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CONCRETO ARMADO I Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 1 1 CONCRETO ARMADO 1.1 Introdução O concreto armado é atualmente o material mais usado na construção de estruturas de edificações e grandes obras viárias como pontes, viadutos, passarelas etc. 1.2 Composição do concreto armado 1.3 Princípio do concreto armado O concreto armado é possível devido a duas propriedades: aderência recíproca; coeficiente de dilatação térmica aproximadamente igual: concreto = 1,0 x 10-5 / ºC aço = 1,2 x 10-5 / ºC O concreto protege a armadura contra oxidação devido a agentes externos. 1.4 Características mecânicas do concreto Boa resistência à compressão (10 a 100 MPa); Má resistência à tração (aproximadamente 10% da resistência à compressão) Comportamento frágil, isto é, rompe com pequenas deformações. Figura 1.1– Viga de concreto simples rompendo-se na parte inferior devido à pequena resistência à tração do concreto Concreto simples Argamassa Agregados graúdos Concreto Armado Concreto simples Material de boa resistência à tração (aço, bambu, etc.) + = + = Argamassa Pasta Agregados miúdos + = Aditivos (eventualmente) + Pasta Aglomerante Água = + Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 2 Figura 1.2 – Viga de concreto armado. As armaduras colocadas na parte inferior absorvem os esforços de tração, cabendo ao concreto resistir à compressão. As armaduras controlam a abertura das fissuras. 1.5 Outros tipos de materiais armados 1.5.1 Concreto protendido No concreto armado, a armadura não tem tensões iniciais. Por isso, é denominada armadura passiva. No concreto protendido, pelo menos uma parte da armadura tem tensões previamente aplicadas, denominada armadura de protensão ou armadura ativa. A utilização da protensão tem como principal finalidade aumentar a resistência da peça, o que possibilita a execução de grandes vãos ou o uso de seções menores, sendo que também se obtém uma melhora do concreto com relação à fissuração. 1.5.2 Argamassa armada É constituída por agregado miúdo e pasta de cimento, com armadura de fios de aço de pequeno diâmetro, formando uma tela. No concreto, a armadura é localizada em regiões específicas, Na argamassa, ela é distribuída por toda a peça. Este tipo de argamassa é adequado para pré-moldados leves, de pequena espessura. 1.6 Vantagens do concreto armado Rapidez na construção; Economia: matéria-prima barata, mão-de-obra pouco qualificada; Fácil modelagem; Resistência: ao fogo, a influências atmosféricas, ao desgaste mecânico, ao choque; Durabilidade (sob manutenção e conservação); Aumento da resistência à compressão com o tempo. 1.7 Desvantagens do concreto armado Peso próprio elevado (concreto armado 2500 kg/m3); Reformas e demolições trabalhosas e caras; Possibilidade de imprecisão no posicionamento das armaduras; Fissuras inevitáveis na região tracionada; Fundações caras; 1.8 Normalização Normas ABNT (Principais): NBR 6118 – Projeto de estruturas de concreto – Procedimento; concreto armadura Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 3 NBR 6120 – Cargas para o cálculo de estruturas de edificações - Procedimento; NBR 6123 – Forças devidas ao vento em edificações – Procedimento; NBR 7191 – Execução de desenhos para obras de concreto armado; NBR 7480 – Barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado – Especificação; NBR 14931 - Execução de estruturas de concreto – Procedimento; Outras Normas correlatas: vide NBR 6118/2014 Capítulo 2 – Referências normativas. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 4 2 CARACTERÍSTICAS DO CONCRETO 2.1 Resistência característica à compressão (fck) A resistência característica de um concreto à compressão (fck) é o valor mínimo estatístico acima do qual ficam situados 95% dos resultados experimentais, sendo estes resultados experimentais obtidos em ensaios de cilindros moldados segundo a NBR 5738 e realizados de acordo com a NBR 5739. Após ensaio de um número muito grande de corpos de prova, pode ser feito um gráfico com os valores obtidos de fc versus a quantidade de corpos de prova relativos a determinado valor de fc, também denominada densidade de frequência. A curva encontrada denomina-se Curva Estatística de Gauss ou Curva de Distribuição Normal para a resistência do concreto à compressão (Figura 2.1). Figura 2.1 – Distribuição normal mostrando a resistência média (fcm) e a resistência característica (fck) do concreto à compressão Na curva de Gauss encontram-se dois valores de fundamental importância: resistência média do concreto à compressão (fcm) e resistência característica do concreto à compressão (fck). O valor fcm é a média aritmética dos valores de fc para o conjunto de corpos de prova ensaiados, e é utilizado na determinação da resistência característica, fck, por meio da seguinte equação: (2.1) onde: Sd – desvio padrão da dosagem – em MPa - corresponde à distância entre a abscissa de fcm e a do ponto de inflexão da curva (ponto em que ela muda de concavidade); fcj – em MPa; fck – em MPa. fc (RESISTÊNCIA) N ( F R E Q U Ê N C IA ) 1,65 Sd fcm fck 5% 95% dckcm S1,65ff Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 5 O valor 1,65 corresponde ao quantil de 5 %, ou seja, apenas 5 % dos corpos de prova possuem fc < fck, ou, ainda, 95 % dos corpos de prova possuem fc ≥ fck. Portanto, pode-se definir fck como sendo o valor da resistência que tem 5 % de probabilidade de não ser alcançado, em ensaios de corpos de prova de um determinado lote de concreto. Na Tabela 2.1 estão indicados os grupos e classes de resistência padronizados pela NBR 8953. A resistência característica de um concreto à compressão (fck) é o valor mínimo estatístico acima do qual ficam situados 95% dos resultados experimentais, sendo estes resultados experimentais obtidos em ensaios de cilindros moldados segundo a NBR 5738 e realizados de acordo com a NBR 5739. Na Tabela 2.1 estão indicados os grupos e classes de resistência padronizados pela NBR 8953. Tabela 2.1 – Classes de resistência do concreto estruturais Grupo I C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 Grupo II C55 C60 C70 C80 C90 Nas obras, devido ao pequeno número de corpos de prova ensaiados, calcula-se fck,est (valor estimado) da resistência característica do concreto à compressão. De acordo com a NBR 6118 (2014), para concreto armado deve-se empregar a classe C20 (fck = 20 MPa) ou superior até C90 (fck = 90 MPa). Somente em obras provisórias ou em concreto sem fins estruturais poderá ser empregada a classe C15 (fck = 15 MPa) - não mais em fundações. 2.2 Resistência de dosagem (fcj) - (NBR 12655) É a resistência média do concreto à compressão na idade de “j” dias. (2.2) 2.3 Resistência à tração Os conceitos relativos à resistência do concreto à tração direta (fct) são análogos aos expostos no item 2.1, para a resistência à compressão. Portanto, tem-se a resistência média do concreto à tração (fctm), valor obtido da média aritmética dos resultados, e a resistência característica do concreto à tração (fctk ou simplesmente ftk), valor da resistência que tem 5% de probabilidade denão ser alcançado pelos resultados de um lote de concreto. (2.3) A diferença no estudo da tração encontra-se nos tipos de ensaio. Há três normalizados: tração direta, compressão diametral e tração na flexão. dckcj S1,65ff dctjctk S1,65ff Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 6 Tração axial (Tração direta) Tração na flexão (NBR 12142) Compressão diametral (NBR 7222) A resistência à tração direta (tração axial) fct pode ser considerada igual a 0,9 fct,sp (resistência à tração indireta ou compressão diametral) ou 0,7 fct,f (resistência à tração na flexão). Na falta de ensaios, o valor médio ou característico da resistência do concreto à tração fct pode ser avaliado a partir da resistência característica à compressão, com o uso das seguintes expressões: Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 7 (2.4) (2.5) (2.6) Para concretos das classes C55 a C90 com fct,m, fck, fctk,sup e fctk,inf expressos em MPa. Será visto oportunamente que cada um desses valores é utilizado em situações específicas. 