a esfriar, voltando à temperatura ambiente, e, consequentemente, voltar ao seu diâmetro inicial. Com isso, a roda de madeira se opõe ao movimento de retração do aro e este, em contrapartida, aplica esforços sobre ela, protendendo-a. O desenvolvimento dos concretos armado e protendido iniciou-se com a criação do cimento Portland na Inglaterra, em 1824. Nos anos seguintes, os franceses e os alemães também começaram a produzir cimento e a criar várias alternativas de melhoria da capacidade portante do concreto. Em 1886, P. H. Jackson, de São Francisco (EUA), propôs a primeira protensão no concreto. No mesmo ano, o alemão Matthias Koenen desenvolveu um método de dimensionamento empírico para alguns tipos de construção de concreto armado, baseado em resultados de ensaios segundo o sistema Monier. (VERÍSSIMO e JÚNIOR, 1998). No final do século XIX, várias patentes de métodos de protensão e ensaios seguiram sem êxito. A protensão se perdia devido à retração e à fluência do concreto, desconhecidas naquela época. No começo do século XX, Mörsch desenvolveu a teoria iniciada por Koenen, endossando suas proposições através de vários ensaios. Os conceitos desenvolvidos por Mörsch constituíram, ao longo de décadas e em quase todo o mundo, os fundamentos da teoria do concreto armado e seus elementos essenciais são válidos até os dias de hoje. Por volta de 1912, Koenen e Mörsch chegaram à conclusão que uma protensão reduzida tinha seu efeito perdido com o passar do tempo, devido à retração e à deformação lenta do concreto e à baixa resistência dos aços. Em 1924, o francês Eugene Freyssinet já empregara a protensão para reduzir o alongamento de tirantes em galpões com grandes vãos. Em 1928, Freyssinet pesquisou as perdas de


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protensão produzidas pela retração e deformação lenta do concreto, atestando que só é possível garantir durabilidade da protensão com a utilização de elevadas tensões no aço. Em diversos países começaram a surgir entidades (Comissões, Institutos, etc.) para o concreto armado, das quais faziam parte representantes dos serviços públicos, da indústria da construção civil e de organizações científicas. Esses órgãos, através da pesquisa e do desenvolvimento de novas formas de construção, foram essenciais para a evolução do emprego dos concretos armado e protendido na construção civil. A partir de 1949, segundo VERÍSSIMO e JÚNIOR (1998), o desenvolvimento do concreto protendido se acelerou. Em 1950, aconteceu, em Paris, a primeira conferência sobre concreto protendido, dando origem à FIP (Federation Internationale de la Precontrainte). No mesmo ano, Finster Walder executou a primeira ponte em balanços sucessivos; o método espalhou-se por todo o mundo. Na mesma época, surgiram as cordoalhas de fios. O sistema de colocar os cabos de protensão em bainhas, no interior da seção transversal de concreto endurecido, estabelecendo-se, posteriormente, a aderência por meio da injeção de uma argamassa adequada de cimento, foi consagrado definitivamente. Esse sistema se tornou a base para a execução de estruturas protendidas de grandes vãos (FIGURAS 1, 2 e 3).

Figura 1 – Ponte protendida em balanços sucessivos Fonte: VERÍSSIMO e JÚNIOR (1998)

Figura 2 – Ponte protendida em balanços sucessivos, na Itália Fonte: VERÍSSIMO e JÚNIOR (1998)


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Figura 3 – Ponte protendida em balanços sucessivos Fonte: VERÍSSIMO e JÚNIOR (1998)

A ponte do Galeão, no Rio de Janeiro, foi a primeira obra em concreto protendido do Brasil. Ela foi construída em 1948, o sistema utilizado foi o Freyssinet e todas as etapas e materiais foram importados da França: o projeto, o aço, os equipamentos, etc. Em 1952, a Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira iniciou a fabricação do aço para protensão. Com isso, a segunda obra brasileira, a ponte de Juazeiro, já foi executada com aço brasileiro. Em 1953, foi publicada a DIN 4227, norma alemã de concreto protendido. A partir de 1956, as unidades de protensão e racionalização dos métodos construtivos, principalmente na construção de pontes, seguiram aumentando sua capacidade.

