CAPTULO 1

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INTRODUO

1.1 - CONSIDERAES GERAIS

O concreto um dos materiais mais utilizados pela humanidade e, segundo Metha (1994), apenas a gua registra maior consumo. Entretanto, sabe-se que o concreto um material composto e complexo, sendo, em muitas ocasies, seu comportamento estrutural de difcil anlise, seja ela experimental ou numrica. Por outro lado, apresenta uma grande versatilidade de formas e empregos, dificilmente alcanada por outro material estrutural, a custos competitivos. Obviamente, sendo o concreto to consumido, e contatando-se que as tcnicas de construo no acompanham, como seria o ideal, o desenvolvimento tecnolgico do material, frequente o surgimento de patologias, decorrentes de diversos fatores, da especificao inadequada do concreto ausncia de programa de manuteno. Essas patologias podem ser originadas no somente nas fases de execuo da edificao, mas tambm nos projetos, desde a fase da concepo da estrutura. Vrias dessas falhas atentam contra a segurana da edificao e, muitas vezes, os danos estruturais so detectados em pilares, peas essenciais a estabilidade. Assim sendo, diagnsticos precisos e intervenes urgentes so muitas vezes requeridas, pois a runa desses elementos pode desencadear o colapso da estrutura, parcial ou global. Essas intervenes utilizam tcnicas as mais variadas, sendo um dos mais importantes tpicos de pesquisa na indstria da construo. Perante a constante ameaa de sismos no Japo, entidades pblicas e privadas conjugaram esforos no sentido de pesquisar novas tecnologias para reforo de estruturas, principalmente do sistema virio. Surgiu, ento, a idia de adaptar s estruturas a utilizao de materiais compostos de fibra de carbono

1

(CFRP), j largamente utilizados em solues de reforo de alto desempenho, particularmente nas industrias aeroespacial e naval. Entretanto, o uso dessa tecnologia no reforo de estruturas de concreto s veio ganhar maior desenvolvimento aps a ocorrncia do sismo de Kobi, em 1995. (Souza, 1998) Em relao ao reforo de pilares com folhas, tecidos ou mantas flexveis de polmero reforado com fibras de carbono, denominadas neste trabalho mantas de CFRP, constata-se a carncia de bibliografia consistente e confivel, limitando-se, quase exclusivamente, a guias e manuais tcnicos de fabricantes, sendo ainda incipiente a pesquisa independente, mesmo nos pases desenvolvidos. No fim da dcada de 90, algumas organizaes de carter normativo de nvel internacional, como o FIP (1998) e o ACI (2000), se dispuseram a elaborar documentos com o estado da arte do uso desses materiais. No entanto, vrias questes continuam em aberto, como, por exemplo, as disposies sobre coeficientes de ponderao adequados para o clculo seguro, eficiente e econmico. Apesar disto, o reforo de estruturas com CFRP vem se disseminando com grande velocidade e, muitas vezes, esses materiais tm sido usados de forma indiscriminada e, at mesmo, irresponsvel. No Brasil, essas pesquisas se iniciaram h muito pouco tempo, e, mesmo assim, a grande maioria abordando o reforo de vigas e no de pilares. Essa lacuna incentivou o presente trabalho, enfocando o estudo do comportamento de pilares de concreto armado reforados com adio de mantas de CFRP. Obviamente, por ser um programa complexo, optou-se por estudar o elemento estrutural mais simples o pilar curto de concreto armado, de seo transversal quadrada submetido compresso simples. Os ensaios buscaram simular redues na resistncia do concreto e da seo de ao comprimido, sendo os pilares reforados com mantas flexveis de CFRP, e os resultados comparados com pilares convencionais de controle. 1.2 - OBJETIVOS Esta pesquisa se insere entre os trabalhos realizados na Universidade de Braslia sobre o reforo com mantas de CFRP de peas estruturais de concreto

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armado, dentro das linhas de pesquisa Anlise experimental de estruturas e Patologia, Recuperao e manuteno de estruturas. O estudo teve como principal objetivo a anlise comparativa da capacidade resistente experimental em ensaios ruptura por compresso simples de pilares curtos de seo quadrada, reforados com mantas de CFRP, com algumas fomulaes de clculo disponveis, fornecidas por guias ou manuais tcnicos de fabricantes do produto, Master Builders (1998) e Sika (1999), alguns pesquisadores (Saafi et al, 1999), e pelo American Concrete Institute (ACI, 2000). Buscou-se, tambm, analisar o comportamento dos pilares confinados com CFRP ao longo dos ensaios, em termos das deformaes dos materiais envolvidos, a fim de se avaliar a eficcia do sistema de reforo. Nos espcimens de ensaio, foram simuladas duas situaes em que erros, de execuo ou projeto, ou patologias danificassem o pilar severamente, com reduo da resistncia compresso do concreto da ordem de 50%, e/ou reduo de 75% na rea de ao da armadura longitudinal. A partir dos ensaios dos exemplares de controle e reforados, foi possvel extrair informaes teis sobre o incremento na capacidade de carga dos pilares, proveniente do confinamento provido pela manta, e sobre o aumento na sua ductilidade. Um terceiro objetivo do trabalho foi a discusso de determinadas restries de projeto impostas ao reforo, sejam elas por caractersticas geomtricas da seo transversal do pilar ou por uma possvel influncia da taxa de armadura longitudinal de compresso existente antes do reforo. 1.3 - APRESENTAAO DO TRABALHO O Captulo 1 tem por finalidade apresentar a dissertao, salientando a necessidade da pesquisa acadmica como embasamento cientfico das tcnicas de reparo e reforo estrutural, face carncia de estudos relativos ao reforo de pilares de concreto armado com sistemas de CFRP. O Captulo 2 apresenta uma reviso bibliogrfica sobre o comportamento de pilares de concreto armado, simples ou cintado. Descreve, de forma sucinta, as causas mais comuns de patologias em estruturas de concreto. Traz, ainda, um3

resumo terico do comportamento dos pilares reforados com mantas de CFRP. Apresenta, ainda, as expresses utilizadas para clculo do reforo, segundo quatro fontes diferentes. O Captulo 3 apresenta o programa experimental, com os mtodos e materiais usados no desenvolvimento do mesmo, e, tambm, o processo de definio do modelo de pilar usado nos ensaios. Ainda so apresentadas as resistncias do pilares estimadas pelas expresses apresentadas no Captulo 2. O Captulo 4 apresenta os resultados experimentais e os confronta com as estimativas estudadas, sendo feitas anlises e discusses sobre o desempenho do sistema. O Captulo 5 sintetiza as concluses acerca do desempenho do sistema de reforo e apresenta sugestes para estudos futuros.

4

CAPTULO 2

2

PILARES DE CONCRETO ARMADO: COMPORTAMENTO ESTRUTURAL E REPARO

2.1 - CONSIDERAES GERAIS O pilar um elemento estrutural linear de eixo reto, usualmente disposto na vertical, em que as foras normais de compresso so predominantes (PNB-1/2001). Nos sistemas estruturais das edificaes, so os pilares os responsveis pela transmisso das cargas da superestrutura para as fundaes. As solicitaes de flexo-compresso constituem o caso mais geral em pilares de estruturas de concreto armado, em decorrncia da continuidade entre as vigas e/ou lajes e os pilares. As dimenses da seo transversal de um pilar so, em geral, sensivelmente menores que o comprimento, classificando-o como um elemento linear ou barra, que submetido predominantemente compresso, tem o ndice de esbeltez () como o parmetro de controle dos efeitos de flambagem. Define-se ndice de esbeltez como a relao entre o comprimento de flambagem (le) do pilar e o raio de girao ( i ) relativo ao eixo baricntrico. Assim sendo, conforme o valor de , os pilares podem ser classificados, segundo a NB 1/78 (item 4.1.1.3), em muito esbeltos (140 < < 200), esbeltos (80 < < 140), medianamente esbeltos (40 < < 80) e curtos ( < 40). Nos pilares esbeltos, os momentos induzidos por efeitos de 2 ordem podem reduzir, de forma aprecivel, a capacidade resistente. Por outro lado, nos pilares classificados como curtos os efeitos de segunda ordem podem ser desprezados e, no havendo excentricidades de carga, podem ser calculados como sujeitos a compresso simples.

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2.2 - COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE PILARES CURTOS SUBMETIDOS A COMPRESSO SIMPLES 2.2.1 - Pilares no cintados de concreto armado Nessas peas estruturais, chamadas pilares simples, a armadura longitudinal resiste, solidariamente ao concreto, s tenses normais seo e a armadura transversal, composta por estribos, no considerada no clculo da capacidade de carga dos pilares, tendo como funes principais, evitar a flambagem das armaduras longitudinais e manter sua posio na concretagem. As sees transversais podem ter as mais variadas formas (retangular, quadrada, circular, etc.) Em regies no ssmicas, 95% dos pilares de edifcios so do tipo simples. (Mac Gregor, 1992). Entende-se por pilares curtos aqueles que podem ser calculados sem a considerao de suas deformaes transversais. Pela NB 1/78, admitem-se como curtos os pilares que tenham o ndice de esbeltez () no maior que 40. Por outro lado, os pilares esbeltos, com > 40, tm sua capacidade de carga influenciada pelas excentricidades da fora normal, de considerao obrigatria no clculo, que deve prevenir o fenmeno da flambagem e levar tambm em conta a deformao lenta, quando > 80. O estado de deformaes de corpos de prova cilndricos e prismticos de concreto sob compresso axial depende da intensidade e do tipo do carregamento e das relaes entre os materiais constituintes do concreto. O concreto formado por de materiais apenas parcialmente elsticos, apresentando curva tenso-deformao no linear e com uma certa ductilidade para concretos de resistncia usual. Isto pode ser explicado pela formao de microfissuras no concreto, que surgem quando o mesmo submetido a carregamento e, at mesmo antes desse, devido retrao por secagem. Essas microfissuras internas ocorrem na superfcie de contato entre o agregado grado e a argamassa e so chamadas de fissuras de interface (Mac Gregor, 1992). Quatro estgios principais de formao de fissuras so observados nesses corpos de prova de concreto, desde sua moldagem at a ruptura, para6

concretos de resistncia usual (resistncia compresso de corpos de prova cilndricos menor que 55MPa) sem armadura: a) As deformaes de retrao por secagem do concreto so restringidas pelos agregados, resultando em fissuras antes que o pilar seja carregado. Essas fissuras tm pouco efeito no concreto e a curva tensodeformao permanece aproximadamente linear, at que se atinja cerca de 30% da resistncia ltima do concreto compresso. b) Quando o pilar submetido a cargas maiores que 30 a 40% de sua resistncia ltima, as tenses nas interfaces do agregado superam as tenses de trao do concreto e acarretam novas fissuras na interface da argamassa e do agregado. Essas fissuras, importante salientar, so estveis e sua progresso cessa se aliviada a carga do pilar. O surgimento dessas fissuras faz com que as tenses sejam redistribudas a outras regies ntegras do concreto. Esta redistribuio causa uma gradual inclinao na curva tenso-deformao do concreto, para cargas acima de 40% da capacidade ltima do pilar. c) Aumentando-se a carga para valores em torno de 50 a 60% da carga ltima, fissuras localizadas se desenvolvem na prpria argamassa, paralelas direo do carregamento, devido s deformaes transversais. O limite deste estgio conhecido por limite de descontinuidade. d) Para valores at 70 a 85% da carga ltima, a quantidade de fissuras na argamassa comea a crescer de forma mais rpidas e se formam fissuras contnuas ao longo do concreto. Como resultado, h poucas reas integras no pilar para resistirem ao carregamento e o diagrama de tenso-deformao se torna cada vez mais no-linear. O limite deste estgio conhecido como tenso crtica. Um aspecto importante deste processo de desenvolvimento de deformaes e fissuras em espcimes de concreto sem armadura so as deformaes transversais, que inicialmente crescem, conforme o valor do coeficiente de Poisson, aproximadamente igual a 0,2. Para valores de carga prximos a 85% da resistncia7

ltima do concreto, as deformaes crescem muito rapidamente e o volume do mesmo cresce, conforme pode ser visto na Figura 2.1:TensoPropagao de fissuras instveis tenso crtica propagao de fissuras estveis

3

2=1 +

23

1

Limite de descontinuidade

1

3

Incio das fissuras estveis

Trao

Deformaes

Compresso

Figura 2.1 Curvas Tenso x Deformao do concreto sob compresso uniaxial (MacGregor, 1992)

Em peas com armadura, longitudinal e transversal, com o acrscimo adicional de carga, o aumento no volume do concreto causa uma presso para fora nos estribos. Se a deformao transversal do concreto for restringida, por efeito de confinamento ou cintamento por estribos, pode ser adiada sua ruptura (Jost, 1978). Caso essa deformao no seja restrita tem-se o pilar no cintado ou simples. A avaliao da carga ltima (Pu) de um pilar curto de concreto no cintado sob compresso axial pode ser determinada como a soma da parcela resistente do concreto (Nc) e da parcela resistente do ao (Ns). Essas parcelas podem ser calculadas da seguinte forma: NC = AC

. .