2.4 Resistência de cálculo A resistência do concreto para fins de cálculo é minorada através de coeficientes de segurança (c), os quais tem por finalidade cobrir as incertezas que ainda não possam ser tratadas pela estatística, tais como: incertezas quanto aos valores considerados para resistência dos materiais; erros cometidos quanto a geometria da estrutura e de suas seções; avaliação inexata das ações; divergências entre as hipóteses de cálculo e as solicitações reais; avaliação da simultaneidade das ações. A resistência de cálculo do concreto à compressão é dada por: (2.7) e a resistência de cálculo à tração é dada por: (2.8) sendo c dado pela Tabela 2.2. Tabela 2.2 – Valores dos coeficientes c Combinações c Normais 1,4 Especiais ou de construção 1,2 Excepcionais 1,2 As combinações abordadas na Tabela 2.2 serão objeto de estudo futuro. Para execução de elementos estruturais nos quais estejam previstas condições desfavoráveis (por exemplo, más condições de transporte, ou adensamento manual, ou concretagem deficiente por concentração de armadura), o coeficiente c deve ser multiplicado por 1,1. c ck cd γ f f c ctk ctd γ f f mct,supctk, mct,infctk, 3 2 ckmct, f3,1f f7,0f f3,0f )f11,01ln(12,2f ckmct, Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 8 Para elementos pré-moldados deve-se consultar a NBR 9062. Para verificações de estados limites de serviço (ELS) adota-se c = 1,0. 2.5 Módulo de Elasticidade O módulo de elasticidade deve ser obtido segundo ensaio descrito na NBR 8522. Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto usado na idade de 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade usando as expressões: Para concretos das classes de C20 a C50 (20 a 50 MPa): (2.9) Para concretos das classes de C55 a C90 (55 a 90 MPa): (2.10) sendo: E = 1,2 para basalto e diabásio E = 1,0 para granito e gnaisse E = 0,9 para calcário E = 0,7 para arenito com, Eci e fck expressos em MPa. O módulo de elasticidade secante a ser utilizado nas análises elásticas de projeto, especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço, deve ser calculado pela expressão: (2.11) sendo: Na avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou seção transversal pode ser adotado um módulo de elasticidade único, à tração e à compressão, igual ao módulo de elasticidade secante (Ecs). 2.6 Coeficiente de Poisson e módulo de elasticidade transversal Para tensões de compressão menores que 0,5 fc e tensões de tração menores que fct, o coeficiente de Poisson pode ser tomado como igual a 0,2 e o módulo de elasticidade transversal Gc igual a Ecs/2,4. 2.7 Diagrama tensão-deformação O diagrama tensão-deformação do concreto não é linear, como pode ser visto na Figura 2.2, porém a NBR 6118 permite a utilização do diagrama simplificado da Figura 2.4. cics .EE i ckci f.5600E E 3/1 ck3 ci 25,110 f ..10.5,21E E 0,1 80 f .2,08,0 ck i Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 9 Figura 2.2 – Diagrama x de dois concretos: “A” de baixa resistência e “B” de alta resistência. O concreto “A” sofre uma deformação superior ao concreto “B” até a ruptura. O módulo de elasticidade de “B” é maior que o módulo elasticidade de “A” Antiga NBR 6118 (2007): Figura 2.3 – Diagrama tensão-deformação idealizado (NBR 6118-2007) Nova NBR 6118 (2014) Figura 2.4 – Diagrama tensão-deformação idealizado (NBR 6118-2014) A B Tensão - (MPa) Deformação - (o/oo) fck c c (o/oo) 0,85.fcd 2,0 3,5 Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 