Na década de 1970, consagrou-se a preferência por cabos protendidos internos, constituídos por cordoalhas ancoradas individualmente por meio de cunhas. Este sistema tornou-se o mais competitivo por permitir a construção de cabos de grande capacidade, com protensão da ordem de 200tf a 600tf. O Comité Euro-Internacional du Betón (CEB/FIP) publicou, em 1978, o Código Modelo para Estruturas de Concreto Armado e Concreto Protendido. Muitas entidades de normalização, em vários países, usam o Código Modelo do CEB como base para a elaboração de suas normas técnicas. (VERÍSSIMO e JÚNIOR, 1998, p. 6).

O objetivo deste trabalho é apresentar de maneira prática e sucinta uma parte da ampla informação existente sobre o tema bastante atual “reforço de estruturas de concreto armado por meio de protensão externa”, visando ser uma ferramenta útil e ao mesmo tempo de consulta rápida para profissionais que atuam na área de engenharia especializada, tanto na elaboração de projetos de reforço estrutural quanto na execução de reforços estruturais.

2 Pesquisas importantes realizadas sobre o tema: Reforço Estrutural por meio de Protensão Externa ALMEIDA (2001) apresentou um amplo estado-da-arte sobre reforço estrutural por meio de protensão externa. Foram descritas algumas obras realizadas com esta técnica e relatados e analisados alguns ensaios em vigas protendidas com cabos externos. Diversos métodos de cálculo de vigas protendidas com cabos não aderentes foram apresentados. Foi mostrado,


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também, um procedimento para previsão da forma de ruína de vigas protendidas com cabos externos, sendo feito um estudo experimental, ensaiando-se 3 vigas de concreto armado reforçadas por meio da protensão de cordoalhas engraxadas. Os resultados dos ensaios foram analisados e comparados com previsões teóricas feitas a partir dos métodos de cálculo estudados e com resultados de ensaios em vigas reforçadas com outras técnicas. Do estudo realizado, foi possível comprovar os benefícios da protensão não só no que se refere à resistência ao momento fletor, mas também ao esforço cortante. O objetivo do trabalho foi analisar o uso da protensão externa como técnica de reforço de vigas de concreto armado, apontando os benefícios na sua utilização e levantando aspectos importantes em relação a detalhes construtivos e ao dimensionamento. Para atingir o objetivo, foram estabelecidas algumas metas mais específicas: - Reunião de informações a partir da bibliografia existente e de aplicações práticas a respeito do uso da protensão para o reforço de estruturas, elaborando-se um amplo estado-da-arte sobre o assunto; - Estudo dos métodos de dimensionamento de elementos fletidos submetidos à protensão externa e do comportamento de vigas de concreto armado reabilitadas com elementos externos protendidos por meio de simulações experimentais; - Comparação dos resultados obtidos experimentalmente com previsões teóricas feitas a partir dos métodos de cálculo estudados e com resultados de ensaios realizados por REIS (1998) em vigas reforçadas por meio de outras técnicas; - Estabelecimento de parâmetros que nortearam o projeto e a execução do reforço de vigas de concreto armado com cabos externos protendidos. MARIANO (2015) abordou vários métodos de recuperação/reforço estrutural, objetivando aumentar o conhecimento e o campo de pesquisa para os profissionais do ramo da Construção Civil, dando maior destaque para a utilização do método da protensão externa por mostrar-se alternativa eficiente, prática e econômica para a recuperação e reforço de estruturas em concreto armado. O trabalho teve como objetivo fazer um breve relato sobre as causas das manifestações patológicas nas estruturas de concreto armado e discorrer sobre algumas técnicas de recuperação e reforço dessas estruturas, analisando vantagens e desvantagens de cada uma, com maior destaque para o método da protensão externa. Fazendo uso de bibliografia reconhecida pelos meios acadêmicos, foram citados alguns erros e falhas nos processos da construção civil, tais como: erros na fase de projeto, falhas na compra e/ou na escolha dos materiais, falhas na fase de execução, falta de manutenção pós entrega e mau uso da edificação. A escolha correta do processo é fundamental para o sucesso das operações de recuperação e reforço das estruturas de concreto armado. Para ajuda na escolha, foram apontadas vantagens e limitações de alguns métodos de recuperação estrutural, tais como: recuperação com aumento de seção, utilização de manta de fibra de carbono, incorporação de chapas metálicas e protensão externa. Tema central da monografia, o método de reforço/recuperação utilizando a protensão externa foi bem explorado. Foram mostrados casos de utilização do método e principais vantagens,


