Estruturas de  Concreto Armado

1. Introdução

Por concreto armado, entende-se o concreto com barras de aço nele imersas ¾ o concreto é considerado “armado” com uma armadura de aço. O concreto armado é, pois, um material de construção composto, no qual a ligação entre o concreto e a armadura de aço é devida à aderência do cimento e a efeitos de natureza mecânica. Os dois materiais apresentam coeficientes de dilatação térmica bem próximos, dentro da faixa usual de temperatura atmosférica (entre -40 e +60 oC):

concreto:         ac = 0,9 a 1,4 x 10-5 oC-1

aço:                 as = 1,2 x 10-5 oC-1

O conjunto apresenta grande durabilidade. O concreto forma uma camada de proteção em volta das peças de armadura, impedindo a oxidação.

As barras de armadura devem absorver os esforços de tração, que surgem nas peças submetidas à flexão ou à tração, já que o concreto possui alta resistência à compressão, porém pequena resistência à tração. Devido à aderência, as deformações das barras de aço e a do concreto que as envolve devem ser iguais, isto é,            

                        es  =   ec   para o aço e para o concreto.

Tendo em vista que o concreto tracionado não pode acompanhar as grandes deformações do aço, o concreto fissura-se na zona de tração; os esforços de tração devem, então, ser absorvidos apenas pelo aço. Uma viga de concreto simples romperia bruscamente após a primeira fissura, uma vez atingida a baixa resistência à tração do concreto, sem que fosse aproveitada a sua alta resistência à compressão. A armadura deve portanto ser colocada na zona de tração das peças estruturais e, sempre que possível, na direção dos esforços internos de tração. A alta resistência à compressão do concreto pode, desta maneira, ser aproveitada na flexão, em vigas e lajes.

Em peças submetidas apenas à compressão, as armaduras podem aumentar a capacidade de carga à compressão.

O concreto com cal hidráulica e o cimento pozolânico (de origem vulcânica) já era conhecido pelos romanos como aglomerante. A invenção do cimento romano, em 1796, pelo inglês J. Parker, e a do cimento Portland pelo francês J. Aspdin, no ano de 1824, deram origem aos mais recentes desenvolvimentos em obras de concreto.

Em meados do século XIX, foram adotadas pela primeira vez, na França, armaduras de aço em peças de concreto: em 1855, J. L. Lambot construiu um barco com argamassa de cimento reforçada com ferro; em 1861, J. Monier construiu um vaso de flores de concreto com armadura de arame (concreto Monier); em 1861, F. Coignet publicou os princípios básicos para as construções em concreto armado, e apresentou na Exposição Internacional de Paris, em 1867, vigas e tubos de concreto armado.

O americano W. E. Ward construiu em Nova Iorque, em 1873, uma casa de concreto armado ¾ o Ward’s Castle ¾ existente até hoje. Outros percursores foram: T. Hyatt, F. Hennebique, G. A. Wayss, M. Koenen e C. W. F. Döhring.

Emil Mörsch (professor da Universidade de Stuttgart) publicou, em 1902, por incumbência da firma Wayss & Freytag, uma descrição com bases científicas e fundamentadas, do comportamento do “concreto de ferro” e, partindo de resultados de ensaios, desenvolveu a primeira teoria realista sobre o dimensionamento de peças de concreto armado. A expressão “concreto armado” foi introduzida em 1920, em vez de concreto de ferro”, porque o material empregado é o aço e não o ferro.

O aparecimento de fissuras  no concreto foi considerado durante muito tempo como prejudicial, retardando a utilização do concreto armado. Hoje em dia, sabe-se que as fissuras são apenas capilares, quando as barras de aço escolhidas forem bem distribuídas e de diâmetro não muito grande. Em condições normais, não há nenhum perigo de corrosão para a armadura, desde que as fissuras sejam suficientemente pequenas. Devido à fissuração, M. Koenen propôs, já no ano de 1907, tensionar as barras de aço e, consequentemente, provocar tensões de compressão suficientemente elevadas no concreto, de modo a evitar a fissuração no caso de flexão.