10 Tensões no concreto (diagrama de cálculo – 0,85 fcd): Para concretos de classe até C50: 𝜺𝒄𝟐 = 𝟐, 𝟎‰; 𝜺𝒄𝒖 = 𝟑, 𝟓‰; (2.12) (2.13) (2.14) Para concretos de classes de C55 a C90: 𝜺𝒄𝟐 = 𝟐, 𝟎‰ + 𝟎, 𝟎𝟖𝟓‰. (𝒇𝒄𝒌 − 𝟓𝟎) 𝟎,𝟓𝟑; 𝜺𝒄𝒖 = 𝟐, 𝟔‰ + 𝟑𝟓‰. [(𝟗𝟎 − 𝒇𝒄𝒌)/𝟏𝟎𝟎] 𝟒; (2.15) (2.16) (2.17) Com n=1,4 + 23,4 [(90- fck)/100]4 O fator 0,85 é utilizado porque a resistência do concreto para cargas de longa duração é da ordem de 85% da sua resistência em ensaios rápidos (Efeito Rüsch). Para tensões de compressão menores que 0,5 fc, pode-se admitir uma relação linear entre tensões e deformações, adotando-se para módulo de elasticidade o valor secante dado pela equação (2.11). 2.8 Deformações no concreto O concreto, assim como qualquer outro corpo pode apresentar deformações quando submetido a ações externas ou devidas a variações das condições ambientais. 2.8.1 Deformações devidas à variação das condições ambientais Retração É a redução do volume do concreto, provocada pela perda da água existente no interior do concreto através da evaporação. Para reduzir o efeito da retração algumas alternativas são possíveis: concreto do ruptura3,5‰ε f0,85σ3,5‰ε2‰ 2‰ ε 11f0,85σ2‰ε0 c cdcc 2 c cdcc concreto do rupturaεε f0,85σεεε ε ε 11f0,85σεε0 cuc cdccucc2 n c2 c cdcc2c Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 11 Aumentar o tempo de cura; Fazer juntas de dilatação ou concretagem (diminuir o comprimento das peças). Em casos onde não é necessária grande precisão, os valores finais da deformação específica de retração cs(t,t0) do concreto, submetido a tensões menores que 0,5fc quando do primeiro carregamento, pode ser obtido, por interpolação linear, a partir da Tabela 2.3. A Tabela 2.3 fornece o valor da deformação específica de retração cs(t,t0) em função da umidade ambiente e da espessura fictícia 2Ac/u, onde Ac é a área da seçãotransversal e u é o perímetro da seção em contato com a atmosfera. Os valores dessa tabela são relativos a temperaturas do concreto entre 10C e 20°C, podendo-se, entretanto, admitir temperaturas entre 0C e 40°C. Esses valores são válidos para concretos plásticos e de cimento Portland comum. Deformações específicas devidas à retração mais precisas podem ser calculadas segundo indicação do Anexo A da NBR 6118/2014. Tabela 2.3 – Deformação específica de retração (atualizada) Umidade ambiente % 40 55 75 90 Espessura fictícia 2Ac/u (cm) 20 60 20 60 20 60 20 60 cs (t,t0) o/oo t0 dias 5 -0,53 -0,47 -0,48 -0,43 -0,36 -0,32 -0,18 -0,15 30 -0,44 -0,45 -0,41 -0,41 -0,33 -0,31 -0,17 -0,15 60 -0,39 -0,43 -0,36 -0,40 -0,30 -0,31 -0,17 -0,15 Assim, a variação no comprimento de um elemento devido à retração é: (2.18) Umidade O aumento da umidade produz no concreto um inchamento e a redução de umidade produz um encolhimento. Tais deformações são geralmente desprezíveis. Temperatura Para variações de temperatura podem ocorrer dilatações ou contrações no concreto. As deformações devidas à variação de temperatura são importantes em estruturas hiperestáticas, por causa do surgimento de esforços solicitantes adicionais. De acordo com a NBR 6118 (item 11.4.2.1), a variação da temperatura da estrutura, causada globalmente pela variação da temperatura da atmosfera e pela insolação direta, é considerada uniforme. Ela depende do local de implantação da construção e das dimensões dos elementos estruturais que a compõem. De maneira genérica podem ser adotados os seguintes valores: a) para elementos estruturais cuja menor dimensão não seja superior a 50 cm, deve ser considerada uma oscilação de temperatura em torno da média de 10ºC a 15ºC; b) para elementos estruturais maciços ou ocos com os espaços vazios inteiramente fechados, cuja menor dimensão seja superior a 70 cm, admite-se que essa oscilação seja reduzida respectivamente para 5ºC a 10ºC; c) para elementos estruturais cuja menor dimensão esteja entre 50 cm e 70 