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como facilidade de execução, possibilidade de intervenção com a edificação em uso, pouca ou nenhuma necessidade de demolições e prazos executivos geralmente menores que em outros processos. A protensão em pontes de madeira também foi citada como alternativa interessante para o reforço, substituição ou construção de novas pontes (principalmente em rodovias rurais e/ou secundárias, onde estas são de pequeno e médio portes) com grande ganho econômico e no prazo da execução em relação aos processos convencionais. TEJEDOR (2013) estudou as características das estruturas em concreto armado e protendido, mais particularmente as pontes, manifestações patológicas mais comuns e técnicas de detecção e inspeção. Foram estudadas técnicas de recuperação estrutural, quando a estrutura deve ser reabilitada para retornar à condição inicial, e de reforço, quando se pretende aumentar a capacidade portante. Como exemplo de aplicação, foi apresentado o caso de uma estrutura de ponte que precisava ser reforçada e ampliada, devendo-se adequar a carga móvel de projeto. Os principais resultados da análise de solicitações, dimensionamento e verificação estrutural foram abordados, visando a solução de reforço com protensão externa. A monografia teve a intenção de apresentar uma introdução ao tópico do reforço e manutenção das estruturas, não muito discutido, nas universidades, durante o curso de Engenharia Civil. Essa ausência de conhecimentos aprofundados sobre o assunto foi um dos motivos pela escolha do tema, além de ser um assunto atual. Ao longo do trabalho, foi feito um percurso desde o conceito de concreto armado e protendido, passando pelas manifestações patológicas que esse material sofre nas estruturas de pontes, até chegar às diferentes técnicas e métodos para a sua reabilitação e reforço. Deu-se especial importância ao reforço com protensão externa, pois é o método mais utilizado na aplicação prática do reforço. Foi tomado como partido uma ponte antiga que sofreu uma ampliação de tabuleiro e, com a mudança da norma, também teve que se adaptar a um acréscimo de sobrecarga móvel. Para executar o reforço na ponte, de 52 metros de comprimento e 10,90 metros de largura, foram empregadas 24 (vinte e quatro) cordoalhas de 15,2mm de diâmetro nominal - aço CP190 - no vão central e, nos vãos restantes, 16 (dezesseis) cordoalhas do mesmo material. 3 Caracterização da Protensão Externa e diferenças entre a Protensão Externa e a Protensão Interna Dependendo de como estiver disposta a cordoalha na seção transversal, a protensão pode ser definida como interna ou externa. No caso da interna, a cordoalha se situa no interior da seção transversal de concreto. E, no caso da externa, a cordoalha se situa fora da seção transversal do concreto e no canto desta. No sistema de protensão externa, após a concretagem do elemento estrutural, são colocadas cordoalhas externamente, as quais são esticadas quando o elemento estrutural adquire a resistência necessária. Ao contrário do sistema de protensão interna, a trajetória da cordoalha não é marcada com as bainhas, e sim, com as ancoragens e desviadores, tendo as bainhas apenas a função de proteger contra a corrosão; isso faz com que a trajetória da cordoalha não seja parabólica, e sim, poligonal, diferenciando-se da protensão interna, na qual não há


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compatibilidade das deformações entre aço e concreto. As forças compensatórias do concreto protendido são exercidas somente sobre as ancoragens e desviadores. Com isso, as tensões e deformações entre ancoragens, na cordoalha, são constantes, e se supõe ser nulo o deslizamento entre desviadores. Portanto, os deslocamentos entre o concreto e as cordoalhas, nas ancoragens e nos desviadores, devem ser compatibilizados, de forma a não permitir deslizamentos. (TEJEDOR, 2013). Na Figura 4, mostra-se o traçado das cordoalhas de protensão externa e os desviadores dentro de uma viga caixão de uma ponte.

Figura 4 – Traçado das cordoalhas Fonte: TEJEDOR (2013)

Outra diferença importante é a variação da excentricidade das cordoalhas externas com a carga, pois esta não segue as deformações do concreto. Ao aumentar a carga e, portanto, as deformações na peça, a excentricidade em seções críticas, como o centro do vão, diminui, o que implica a diminuição da carga última que a peça resiste. Esse efeito pode ser comprovado na Figura 5. Na peça da esquerda (a), ainda não atua a carga e, na da direita (b), ao atuar a carga, a excentricidade diminui pela curvatura do concreto. (TEJEDOR, 2013).