C, onde Ac rea de concreto comprimida e c a tenso de

compresso no concreto; Ns = As S, onde AS a rea de ao comprimida e S a tenso de

compresso atuante no ao. Havendo acrscimos sucessivos de carga, as tenses no concreto e no ao vo atingir, respectivamente, a resistncia compresso do concreto (fc) e a tenso

8

fy, correspondente deformao especfica de ruptura do concreto a compresso simples, usualmente tomada como 0,2%. Desta forma, na ruptura, ter-se-ia:Pu = kA' . f c + A'. f ' c s y

(2.1)

No estado limite ltimo de ruptura do concreto comprimido admite-se uma reduo na resistncia do concreto compresso por um fator k < 1,0 atribudo, tradicionalmente, ao efeito Rsch. Esse fator pode ser definido como o produto de trs outros fatores, como se segue (Fusco, 1995; PNB-1, 2000):k = 0 ,85 = k mod,1.k mod,2 .k mod,3

(2.2)

Segundo Fusco, 0,85 = 1,2 x0,95 x0,75 , onde o fator kmod,1 = 1,2 leva em considerao o ganho de resistncia do concreto ao longo do tempo, kmod,2 = 0,95 corrige a resistncia, superestimada nos ensaios dos corpos-de-prova cilndricos de 15cm x 30cm, e o coeficiente kmod,3 = 0,75 considera o efeito negativo da deformao lenta do concreto. No presente trabalho, ser adotado o fator k = 0,9 para reduzir a resistncia do concreto compresso, considerando serem os ensaios de curta durao e a idade do concreto poca dos ensaios prxima aos 28 dias. Em projeto, as resistncias dos materiais devem ser ponderadas, de modo a garantir a segurana estrutural, e no Estado Limite ltimo considera-se a resistncia de clculo f cd , obtida a partir da resistncia caracterstica fck (NB-1/78, item 15.1.1.3; ABNT, 1978): f cd = f ck , sendo c o coeficiente de minorao da resistncia do concreto c

que, pela NB-1/78 (item 5.4.1), usualmente considerado 1,4.

9

2.2.2 - Pilares Cintados So assim denominados aqueles pilares que possuem uma armadura transversal capaz de restringir as deformaes transversais. Pfeil (1975) define como cintados os pilares dotados de armadura transversal que trabalha como cintura, restringindo a deformao transversal do concreto comprimido longitudinalmente. So, geralmente, requeridos quando h necessidade de uma maior ductilidade do elemento ou uma maior capacidade de carga, sem aumento sensvel em suas dimenses transversais. Pilares cintados so normalmente circulares e a armadura transversal pode ser em espiral ou simplesmente estribos com espaamentos reduzidos, como ser visto posteriormente. O dimensionamento de pilares cintados considera que o concreto esteja num estado triaxial de compresso, diferentemente do estado uniaxial dos pilares no confinados. Em outras palavras, o pilar cintado funciona de forma anloga a um corpode-prova cilndrico de concreto envolvido por uma camisa de ao, de pequena espessura em relao ao dimetro da seo transversal do concreto, quando submetido a uma carga axial. A cada estgio de carga, o concreto tende a se expandir transversalmente e o anel sofre um esforo de trao. Em nveis de tenses bastante elevados, o anel de ao permitir o alongamento transversal do concreto e o correspondente encurtamento longitudinal, sobrevindo a ruptura. (Jost, 1978). A Figura 2.2 mostra um corpo de prova cilndrico cintado. A Figura 2.3 mostra o esquema do confinamento em pilares de seo quadradas, com armadura longitudinal e estribos.

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Figura 2.2 Diferenciao entre pilares cintados e pilares simples

Figura 2.3 rea efetivamente confinada (Bonaldo, 2000)

Para fins de clculo, a presso no concreto pode ser considerada distribuda uniformemente no plano da seo e de sentido radial, havendo simetria do corpo de prova, como no caso de sees circulares. Segundo o MacGregor (1992), o ganho de resistncia pode ser mensurado pela frmula f cc = f c + 4,1 f l sendo: fcc a resistncia do concreto confinado;11

(2.4)

-

fc a resistncia do concreto sem o confinamento e ; fl a tenso de confinamento do concreto

Segundo a Norma Brasileira (NB-1/78), item 4.1.1.4, o ganho de carga em pilares cintados no deve ultrapassar 1,7 vezes a capacidade original sem cintamento. A NB 1/78 define outras exigncias quanto ao uso de pilares cintados, como ser exposto no item 2.2.3.2 deste captulo. Segundo a NB-1/78, a mensurao da resistncia de confinamento determinada pela seguinte formulao: f cck = f ck + 2 onde: fcck a resistncia caracterstica do concreto para o pilar cintado; At = volume da armadura transversal por unidade de comprimento do pilar; At = At e f yk 1 8 Aci di (2.5)

d i .At1 st

(2.6)

At1 = rea de uma barra da armadura do cintamento; st = espaamento desta armadura; Aci = rea da seo do ncleo, definido pelo eixo da barra do cintamento; di = dimetro do ncleo confinado.

Levando em conta essas recomendaes, o dimensionamento segue as regras anteriores, desprezando-se a rea de concreto externa aos estribos do confinamento. A Figura 2.4 apresenta o esquema de um pilar cintado, com as definies de cada elemento do clculo anterior. Entretanto, apesar dos ganhos de resistncia e ductilidade, o uso de pilares cintados possui algumas inconvenincias, como se segue:12

a) o aumento significativo na quantidade de ao e mo de obra para execuo tornam a soluo antieconmica; b) o cintamento praticamente no contribui para a segurana no estado limite ltimo de instabilidade, motivo pelo qual os pilares cintados devem ser curtos; c) a eficincia do cintamento fica comprometida com a excentricidade da fora de compresso, podendo desaparecer o ganho de resistncia do concreto quando for atingido certo valor de excentricidade, mesmo no caso de pilares curtos; d) caso a coluna esteja sujeita a elevadas temperaturas provocadas por incndios, que venham a comprometer o efeito de cintamento, ela passa a ficar exposta a maior risco que pilares simples. Devido a esses motivos, o uso de pilares com armadura de cintamento restrito. creditado tambm a essas razes anteriores o fato de normas, como o CEB, refutarem seu uso e outras no realizarem nenhum tipo de abordagem sobre o tema (Santos, 1985).

13

Figura 2.4 Esquema de pilar cintado (Fusco, 1986)

2.2.3 - Prescries Normativas 2.2.3.1 - Relativas a pilares no cintados a) Dimenses Mnimas Segundo o Projeto de Norma Brasileira PNB-1/2000, a menor dimenso da seo transversal de pilares no dever ser menor que 19cm. Em casos especiais, permite-se a considerao de dimenses entre 19cm e 12cm, desde que se multipliquem as aes a serem consideradas no dimensionamento por um coeficiente adicional n, de acordo com a tabela:

14

Tabela 2.1 Dimenses mnimas de seo transversal e coeficiente n

b (cm) n

> 19 1,00

18 1,05

17 1,10

16 1,15

15 1,20

14 1,25

13 1,30

12 1,35

Segundo a NB 1/78, a menor dimenso dos pilares no cintados no deve ser inferior a 20cm nem a 1/25 da sua altura livre. (item 6.1.3.1) Se os pilares suportam lajes cogumelos, estes limites passam a ser de 30cm e 1/15 de sua altura, devendo ainda a espessura em cada direo no ser inferior a 1/20 da distncia entre eixos dos pilares nessa direo. A norma de 1978 tambm permite a reduo dessas dimenses, desde que os esforos sejam majorados pelo fator 1,8, de acordo com o item 5.4.2.1, nos seguintes casos: pilares de seo transversal com raio de girao no menor do que 6cm, composta de retngulos, cada um dos quais com largura no inferior a 10cm nem a 1/15 do respectivo comprimento; pilares de seo transversal retangular com largura no inferior a 12cm e comprimento no superior a 60cm apoiados no elemento estrutural subjacente em toda a extenso de sua base, consideradas obrigatoriamente no seu clculo flexo oriunda das ligaes com lajes e vigas e a flambagem conjunta dos pilares superpostos. O MC 90 prescreve que em nenhum ponto de um elemento linear de concreto armado ou protendido, submetido a compresso, a espessura poder ser menor que 8cm. b) Armadura Longitudinal A PNB-1/2000 mantm a imposio da bitola mnima de 10mm, mas acrescenta que a armao longitudinal no dever possuir bitolas maiores que 1/10

15

da menor dimenso transversal, aspecto ignorado pela norma de 1978. O MC 90 recomenda o uso de barras com bitolas no inferiores a 12mm. As taxas geomtricas mnima e mxima foram alteradas em relao norma de 1978 que preconiza uma taxa mxima de 6%, inclusive na regio do trespasse, e uma taxa mnima de 0,8%. Pela nova proposta (item 17.2.4.2 PNB 1/2000), a taxa mnima de ao na seo dada pela frmula

min = 0,15onde:

f cd 0,40% , f yd

(2.7)

= Nd/(Acfcd) < 0,80 o valor da fora normal em termos adimensionais.A Tabela 2.2 apresenta valores da taxa mnima para os diversos valores de fck e CA 50.Tabela 2.2 Taxas mnimas de armadura de pilares Armadura Mnima de Pilares fck 20 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 Valores de min para CA 50 e c = 1,4 e s = 1,15 25 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,431 0,493 30 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,444 0,518 0,591 35 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,431 0,518 0,604 0,690 40 0,400 0,400 0,400 0,400 0,400 0,493 0,591 0,69 0,789 45 0,400 0,400 0,400 0,400 0,444 0,554 0,665 0,776 0,887 (%) 50 0,400 0,400 0,400 0,400 0,493 0,616 0,739 0,863 0,986

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

16

O valor da taxa mxima, incluindo a regio do trespasse de 8,0%, idntica taxa do MC 90. importante salientar que a norma NB-1/78 permitia a reduo da rea de armadura comprimida nos casos em que, por imposio arquitetnica, as dimenses dos pilares eram demasiadamente grandes. Nestas ocasies, a rea de ao deveria ser calculada apenas em relao rea de concreto denominada teoricamente necessria, correspondente taxa mnima de armadura, no inferior a 0,5% da rea real da seo. Permitia-se, ainda, reduzir a taxa mnima para 0,5% quando < 30. O PNB-1/2000 no faz aluso a esta permisso. Outro importante aspecto sobre as armaduras longitudinais seu arranjo na seo. A PNB-1/2000 diz que as armaduras longitudinais devem ser dispostas na seo transversal de forma a garantir a adequada resistncia da pea. Em sees poligonais, deve existir pelo menos uma barra em cada vrtice; em sees circulares, no mnimo seis barras distribudas ao longo do permetro. O espaamento livre entre as barras da armadura longitudinal, medido no plano da seo transversal, fora da regio de emendas, dever ser igual ou superior ao maior dos seguintes valores: 40mm; 1,2 vezes o dimetro mximo do agregado; 4 t ou 2 vezes o dimetro do feixe ou da luva.