cm admite-se que seja feita uma interpolação linear entre os valores acima indicados. A deformação na estrutura dependerá da variação da temperatura (T) e da distância ao centro de dilatação (L): (2.19) LεΔL ctct LL cscs Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 12 (2.20) onde ct é o coeficiente de dilatação térmica do concreto, que de acordo com a NBR 6118 vale 1x10-5/ºC. Ainda segundo a NBR 6118 (item 11.4.2.2), nos elementos estruturais em que a temperatura possa ter distribuição significativamente diferente da uniforme, devem ser considerados os efeitos dessa distribuição. Na falta de dados mais precisos, pode ser admitida uma variação linear entre os valores de temperatura adotados, desde que a variação de temperatura considerada entre uma face e outra da estrutura não seja inferior a 5ºC. Como forma de minimizar o efeito da temperatura pode-se: usar juntas de dilatação; minimizar a inércia dos pilares na direção da deformação imposta. De acordo com a NBR 6118, os efeitos da temperatura devem ser considerados em qualquer estrutura de concreto armado. Porém sabe-se que em estruturas com dimensões da ordem de 20 m, até 30 m, segundo alguns autores e até mesmo a antiga NBR 6118 de 1978, os efeitos da temperatura em geral não causam maiores danos. 2.8.2 Deformações devidas às cargas externas Deformação imediata É observada no ato de aplicação das cargas externas, onde o esforço interno é absorvido parte pelo esqueleto sólido do concreto e parte pela água dos poros. A deformação imediata será: (2.21) Deformação lenta (Fluência) A deformação chamada lenta ou simplesmente fluência, ocorre ao longo do tempo, enquanto a água dos poros se desloca e transfere o esforço que absorvia para o esqueleto sólido, aumentando a deformação do concreto. A deformação lenta é dada por: (2.22) sendo que (2.23) Em casos onde não é necessária grande precisão, os valores finais do coeficiente de fluência (t,t0) do concreto, submetido a tensões menores que 0,5fc quando do primeiro carregamento, pode ser obtido, por interpolação linear, a partir da Tabela 2.4. A Tabela 2.4 fornece o valor do coeficiente de fluência (t,t0) em função da umidade ambiente e da espessura fictícia 2Ac/u, onde Ac é a área da seção transversal e u é o perímetro da seção em contato com a atmosfera. Os valores dessa tabela são relativos a temperaturas do concreto entre 10C e 20°C, podendo-se, entretanto, admitir temperaturas entre 0C e 40°C. Esses valores são válidos para concretos plásticos e de cimento Portland comum. Deformações específicas devidas à fluência mais precisas podem ser calculadas segundo indicação do Anexo A da NBR 6118/2014. LεΔL cccc cicc εε LεΔL cici LΔTαΔL ctct Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 13 Tabela 2.4 – Coeficientes de fluência (atualizado) Umidade ambiente % 40 55 75 90 Espessura fictícia 2Ac/u (cm) 20 60 20 60 20 60 20 60 (t,t0) Concreto das classes C20 a C45 t0 dias 5 4,6 3,8 3,9 3,3 2,8 2,4 2,0 1,9 30 3,4 3,0 2,9 2,6 2,2 2,0 1,6 1,5 60 2,9 2,7 2,5 2,3 1,9 1,8 1,4 1,4 (t,t0) Concreto das classes C50 a C90 5 2,7 2,4 2,4 2,1 1,9 1,8 1,6 1,5 30 2,0 1,8 1,7 1,6 1,4 1,3 1,1 1,1 60 1,7 1,6 1,5 1,4 1,2 1,2 1,0 1,0 A deformação específica final ou total na estrutura será: (2.24) Figura 2.5 – Gráfico deformação x tempo mostrando a deformação imediata do concreto (após carregamento) e a deformação lenta que progride com o tempo, tendendo para uma deformação total final. ci deformação tempo cc cc (t) cc () Deformação imediata Deformação lenta c,tot () 1εε LεΔL L1εΔL LεLεΔL LεLεΔL ΔLΔLΔL citotc, totc,totc, citotc, cicitotc, cccitotc, cccitotc, Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 14 3 CARACTERÍSTICAS DO AÇO PARA CONSTRUÇÃO CIVIL O aço é utilizado em estruturas principalmente para suprir a baixa resistência à tração do concreto, mas também poderá absorver esforços de compressão. 