Figura 5 – Variação da excentricidade de uma cordoalha externa: a) sem carga, b) com carga Fonte: TEJEDOR (2013)

Para combater esse efeito, são incluídos os desviadores. O desejável seria que o traçado das cordoalhas fosse homotético ao diagrama de momentos, mas o peso que os desviadores


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introduzem na estrutura é prejudicial. O número de desviadores colocados está ligado diretamente a esses dois efeitos. 4 Elementos necessários para o Reforço Estrutural por meio de Protensão Externa Essencialmente, uma cordoalha de protensão externa é composta pelos seguintes elementos: - aço de protensão como membro de tração; - dispositivos mecânicos de ancoragem; - sistemas de proteção frente à corrosão; - selas nos pontos de desvio, no caso de cordoalhas defletidas. 4.1 Aço de prontensão Os requerimentos do aço para o concreto protendido são os especificados na norma NBR 7483/2004 (Cordoalhas de aço para concreto protendido – Requerimentos). Esses aços são de alta resistência, recebem tratamentos térmicos e caracterizam-se pela ausência de patamar de escoamento. Dependendo do tratamento térmico empregado, podem ser aliviados ou de relaxação normal (RN) e estabilizados ou de relaxação baixa (RB). Nestes últimos, o tratamento empregado reduz a relaxação do aço, diminuindo as perdas de protensão. (TEJEDOR, 2013). Os aços para armadura ativa podem se apresentar das seguintes formas: - Fios trefilados de aço carbono, com diâmetros variando entre 3 e 8mm, fornecidos em rolos ou em bobinas; - Cordoalhas constituídas por dois, três ou sete fios trefilados, enrolados em forma de hélice, fornecidos em bobinas (Figura 31);

Figura 6 – Monocordoalha Fonte: Revista Techné apud TEJEDOR (2013)

- Barras de aço-liga de alta resistência laminadas a quente, com diâmetros maiores do que 12mm e com comprimento limitado.


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Segundo TEJEDOR (2013), os aços mais utilizados têm resistência à ruptura por tração variando de 150kN/cm2 a 190 kN/cm2. No caso dos fios e barras, essa resistência é dita efetiva, e, no caso das cordoalhas, convencional. Isso porque, nas cordoalhas, a tensão não se distribui uniformemente por todos os fios. Os aços para protensão são designados pela sigla CP (aço para concreto protendido), seguido da sua resistência característica à ruptura, em kN/cm2, e da identificação em relação ao tipo de tratamento empregado (RN ou RB).

4.2 Ancoragens das cordoalhas Antigamente, as cordoalhas externas ancoravam-se com os mesmos dispositivos mecânicos empregados nas cordoalhas internas ordinárias de pós-tensão com aderência. Levando-se em consideração as condições econômicas e a base dos custos iniciais de construção de uma estrutura, essa forma de ancoragem parecia ser a escolha mais viável. Porém, vale ressaltar que as ancoragens para cordoalhas externas devem suportar, além da força da cordoalha, qualquer outra potencial força que venha a ser incrementada ao longo da vida útil da estrutura. (TEJEDOR, 2013) As cordoalhas externas aumentam as possibilidades de monitoramento, ajuste, substituição, etc., despertando o interesse das autoridades para seu uso em manutenção de pontes. Essas operações não são possíveis com as típicas ancoragens de sistemas de aderência.

