ESTRUTURAS DE CONCRETO – CAPÍTULO 1 Libânio M. Pinheiro Colaboradores: Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos,Thiago Catoia, Bruna Catoia, Artur L. Sartorti Março de 2017 1. INTRODUÇÃO Este é o capítulo inicial de um livro cujos objetivos consistem em apresentar: os fundamentos do concreto e dos aços para armadura; as bases para cálculo de concreto armado; o estudo das seções transversais submetidas a solicitações normais e tangenciais; os conceitos referentes à ancoragem das barras e à interrupção delas fora dos apoios; a verificação dos estados limites de serviço. É um trabalho dedicado a alunos de graduação e a iniciantes em Engenharia Estrutural. Os interessados em aprofundar conhecimentos deverão consultar bibliografia complementar adequada. 1.1 DEFINIÇÕES Concreto é um material de construção proveniente da mistura, em proporção adequada, de aglomerantes, agregados e água. Também é frequente o emprego de aditivos e adições. a) Aglomerantes Os aglomerantes unem os fragmentos de outros materiais. No concreto em geral se emprega cimento Portland, que, por ser um aglomerante hidráulico, reage com a água e endurece com o tempo. b) Aditivos Os aditivos são produtos que, adicionados em pequenas quantidades aos concretos de cimento Portland, modificam algumas de suas propriedades, no sentido de melhorar esses concretos para determinadas condições. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 2 Introdução A maioria dos fabricantes de aditivos recomenda, exceto em casos especiais, não adicionar teores maiores que 5% em relação à massa do cimento. Os principais tipos de aditivos são: plastificantes (P), retardadores de pega (R), aceleradores de pega (A), plastificantes retardadores (PR), plastificantes aceleradores (PA), incorporadores de ar (IAR), superplastificantes (SP), superplastificantes retardadores (SPR) e superplastificantes aceleradores (SPA). c) Adições As adições constituem materiais que, em dosagens adequadas, atuam somando ou substituindo parcialmente o cimento, dadas as suas propriedades semelhantes e, em geral, adiciona-se teor maior ou igual a 5% em relação à massa do cimento, melhorando significativamente o desempenho do concreto. Podem ser incorporadas aos concretos ou inseridas nos cimentos ainda na fábrica, o que resulta na diversidade de cimentos comerciais. As adições são materiais extremamente finos, diminuem o volume de vazios (contribuindo para uma menor porosidade), reduzem a permeabilidade e, consequentemente, melhoram a resistência mecânica. Portanto, provocam efeitos permanentes. Os exemplos mais comuns de adições são: escória de alto forno, cinza volante, sílica ativa de ferro-silício e metacaulinita. d) Agregados Os agregados são materiais com dimensões variadas, que aumentam o volume da mistura, reduzindo seu custo, além de contribuir para que haja menor variação volumétrica do produto final. São também os maiores responsáveis pela elevação do módulo de elasticidade do concreto. Dependendo das dimensões características , dividem-se em dois grupos principais: agregados miúdos: 0,075mm < < 4,8mm. Exemplo: areias; agregados graúdos: 4,8mm. Exemplo: pedras britadas, seixos rolados. e) Pasta A pasta resulta da mistura do cimento com a água. Quando há água em excesso, denomina-se nata. Durante o processo de adensamento do concreto, a nata pode aflorar na face superior da peça. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 3 Introdução PASTA CIMENTO + ÁGUA f) Argamassa A argamassa provém da mistura de cimento, água e agregado miúdo, ou seja, pasta com agregado miúdo. ARGAMASSA CIMENTO + ÁGUA + AREIA g) Concreto simples O concreto simples é formado por cimento, água, agregado miúdo e agregado graúdo, ou seja, argamassa e agregado graúdo. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 4 Introdução CONCRETO SIMPLES CIMENTO + ÁGUA + AREIA + PEDRA No estado endurecido, o concreto em geral apresenta: adequada resistência à compressão; baixa resistência à tração; comportamento frágil, isto é, rompe com pequenas deformações. Na maior parte das aplicações estruturais, para melhorar as características do concreto, ele é usado junto com outros materiais. h) Concreto armado O concreto armado é a associação do concreto simples com uma armadura, usualmente constituída por barras ou fios de aço. Os dois materiais devem resistir solidariamente aos esforços solicitantes. Essa solidariedade é garantida pela aderência. CONCRETO ARMADO CONCRETO SIMPLES + ARMADURA + ADERÊNCIA i) Concreto protendido No concreto armado, a armadura não tem tensões iniciais. Por isso, é denominada armadura frouxa ou armadura passiva. Já no concreto protendido, pelo menos uma parte da armadura tem tensões previamente aplicadas, denominada armadura de protensão ou armadura ativa. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 5 Introdução CONCRETO PROTENDIDO CONCRETO + ARMADURA ATIVA j) Concreto pré-moldado Tradicionalmente, uma peça de concreto é moldada na sua posição definitiva, situação em que o concreto é conhecido como moldado in loco ou concreto moldado no local. Porém, as peças também podem ser moldadas fora da posição definitiva, ao que se dá o nome de concreto pré-moldado. Por exemplo, as peças podem ser moldadas no canteiro de obra, e posteriormente içadas para sua posição definitiva. Se as peças são produzidas em uma fábrica, tem-se concreto pré-fabricado, que posteriormente é transportado para a obra e colocado na posição final. k) Concretos leves Os concretos leves são conhecidos pela reduzida massa específica e elevada capacidade de isolamento térmico e acústico. Por exemplo, a ABNT NBR 6118:2014 aplica-se às estruturas de concretos normais, identificados por massa específica seca maior do que 2000 kg/m3, não excedendo 2800 kg/m3. Portanto, consideram-se concretos leves aqueles com massa específica seca no máximo igual a 2000 kg/m3. Os mais utilizados são os concretos porosos, celulares, sem finos e concretos com agregados leves, como poliestireno expandido – EPS (Isopor®), argila expandida, vermiculita etc. ℓ) Argamassa armada A argamassa armada é constituída por agregado miúdo e pasta de cimento, com armadura de fios de aço de pequeno diâmetro, formando telas. No concreto, a armadura é localizada em regiões específicas. Na argamassa armada, ela é distribuída por toda a peça e o material é considerado como se fosse homogêneo. m) Concreto de alto desempenho Um concreto de alto desempenho – CAD apresenta características diferenciadas do concreto tradicional, e deve ser entendido como um material que atende a expectativas para fins pré-determinados, relativos a comportamento estrutural, lançamento, adensamento, estética e durabilidade frente ao meio ambiente atual e futuro. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 6 Introdução Como exemplos podem ser citados: Concreto de Alta Resistência – CAR e Concreto Autoadensável – CAA. n) Concretos especiais Todos os concretos citados do item k em diante podem ser considerados concretos especiais, pois há características que os diferenciam do concreto comum. A eles se juntam diversos outros, como por exemplo: concreto autoadensável, concreto bombeado, concreto projetado, concreto com fibras, concreto compactado a rolo (CCR), concreto colorido, graute e muitos outros. 1.2 VANTAGENS DO CONCRETO, RESTRIÇÕES E PROVIDÊNCIAS Como material estrutural, o concreto apresenta várias vantagens em relação a outros materiais. Serão relacionadas também algumas de suas restrições e as providências que podem ser adotadas para contorná-las. 1.2.1 Vantagens do concreto armado Suas grandes vantagens são: é moldável, permitindo grande variabilidade de formas e de concepções arquitetônicas; apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitação, desde que seja feito um cálculo correto e um adequado detalhamento das armaduras; a estrutura é monolítica, com trabalho conjunto para resistir às ações; reduzido custo dos materiais – água e agregados, graúdos e miúdos; baixo custo de mão de obra, pois, em geral, a produção de concreto convencional não exige profissionais com elevado nível de qualificação; processos construtivos conhecidos em quase todo o mundo; facilidade e rapidez de execução, principalmente para peças pré-moldadas; é durável e protege as armaduras contra corrosão; reduzidos gastos de manutenção, desde que a estrutura seja bem projetada e adequadamente construída; é pouco permeável à água, quando dosado corretamente e executado em boas condições de plasticidade, adensamento e cura; apresenta bom comportamento em situações de incêndio, desde que adequadamente projetado para essas situações; possui resistência significativa a choques e vibrações, efeitos térmicos, atmosféricos e a desgastes mecânicos. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 7 Introdução 1.2.2 Restrições do concreto Providências adequadas devem atenuar as consequências de algumas restrições do concreto. As principais restrições são: retração e fluência; baixa resistência à tração; pequena ductilidade; fissuração; peso próprio elevado; custo de fôrmas para moldagem; corrosão das armaduras. 1.2.3 Providências Para suprir as deficiências do concreto, há várias alternativas. Tanto a retração quanto a fluência dependem da estrutura interna do concreto. Portanto, para minimizar seus efeitos, adequada atenção deve ser dada a todas as fases de preparação, desde a escolha dos materiais e da dosagem até o adensamento e a cura do concreto colocado nas fôrmas. A fluência depende também das forças que atuam na estrutura. Portanto, um programa adequado das fases de carregamento, tanto na fase de projeto quanto durante a construção, podem atenuar os efeitos da fluência. As fases de carregamento incluem um programa de retirada de escoramento. A baixa resistência à tração pode ser contornada com o uso de adequada armadura, em geral constituída de barras de aço, obtendo-se o concreto armado. Além de resistência à tração, o aço garante ductilidade e aumenta a resistência à compressão, em relação ao concreto simples. Em peças comprimidas, como nos pilares, os estribos, além de evitarem a flambagem localizada das barras, podem confinar o concreto, o que também aumenta sua ductilidade. A fissuração pode ser contornada ainda na fase de projeto, com armação adequada e limitação do diâmetro das barras e da tensão na armadura. Também é usual a associação do concreto com pelo menos uma parte de armadura ativa, ou seja, com tensões prévias, formando o concreto protendido. A utilização de armadura ativa tem como principal finalidade aumentar a resistência da peça, o que possibilita a execução de grandes vãos ou o uso de seções menores, diminuindo o peso próprio, sendo que também se obtém uma melhora do concreto com relação à fissuração. Uma peça de concreto somente poderá estar isenta de fissuras se for executada com protensão. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 8 Introdução O concreto de alto desempenho – CAD – apresenta características melhores do que o concreto tradicional – como resistência mecânica inicial e final elevada, baixa permeabilidade, alta durabilidade, baixa segregação, boa trabalhabilidade, alta aderência, reduzida exsudação, menor deformabilidade por retração e fluência, entre outras. O CAD é especialmente apropriado para obras em que a durabilidade é condição indispensável. A alta resistência é uma das maneiras de se conseguir peças de menores dimensões, aliviando o peso próprio das estruturas. Ao concreto também podem ser adicionadas fibras, principalmente de aço, que aumentam a ductilidade, a absorção de energia (tenacidade), a durabilidade etc. Com a padronização de dimensões, a pré-moldagem e o uso de sistemas construtivos adequados permitem a racionalização do uso de fôrmas, levando a economia neste quesito. Outro fator pode contribuir para maior reutilização de fôrmas é o uso de materiais alternativos, como o plástico. A argamassa armada é adequada para pré-moldados leves, de pequena espessura. A corrosão da armadura pode ser prevenida com controle da fissuração e com o uso de adequado cobrimento da armadura, cujo valor depende do grau de agressividade do ambiente (Classe de Agressividade Ambiental – CAA) em que a estrutura for construída. 1.3 APLICAÇÕES DO CONCRETO É o material estrutural mais utilizado no mundo. Seu consumo anual é da ordem de uma tonelada por habitante. Entre os materiais utilizados pelo homem, o concreto perde apenas para a água. Outros materiais como madeira, alvenaria e aço também são de uso comum e há situações em que são imbatíveis. Porém, suas aplicações são bem mais restritas. Algumas aplicações do concreto são relacionadas a seguir. Edifícios: mesmo que a estrutura principal não seja de concreto, alguns elementos, pelo menos, o serão; Galpões e pisos industriais ou para fins diversos; Obras hidráulicas e de saneamento: barragens, tubos, canais, reservatórios, estações de tratamento etc.; Rodovias: pavimentação de concreto, pontes, viadutos, passarelas, túneis, galerias, obras de contenção etc.; USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas Introdução 9 Estruturas diversas: elementos de cobertura, chaminés, torres, postes, mourões, dormentes, muros de arrimo, piscinas, silos, cais, fundações de máquinas etc. 1.4 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS Estrutura é a parte resistente da construção e tem as funções de suportar as ações e as transmitir para o solo. Em edifícios, os elementos estruturais principais são: lajes: são elementos planos que podem apresentar duas funções distintas. São denominadas placas quando absorvem ações normais ao seu plano principal. Essas ações, além das cargas permanentes, são também as ações de uso que são transmitidas para os apoios. Quando as lajes absorvem esforços paralelos ao seu plano principal, como as ações horizontais (vento desaprumo etc.), formam diafragmas rígidos, que travam os pilares e distribuem essas ações horizontais entre os elementos de contraventamento. Neste caso são denominadas de chapas ou membranas; Laje em função de placa Laje em função de chapa vigas: são barras em geral horizontais que delimitam as lajes, suportam paredes e recebem ações das lajes ou de outras vigas e as transmitem para os apoios; USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 10 Introdução pilares: são barras em geral verticais que recebem as ações das vigas ou das lajes e dos andares superiores e as transmitem para os elementos inferiores ou para a fundação; fundação: são elementos como blocos, lajes, sapatas, vigas, estacas etc., que transferem os esforços para o solo. Pilares alinhados ligados por vigas formam os pórticos, que devem resistir às ações do vento e às outras ações que atuam no edifício, sendo o mais utilizado sistema de contraventamento. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 11 Introdução Em edifícios esbeltos, outros tipos de contraventamento são: pórticos treliçados, paredes estruturais ou núcleos. Os dois primeiros situam-se, em geral, nas extremidades, e os núcleos, em volta da escada e dos elevadores. Nos andares com lajes e vigas, o conjunto desses elementos pode ser denominado tabuleiro, andar, piso ou pavimento. Esses termos piso e pavimento devem ser evitados quando puderem ser confundidos com pavimentação. É crescente o emprego do concreto em pisos industriais e em pavimentos de vias urbanas e rodoviárias, principalmente para tráfego intenso e pesado. Nos edifícios com tabuleiros sem vigas, as lajes se apoiam diretamente nos pilares, sendo denominadas lajes lisas. Se nas ligações das lajes com os pilares houver capitéis, elas recebem o nome de lajes-cogumelo. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 12 Introdução FONTE: LIMA NETO et al. (2013) Os capitéis podem ser constituídos por um aumento da seção transversal do pilar sob a laje. Também podem ser formados por um aumento da espessura da laje, caso em que podem ser denominados ábacos, pastilhas ou drop panels. Nas lajes lisas, há casos em que, nos alinhamentos dos pilares, uma determinada faixa é considerada como viga, sendo projetada como tal, e podem ser denominadas vigas embutidas, vigas-faixa ou vigas chatas. São muito comuns as lajes nervuradas. Se as nervuras e as vigas que as suportam têm a mesma altura, essas vigas também são denominadas vigas embutidas. Se a largura dessas vigas for maior que o dobro da sua altura, elas também podem ser chamadas de vigas-faixa ou vigas chatas. Nesses casos em que as vigas e as nervuras têm a mesma altura, as lajes são denominadas lajes lisas nervuradas. Elas também podem ter capitéis embutidos. O uso de um forro de gesso, por exemplo, dão a essas lajes a aparência de lajes lisas. USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 13 Introdução Fonte: http://www.ecivilnet.com/dicionario/o-que-e-laje-cogumelo.html. Acesso em 11/02/2017 Nos edifícios, há elementos estruturais denominados complementares, tais como: escadas, caixas d’água, muros de arrimo, consolos, marquises, vigas parede, etc. 1.5 EDIFÍCIOS DE PEQUENO PORTE Como foi comentado no início, este é o primeiro texto de uma série cujos objetivos são: apresentar os fundamentos do concreto, as bases para cálculo e a rotina do projeto estrutural de edifícios. Em exemplos simples, serão dimensionadas e detalhadas vigas, lajes e pilares. As fundações serão estudadas em uma fase posterior. Como é um texto dedicado a iniciantes, será dada maior atenção a edifícios de pequeno porte, assim admitidos aqueles com estruturas regulares muito simples, que apresentem: até quatro pavimentos; ausência de protensão; cargas de uso nunca superiores a 3 kN/m2; altura de pilares até 4 m e vãos não excedendo 6 m; vão máximo de lajes até 4 m (menor vão) ou 2 m, no caso de balanços. O efeito do vento poderá ser omitido, desde que haja contraventamento em duas direções. QUESTIONÁRIO 1. Quais os objetivos deste curso? 