Segundo o ACI 318 (1995), o espaamento no deve ser menor que 1,5 vezes o maior dimetro das barras longitudinais, 38mm e 1,33 vezes a dimenso do agregado grado. c) Armadura Transversal A armadura transversal de pilares, constituda por estribos e, quando for o caso, por grampos suplementares, dever ser colocada em toda a extenso do pilar, sendo obrigatria sua colocao na regio de cruzamento com vigas e lajes. (item 18.3.2 do PNB-1/2000)17

Essa armadura deve ser calculada para: garantir o posicionamento na execuo e impedir a flambagem das barras longitudinais; garantir a costura de emendas de barras longitudinais; resistir aos esforos de trao decorrentes de: mudanas de direo nos esforos; efeitos de bloco parcialmente carregados

para confinar o concreto e obter uma pea mais resistente e dctil.

O dimetro mnimo dos estribos em pilares no dever ser menor que 5mm nem que do dimetro da barra longitudinal, unindo assim o que dizia a norma de 1978 e o MC 90, respectivamente. O espaamento longitudinal entre estribos, medido na direo do eixo do pilar, dever ser igual ou inferior ao menor dos seguintes valores (item 18.3.2.1 PNB-1/2000): menor dimenso a seo; 24 l para aos CA-25 e 12 l para aos CA-50; 200mm

O ACI 318 (1995) recomenda ainda que a dimenso mnima do estribo seja de 9,5mm para barras longitudinais de at 32mm e de 12,7mm para barras longitudinais de maiores dimetros. As normas ressaltam a necessidade de se aumentar o nmero de estribos em pilares simples de concreto armado nas emendas das barras por trespasse, logo acima da face superior das lajes, para aumentar a resistncia do concreto, face s tenses de trao transversais desenvolvidas pelas extremidades das barras nos locais das emendas.

18

2.2.3.2 - Relativas a Pilares Cintados O Projeto de Norma PNB-1/2000 omisso quanto aos pilares cintados, portanto, ser feita meno apenas norma NB-1/78, que s permite considerar o cintamento em pilares com seo circular, conforme itens 6.1.3.1 e 6.4.1: a) Dimenses mnimas O dimetro do ncleo dos pilares cintados suportando o conjunto de vigas e lajes no deve ser inferior a 20 cm, nem a 1/10 da sua altura livre e, caso suporte lajes cogumelo, no dever ser inferior a 30 cm, devendo ainda a espessura em cada direo no ser inferior a 1/20 da distncia entre eixos dos pilares nessa direo. Esses limites podem ser reduzidos quando os pilares no suportam lajes cogumelo, conforme descrito no item 2.2.3.1a, majorando adicionalmente a fora de compresso. b) Armadura longitudinal A armadura longitudinal dever constar no mnimo de 6 barras dispostas uniformemente no contorno do ncleo e a rea da sua seo transversal no dever ultrapassar 0,08 Aci (rea do ncleo) inclusive no trecho de emenda por trespasse; a bitola das barras no ser inferior a 10mm. c) Armadura transversal O cintamento poder ser obtido por armadura de projeo circular ou em malha, podendo ser constituda por barras em hlices ou estribos, de projeo circular sobre a seo transversal da pea, obedecendo as condies seguintes: a relao entre o comprimento da pea e o dimetro do ncleo ser: l 10 dn (2.8)

as extremidades das barras ou dos estribos sero bem ancoradas no ncleo do concreto;

-

as barras helicoidais ou estribos no sero de bitola inferior a 5mm;19

-

o espaamento entre 2 espiras ou 2 estribos ser: dn t + 3cm s 5 8cm onde t o dimetro da barra espiral ou dos estribos.

-

a seo fictcia de cintamento At ser 0,005 Aci < At < A s

O ACI 318 , seo 7.10.4.2, requer um dimetro de 9,5mm como mnimo da espira. O espaamento mximo entre espiras estabelecido pelo ACI dado pela seguinte expresso: s .d 2 f y A 0,45.Dc g Ac 1 Dc dimetro do ncleo, medido externamente Ac rea do ncleo de interno s espiras Dsp dimetro da espira Ag rea total da seo do pilar A seo 7.10.4.3 limita o espaamento livre entre as espiras a 76,2mm, enquanto a seo 3.3.3 estabelece que o espaamento livre entre espiras no deve ser menor que 1,33 vezes o dimetro do agregado grado. Segundo o item 6.4.2 da NB-1/78, a armadura de cintamento em malha, s permitida em blocos de apoio e articulaes, ser constituda de camadas duplas de barras dispostas perpendicularmente direo da carga. (2.9)

onde:

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2.3 - PATOLOGIAS DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO E A NECESSIDADE DE REPARO ESTRUTURAL

2.3.1 - Preliminares Nos ltimos anos, falar em Patologia Estrutural parece modismo, haja vista o grande nmero de artigos, simpsios, congressos e pesquisas neste campo to importante quanto interessante. Entretanto, a Patologia no um setor recente da Engenharia Estrutural; pelo contrrio, o seu estudo e a compreenso de tcnicas de preveno e reparo so antigas. Com a popularizao da informtica e das cincias dos materiais, avanou-se muito no clculo estrutural e na tecnologia do concreto. Isto acarretou, por um lado, um grande desenvolvimento, com estruturas mais arrojadas, esbeltas e leves; por outro lado, reduziram-se as dimenses das peas, que, em geral, so as estritamente necessrias para sua finalidade estrutural. Esse fato levou a um quadro onde os efeitos agressivos, qumicos ou mecnicos, tm conseqncias mais danosas, com maiores riscos integridade da estrutura de concreto. As estruturas de hoje, conforme Cnovas (1988), exigem muito mais cuidados na preservao que as de tempos atrs. Hoje, com a busca de sees mnimas, as peas esto sujeitas, a longo prazo, a patologias, como a corroso, por exemplo, ao contrrio daquelas sees super-dimensionadas de anos atrs. Um exemplo muito claro disto so as grandes fortificaes nos litorais, construdas em concreto, e que resistem at os dias atuais, mesmo com severos ataques de cloretos. Os dias atuais registram uma grande preocupao com a qualidade das edificaes, desde sua concepo at o acabamento, e na sua manuteno em uso. sabido que uma obra deve ter durabilidade adequada, sem grandes custos de reparos e manuteno. Tcnicos e construtores tambm esto se tornando mais cientes da necessidade da qualidade das construes, que, embora tenha se desenvolvido muito nos ltimos anos, ainda se constata serem os danos em estruturas de concreto bastante freqentes.

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As causas de deteriorao em estruturas de concreto podem ser as mais diversas, com o envelhecimento natural da estrutura, ou mesmo acidentes, eventos incontrolveis, como fogo, exploses, etc, ou pela irresponsabilidade de alguns profissionais, que praticam a reduo indevida de custos, em detrimento de dimenses adequadas das peas, ou pelo uso de materiais de qualidade duvidosa ou em quantidade incorreta.

2.3.2 - Causas correntes de patologias em estruturas de concreto

2.3.2.1 - Introduo muito difcil conhecer areal situao do problema das patologias estruturais, pois assim como os xitos so sempre anunciados, as falhas na engenharia so, na maioria das vezes, encobertas, impedindo assim de se melhorar e aprender com essas falhas (Cnovas, 1988). Robert Stevenson, presidente do Instituto Britnico de Engenharia, dizia, j em 1856, que os acidentes que haviam ocorrido durante os ltimos anos deviam ser recompilados, analisados e divulgados, pois nada seria to til e instrutivo para os jovens alunos e profissionais, como o conhecimento dos mesmos e os meios empregados em sua reparao (Cnovas, 1988). A Americam Railway Engeineering Association , segundo Cnovas, publicou, em 1918, um artigo onde so listados acidentes em obras de concreto armado, dando como sua origem os seguintes fatores: erros de materiais; erros de projeto; erros de execuo; cargas excepcionais e decimbramentos prematuros; alicerces insuficientes e incndios.

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Em geral, pode-se afirmar que os acidentes catastrficos produzidos em estruturas de concreto no obedecem a uma nica causa e sim a vrias, agindo conjuntamente. Jean Blevot realizou um estudo bastante detalhado e completo das principais causas de sinistros em estruturas de concreto armado, em 2979 arquivos de sinistros existentes no Bureau Securitas e Socotex, entre 1948 e 1978. (Cnovas, 1988) A distribuio percentual de Blevot das causas que produziram os acidentes mostrada na Tabela 2.3.Tabela 2.3 Distribuio das causas de acidentes estruturais (Blevot, 1976)

Erros de concepo geral Erros nas hipteses de clculo e especificaes de materiais

3,5% 8,5%

Disposies defeituosas de clculo(fundamentalmente na disposio de armaes) em certos elementos ou na transmisso de esforos Falhas resultantes de deformaes excessivas Falhas resultantes dos efeitos de variaes dimensionais Defeitos de execuo Fenmenos de tipo qumico e de ciclos de gelo e degelo Causas diversas

2,5%

19,7% 43,7% 16,5% 4,0% 1,6%

Embora seja uma pesquisa bastante ampla, tendo-se em vista o grande nmero de casos analisados, necessrio lembrar que so estatsticas francesas e, portanto, com diferentes fatores climticos e tecnolgicos. Entretanto, convm notar que as falhas devidas a uma m concepo e, consequentemente, a um projeto mal feito, juntamente com falhas devidas execuo chegam a um total de 50,7%.23

Na regio Centro-Oeste do Brasil, Nince (1996) realizou uma pesquisa junto a empresas, rgos pblicos e profissionais da regio envolvidos com o setor de reparos estruturais. Foram cadastradas 401 edificaes, com diversos tipos de estruturas, com registro de intervenes e/ou inspeo, motivadas principalmente, por danos estruturais, no perodo de 1972 a 1995. Na Tabela 2.4, apresentam-se os dados referentes idade das edificaes e poca da interveno/inspeo, que permitem concluir que a maioria das edificaes (61%) manifestou os danos no perodo que vai da construo at os 5 primeiros anos de idade.Tabela 2.4- Percentuais de estruturas danificadas segundo a idade na regio CentroOeste (Nince, 1996) Idade Na construo At 5 anos 5 a 10 anos 10 a 20 anos 20 a 30 anos > 30 anos GO 74,2 5,8 2,5 12,5 4,2 MT 15,4 53,8 23,1 7,7 MS 50,0 18,2 18,2 9,1 4,5 DF 15,0 11,0 13,4 33,3 17,1 5,7 Mdia 38,7 22,2 14,3 15,7 4,3 3,6

No que se refere s principais causas dos danos, a Tabela 2.5 mostra que a execuo foi a maior responsvel, com mdia de 53,3%, seguida de projeto com 28,5%. Em Braslia, nota-se o ndice elevado do item manuteno, devido, provavelmente, ao grande nmero de edificaes pblicas, com manuteno precria. As colunas com somas superiores a 100% indicam a superposio de causas de danos (Nince, 1996). Nince (1996) destaca que os resultados da pesquisa na regio Centro-Oeste reiteram anlises similares feitas em outras regies do Brasil: So Paulo (Carmona e Marega, 1998) e Amaznia (Aranha, 1994). Essas trs pesquisas registraram como as maiores causas de danos, em mdia, a Execuo (48%), o Projeto (26%) e a Manuteno (19%) (Clmaco, 1998).