4.3 Proteção contra a corrosão Os cabos de protensão não aderentes devem ser protegidos contra a corrosão durante o seu armazenamento, transporte, execução, fabricação e também após sua instalação. As estruturas consideradas em ambientes agressivos são aquelas: sujeitas à aplicação direta ou indireta de produtos químicos, em contato com águas salobres, próximas a costas marítimas, em terraplenos não impermeáveis, ou em condições semelhantes. Os ocos que são deixados para aplicar o tesado e as juntas construtivas nas ancoragens intermediárias, que, normalmente, não se mantêm secos após sua execução, também devem ser considerados expostos a ambientes agressivos. (TEJEDOR, 2013). 4.4 Desviadores Segundo ALMEIDA (2001), os desviadores são os elementos agregados à estrutura com o objetivo de desviar a posição do cabo de protensão em determinados pontos. Representam um dos aspectos principais e que influem diretamente no custo da obra. É importante definir em que quantidade e em que posições eles serão utilizados, podendo ser utilizados mesmo quando se opta por cabos retos. Neste caso, o desviador funciona mais como um “fixador” do que propriamente como um “desviador”, mantendo a excentricidade do cabo de protensão quando a viga se deforma. No caso dos cabos poligonais, é importante ressaltar que a mudança de direção nos desviadores deve ser suave para que não se tenha uma elevada concentração de tensões nestes pontos, podendo acarretar sua ruptura prematura.


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Figura 7 – Geometria dos cabos de protensão Fonte: Almeida (2001)

São muitos os tipos de desviadores utilizados em obras de reforço de vigas ou lajes. Quando se deseja aumentar a excentricidade do cabo de protensão ao longo do vão, os desviadores podem ser fixados na face inferior do elemento a ser reforçado e podem ter altura tal que forneça a excentricidade desejada. A figura 8 mostra um exemplo deste tipo de desviador, neste caso, constituído por elementos metálicos.

Figura 8 – Desviador metálico Fonte: Almeida (2001)


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Existem casos em que este tipo de desviador pode ser executado em concreto, colocando-se, na face inferior da placa de concreto, os tubos metálicos por dentro dos quais passam os cabos de protensão. Quando não se deseja ou, por limite de pé-direito, não se pode fixar os desviadores na parte inferior da viga, estes podem ser fixados nas suas laterais. No caso das vigas em seção caixão ou em seção I, podem ser criados diafragmas ou septos de concreto no interior das vigas (no caso da seção caixão) ou nas laterais da viga (no caso da seção I), de forma a permitir o desvio dos cabos. Estes diafragmas ou septos são vazados em posições específicas de forma a permitir a passagem dos cabos. Deve-se tomar bastante cuidado com a união dos dois concretos e com a colocação da armadura adequada. (ALMEIDA, 2001).

5 Metodologia do Reforço Estrutural por meio de Protensão Externa

O método consiste na incorporação de cordoalhas externas à estrutura, longitudinal ou transversalmente, utilizando desviadores metálicos, de forma a reestabelecer as condições originais ou reforçando a mesma para suportar cargas superiores às projetadas. A Figura 9 mostra detalhe esquemático do reforço de protensão externa de uma viga fissurada de concreto armado. As cordoalhas são passadas através de desviadores e tensionadas, comprimindo o concreto e eliminado o fissuramento. (MARIANO, 2015, p. 18).

Figura 9 – Detalhe de uma viga protendida externamente Fonte: VERÍSSIMO e JÚNIOR (1998) apud MARIANO (2015)

Ao utilizar a técnica de reforço estrutural por meio de protensão externa, é necessário avaliar o estado de tensões a que está submetido o concreto para que o acréscimo de força axial não cause sua ruptura. Isso pode ser importante, principalmente, se o concreto for de baixa resistência ou estiver deteriorado. Os cabos externos estão mais susceptíveis à corrosão, sendo essencial provê-los de uma proteção eficiente. Além disso, estão mais susceptíveis também à ação do fogo, ao impacto e a atos de vandalismo. O detalhamento dos desviadores e das ancoragens deve levar em conta a concentração de tensões nestes pontos. Finalmente, quando os cabos forem fixados à face inferior da viga, deve -se certificar que a diminuição da altura livre sob a ponte não cause problemas. “A proteção do sistema de protensão externa normalmente é feita com o encapsulamento dos cabos com argamassa e cobrimento com concreto convencional ou projetado” (CAMARGOS, 2013, apud MARIANO, 2015). A Figura 10 mostra proteção inadequada feita em tanque


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protendido. As cordoalhas foram protegidas somente com o encapsulamento feito com bainhas metálicas. Com o tempo, devido à agressividade do ambiente, as bainhas sofreram oxidação e perderam a eficácia da proteção, expondo as cordoalhas aos riscos do ambiente agressivo.