2. O que é concreto? 3. O que são aglomerantes e qual é o utilizado no concreto? USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 14 4. O que são aditivos e quais os principais tipos? 5. O que são adições e quais as mais comuns? 6. O que são agregados e por que eles são utilizados no concreto? 7. Como se definem os agregados miúdos e os graúdos? 8. Como se obtém pasta de cimento? 9. O que é nata de cimento? Introdução 10. Do que é formada a argamassa de cimento? 11. Quais os materiais necessários para preparar o concreto simples? 12. Quais são as principais deficiências do concreto simples, como material estrutural? Como elas podem ser contornadas? 13. O que é concreto armado? 14. Qual a importância da aderência entre o concreto e sua armadura? 15. O que é concreto protendido? Qual a diferença entre armadura ativa e armadura passiva? 16. O que é concreto pré-moldado? Qual a diferença entre concreto prémoldado e concreto pré-fabricado? 17. O que é concreto leve e quais os mais utilizados? 18. O que é argamassa armada? Quais são suas principais diferenças em relação ao concreto armado? 19. O que é concreto de alto desempenho (CAD)? 20. O que são concretos especiais? 21. Quais as vantagens do concreto como material estrutural? 22. Quais as principais restrições do concreto? 23. Quais as providências para suprir as deficiências do concreto? 24. Como se combate a baixa resistência do concreto à tração? 25. Como se consegue adequada ductilidade para o concreto? 26. O que pode ser feito com relação à fissuração? 27. Quais as principais vantagens da protensão? 28. Quais as principais características do CAD? 29. O que se consegue com a adição de fibras ao concreto? 30. O que pode ser feito para racionalizar o uso de fôrmas? 31. Em que tipo de peças é adequado o uso de argamassa armada? 32. Como se previne a corrosão da armadura? 33. Além do concreto, quais os principais materiais usados nas estruturas? USP – EESC – Dep. Eng. de Estruturas 15 Introdução 34. Quais as principais aplicações do concreto? 35. Quais os principais elementos estruturais que constituem a estrutura de um edifício e quais são suas características? 36. O que são pórticos? Qual sua função na estrutura? 37. Quais os principais tipos de contraventamento em edifícios esbeltos? 38. Como se denomina o conjunto formado por lajes e vigas nos andares? 39. Em que situações o concreto é utilizado como pavimentação? 40. O que são lajes lisas? E lajes-cogumelo? 41. Quais são os tipos de capitéis? 42. Nas lajes lisas ou cogumelo, o que são vigas-faixa? 43. O que são lajes lisas nervuradas? 44. Quais os principais elementos complementares usados nos edifícios? 45. O que são edifícios de pequeno porte? 46. Nesses edifícios, em que condições o efeito do vento pode ser omitido? BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118:2014 - Projeto de estruturas de concreto. Rio de Janeiro, 2014. ________. NBR 7211 - Agregados para concreto - especificação. Rio de Janeiro, 2011. ________. NBR 11768 - Aditivos para concreto de cimento Portland - especificação. Rio de Janeiro. ________. NBR 12653:2014 Versão Corrigida: 2015 - Materiais pozolânicos Requisitos - Rio de Janeiro. IBRACON (2001). Prática recomendada IBRACON para estruturas de pequeno porte. São Paulo, Instituto Brasileiro do Concreto: Comitê Técnico CT-301 Concreto Estrutural. 39p. LIMA NETO, A. F.; FERREIRA, M. P.; OLIVEIRA, D. R. C.; MELO, G. S. S. A. Análise experimental e numérica de lajes cogumelo de concreto armado. IBRACON, São Paulo, v. 6, n. 2, abril 2013. Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1983-41952013000200007t. Acesso em: 14/11/2013. PINHEIRO, L. M., GIONGO, J.S. (1986). Concreto armado: propriedades dos materiais. São Carlos, EESC-USP, Publicação 005 / 86. 79p. PINHEIRO, L. M. (2017). Notas de aula da disciplina Estruturas de Concreto Armado I. São Carlos, EESC-USP.