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Tabela 2.5 Causas dos danos em estruturas na regio Centro-Oeste (%) (Nince 1996) Causas Projeto Execuo Materiais Utilizao Manuteno Imprevistas Incndio Outras GO 21,7 60,8 20,1 3,3 4,2 2,5 0,8 MT 46,2 61,6 7,7 15,4 MS 22,7 45,5 4,5 9,1 13,6 DF 23,5 46,2 1,2 4,4 25,2 5,3 2,4 2,0 Mdia 28,5 53,5 7,3 1,9 7,4 6,9 2,9 4,1

2.3.2.2 - Patologias geradas no projeto estrutural Nesta etapa, so diversos os erros que podem causar em uma estrutura patologias estruturais graves. Esses erros podem acontecer no lanamento estrutural, no anteprojeto, clculo, detalhamento, etc Segundo Custdio (1999), falhas que ocorram na etapa do anteprojeto, levam ao encarecimento da obra em sua execuo e a transtornos de utilizao da mesma, enquanto as falhas geradas no projeto final de engenharia podem levar a eventos de gravidade acentuada, com srios riscos de colapso da estrutura, como: elementos de projeto inadequados, ou seja, mal dimensionados (capacidade do solo, escolha infeliz do modelo terico, levantamento de cargas e aes...); falta de compatibilizao entre o projeto estrutural e os demais projetos; especificaes inadequada de materiais; detalhamento insuficiente ou equivocado; detalhes construtivos inexeqveis.

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2.3.2.3 - Patologias geradas durante a execuo da estrutura A seqncia natural dos eventos diz que a execuo de uma obra deve apenas ser iniciada quando os projetos da etapa anterior foram devidamente estudados e aprovados. Entretanto, prtica comum, mesmo em obras de grande vulto, que se inicie a execuo antes mesmo de concludas as etapas necessrias ao bom entendimento dos projetos. As conseqncias que se seguem so as mais diversas, com adaptaes e alteraes dos projetos, sejam eles de estrutura ou instalaes, sob a alegao, nem sempre verdadeira, da simplificao dos processos construtivos, e que acabam por incorrer em erros e maiores. Outro fator de grande relevncia, e que pode acarretar erros graves de execuo, a qualificao e motivao da mo-de-obra que ser responsvel pela execuo, do engenheiro ao servente. Em edificaes residenciais, muito comum notar defeitos que,

especialmente para o leigo, podem passar despercebidos como elementos estruturais fora do prumo, desalinhados e com deformaes excessivas conforme mostram as figuras a seguir. Ainda na etapa da execuo, a falta do controle tecnolgico dos materiais, as condies insatisfatrias de trabalho, a irresponsabilidade ou baixa capacitao de engenheiros, deficincias no comando e fiscalizao das equipes podem, tambm, levar a srios defeitos em uma estrutura de concreto. As Figuras 2.5, 2.6, 2.7 e 2.8, mostram alguns exemplos de danos que, muitas vezes, passam despercebidos.

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Figura 2.5 Excentricidade de execuo (edif. no bairro de guas Claras - DF)

Figura 2.6 Viga com seo danificada por m execuo (Edif. no bairro de guas Claras DF)

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Figura 2.7 Excentricidade de pilar no bloco de fundao, centrado no projeto (Edif. no bairro de guas Claras - DF)

Figura 2.8 Corroso em estgio avanado em armadura no fundo da caixa dgua (Edif. no bairro de guas Claras - DF)

2.3.2.4 Patologias associadas ao concreto O concreto resulta da mistura de cimento, agregados, gua e,

eventualmente, aditivos e adies minerais. Como conseqncia, algumas28

patologias do concreto so associadas m qualidade de seus componentes. Da a grande importncia do elevado nvel tecnolgico no controle da qualidade desses materiais. Entretanto, mesmo sendo utilizados apenas materiais de boa qualidade e dosagem adequada, outras patologias podem se manifestar, relacionadas com diversos outros fatores como clima, condies de exposio e proteo, ou execuo deficiente. Esses fatores podem ser responsveis por um concreto pouco resistente s agresses do meio, devido sua heterogeneidade e porosidade, com conseqncias negativas s suas principais propriedades: resistncia mecnica, estabilidade dimensional, permeabilidade e durabilidade. a) Permeabilidade A durabilidade de uma estrutura de concreto armado determinada, entre outros fatores, pela velocidade com que os agentes qumicos penetram e causam reaes danosas ao concreto, como a carbonatao e ataques de cloretos, que podem levar deteriorao do concreto e corroso das armaduras. Portanto, a durabilidade de uma pea de concreto armado est intimamente relacionada ao meio onde est exposta e aos mecanismos de transporte associados. A velocidade de penetrao de agentes qumicos est relacionada, entre outras coisas, com a compacidade do concreto, tambm relacionada com os capilares do concreto por onde adsorvida grande parte dos agentes qumicos nocivos ao concreto. b) A deteriorao do concreto Ao contrrio do que muitos pensavam h alguns anos, as estruturas de concreto no so perenes, e necessitam de alguns cuidados, tanto na sua execuo quanto durante sua vida til, como, por exemplo, inspees regulares, a fim de detectar anomalias no comportamento da estrutura, que reparadas a tempo evitam sem gastos extraordinrios. Obviamente, h algumas situaes em que as inspees devem ser mais cuidadosas e repetidas, como as estruturas em ambiente marinho, indstrias ou garagens.

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A deteriorao do concreto, segundo Cnovas (1988), causada, principalmente, por trs fatores: Gases contidos na atmosfera (CO2, SO2 etc. ) guas puras, turvas, cidas, selenitosas e marinhas. Compostos fludos ou slidos de natureza orgnica, tais como leos, gorduras, combustveis, lquidos alimentares, etc. Os gases contidos na atmosfera so normalmente oriundos da queima de combustvel fssil e carvo. As atmosferas contaminadas por gases, como os citados anteriormente, so altamente nocivas vida til do concreto, exigindo, entretanto uma combinao com outros fatores para que haja o processo de deteriorao do concreto. A gua, aparentemente um elemento inofensivo quando pura,

extremamente nociva e danosa ao concreto, pois sua baixa concentrao de sais faz com que os mesmos sejam carreados do concreto. Por este motivo, as estruturas de concreto devem ser protegidas contra a gua, atravs de resinas impermeabilizantes, barreiras mecnicas e, principalmente, um bom cobrimento de armaduras. O concreto deve ser compacto e com poucos vazios capilares ,a fim de no transportar gua para dentro da pea. As guas salinas e cidas destrem por dissoluo ou por transformao as estruturas de concreto. Por exemplo, o cido ntrico forma o nitrato de clcio que bastante solvel e, portanto, carreado pela gua. O cido sulfrico forma o sulfato de clcio que, por sua vez, se precipita em forma de gesso, o que extremamente nocivo ao concreto por ser uma reao expansiva, levando a rachaduras no concreto. Este ltimo ataque muito comum em estaes de tratamento de esgoto, pois o SO2 formado pela biodegradao, especialmente em climas quentes, como o do Brasil. importante notar que a gua pode ser nociva ao concreto, nos estados slido, lquido ou na forma de vapor, sendo que os dois ltimos so as formas mais comuns de transporte de agentes qumicos nocivos ao concreto.

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As principais caractersticas do concreto que sofre algum ataque deste tipo uma superfcie que vai perdendo a matriz de cimento, deixando exposto o agregado, conforme visto na Figura 2.9.

Figura 2.9 Concreto com degradao em estgio avanado (Cnovas, 1988)

Entretanto, gua e gases no so as nicas formas de se contaminar um concreto. Os componentes ricos em cal, como o aluminato tricalcico, atacam o hidrxido de sdio na reao de hidratao do cimento, em presena salina, formando sais de clcio pouco solveis, em reaes expansivas extremamente danosas ao concreto. O concreto, tendo em vista esses argumentos, deve ser protegido contra os agentes que causam danos irreparveis se no corrigidos a tempo. Tambm sabido que a grande proteo de uma estrutura de concreto armado no est baseada em formulaes mgicas ou em produtos ditos inovadores, mas sim em uma camada protetora, chamada cobrimento, compacta e homognea, impedindo que haja transporte de massa para dentro do concreto; ao contrrio, em um concreto poroso, a gua e outros elementos penetram pelos capilares e poros. Alguns fatores de grande importncia devem ser observados, para que seja possvel a obteno do cobrimento com a qualidade citada: A dosagem do concreto, que deve ser calculada para cada aplicao desejada, a fim de se evitar excesso de gua, que pode levar a vazios31

excessivos no concreto, ou agregados em demasia, o que pode levar a ninhos de concretagem; A superfcie especfica do cimento, pois quanto menor sua granulometria, ou seja, quanto mais fino for o cimento, mais gua ser demandada para sua hidratao; A qualidade, natureza e granulometria dos agregados, pois os mesmos podem estar previamente contaminados com excesso de lcalis, por exemplo e; A cura, que deve ser objeto de grande ateno, principalmente quando se trata de grandes superfcies de concreto, onde a perda de gua para o ar crtica. 2.3.2.5 - Danos mais comuns em pilares de concreto armado a) de projeto i Dificuldade de execuo dos detalhamentos Quando se projeta uma armadura de um pilar, deve-se pensar na execuo desta armadura no local de aplicao, se no h congestionamento de barras, o que acontece principalmente nos apoios ou nos encontros de vigas. Essas aglomeraes de armadura no aparecem no desenho em separado dos pilares e vigas (Ripper, 1984). Em consequncia destes fatos, acontecem na obra muitas violaes de regras de execuo e at de normas tcnicas. A aglomerao de barras fora o armador a desviar algumas barras, geralmente tirando-as da posio de projeto, ou no deixam espao entre as barras, no permitindo a entrada da agulha do vibrador. ii rea de ao incorreta Este dano ocasionado, principalmente, em estruturas simtricas onde pilares podem ser trocados e, detalhados de forma inadequada, apresentaro srios danos estrutura, at mesmo a runa global da mesma. iii Considerao incorreta ou ausente de efeitos de 2 ordem ou

deformao lenta do concreto32

A considerao dos efeitos de segunda ordem em pilares e, principalmente, a considerao da deformao lenta do concreto, requerem clculos especficos e, at certo ponto, complexos. Por esse motivo, muitas vezes, calculistas optam por aproximaes que, nem sempre so corretas ou adequadas a determinada situao de clculo. Em alguns casos, pilares com ndice de esbeltez no muito superiores a 80, so tratados como medianamente esbeltos. Um bom exemplo disso so os pilares de edificaes de mdio ou pequeno porte, onde muitos pilares possuem 12 cm de largura e, facilmente, apresentam ndice de esbeltes da ordem de 85. Em estruturas onde as cargas so baixas e h o contraventamento interno dos pilares, esta aproximao pode no levar a danos estruturais. Entretanto, essa mesma aproximao em estruturas de grande porte, ou cargas elevadas, o pilar pode sofre srios danos e ter sua integridade comprometida. b) de execuo / manuteno i Ninhos de concretagem Esse dano ocorre, essencialmente, por dois motivos. O primeiro deles vibrao inadequada, seja ela excessiva ou insuficiente. O segundo fator o desrespeito altura mxima de lanamento (2,0m) do concreto. A vibrao excessiva pode levar a segregao dos materiais com o fenmeno da exudao da gua. O acmulo de agregados grados fatalmente acarretar ninhos de concretagem. Por outro lado, a vibrao insuficiente no permitir uma boa compactao do concreto e novamente haver pontos onde os agregados se acumularo. O lanamento do concreto, principalmente em colunas altas, deve ser feito por meio de canaletas, ou em pontos intermedirios, por meio de cachimbos na altura mxima de 2,0m. O lanamento inadequado certamente ocasionar, por segregao dos materiais, ninhos de concretagem. ii Corroso de armaduras