Figura 10 – Protensão externa de tanque industrial Fonte: MARIANO (2015)

Outro aspecto importante que deve ser considerado é que o aumento da resistência à flexão e ao esforço cortante vem acompanhado de uma redução da ductilidade das vigas. Isso se deve ao fato de que a ruína se dá por ruptura do concreto e, geralmente, sem que os cabos de protensão entrem em escoamento. No entanto, alguns ensaios mostraram que as vigas protendidas com cabos externos se deformam sensivelmente antes de atingir a ruína.

Em geral, admite-se que as vigas protendidas com cabos externos podem ser analisadas como vigas protendidas com cabos não aderentes internos. Porém, uma diferença básica entre esses dois sistemas deve ser observada: nas vigas com cabos externos os cabos não acompanham a deflexão da viga em todos os pontos, havendo uma variação da excentricidade do cabo. Este deslocamento relativo entre o cabo e o eixo da viga nada mais é do que um efeito de segunda ordem (Figura 11). Se a viga for protendida com cabos retos e sem desviadores ao longo do vão, esta variação é teoricamente igual à flecha da viga. (ALMEIDA, 2001, p. 14).

Com o intuito de eliminar uma das desvantagens da protensão externa, podem ser utilizadas as cordoalhas engraxadas e plastificadas que já possuem proteção contra a corrosão. Essas cordoalhas são de fácil manuseio e possuem baixo coeficiente de atrito devido à presença da graxa, possibilitando que a protensão seja aplicada por apenas uma das extremidades do cabo. Os macacos hidráulicos utilizados são leves e de fácil operação, simplificando a execução da protensão, o que é essencial no reforço de estruturas nas quais se deseja uma execução rápida e sem interrupção do uso da construção. (ALMEIDA, 2001). É importante destacar que, além dos cabos de aço, podem ser utilizados também cabos constituídos por fibras sintéticas embebidos em uma matriz polimérica. Destacam-se as fibras de carbono, de aramida e de vidro. No Brasil, estão sendo realizados alguns estudos com os cabos conhecidos comercialmente como Parafil, constituídos de fibras de aramida, na


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Pontifícia Universidade Católica (PUC) do Rio de Janeiro (ARAÚJO, 1997; BRANCO, 1993). “A combinação de propriedades tais como alta resistência à tração (1950 MPa), alto módulo de elasticidade (126000 MPa), baixo peso específico e excelente resistência à corrosão tornam esses cabos ideais para uso como cabos de protensão.” (ARAÚJO, 1997, apud ALMEIDA, 2001).

Figura 11 - Efeito de segunda ordem – redução da excentricidade do cabo Fonte: ALMEIDA (2001)

Além dos cabos de fibras sintéticas, existem estudos sobre a utilização de mantas de fibras sintéticas protendidas e coladas com resinas epóxi na face inferior das vigas de concreto armado. Esses estudos indicam que, por meio da protensão, é possível aproveitar melhor a capacidade das mantas de fibras sintéticas, permitindo uma redução no custo do reforço. Deve-se tomar cuidado especial com a região da ancoragem das mantas nas extremidades das vigas. Estudos adicionais ainda são necessários, principalmente no que diz respeito ao comportamento ao longo do tempo e à durabilidade do sistema proposto. (ALMEIDA, 2001). A protensão pode ser usada também para o reforço de vigas na forma de estribos externos constituídos por barras de aço protendidas. Por esse método, é possível melhorar tanto a resistência ao cisalhamento quanto a ancoragem da armadura longitudinal, devido ao confinamento do concreto. Com a protensão dos estribos, consegue-se diminuir ou até fechar fissuras existentes. (ALMEIDA, 2001).

A depender da situação que se tenha e do tipo de esforço que se queira introduzir na estrutura, podem ser utilizados cabos retos ou poligonais, ancorados nos pilares, em vigas de apoio ou nas lajes, e com ou sem desviadores. Por exemplo, quando a viga encontra-se fissurada pode-se promover uma costura dessas fissuras protendendo-se um tirante entre as suas extremidades, como na Figura 7 a) ou b). No caso da presença de flechas excessivas, estas podem ser reduzidas por meio da protensão de cabos retos ou poligonais. Quando se deseja modificar vãos por meio da eliminação de um pilar intermediário, pode-se também introduzir cabos poligonais como na Figura 7 c), gerando-se assim forças verticais em substituição ao apoio oferecido pelos pilares. Uma outra possibilidade é a introdução dos cabos externos para substituir armaduras internas corroídas que deixam de resistir à tração. Neste caso, qualquer configuração mostrada na Figura 7 pode ser escolhida, devendo-se analisar caso a caso. Por fim, a protensão pode ser utilizada para aumentar a capacidade


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portante da estrutura devido a uma mudança no nível das solicitações. Nesta situação, a escolha da configuração do cabo depende da intensidade e da forma que as ações estão sendo introduzidas. (ALMEIDA, 2001, p. 16).