Um concreto armado com armaduras previamente tensionadas é denominado hoje em dia concreto protendido. As tentativas primitivas falharam, porque não se sabia ainda que o concreto, com o tempo, encurta-se pela retração e pela deformação lenta. Assim, perdia-se a protensão realizada em aço comum. Somente em 1928, E. Freyssinet desenvolveu um processo com o emprego de aços de alta resistência, mediante o qual se poderia provocar tensões de compressão suficientemente elevadas e permanentes.

O concreto armado é empregado em todos os tipos de construção e suas principais vantagens são as seguintes:

·         é facilmente moldável: o concreto fresco adapta-se a qualquer tipo de forma; as armaduras de aço podem ser colocadas de acordo com o fluxo dos esforços internos;

·         é resistente ao fogo, às influências atmosféricas e ao desgaste mecânico;

·         é próprio para estruturas monolíticas (sem juntas), que, por serem muitas vezes hiperestáticas, apresentam uma elevada reserva de capacidade resistente e segurança;

·         é econômico (matéria prima barata, como areia e brita), dispensando, via de regra, qualquer manutenção ou conservação.

Como desvantagens podem ser citadas:

·         grande peso próprio das construções (adota-se, caso não seja feita nenhuma outra consideração, um peso específico para o concreto armado gc = 2,5 tf/m3);

·         menor proteção térmica;

·         as reformas e demolições são trabalhosas e caras.

2. Concreto

O concreto é um aglomerado constituído de agregados e cimento como aglutinante; é portanto uma rocha artificial. A fabricação do concreto é feita pela mistura dos agregados (areia e cascalho) com cimento e água, à qual, conforme a necessidade, são acrescentados aditivos, que influenciam as características físicas e químicas do concreto fresco ou endurecido. O concreto fresco é moldado em formas e adensado com vibradores. O endurecimento do concreto começa após poucas horas e, de acordo com o tipo de cimento, atinge aos 28 dias cerca de 60 a 90% de sua resistência. O concreto pode ser fabricado no local ou ser pré-misturado. O concreto endurecido é classificado de acordo com a sua massa específica nas seguintes categorias:

-concreto pesado                                r = 2,8 a 5,0 t/m3 

-concreto normal                                r = 2,0 a 2,8 t/m3

-concreto leve estrutural                                 r = 1,2  a 2,0 t/m3

-concreto leve para isolamento térmico         r = 0,7  a 1,6 t/m3

2.1 Cimento

O cimento é obtido aquecendo-se calcário e argila até a sinterisação (clínquer de cimento). Depois mói-se a mistura até obter-se um produto de textura fina. Os cimentos, como aglomerantes hidráulicos, determinam, antes de mais nada, as características do concreto.

2.2 Agregados

Como agregados podem ser utilizados materiais naturais e artificiais, que apresentem resistência suficiente e que não afetem o endurecimento do concreto. Os agregados devem por isso ser isentos de impurezas (terra, argila, humus) e de componentes prejudiciais (no máximo 0,02% de cloretos e 1% de sulfatos). O açúcar é especialmente perigoso, porque impede a pega do cimento.

A forma dos grãos e a conformação superficial influenciam muito a trabalhabilidade e as propriedades de aderência do concreto: agregados redondos e lisos facilitam a mistura e o adensamento do concreto; agregados com superfícies ásperas aumentam a resistência à tração.

Utilizam-se predominantemente agregados naturais: areia e cascalho de rio, pedra ou cascalho britado e areia de britagem, obtidos de pedreiras. Estes agregados dão origem ao concreto normal. Como agregados artificiais citam-se a escória de alto-forno para concreto leve e normal; argila expandida ou sinterizada para concreto leve.

Os agregados devem ser proporcionados de tal forma que a curva granulométrica esteja situada em uma faixa favorável. No entanto, o que importa em relação à trabalhabilidade é especialmente a faixa de 0 a 4 mm, a denominada “argamassa”. Como quanto menor for a quantidade de argamassa menores serão a retração e a deformação lenta do concreto, a quantidade de argamassa, ou seja, a granulometria de 0 a 4mm, não deve ultrapassar 35%.