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Como em qualquer outro elemento de concreto armado, os pilares esto sujeitos ataques de agentes corrosivos sua armadura. Em pilares comum ver as barras encostarem nas formas e, portanto, elas ficam sem qualquer cobrimento de concreto, principalmente, se as juntas da forma no estiverem perfeitamente seladas, pois por elas vazar nata de cimento. iii Estribos fora da posio Tambm ocasionado por um lanamento inadequado do concreto, ou por haver excesso de barras, muitas vezes os estribos so deslocados de sua posio original. Assim sendo, as barras longitudinais ficam sujeitas flambagem local, pois, o espao livre entre dois estribos foi aumentado. iv Prumo O prumo de pilares um aspecto importantssimo na execuo da estrutura, pois, determina s excentricidades reais das cargas. Entretanto, muitas vezes, negligenciado e pode levar a danos serssimos na estrutura.

2.3.3 - Diretrizes e critrios de projeto para durabilidade das estruturas de concreto

2.3.3.1 - Introduo

O Projeto de Norma NB 1 (ABNT, 2000) aborda, pela primeira vez no Brasil, a durabilidade como critrio de projeto de estrutura de concreto. Segundo o PNB-1/2000, para um projeto estrutural influenciar positivamente a durabilidade da edificao, algumas diretrizes e critrios devem ser observados, desde a concepo at sua manuteno em uso, com ateno especial aos itens seguintes. Os principais danos em estruturas de concreto esto associados presena de gua. Dessa forma, uma estrutura, deve ser sempre dotada de um sistema de

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drenagem. importante notar que este sistema deve existir j na fase de construo e aprimorado para a fase final da obra. A drenagem de uma edificao deve evitar a presena ou o acmulo de gua provenientes das chuvas, limpeza e lavagem das peas estruturais. As superfcies expostas horizontais, como ptios, garagens ou quadras, devem ser perfeitamente drenadas, com a disposio de ralos e condutores distncia adequadas. Tambm, importante salientar que as juntas de movimentao da estrutura devem ser devidamente seladas e estanques gua, ou melhor, sua percolao. Outro importante aspecto que deve ser considerado so as formas arquitetnicas exageradamente arrojadas ou simplesmente inadequadas, estruturais que podem levar a comportamentos estruturais fora do padro convencional, como vibraes, deformaes excessivas e fissuras, que podem facilitar a penetrao de agentes agressivos. As figuras 2.10 a 2.14 ilustram algumas formas que devem ser evitadas, no por serem erradas, mas que se no forem executadas com preciso, levaro, certamente, a patologias futuras.

Figura 2.10 Vista geral de edificao unifamiliar com cobertura metlica de grande vo (Lago Sul DF)

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Figura 2.11 Balanos de 4,50m em estrutura residencial (Lago Sul DF)

Figura 2.12 Lajes e vigas de transio com 7,8m de vo livre (Lago Sul DF)

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Figura 2.13 Viga pendurada no apoio (edificao no bairro de guas Claras DF)

Figura 2.14 Dimenses inadequadas de viga de transio e pilar de suporte (edif. resid. em guas Claras DF)

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2.3.3.2 - Qualidade do Concreto e Cobrimento bvio que, mesmo sendo as exigncias anteriores atendidas, a durabilidade da estrutura estreitamente relacionada com a qualidade do concreto e o cobrimento dado s armaduras. O Projeto de Norma PNB-1 (ABNT,2000) classifica os nveis de agressividade e riscos de deteriorao das estruturas de concreto conforme a Tabela 2.6 a seguir. Para determinao do tipo de concreto e as dimenses mnimas para o cobrimento, uma anlise do tipo e grau de agressividade do ambiente deve ser realizada. Em caso de falta de ensaios especficos, que dem subsdios para esse estudo, o PNB 1/2000 admite usar os dados das Tabelas 2.7 e 2.8.Tabela 2.6 Classificao das estruturas e ambientes de exposio (ABNT, PNB-1/2000)

Classe de agressividade I II III IV

Agressividade fraca mdia forte muito forte

Risco de deteriorao da estrutura Insignificante Pequeno Grande Elevado

Tabela 2.7 - Correspondncia de classe de agressividade e qualidade do concreto (PNB 1/2000)

Concreto Relao gua/cimento em massa Classe de concreto (NBR 8953)

Classe de agressividade Tipo CA CP CA CP I < 0,65 < 0,60 > C20 > C25 II < 0,60 < 0,55 > C25 > C30 III < 0,55 < 0,50 > C30 > C35 IV < 0,45 < 0,45 > C40 > C40

CA CP

Componentes e elementos estruturais de concreto armado Componentes e elementos estruturais de concreto protendido

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No caso dos cobrimentos, o PNB-1 preconiza o uso de um cobrimento nominal (cnom) igual ao cobrimento mnimo acrescido de uma tolerncia de execuo de, no mnimo, 5mm, em casos de controle rgido da execuo, ou 10mm, em caso contrrio. Os cobrimentos nominais devem ser maiores que: barra cnom > feixe = n = n 0 ,5bainha A Tabela 2.6 mostra os diversos cobrimentos nominais para cada tipo de elemento estrutural, de concreto armado ou protendido.Tabela 2.8 - Correspondncia de classe de agressividade e cobrimento nominal (ABNT, PNB 1/2000)

Cnom (mm) Concreto Armado Concreto Protendido1

Componente ou elemento Laje2 viga / pilar todos

classe da agressividade I 20 25 30 II 25 30 35 III 35 40 45 IV 45 55 55

1- Cobrimento nominal da armadura passiva que envolve a bainha ou os fios, cabos e cordoalhas, sempre superior ao especificado para o elemento de concreto armado, devido aos riscos de corroso fragilizante sob tenso. 2- Para a face superior das lajes e vigas que sero revestidas com argamassa de contrapiso, com revestimentos finais secos tipo carpete e madeira, com argamassa de revestimento e acabamento tais como pisos de elevado desempenho, pisos cermicos, pisos asflticos, e outros tantos, as exigncias desta Tabela podem ser substitudas pelos valores dados do cobrimento nominal anteriormente. 3- Nas faces inferiores de lajes e vigas de reservatrios, estaes de tratamento de gua e esgoto, condutos de esgoto, canaletas de efluentes e outras obras em ambientes qumica e intensamente agressivos devem ter cobrimento nominal > 45mm.

O PNB-1 ainda exige que os concretos sujeitos a intensa solicitao mecnica de desgaste por abraso devem ter resistncia caracterstica compresso acima de 40 MPa, reduzida exudao, a fim de se obter superfcies slidas, e serem submetidos a prolongada cura mida (> 7 dias).

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2.3.3.3 - Controle de fissurao A existncia de fissuras em um elemento estrutural no indica

necessariamente, um elemento com grandes possibilidades de apresentar patologias futuramente. Mais importante que a existncia ou no de fissuras o controle de suas aberturas e evoluo. O risco de corroso das armaduras depende da agressividade do ambiente e da abertura das fissuras e, logicamente, da qualidade do cobrimento. Deve-se garantir, com razovel probabilidade, que as aberturas fiquem dentro de limites que no comprometam as condies de servio e durabilidade da estrutura. De uma forma geral, as fissuras dentro desses limites no conduzem a perda significativa de segurana e a um estado limite ltimo. Em regies de armadura passiva, na ausncia de uma exigncia especfica, no caso de edifcios usuais, o PNB-1 estipula que pode ser adotado o valor de 0,3mm como mxima abertura de fissura para as classes de agressividade II a IV. Para a classe de Agressividade I, esse valor pode ser relaxado, se no houver nenhum outro comprometimento, admitindo-se 0,4mm como limite. 2.4 - MATERIAIS PARA REPARO OU REFORO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO 2.4.1 - Materiais cimentcios Dado a grande variedade de tcnicas de reparo e reforo estrutural, de fundamental importncia o conhecimento e estudo dos materiais mais comuns utilizados nesses servios. Seu conhecimento pelo responsvel pelo servio a ser executado fator determinante no sucesso do reparo ou reforo estrutural.

a) Pasta de cimento injetvel Composto de cimento e gua misturados at formarem uma pasta homognea e plstica. Serve, em geral, para injeo em falhas locais do concreto na estrutura ou ancoragem de barras.40

recomendvel, de forma geral, uma relao gua/cimento de, no mximo, 0,40, segundo Souza e Ripper (1999). Para sua consistncia pastosa podem ser adicionados agentes expansores ou aditivos plastificantes. Quando os espaos a serem preenchidos forem relativamente grandes, pode-se acrescentar areia fina mistura, na proporo de 25% do peso do cimento, obtendo-se, ento, uma argamassa de cimento e areia. (Souza e Ripper, 1999) b) Argamassa farofa Como o nome j diz, trata-se de uma argamassa de cimento e areia com baixssima relao gua /cimento. Por se tratar de uma massa extremamente seca, a retrao do material praticamente inexistente. A consistncia tixotrpica e seca permite que a massa seja usada para preenchimento de buracos na estrutura de concreto e apresenta elevada resistncia final. c) Concreto convencional , ainda, o material para reparos e reforos estruturais mais utilizado no Brasil. O concreto usado para reparo deve ter dosagem especfica para cada finalidade a que se destina. Por exemplo, uma estrutura a ser reforada onde o concreto j sofreu toda, ou quase toda retrao, o concreto novo dever ser dosado de modo a apresentar baixa retrao. Por outro lado, se a estrutura nova e ainda no de deformou e retraiu de forma significativa, o concreto novo deve ter a dosagem mais prxima possvel da do concreto original. Obviamente, alm do quesito retrao, a dosagem deve ser feita tendo em vista outros fatores de importncia, como a durabilidade e resistncia. d) Concreto projetado Entende-se por concreto projetado aquele que transportado do local de mistura ao de aplicao dentro de um tubo de presso diferente de zero, tendo o concreto uma velocidade considervel dentro do mesmo. O concreto projetado, pela

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prpria velocidade com que aplicado auto adensante, proporcionando um material compacto e, consequentemente, com baixa permeabilidade e porosidade. 2.4.2 - Argamassas de cimento modificadas por polmeros So materiais base de cimento Portland, modificadas por polmeros, prmisturados aos demais componentes. So largamente usados em recuperaes estruturais, a despeito do elevado preo da maioria destes produtos, devido grande possibilidade de resistncia mecnica e qumica e sua quase imediata entrada em servio. O uso de argamassas prontas pode ser bastante conveniente quando o reparo estrutural limitado a regies localizadas, ou seja, em pequeno volume, portanto exigindo grande trabalhabilidade do material. As argamassas podem ser de vrios tipos, como se segue: a) de base epxi So formadas pela adio de resina epxica areia de baixo mdulo de finura, com ou sem o uso de cimento. Trata-se de um material com bom potencial para reforo estrutural; entretanto, seu elevado custo torna o material restrito a pequenos reparos, localizados e de pequeno volume. Entre suas vantagens, pode-se citar a de propiciarem boa aderncia ao concreto antigo e s armaduras existentes e a de serem excelentes para ancoragem de chumbadores e reparo do cobrimento de armaduras adicionais. b) de base mineral So materiais que apresentam baixa retrao, comportamento ideal para reparos e reforos estruturais. Apresentam elevado pH, formando uma barreira contra a corroso das armaduras, sendo pouco afetados pelo ambiente e no inflamveis. Cabe ressaltar, entretanto, que apesar do que apregoado por fabricantes, se a cura no for feita de forma adequada, a retrao existe e pode ser fator de diminuio da vida til do reparo.