Em cada caso, é preciso fazer um estudo para definir a configuração do cabo a ser utilizada, levando-se em consideração as limitações em relação ao pé-direito da edificação, o tempo e as condições para execução do reforço, os equipamentos disponíveis e a relação custo-benefício. Nesse contexto, um dos elementos principais e que influem diretamente no custo da obra são os desviadores, sendo importante definir se eles serão utilizados, em que quantidade e em que posições. Segundo VITÓRIO e BARROS (2011) apud MARIANO (2015), o método da protensão externa também pode ser aplicado às fundações, principalmente em situações em que novas estacas são cravadas, tornando necessária a criação de bloco de coroamento para solidarização destas novas estacas ao bloco existente, e, assim, garantir uma solidarização do sistema que seria difícil ser conseguida com os métodos tradicionais. VITÓRIO e BARROS (2011) apud MARIANO (2015) fizeram estudo comparativo entre o método de reforço convencional e o da protensão externa para o alargamento e reforço de uma ponte, cuja extensão era de 35,80m e largura do tabuleiro igual a 10m. Considerando a largura do novo tabuleiro igual a 12,80m, foram feitas três simulações: para o comprimento de 30m com vão de 20m, para o comprimento de 35,80m com vão de 23,40m e para o comprimento de 40m com vão de 25m. A Figura 12 mostra a ponte utilizada como referência nos estudos de Vitório e Barros, a qual está situada na BR 316, no estado do Piauí. E a figura 13 mostra, no projeto, corte longitudinal da ponte de referência.

Figura 12 – Foto da ponte de referência (BR 316/PI) Fonte: VITÓRIO e BARROS (2012) apud MARIANO (2015)


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Figura 13 – Corte longitudinal na ponte de referência

Fonte: VITÓRIO e BARROS (2012) apud MARIANO (2015)

VITÓRIO e BARROS (2012) apud MARIANO (2015) concluíram que: - Para a ponte com extensão de 30m, o sistema convencional ficou 13% mais econômico que o protendido; - Para ponte de 35,80m, o sistema convencional ficou 2% mais econômico; - Para a ponte de 40m, o sistema de protensão externa ficou 4% mais econômico em relação ao sistema convencional. Esse estudo mostrou que, quanto maior o vão da ponte, mais econômico se torna o reforço com a protensão externa.

6 Conclusão O número de estruturas está crescendo consideravelmente em todo o mundo e, com isso, a necessidade de manutenção está tornando-se inevitável. Diante disso, o investimento em técnicas voltadas para o reforço estrutural está cada vez mais intenso. A utilização da protensão externa no reforço de estruturas de concreto armado é uma das técnicas mais utilizadas atualmente no ramo da engenharia estrutural. As informações apresentadas neste artigo científico confirmam essa afirmação. Ao se fazer um reforço estrutural com protensão externa, as deformações da estrutura existente são reduzidas e sua capacidade portante é aumentada, apresentando algumas vantagens e desvantagens. Dentre as vantagens, conforme DALY (1998) apud ALMEIDA (2001), podemos citar: - É mais barato do que outros métodos que exigem reconstrução do tabuleiro da ponte; - O equipamento necessário é leve e de fácil operação, principalmente se for utilizado o sistema monocordoalha; - Pode-se aumentar a resistência à flexão e ao esforço cortante sem aumentar significativamente o peso próprio das vigas; - A excentricidade dos cabos pode ser aumentada, fixando-os por meio de desviadores na face inferior da viga; - As perdas por atrito dos cabos externos são menores do que as dos cabos internos; - Os cabos podem ser facilmente inspecionados, reprotendidos e até substituídos; - O reforço, em muitos casos, pode ser feito sem interrupção do tráfego.