Quase todas as águas naturais são apropriadas para amassamento. É necessário precaução quanto às águas de pântano e as de rejeito industrial. A água do mar é inadequada para estruturas de concreto armado e protendido devido à corrosão provocada pelo teor de sal.

O teor de água do concreto fresco é dado pelo fator água-cimento, isto é, pela relação em peso água-cimento. Esta relação varia geralmente entre 0,3 e 0,6. Quanto menor for o teor de água, maior é a resistência do concreto e menor é a trabalhabilidade.

2.3  Proporção entre os componentes no concreto

Geralmente, a proporção dos materiais é dada pelo traço, que fornece a relação entre seus volumes. Um traço, por exemplo de 1:2:3 significa 1 volume (geralmente uma lata) de cimento, 2 de areia e 3 de pedra. A medida (informal, porém generalizada) lata de obra tem aproximadamente 18 litros. Um saco de cimento pesa 50 kg e tem um volume de aproximadamente 36 l, ou 2 latas

3. Características mecânicas do concreto

Como já foi citado, o concreto apresenta grande resistência a compressão. Para medir esta resistência, existem ensaios padronizados, para os quais são preparados corpos de prova cilíndricos com 15 cm de diâmetro e 30 cm de altura. São exercidos esforços de compressão de curta duração na direção da altura do corpo de prova. A tensão de ruptura obtida depende da idade do concreto.

fcj  é a resistência à compressão de um concreto aos j dias, isto é, com j dias de idade.

Ensaios efetuados em vários corpos de prova com origem no mesmo concreto apresentam resultados distintos para a resistência à compressão. Esta variação se explica pelo fato de que o material não é homogêneo. A dispersão observada para os valores medidos depende da qualidade de preparação e do controle tecnológico.

Colocando-se uma série de valores de resistências de corpos de prova do mesmo concreto em um gráfico de distribuição, com as tensões medidas no eixo horizontal e as freqüências de ocorrência de um dado valor (ou intervalo de valor) no eixo horizontal, obtém-se uma curva de distribuição normal. A área entre a curva e o eixo horizontal é igual a 1. Um valor qualquer da resistência divide esta área nas probabilidades de ocorrência de valores menores e maiores do que este valor. O valor de resistência que tenha 95% de probabilidade de ser ultrapassado denomina-se resistência característica à compressão do concreto, fck..

O valor de fck pode ser obtido em função do valor modal fcj e do desvio padrão s:

O valor do desvio padrão s pode ser estimado em função da qualidade de execução:

           

EXECUÇÃO

s (kgf/cm2)

Ótima

25

Boa

40

Regular

55

Sofrível

70

 

Para carregamentos de longa duração, a resistência do concreto diminui. Utiliza-se como limite 0,85 fck.

fr

 

fc

 
O diagrama tensão-deformação do concreto apresenta o aspecto abaixo:

 

 

 

O

 
 

 

 


fr – tensão na ruptura

fs – tensão em serviço = 0,4 fr

Eo = módulo de elasticidade tangente na origem

Com fcj em kgf/cm2, tem-se:

Eo = 21000 . (fcj)0,5  em kgf/cm2

Es = 0,9 Eo

Coeficiente de Poisson: adotar n = 0,2


O diagrama simplificado do concreto, usado para a consideração das tensões e deformações numa seção transversal, possui um trecho parabólico e um trecho reto.

 

 


Resistência à tração:

ftk = 0,1 fck para fck < = 180 kgf/cm2

ftk = 7 + 0,06 fck para fck > 180 kgf/cm2

Retração: é a diminuição do volume devido à perda de água. De acordo com a NB1, pode-se considerar o efeito da retração igual ao de uma queda de temperatura de 15o C. Para evitar a necessidade de serem considerados os efeitos da retração no cálculo, utilizam-se juntas de retração a cada aproximadamente 30 m.

Deformação lenta: o módulo de elasticidade do concreto aparentemente cai ao longo do tempo, na permanência do carregamento.

E¥ = Es / k

Para clima úmido,       k = 2,30

Para clima seco,         k = 2,94

Adotar k = 3,00 para cargas permanentes aplicadas aos 28 dias de idade e

            k = 2,00 para cargas permanentes aplicadas aos 180 dias de idade.