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Existem em duas consistncias: a tixotrpica, para reparos verticais, onde a firmeza do material importante para a aplicao correta e econmica; e a consistncia fluda, autonivelante, ideal para reparos horizontais. 2.4.3 - Polmeros reforados com fibras 2.4.3.1 - Introduo Os materiais compsitos constitudos por polmeros reforados com fibras de carbono (CFRP) foram introduzidos como uma alternativa de reparo s chapas de ao aderentes, em meados deste sculo (Rubinsky e Rubinsky, 1954). As pesquisas iniciais sobre este tipo de material comearam na Sua. (Souza, 1999) O sistema de reforo com CFRP tem princpios similares aos de chapas de ao coladas; entretanto, ao contrrio das chapas, as fibras so de grande leveza, de fcil aplicao e no corrosivas. O uso dessa tecnologia de reforo estrutural, apesar de relativamente mais cara, pelo alto custo da matria prima, apresenta diversas vantagens econmicas sobre outras tcnicas existentes. O peso reduzido do material fator de reduo de custo no que tange ao transporte do material. Seu baixo peso representa, tambm, economia de mo-de-obra, pois a manta a ser utilizada pode ser manuseada por poucos operrios, ao contrrio das chapas de ao coladas ao substrato do concreto. Outro fator de economia direta a alterao reduzida na seo da pea ps-reparo. Entretanto, um dos fatores mais importantes a se considerar no emprego de polmeros reforados com fibras de carbono (CFRP) a velocidade de aplicao do sistema e sua imediata ao de reforo, o que garante a rpida devoluo ao uso de viadutos, pontes e edifcios comerciais ou residenciais para a sociedade, gerando considervel economia indireta. Atualmente, h uma razovel variedade de guias e estudos tcnicos que buscam uma melhor formulao para o emprego racional e seguro destes materiais. No entanto, ainda h lacunas importantes, no que se diz respeito a normas de dimensionamento. Diversas instituies no Brasil vm pesquisando esse tema, com ateno inicial a peas fletidas. Por exemplo, Silva e Moreno Jr. (Damstruc, 2000) que desenvolveu pesquisa sobre o reforo flexo em vigas de concreto de alta43

resistncia. Na UFSC, Fortes et al (2000) estudaram o comportamento de vigas reforadas flexo, assim como Beber et al (2000) na UFRGS. A Universidade de Braslia estuda, h alguns anos, o uso de barras, chapas e mantas de polmero reforado com fibras de carbono como armaduras de reforo flexo e ao cisalhamento de vigas de concreto armado. Os estudos mostram o grande potencial do sistema de reforo, mas ratificam a necessidade do estudo profundo e detalhado, a fim de se obter parmetros de comparao entre os diversos catlogos de fornecedores e guias de clculo existentes, no sentido de se estabelecer mtodos eficientes e seguros. Machado e Siqueira (2000), estudaram o reforo flexo de vigas de concreto armado com chapas de CFRP. Em dissertaes de mestrado, Sales Neto (2000) e Silva Filho (2001) estudaram a utilizao de mantas de CFRP no reforo ao cisalhamento de vigas de concreto armado. 2.4.3.2 - Recomendaes de projeto com CFRP O American Concrete Institute (ACI, 2000), atravs de uma comisso intitulada 440 F, elaborou um guia sobre o uso de materiais dessa natureza como armadura de reforo em estruturas de concreto, onde prescreve algumas sugestes para dimensionamento e, por outro lado, critica o uso indiscriminado da tecnologia no reforo estrutural (Kelley et al, 2000). Segundo esse documento alguns cuidados devem ser tomados antes de qualquer clculo: a) O dimensionamento deve seguir os mesmo princpios bsicos de equilbrio e relaes constitutivas usadas para as tcnicas de reforo convencionais; b) Estabelecer uma resistncia mnima para a pea sem reforo, para prevenir colapsos, no caso de falncia do reforo por eventos incontrolveis como vandalismo, incndio e qualquer outro acidente; c) Estabelecer limites de reforo para garantir o comportamento dctil da pea reforada; d) Usar coeficientes apropriados de ponderao para o projeto de reforo e;

44

e) Verificar as condies do substrato de concreto. O guia levanta, ainda, algumas questes a serem esclarecidas de forma mais precisa, como os sistemas de ancoragem, comportamento a longo prazo dos agentes adesivos, ao da umidade, resistncia ao fogo, etc. Portanto, cautela deve ser a palavra chave ao se usar esses sistemas, pois ainda h a necessidade de mais testes e o uso indiscriminado deve ser evitado. Em conseqncia dos altos riscos ao fogo e outros eventos, o ACI 440 recomenda que os membros a serem reforados com FRP devem possuir uma capacidade de carga que garanta um coeficiente de segurana razovel contra o colapso. Recomendam, ainda, que a estrutura sem reforo deva resistir s cargas de servio sem que haja escoamento da armadura, ou seja, que a resistncia ltima do sistema sem reforo garanta os carregamentos de servio, devendo ser verificada pela expresso: S n 1,2( S D + S L + ...)

(2.10)

onde: Sn = esforo resistente nominal da pea sem reforo; = coeficiente de segurana do ACI (0,9 para flexo, 0,85 para cisalhamento, etc); SD = esforos provenientes do peso prprio da estrutura; SL = esforos provenientes das cargas acidentais. Com isso, o ACI induz a um coeficiente de segurana de 1,3 para a flexo e 1,4 para cisalhamento. Esses fatores so similares aos coeficientes propostos pelo ACI para testes de carga. Embora estes limites, aparentemente, restrinjam o uso de tcnicas de reforo com FRP, o ACI 440 lembra que deve-se considerar os seguintes fatos: Coeficientes de segurana so necessrios para que se leve em conta a possibilidade da ocorrncia45

simultnea

dos

seguintes

eventos:

carregamentos imprevistos, m qualidade do material, imperfeies de construo e influncias do meio ambiente; At que mtodos de proteo contra o fogo sejam perfeitamente desenvolvidos para a proteo do sistema de FRP, um projeto especfico para esse fim necessrio; Experincias com materiais de FRP so limitadas e muitas questes de desempenho ainda esto por ser esclarecidas e muitos testes de exposio ambiental ainda no chegaram ao seu fim.

2.4.3.3 - O sistema de reforo com mantas flexveis de FRP Descrio O sistema de reforo com armadura adicional colada de mantas de FRP tem se mostrado uma tcnica muito promissora para aumentar a capacidade resistente de peas estruturais diversas, vigas, lajes ou pilares. A adio de mantas pode consistir em sua colagem como armaduras de flexo e de confinamento do ncleo do concreto em pilares de concreto armado, conforme pode ser visto na Figura 2.15. A Figura 2.16 ilustra a colagem de mantas de CFRP como reforo flexo em vigas de concreto.

Figura 2.15 Reforo flexo-compresso em pilares

46

Figura 2.16 Reforo flexo em vigas de concreto armado

Dois sistemas de CFRP so mais comumente usados no Brasil e pouco diferem em desempenho e modo de aplicao (Beber, 2000)

a) Sistemas impregnados in loco (Wet lay-up)Esses sistemas consistem em fibras uni ou multidirecionais que so impregnadas com uma resina saturante e curados in loco, ou seja, as resinas utilizadas no sistema so aplicadas s mantas de fibras apenas no ato do reforo. Esse foi o sistema usado no presente trabalho. b) Sistemas pr-impregnados (prepreg) O sistema de reforo com mantas pr-impregnadas fabricado com os filamentos de fibra de carbono esticados unidirecionalmente e levemente impregnados com resina epxi. So fornecidos em um rolo com um papel adesivo para facilitar a aplicao do material. As fibras desse sistema so coladas ao substrato, com ou sem auxlio de uma resina adicional, dependendo de requisitos especficos de cada situao. Para esses sistemas, os fornecedores devem ser consultados sobre condies de armazenamento, validade do produto e tipo de cura recomendada.

47

As propriedades fsicas mais importantes dos componentes do sistema so descritas a seguir: a) Densidade Os materiais de base FRP tm densidades variando entre valores de 1,2 a 2,1g/cm, de quatro a seis vezes menor que a do ao. A reduo no peso leva a custos substancialmente menores de transporte, menores cargas adicionadas a estrutura e fcil manuseio no local do reforo. b) Coeficiente de expanso trmica O coeficiente de expanso trmica de fibras unidirecionais, por serem anisotrpicas, diferem nos sentidos longitudinal e transversal, dependendo tambm do tipo de fibra, resina e da taxa volumtrica das mesmas. (ACI, Committee 440-F, 2000)Tabela 2.9 Coeficientes de expanso trmica (ACI Committe 440, 2000)

Direo Long., L Trans., T

Coeficiente de expanso trmica (x 10-6/C) GFRP* 6 a 10 19 a 23 CFRP** -1 a 0 12 a 27 AFRP*** -6 a 2 33 a 44

* - Polmero reforado com fibra de vidro **- Polmero reforado com fibra de carbono *** - Polmero reforado com fibra de aramida

Cabe notar o coeficiente negativo em algumas situaes, o que mostra que o material pode se contrair com o aumento da temperatura e se expandir com seu decrscimo. c) Efeitos de altas temperaturas A temperatura em que o polmero alterado conhecida como a temperatura de transio do vidro, Tg. Alm deste limite, o mdulo de elasticidade do polmero significantemente reduzido, devido a mudanas na estrutura48

molecular. O valor de Tg depende do tipo de resina, normalmente entre 60 e 82C (ACI, 2000). Em um material composto, as fibras que possuem melhores propriedades trmicas podem continuar suportando alguma carga na direo longitudinal at que a temperatura afete seu desempenho. Isso ocorre em temperaturas perto de 1000C para fibras de vidro e 175C para fibras de aramida. As fibras de carbono so capazes de resistir a temperaturas que chegam a 275C. Entretanto, devido ao comprometimento das resinas, a aderncia do sistema comprometida, reduzindo assim a capacidade de reforar a estrutura. Testes realizados indicam que, para temperaturas prximas de 250C, a capacidade de sistemas de GFRP e CFRP reduzida em mais de 20% (Kumahara et al., 1993). Outras propriedades, como a transferncia de tenses de cisalhamento pela resina, so significantemente reduzidas a baixas temperaturas. (Wang e Evans, 1995). Quanto s propriedades mecnicas, merecem nota: a) Comportamento trao Quando solicitados trao, os materiais de FRP no apresentam uma fase plstica, ou seja, no apresentam escoamento, conforme j descrito anteriormente, na pesquisa de Saadatmanesh (1994). A resistncia trao e a rigidez das fibras dependem de diversos fatores; o tipo de fibra, sua orientao e quantidade so os principais. A rea de fibra utilizada pode ser calculada de duas formas: a primeira delas, usual em sistemas wet lay-up, a no considerao da resina na rea bruta da seo, ou seja, apenas a espessura da fibra considerada. Entretanto, para outros sistemas, para determinao da rea do sistema, considerada a camada de resinas aplicada. Em sistemas em que a rea das resinas desprezada menor a espessura, sendo, por outro lado, a resistncia e o mdulo de elasticidade maiores. Algumas propriedades de algumas fibras comercialmente disponveis so apresentadas a seguir, na Tabela 2.10.

