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material para estudo de concreto protendido
Tipologia: Trabalhos
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Compartilhado em 07/01/2020
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Concreto
Protendido
Professor Assistente M. Sc. Eng. de Estruturas, UFMG/
Professor Assistente M. Sc. Eng. Civil, UFF/
4a. Edição: novembro/
A presente publicação tem por principal objetivo dar suporte bibliográfico à disciplina CIV 457 - Concreto Protendido, do Curso de Engenharia Civil da UFV. Foi elaborada a partir de estudos e experiências vividos ao longo de vários semestres. A bibliografia sobre o assunto produzida no Brasil até o início da década de 90 é bastante dispersa, e muitas vezes incipiente, o que dificulta consideravelmente o acesso dos estudantes a referências de interesse, ao longo do curso. Durante muito tempo o concreto protendido foi tratado como um material distinto do concreto armado. Esse fato fica evidente na bibliografia, com livros específicos para cada material, e nas normas técnicas, também específicas para estruturas de concreto armado e estruturas de concreto protendido. Atualmente existe uma tendência de unificar os dois temas, pois a teoria do Concreto Armado convencional é totalmente válida para o Concreto Protendido, tão somente acrescida dos aspectos peculiares da introdução da protensão e respectivas armaduras ativas. Nesse sentido, o Comité Euro-Internacional du Betón (CEB/FIP) tem exercido um papel preponderante. Desde a publicação do Código Modelo para Estruturas de Concreto Armado e Concreto Protendido em 1978, e mais recentemente com as versões de 1990 e 1994, entidades de vários países têm caminhado em direção a um consenso sobre a normalização da Teoria do Concreto Armado. No Brasil, a ABNT está trabalhando numa nova norma para estruturas de concreto armado e protendido, que substituirá as antigas NBR 6118 (Projeto e Execução de Obras de Concreto Armado) e NBR 7197 (Projeto de Estruturas de Concreto Protendido). Atentando para essa perspectiva, procuramos colecionar e avaliar, dentre a literatura existente, as proposições mais interessantes e consistentes e discorrer sobre o tema, de uma forma adequada à evolução da disciplina. Dessa forma intencionamos dar uma visão prática do comportamento do Concreto Protendido, seus mecanismos de resistência, bem como propiciar ao aluno o domínio dos métodos de verificação das estruturas. Agradecemos antecipadamente quaisquer críticas, sugestões e comentários dos leitores, para que a partir deles possamos melhorar sempre este trabalho, no sentido de atender cada vez melhor aos alunos.
Gustavo de Souza Veríssimo Julho de 1997
Fundamentos básicos
Uma roda de carroça é também um exemplo de estrutura protendida. Ao contrário do que se pode imaginar, não se trata de uma peça única. A roda é constituída de várias partes de madeira, devidamente preparadas, montadas apenas por encaixes. Em torno da roda de madeira é colocado um aro de aço cuja função é, além de proteger as partes de madeira do desgaste, solidarizar o conjunto. No momento da colocação, o aro de aço é aquecido, de forma que seu diâmetro original aumenta devido à dilatação do material. Depois de colocado, o aro se resfria, voltando à temperatura ambiente, e seu diâmetro tende a diminuir até ao valor inicial. Não obstante, a roda de madeira se opõe ao movimento de contração do aro e este, consequentemente, aplica esforços sobre ela, solidarizando-a, protendendo-a. Pode-se citar ainda o caso de um barril composto por gomos de madeira apertados por cintas metálicas. A compressão produzida pelas cintas se opõe às tensões causadas pela pressão interna do líquido dentro do barril. Uma roda de bicicleta também é uma estrutura tensionada. Um aro externo é ligado a um anel interno por meio de fios de aço sob tensão. As tensões de tração previamente aplicadas aos raios garantem a estabilidade do aro externo sob carga. Esses exemplos elucidam uma potencialidade importante da protensão, qual seja, a possibilidade de promover a solidarização de partes de uma estrutura, como por exemplo nas estruturas de concreto pré-moldado (FIGURAS 1.2 e 1.5).
FIGURA 1.2 - União de blocos pré-moldados com protensão.