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“A Figura 14 mostra os cabos e desviadores de uma ponte em concreto armado, reforçada pelo método da protensão externa. Facilidade de inspeção visual para possível manutenção do sistema protendido” (MARIANO, 2015, p. 19).

Figura 14 – Facilidade de inspeção visual do sistema protendido externamente Fonte: VITÓRIO e BARROS (2011) apud MARIANO (2015)

No que diz respeito às desvantagens, as quais devem ser levadas em consideração na escolha da técnica que melhor se adeque à situação-problema proposta, podemos citar, conforme CAMARGOS (2013) apud MARIANO (2015): - Necessidade de análise criteriosa, por parte do projetista, em função de fatores diversos como: possível falta de qualidade do concreto (normalmente antigo), para suportar as tensões necessárias. Se as novas tensões não forem calculadas de forma adequada, poderá ocorrer a ruptura da peça protendida. - Vulnerabilidade a atos de vandalismo, ação do fogo e corrosão eletroquímica, demandando necessidade de proteção do sistema; - Necessidade de mão de obra altamente qualificada para os serviços. Referências ALMEIDA, T.G.M. (2001). Reforço de vigas de concreto armado por meio de cabos externos protendidos. São Carlos, 142p. Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. Disponível em: <http://web.set.eesc.usp.br/static/data/producao/2001ME_TatianaGesteiraMartinsdeAlmeida.pdf>. Acesso em: 02 ago. 2016. ARAÚJO, A.F. (1997). Estudo experimental da resistência à flexão de vigas protendidas com cabos sintéticos externos. Rio de Janeiro. 135p. Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. BEBER, A. J. Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibra de carbono. 2003. 289f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) -


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Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003. Disponível em: <http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/2974/000379925.pdf?sequence=1&locale=pt_BR>. Acesso em: 31 jul. 2016. BRANCO, M.M.C. (1993). Resistência à flexão de vigas isostáticas protendidas com cabos sintéticos externos. Rio de Janeiro. 56p. Dissertação (Mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. LEITE, A. V. Q. M. et al. Manual de normalização de artigo científico. Natal: UnP, 2013. 33p. MARIANO, J. R. Recuperação estrutural com ênfase no método da protensão externa. 2015. 41p. Monografia (Especialização em Construção Civil) - Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2015. Disponível em: <http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/bitstream/handle/1843/BUBD-A9MJKE/monografia_j._r._mariano_especializa__o_const._civil_ufmg_2015.pdf?sequence=1>. Acesso em: 02 de ago. 2016. OLIVEIRA, J. G. B. T. et al. Manual de normalização bibliográfica para elaboração de citações, notas de rodapé e referências. Natal: UnP, 2008. 55p. PEREIRA, F. S. C. Avaliação de concretos reforçados por confinamento com manta de fibra de vidro estrutural e pré-impregnada. 2009. 91f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2009. Disponível em: <http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/bitstream/1/6422/1/FabioSCP_TESE.pdf>. Acesso em: 07 ago. 2016. REIS, A.P.A. (1998). Reforço de vigas de concreto armado por meio de barras de aço adicionais ou chapas de aço e argamassa de alto desempenho. São Carlos. 179p. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. SANTOS, R. P. et al. Reforço de estruturas de concreto armado com manta de fibra de carbono. 2014. 23f. Artigo científico (Graduação em Engenharia Civil) – Universidade Potiguar, Natal, 2014. TEJEDOR, C. M. Patologias, recuperação e reforço com protensão externa em estruturas de pontes. 2013. 129p. Projeto (Graduação em Engenharia Civil da Escola Politécnica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013. VERÍSSIMO, G. S.; JÚNIOR, K. M. L. C. Concreto protendido. 4. ed. Viçosa: Fundamentos básicos. 1998. 78p. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp.br/lutt/Concreto%20Protendido/CP-vol1.pdf>. Acesso em: 27 jul. 2016.


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VITÓRIO, J. A. P.; BARROS, R. C. Reforço e Alargamento de Pontes Rodoviárias com a Utilização de Protensão Externa. 7º Congresso Internacional sobre Patologia e Reabilitação de Estruturas. Fortaleza, 14p. Junho / 2011.

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Reforço de Estruturas de Concreto Armado por Meio de ... estruturas de diversos tipos: de concreto armado, de concreto protendido, de aço e mistas. A aplicação da protensão melhora