49

Tabela2.10 - Propriedades tpicas de fibras usadas em sistemas FRP (ACI 440, 2000)

Tipo de Fibra Carbono (CFRP) Normal Resistncia alta Resist. muito alta Mdulo alto Mdulo muito alto Vidro (GFRP) E S Aramida (AFRP) Normal Alta performance

Mdulo de Elasticidade (GPa) 220-235 220-235 220-235 345-515 515-690 69-72 86-90 69-83 110-124

Resistncia trao (MPa) 2050-3790 3790-4825 4825-6200 1725-3100 1375-2400 1860-2685 3445-4135 3445-4135 3445-4135

Deformao ltima (%) 1,2 1,4 1,5 0,5 0,2 4,5 5,4 2,5 1,6

b) Comportamento ao longo do tempo b.1) Ruptura por fluncia Materiais de FRP sujeitos a longos perodos de carregamento

aproximadamente constante podem romper, repentinamente, aps um perodo conhecido como endurance. Esta ruptura por fluncia pode ser precipitada por condies de exposio adversas, como altas temperaturas, ambientes com alta alcalinidade, ciclos de secagem - molhagem e congelamento - descongelamento, e exposio a raios ultra-violetas. Em geral, as fibras de carbono so menos sujeitas a este tipo de ruptura; as fibras de aramida so moderadamente suscetveis, enquanto as fibras de vidro so bastante afetadas por este tipo de falncia. b.2) Fadiga Uma quantidade substancial de dados sobre o comportamento sob fadiga de materiais de FRP tem sido obtida nos ltimos 30 anos (National Research Council, 1991), principalmente atravs de pesquisas aeroespaciais. A despeito das diferenas de qualidade entre os materiais com fins aeroespaciais e com fins comerciais para construo, algumas observaes genricas podem ser feitas.50

As fibras de aramida, para as quais existem bastante dados sobre durabilidade, aparentemente, se comportam de forma semelhante s fibras de vidro. Sob sucessivas aplicaes de tenses de trao, o comportamento de fibras impregnadas excelente. A perda de resistncia, segundo Roylance e Roylance, (1981) em torno de 5 a 6%, apenas. As fibras de carbono so tambm pouco afetadas pelo efeito da fadiga. 2.4.3.4 Sistema CFRP usado no presente trabalho O programa experimental desta pesquisa abordou o reforo de pilares de concreto armado, usando o sistema de reforo com CFRP, composto por 4 elementos bsicos que, juntos, formam um sistema de alta resistncia, descritos a seguir. O sistema usa duas resinas epxicas e uma argamassa de base epxi fabricados pela Fosroc Reax, em uma manta unidirecional de CFRP, fabricada pela Hexcel. a) Resina primer (Nitoprimer CF 50) Aplicado para prover uma camada de boa aderncia (ponte de aderncia), penetrando nos poros do substrato de concreto. Obviamente, antes da aplicao deste produto, essencial a limpeza do substrato, com jato de areia, por exemplo. uma resina epxi-poliamida, bicomponente (A e B), de baixa viscosidade, com 100% de slidos e suas caractersticas bsicas, fornecidas pelo fabricante, so: - Resistncia trao direta - Mdulo de elasticidade - Alongamento mximo na trao - Relao de mistura - Tempo de trabalho a 30 C Tempo de trabalho a 20 C 19 a 21 MPa; 724,8 MPa; 21,75%; A/B = 3/1; 15 minutos; 1 hora

b) Regularizador (Nitomortar CF Putty) Pasta aplicada sobre a resina-base. usado para preencher buracos oriundos de falhas de concretagem e superfcies defeituosas, com profundidade acima de 5mm. Pode tambm ser usado para nivelamento. Se a superfcie do concreto bastante plana e est em boas condies, seu uso pode ser dispensado.51

uma pasta de base epxi, bicomponente (elementos A e B), de consistncia tixotrpica, com 100% de slidos. Apresenta as seguintes caractersticas: - Resistncia trao direta - Alongamento mximo na trao - Consumo na aplicao no concreto - Relao de mistura - Tempo de trabalho a 25 C 23,0 a 27,0 MPa 1,6% superfcies rugosas A/B = 3/1 30 minutos

superfcies lisas

0,29 m/l 0,15 m/l

c) Resina saturante (Nitobond CF 55) Usada para impregnar as fibras da manta, permitindo sua colagem. O saturante mantm as fibras na direo correta e distribui as tenses de forma uniforme nas fibras. Alm disso, protege as fibras da abraso e ao de intempries. Consiste em uma resina epxi, bicomponente, de baixa viscosidade, com 100% de slidos e suas caractersticas: - Resistncia trao direta - Resistncia compresso - Relao de mistura - Tempo de trabalho a 25 C - Cura Total - Alongamento ruptura 78,0 MPa 82 a 87 MPa A/B = 3/1 30 minutos 7 dias 29,03%

d) A manta de CFRP A fibra de carbono utilizada no reforo dos pilares foi do tipo unidirecional de alta tenso AS4C, fabricada pela empresa americana Hexcel. A Figura 2.17 mostra a disposio de cada elemento e sua ordem de aplicao.

52

Revestimento Protetor

2 Camada Saturante Manta de CFRP 1 Camada Saturante Massa Epxica Regularizadora

PrimerSubstrato de concreto

Figura 2.17 Esquema do sistema de reforo com manta de FRP (Master Builders, 1998)

2.5 - REFORO DE PILARES DE CONCRETO ARMADO 2.5.1 Reforo com remoldagem e armadura adicional O reforo de pilares de concreto armado que no atendem resistncia requerida, devido a fatores j discorridos neste texto, exige, em geral, a adio de armadura longitudinal e estribos, seguida de concretagem, remoldando a seo original do pilar. Segundo Cnovas (1988), a espessura mnima da camada de concreto est associada facilidade de concretagem da pea e ao tamanho do agregado utilizado, sendo conveniente que essa espessura no seja menor que 10 cm. Em casos especiais, onde o uso de aditivos superplastificantes vivel e se dispe de meios adequados de concretagem, essa espessura pode cair para valores em torno de 6 cm. Em 1996, Vanderlei estudou o reparo de pilares de concreto armado com remoldagem da seo transversal, tendo como objetivo avaliar o comportamento estrutural de exemplares reparados com adio de novo material, com a simulao de perda considervel de seo (50% e 100% de reduo). Nessa pesquisa foram usados diversos processos de remoldagem, como: remoldagem com concreto53

comum, com e sem aplicao de agente adesivo na ligao substrato-concreto novo, e remoldagem com argamassas modificadas por adio de resina epxi ou por adio mineral. Os ensaios de Vanderlei indicaram que todos os processos de remoldagem analisados alcanaram o objetivo de estabelecer capacidade resistente satisfatria aos pilares danificados, ficando, portanto, a escolha do processo condicionada a outros fatores envolvidos, principalmente a durabilidade, deformabilidade da estrutura, custos, tempo para entrada em carga do reparo e grau de especializao da equipe tcnica disponvel. No caso de reforo com armadura transversal adicional, se o espaamento dos estribos for adequado, essa armadura pode promover o confinamento do ncleo de concreto do pilar. Esse cintamento, ao se opor s deformaes transversais do ncleo, quando submetido a esforo axial, pode impedir, em parte, essas deformaes, aumentando a capacidade resistente do elemento. Cnovas (1988) recomenda que o reforo por cintamento s deva ser usado em peas curtas, onde no haja a possibilidade de flambagem ou efeitos de segunda ordem. O reforo mediante o emprego do cintamento ocorre, geralmente, em pilares de seo circular ou quadrada, onde o concreto utilizado foi de m qualidade e/ou com deficincia de armao, ou mesmo quando bem projetados, se submetidos a uma carga sensivelmente maior que a expectativa. 2.5.2 - Reforo com perfis metlicos O reforo de pilares por adio de perfis metlicos, segundo Souza e Ripper (1999), depende diretamente de dois fatores, que ocasionaram a necessidade de reparo ou reforo: a) integridade do pilar est totalmente comprometida neste caso o reforo consiste, basicamente, no dimensionamento de um pilar metlico capaz de resistir s cargas especificadas no projeto original. Obviamente, esse novo pilar pode ser composto de um ou mais perfis estruturais, que iro substituir totalmente o pilar de concreto armado.54

b) mudana de utilizao da estrutura esse caso se apresenta um pouco mais complexo que o anterior, pelo fato da estrutura, no caso com a integridade mantida, estar solicitada prxima ao seu limite. Dessa forma, caso o reforo seja introduzido sem que a estrutura seja parcialmente, ou totalmente, descarregada, o reforo apenas ser solicitado quando o acrscimo de carga for imposto estrutura existente, mantendo o pilar de concreto armado solicitado prximo ao seu limite. A execuo dessa tcnica, independentemente da causa que gerou a necessidade do reforo de fundamental importncia. Como toda pea submetida a compresso, os perfis adicionados a estrutura estaro sujeitos flambagem. Outro importante aspecto a aderncia entre estas peas e o concreto velho e o aumento da seo do pilar, podendo levar a tenses de cisalhamento nas peas de ligao que no estavam previstas. Tendo em vista essas questes, segundo Cnovas (1988), alguns cuidados devem ser tomados no dimensionamento do reforo. O primeiro deles prover as cantoneiras ou outro tipo de perfil usado de cintas de ao perfeitamente soldadas ao perfil, funcionando como estribos para o confinamento do ncleo do concreto e para diminuir a possibilidade de flambagem dos perfis. Outro aspecto de grande relevncia, segundo Souza e Ripper (1999), a perfeita e rgida unio de todo o conjunto da base e do capitel ao concreto das vigas, das lajes ou das fundaes, para que seja possvel a entrada em servio dos perfis antes que o pilar atinja o estado limite ltimo. Para que essa ligao ocorra, necessria a perfeita unio entre a base o capitel metlico com as superfcies horizontais das vigas ou lajes, atravs de um material com elevada resistncia compresso, que atue como elemento intermedirio para a transferncia de esforos eliminando contatos pontuais. (Cnovas, 1998) 2.5.3 - Reforo de pilares com mantas de CFRP

2.5.3.1 - Fundamentos da tcnica Os fundamentos do confinamento de concreto com mantas de CFRP seguem os mesmos princpios bsicos de equilbrio e relaes constitutivas usadas