Fica evidente, portanto, que a protensão pode ser aplicada aos mais diversos tipos de estruturas e materiais. Nesse sentido, Pfeil (1984) propõe a seguinte definição: "Protensão é um artifício que consiste em introduzir numa estrutura um estado prévio de tensões capaz de melhorar sua resistência ou seu comportamento, sob diversas condições de carga."
O desenvolvimento do concreto armado e protendido deu-se a partir da criação do cimento Portland, na Inglaterra, em 1824. Nos anos que se seguiram, os franceses e os alemães também começaram a produzir cimento e a criar várias formas de melhorar a capacidade portante do concreto.
Fundamentos básicos
Em meados do século 19, já se conhecia mundialmente a possibilidade de reforçar elementos de concreto através de armaduras de aço. Em 1855, foi fundada a primeira fábrica de cimento Portland alemã. No mesmo ano o francês Lambot patenteou uma técnica para a fabricação de embarcações de concreto armado. A partir de 1867, outro francês, Monier, começou a fabricar vasos, tubos, lajes e pontes, utilizando concreto com armadura de aço. Nessa época as construções em concreto armado eram desenvolvidas em bases puramente empíricas. Ainda não se conhecia claramente a função estrutural da armadura de aço no concreto. Foi em 1877 que o americano Hyatt reconheceu claramente o efeito da aderência entre o concreto e a armadura, após executar vários ensaios com construções de concreto. A partir de então, passou-se a colocar a armadura apenas do lado tracionado das peças. A primeira proposição de pré-tensionar o concreto foi anunciada em 1886, por P. H. Jackson, de São Francisco (EUA). No mesmo ano, o alemão Matthias Koenen desenvolveu um método de dimensionamento empírico para alguns tipos de construção de concreto armado, baseado em resultados de ensaios segundo o sistema Monier. No final do século 19, seguiram-se várias patentes de métodos de protensão e ensaios, sem êxito. A protensão se perdia devido à retração e fluência do concreto, desconhecidas naquela época. No começo do século 20, Mörsch desenvolveu a teoria iniciada por Koenen, endossando suas proposições através de inúmeros ensaios. Os conceitos desenvolvidos por Mörsch constituíram, ao longo de décadas e em quase todo o mundo, os fundamentos da teoria do concreto armado, e seus elementos essenciais ainda são válidos. Por volta de 1912, Koenen e Mörsch reconheceram que o efeito de uma protensão reduzida era perdido com o decorrer do tempo, devido à retração e deformação lenta do concreto.
FIGURA 1.3 - Ponte protendida em balanços sucessivos - (cortesia J. Muller International, Inc. ).
Fundamentos básicos
importado da França: o aço, as ancoragens, os equipamentos e até o projeto. Em 1952 a Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira iniciou a fabricação do aço de protensão. A segunda obra brasileira, a ponte de Juazeiro, já foi feita com aço brasileiro.
juntas coladas com epoxi
forças de protensão solidarizam as aduelas umas contra as outras
seção transversal
FIGURA 1.5 - Sistema de construção em balanços sucessivos.
(a) (^) (b)
FIGURA 1.6 - Pontes protendidas em balanços sucessivos: (a) Marginal Tietê - São Paulo; (b) Itália ( cortesia FIP Industriale ).
Fundamentos básicos
Em 1953, foi publicada a DIN 4227, norma alemã de concreto protendido. A partir de 1956, seguiu-se um aumento da capacidade das unidades de protensão e a racionalização dos métodos construtivos, principalmente na construção de pontes. Na década de 1970, consagrou-se a preferência por cabos protendidos internos, constituídos por cordoalhas ancoradas individualmente por meio de cunhas. Este sistema tornou-se o mais competitivo por permitir a construção de cabos de grande capacidade, com protensão da ordem de 200 tf a 600 tf. O Comité Euro-Internacional du Betón (CEB/FIP) publicou, em 1978, o Código Modelo para Estruturas de Concreto Armado e Concreto Protendido. Muitas entidades de normalização em vários países usam o Código Modelo do CEB como base para a elaboração de suas normas técnicas.