55

para concreto armado (Kelley et al, 2000). Algumas expresses de clculo so apresentadas no item 2.5.3.3. A manta de CFRP, quando usada em reforo de pilares submetidos a compresso simples, age conferindo um confinamento passivo ao ncleo do concreto, de forma semelhante a uma espira ou tubo de ao, reagindo s deformaes transversais e, portanto, induzindo um estado triaxial de tenses no ncleo. Cabe lembrar que, como os pilares cintados por tcnicas tradicionais, os pilares reforados com mantas de CFRP tambm esto sujeitos s restries expostas nas letras b, c e d do item 2.2.2. Conforme descrito no item 2.2.1, em nveis de carga bastante prximos ao da carga ltima, os danos nos pilares de concreto so manifestados por fissuras longitudinais, que ocorrem de forma visvel. O encamisamento com CFRP deve conter esses danos, ou seja, restringir as deformaes transversais, e manter a integridade estrutural da coluna de concreto, ainda para nveis de carga substancialmente abaixo da carga ltima, ou seja, importante que a manta de CFRP atue, efetivamente, no reforo do pilar, para cargas de servio, onde as deformaes transversais se propagam de forma estvel. 2.5.3.2 - Pesquisas anteriores em reforo de pilares com mantas de CFRP Saafi (1999) realizou um amplo estudo numrico-experimental para comparao de diversas frmulas de previso da carga e deformao ltimas do concreto de pilares cintados, disponveis na literatura, como as de Karbhari et al, Fardis et al, Mander et al e Miyauchi et al, todas estabelecidas para sees circulares. Realizou ensaios com diversas taxas de confinamento das mantas de CFRP, para chegar a uma formulao prpria. Segundo Saafi, a utilizao de modelos de confinamento convencionais para o reforo de pilares com CFRP leva a um dimensionamento pouco seguro, superestimando a capacidade resistente do sistema. O programa experimental de Saafi constou de 15 exemplares cilndricos de concreto sem armadura, reforados com mantas de CFRP, submetidos ruptura por56

compresso. Os corpos de prova tinham relao altura-dimetro de

2,85 e

dimenses de 152,4 mm de dimetro por 435 mm de altura. Foi utilizado concreto, com resistncia mdia aos 28 dias de 38 MPa. Foram, tambm, ensaiados corpos de prova de concreto sem confinamento. As propriedades dos materiais de reforo, fornecidas pelos fabricantes, e os dados dos exemplares ensaiados esto na Tabela 2.11.Tabela 2.11 Programa experimental (Saafi et al, 1999)

Exemplar C1 C2 C3

N de camadas e espessura das mantas de reforo 1 2 3 0,11mm 0,23mm 0,55mm

Resistncia trao da manta (MPa) 3300 3550 3700

Mdulo de Elasticidade da manta (GPa) 367 390 415

N. de Exemplares 3 3 3

Ficou claro nesse estudo que a resistncia ao esforo axial, ductilidade e a capacidade de absoro de energia dos corpos de prova reforados foram sensivelmente superiores dos sem reforo. Alguns dados podem ser visualizados na Tabela 2.12.Tabela 2.12 Resultados Experimentais de Saafi (1999) Exemplar Sem reforo C1 C2 C3 Resistncia do Concreto do Ncleo (MPa) 35 55 68 97 Encurtamento ltimo do concreto (%) 0,25 1 1,6 2,22 Aumento na Resistncia (%) 0 57 94 177 Aumento no Encurtamento (%) 0 300 540 788

expressivo o aumento na ductilidade dos exemplares reforados, como atestam os encurtamentos ltimos da Tabela 2.12, comportamento esse altamente desejvel para pilares. Ainda no estudo de Saafi, cabe destacar o comportamento diferenciado da curva tenso-deformao do concreto que, quando reforado pelas mantas, passa a57

ter um comportamento bi-linear at a ruptura. Esse comportamento pode ser explicado pelo fato de, at a fissurao inicial do concreto do ncleo, no haver grandes deformaes transversais no mesmo e, portanto, o reforo ainda no atua. Entretanto, quando h o incio da fissurao do concreto, a manta entra em ao restringindo as deformaes laterais da pea. Dessa forma, tendo a manta um comportamento linear-elstico at a ruptura, o diagrama do sistema formado pelo concreto e as fibras se comporta como um material nico, bi-linear, com uma zona de transio entre as duas fases lineares, como na Figura 2.18. Nesse mesmo estudo, Saafi comparou frmulas de outros autores e as suas para o efeito do confinamento com os seus resultados experimentais e o modelo proposto, tanto para tenso ltima do concreto do ncleo, quanto para a deformao ltima.

Te n s o

D e fo rm a o

Figura 2.18 Diagrama bi-linear, com fase de transio, do concreto confinado com CFRP (Saafi, 1999)

Segundo Saafi, as frmulas que mais se adequaram aos seus resultados experimentais foram as expresses (2.11a) e (2.11b), propostas por Karbahari et al, em 1993, as de Miyauchi et al, expresses (2.12a) e (2.12b), de 1997.0 ,87 1 + 2 ,1 2tfcom cc c f' = f' df ' c

(2.11a)

58

2tfcom cc = 0 ,002 + 0 ,01 df ' c 2tfcom f ' = f '1 + 3,5 cc c df ' c 0 ,373 2tfcom cc = 0 ,0021 + 10 ,6 df ' c

(2.11b)

(2.12a)

(2.12b)

As expresses propostas por Saafi, tambm para sees circulares, so: 2tfcom f ' = f '1 + 2,2 cc c df ' c 0 ,84

(2.13a)

fcc cc = co1 + (537com + 2,6 ) 1 fc onde: fc = resistncia compresso do concreto sem confinamento; fcc = resistncia do concreto com confinamento;

(2.13b);

fcom = resistncia trao do material de confinamento, com espessura t", em torno do dimetro d;

co = encurtamento mximo do concreto no confinado; cc = encurtamento mximo do concreto confinado; com = alongamento mximo das fibras do material de confinamento.Na Tabela 2.13, so mostrados os resultados experimentais obtidos por

Saafi e as estimativas segundo as formulaes citadas. As formulaes de Saafi e Karbahari se aproximam mais dos resultados experimentais para a resistncia compresso. Porm, os valores so bastantes distantes dos reais para os encurtamentos mximos estimados, fato evidenciado pela Tabela 2.14, levando a crer que ainda h muito o que pesquisar em torno deste assunto.

59

Tabela 2.13 Comparao das resistncias compresso dos CPs com CFRP

Exemplar C1 C2 C3

Resistncia Saafi Karbhari Experimental fcc (MPa) (%) fcc (MPa) (%) (MPa) 55,0 68,0 97,0 52,6 66,9 100 0,18 4,35 -1,69 51,1 64,5 96,7 7,08 5,1 0,29

Miyauchi fcc (MPa) 54,7 75,5 131,8 (%) 0,59 -11,0 -35,5

Obs.: O sinal negativo indica estimativas contra a segurana

Tabela 2.14 Comparao das expresses propostas para deformao ltima

Exemplar C1 C2 C3

Deformao Saafi Experimental (%) 'cc (%) (%) 1 1,6 2,22 0,771 1,33 2,63 22,87 16,44 -18,4

Karbhari 'cc (%) 0,32 0,48 0,9 (%) 6,74 6,98 5,95

Miyauchi 'cc (%) 1,17 1,52 2,05 (%) -17,6 4,88 7,28

Obs.: O sinal negativo indica estimativas contra a segurana

No que se refere resistncia a flexo composta, Saadatmanesh (1997) realizou estudo numrico em pilares de sees circulares e sees retangulares, adotando as mesmas frmulas de Karbhari et al para o confinamento de pilares citadas anteriormente (expresses 2.11a e 2.11b). Foram analisadas diversas curvas Carga x Momento, para os pilares sem confinamento e com confinamento de fibra de vidro e por fibras de carbono. O reforo utilizado por Saadatmanesh foi composto por anis individuais de manta de carbono em um grupo de pilares, e uma espiral contnua do mesmo material em outro. O estudo evidenciou a ntida melhora do desempenho dos exemplares, no que tange ductilidade, resistncia ao esforo axial e flexo. Alm disto, foi possvel observar que o incremento no momento mximo menor que o incremento na resistncia axial e ductilidade do pilar. Esse60

comportamento desejvel em regies sujeitas a sismos, pois resulta em uma ruptura prxima de flexo, ou seja, com maiores deformaes e mais dctil, e no a ruptura frgil por compresso axial. Saadatmanesh tambm concluiu que o acrscimo de carga e deformao no momento da ruptura decresce com o aumento das resistncias compresso do concreto. Relata, ainda, que o acrscimo na deformao ltima do pilar segue uma relao direta com o acrscimo de camadas de FRP, ou seja, com a espessura do reforo, mas, decresce com o aumento do espaamento dos anis usados no reforo, o que bastante bvio pois dessa forma h a diminuio do confinamento do ncleo do concreto. 2.5.3.3 - Dimensionamento do reforo de pilares com CFRP O dimensionamento tem sido efetuado, no Brasil, com base em disposies dos manuais tcnicos de dois fabricantes, Master Builders (1998) e Sika (1999) e do guia do ACI 440 (2000). A formulao proposta pela Master Builders a mesma apresentada pelo ACI 440, que ser objeto de estudo e comparaes nesta pesquisa. Ser utilizada a formulao da NB-1/78 para pilares cintados, objetivandose analisar a possibilidade de sua adequao para o clculo da capacidade resistente de pilares reforados por confinamento com CFRP. a) Metodologia de clculo com base na NB-1/78 para pilares cintados O dimensionamento realizado em duas partes. A primeira compreende a obteno do espaamento equivalente de estribos de ao fornecido pela manta. A segunda parte refere-se ao clculo do confinamento propriamente dito, utilizando-se disposies relativas a pilares cintados da NB-1/78, apresentadas no item 2.2.2 desta dissertao. A rea equivalente de estribos de ao dada pela manta determinada por (Master Builders, 1998): Asm = 2tcj onde:61

Em Es

(2.14)

-

tcj = espessura da manta de CFRP Em = Mdulo de deformao da manta de CFRP Es = Mdulo de deformao do ao Considerando que, para a armadura transversal existente no pilar, em

estribos convencionais com espaamentos st, os dois ramos do estribo em faces opostas combatem a fora de trao transversal, a rea resistente de estribos por unidade de comprimento do pilar dada por: Ase = 2 onde: Ast = rea da seo transversal da barra do estribo de ao. Dessa forma, o espaamento equivalente de estribos, st , provido pelo reforo com a manta, dado por: s'= 2 t Ast . Asm + Ase (2.16) Ast st (2.15)

Com o valor de st, substituindo o espaamento de estribos convencionais st, prossegue-se com o dimensionamento normal para pilares cintados, usando, por exemplo, as diretrizes da NB-1/78, descritas no Captulo 2, item 2.2.2. b) Formulao da Sika (1999) A formulao apresentada pelo manual tcnico da Sika consiste em calcular como pilar simples, usando a resistncia compresso do concreto confinado, como segue: f cc = f ck 2 ,254 1 + 7 ,94 onde : fl 2 fc fl 1,254 ; fc

(2.17)

62

e tambm; fcc = Resistncia compresso do concreto confinado; fc = Resistncia compresso do concreto existente; fcom = resistncia trao da manta aplicada; tj = espessura da manta; b e h = dimenses da seo transversal retangular do pilar, respectivamente.

c) Formulao do ACI 440 (2000) O Comit ACI 440 sugere, para o dimensionamento de sees confinadas por CFRP, uma expresso para a resistncia do concreto confinado quase idntica Expresso (2.17), como mostrado a seguir: f f f ' = f ' 2 ,25 1 + 7 ,9 l 2 l 1,25 cc c f' f' c c

A tenso de confinamento provida pela manta de CFRP calculada pela expresso a seguir:fl = a f f fe a f fe Em = 2 2

,

onde:

a = fator de confinamento (funo do tipo da geometria da seo transversale raio de arredondamento dos vrtices da seo ver Figura 2.19), a seguir:

f = taxa de reforo de CFRP fe = deformao efetiva da manta de CFRP com. = deformao mxima da manta de CFRP63

-

Razo de confinamento para seo