FIGURA 1.7 - Ponte protendida em balanços sucessivos - ( cortesia FIP Industriale - Itália ).
Como se pode constatar, a idéia da protensão é muito antiga; há muito já se pensava em barris e rodas de carroça tensionadas. A protensão aplicada ao concreto, mais propriamente, se desenvolveu nos últimos 100 anos.
É muito comum a utilização de peças pré-moldadas de concreto protendido (FIGURA 1.8). A quantidade de equipamentos e materiais envolvidos no processo construtivo, bem como a necessidade de um concreto de melhor qualidade, motivam a construção das peças num canteiro de obras apropriado, onde é possível executar as protensões e processar a cura do concreto em condições favoráveis com rigoroso controle tecnológico.
Fundamentos básicos
Várias indústrias brasileiras de pré-moldados de concreto dominam a tecnologia do concreto protendido, produzindo postes, pilares, painéis, vigas, reservatórios e silos, dentre outros elementos (FIGURAS 1.10, 1.11 e 1.12).
FIGURA 1.10 - Seções típicas de pré-moldados em concreto protendido.
(a) (b) (c) (d) (e) ( f )
FIGURA 1.11 - Exemplos de seções de peças com armaduras pré-tracionadas: a ) estaca ou poste de seção quadrada; b ) estaca ou poste de seção circular oca (podem ser fabricados por centrifugação do concreto); c ) viga T simples, usada em construção civil; d ) viga T dupla, usada em construção civil; e ) viga I para pontes; f ) viga celular para pontes.
FIGURA 1.12 - Seções típicas de vigas pré-moldadas protendidas ( Cortesia PRECON )
Fundamentos básicos
FIGURA 1.13 - Aspecto de construções em pré-moldados; galpões industriais ( Cortesia PRECON )
FIGURA 1.14 - Aspecto de construções em pré-moldados - edifícios ( Cortesia PRECON )
Fundamentos básicos
FIGURA 1.17 - Edifício em pré-moldados protendidos ( USA )
O número de aplicações do concreto protendido é infinito, uma vez que é sempre possível inventar um modo diferente de utilizar a protensão, haja visto os vários exemplos já citados. Vale a pena citar as estruturas protendidas de grande porte tais como as plataformas marítimas ( offshore ) de exploração de petróleo ou gás, os invólucros de proteção de centrais atômicas, as torres de concreto e as pontes estaiadas. É comum, também, a utilização de tirantes de ancoragem protendidos em obras de terra como cortinas atirantadas, estruturas de contenção, barragens, etc (FIGURA 1.7).
a) b)^ c)
FIGURA 1.18 - Utilização de tirantes protendidos em estruturas de contenção de maciços terrosos ou rochosos. a ) Muro vertical com tirantes protendidos. b ) Tirantes protendidos com placas individuais de apoio. c ) Tirantes protendidos, ancorados no maciço de fundação, usados como ancoragem de uma barragem.
Fundamentos básicos
O concreto protendido é utilizado também em lajes e pisos de edifícios. Principalmente quando o projeto requer grandes vãos livres, as lajes cogumelo protendidas são uma opção interessante (FIGURA 1.19).
FIGURA 1.19 - Edifício com laje cogumelo protendida.
A protensão é muito utilizada também em estruturas cilíndricas como, por exemplo, silos (FIGURA 1.21) e reservatórios (FIGURA 1.20). Nesses casos, a protensão é denominada circular , em contraposição às estruturas retas, onde a protensão é denominada linear.
FIGURA 1.20 - Reservatório de água em concreto protendido ( Flórida - USA )
Fundamentos básicos
1.6 PECULIARIDADES DO CONCRETO PROTENDIDO EM RELAÇÃO AO CONCRETO ARMADO
O concreto tem boa resistência à compressão e pequena resistência à tração. A resistência à tração, cerca de 10% da resistência à compressão, além de pequena é imprecisa, pois o material se comporta de maneira aleatória quando tracionado. Quando o concreto não é bem executado, a retração acentuada pode provocar fissuras na região tracionada da peça, eliminando completamente a resistência à tração, antes mesmo de atuar qualquer solicitação. Devido a essa natureza aleatória, a resistência à tração do concreto é geralmente desprezada nos cálculos. O aço é um material que resiste bem, tanto à compressão como à tração. Devido à sua alta resistência, as seções das barras são geralmente muito reduzidas. Barras muito esbeltas, quando comprimidas tornam-se susceptíveis à flambagem. É mais conveniente sua utilização para resistir à tração. A utilização conjunta dos dois materiais permite que o concreto resista aos esforços de compressão e que o aço resista aos esforços de tração, como é o caso das vigas mistas e do concreto armado. Contudo, no concreto armado convencional, a parte tracionada da seção não trabalha, havendo portanto um desperdício de material. Pode-se, então, utilizar o aço para comprimir o concreto, de tal modo que ele não seja tracionado, ou tenha uma tração pequena, quando atuarem as cargas externas. O artifício da protensão consiste em introduzir esforços prévios na peça de concreto, que reduzam ou anulem as tensões de tração provocadas pelas solicitações em serviço. Nessas condições, a fissuração deixa de ser fator determinante no dimensionamento da peça.
b
h
( a ) ( b )
Fc
Ft
Mq
0,36 d
0,88 d
Fc
Ft
d d 0,67 d Mq
σ (^) c σ c
FIGURA 1.23 - Exemplo de uma seção fletida, com armadura convencional (a) e com armadura protendida (b). Para a mesma tensão de bordo ( σ c ) a viga protendida apresenta uma resistência em serviço aproximadamente igual ao dobro da viga de concreto armado.
A FIGURA 1.23a representa uma seção de concreto armado. A tensão no bordo superior da peça tem valor σ c e sua variação ao longo da seção é admitida linear. O momento fletor de serviço resistido pela seção vale
σ c b × 0 36, d × 0 88, d = 0 158, σ cb d^2
Fundamentos básicos
A FIGURA 1.23b representa a mesma seção com armadura protendida. Sob a ação da força de protensão e do momento das cargas, pode-se chegar ao diagrama de tensões mostrado na FIGURA 1.23b, com o valor σ c no bordo superior igual ao da FIGURA 1.23a. Neste caso, o momento fletor de serviço resistido pela seção atinge o valor
σ c b h × d ≅ 0 35, σ cb d^2
Verifica-se que, para a mesma seção de concreto, é possível dobrar o momento resistente utilizando a protensão. Assim, pode-se concluir que, empregando concretos protendidos com resistências f (^) ck iguais ao dobro dos valores usuais em concreto armado, é possível obter seções protendidas capazes de resistir a momentos fletores em serviço quatro vezes maiores que suas similares em concreto armado. Comparando ainda os diagramas de tensões das FIGURAS 1.23a e 1.23b, destaca- se um outro aspecto interessante. No concreto protendido (FIGURA 1.23b), praticamente toda a seção de concreto trabalha, enquanto que no concreto armado (FIGURA 1.23a), apenas cerca de um terço da seção trabalha com tensões normais, resistindo ao momento fletor. Os outros dois terços da seção exercem outras funções, tais como resistir a esforços de cisalhamento, manter a geometria da seção e a posição da armadura, transmitir os esforços da armadura por aderência e proteger o aço contra a corrosão. Fica evidente a maior eficiência das condições de trabalho da seção protendida. Do ponto de vista econômico, o concreto protendido possui características que podem ser determinantes numa análise de custo global, quando comparado ao concreto armado. Os aumentos percentuais de preço podem ser muito inferiores aos acréscimos de resistência obtidos, tanto para o concreto como para o aço. O QUADRO 1.1 apresenta um exemplo comparativo de relações de resistência e preços unitários para concreto armado (CA) e concreto protendido (CP) [Pfeil (1983a)].
QUADRO 1.1 - Relações entre resistência e preço unitário dos materiais utilizados em concreto armado (CA) e concreto protendido (CP).
Concreto armado (CA)
Concreto protendido (CP)
Relação CP/CA
Resistência média do concreto ( MPa ) 20 40 2,
Preço por m^3 de concreto - - 1,
Limite de escoamento do aço ( kN/cm^2 ) 25 125 5,
Preço por quilo de aço colocado - - 2,0 a 3,