3.1 Bitola De acordo com a NBR 7480, bitola é o número correspondente ao valor arredondado, em milímetros, do diâmetro da seção transversal nominal do fio ou barra. 3.2 Classificação Os aços para concreto armado são classificados, de acordo com a NBR 7480, em barras e fios. Classificam-se como barras os produtos de bitola 5,0 ou superior, obtidos por laminação a quente ou por esse método associado a encruamento a frio. Classificam-se como fios aqueles de bitola 10,0 ou inferior, obtidos por trefilação ou processo equivalente (estiramento). Usualmente tanto fios quanto barras são chamados simplesmente de barras da armadura. As características dos fios e barras são apresentadas na Tabela 3.1. De acordo com o valor característico da resistência de escoamento, as barras e fios de aço são classificados nas categorias CA-25, CA-50 e CA 60. A categoria CA-60 aplica-se somente para fios. O prefixo CA refere-se às iniciais de “Concreto Armado”. De acordo com o processo de fabricação, as barras e fios de aço para concreto armado podem ou não apresentar patamar de escoamento no diagrama tensão deformação. Tabela 3.1 – Características das barras e fios de acordo com a NBR 7480 3.2.1 Aços com patamar de escoamento São obtidos por laminação a quente sem posterior deformação a frio. Concreto ArmadoI Professora: Jhulis Carelli 15 Figura 3.1 – Diagrama tensão x deformação de um aço com patamar de escoamento. Em (A) limite de escoamento/proporcionalidade, em (B) limite de resistência e em (C) limite de ruptura. 3.2.2 Aços sem patamar de escoamento São obtidos por deformação a frio, aumentando a sua resistência. O limite de escoamento deste tipo de aço é convencionalmente definido como sendo a tensão que produz uma deformação permanente de 2,0 o/oo. Os processos mais comuns para obtenção deste tipo de aço são a trefilação, a torção e o estiramento. Figura 3.2 - Diagrama tensão x deformação de um aço sem patamar de escoamento. Em (A) limite de proporcionalidade, em (B) limite de escoamento, em (C) limite de resistência e em (D) limite de ruptura. 3.3 Módulo de elasticidade De acordo com a NBR 6118, na falta de ensaios ou valores fornecidos pelo fabricante, o módulo de elasticidade do aço pode ser admitido igual a 210 GPa ou 2100000kgf/cm2. 3.4 Massa específica De acordo com a NBR 6118, pode-se adotar para massa específica do aço de armadura de concreto armado o valor de 7850 kg/m3. 3.5 Coeficiente de dilatação térmica De acordo com a NBR 6118, o valor 1x10-5/ºC pode ser considerado para o coeficiente de dilatação térmica do aço, para intervalos de temperatura entre –20ºC e 150 ºC. fm s s (o/oo) A B C fyk fm s s (o/oo) A B D fyp 2,0 fyk C Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 16 3.6 Resistência característica O valor da resistência característica do aço (fyk) é o valor mínimo estatístico acima do qual ficam sutuados 95 % dos resultados experimentais. A resistência característica do aço é a mesma para tração e compressão, desde que seja afastado o perigo da flambagem das barras. Figura 3.3 – Distribuição normal para a resistência do aço, mostrando a resistência média (fym) e a resistência característica (fyk) (3.1) A resistência característica de uma determinada categoria de aço é dada em kN/cm2 pelo número que acompanha o prefixo “CA”. Assim, os aços da categoria CA-25 apresentam fyk = 25 kN/cm2 = 2500 kgf/cm2, os da categoria CA-50 apresentam fyk = 50 kN/cm2 = 5000 kgf/cm2 e os da categoria CA-60 apresentam fyk = 60 kN/cm2 = 6000 kgf/cm2. 3.7 Características geométricas das barras Os fios e barras podem ser lisos ou providos de saliências ou mossas. As barras lisas possuem baixa aderência ao concreto e são restritas à categoria CA-25. As barras da categoria CA-50 devem ser obrigatoriamente nervuradas. Os fios da categoria CA-60 podem ser lisos ou podem possuir entalhes, para melhorar a aderência. A configuração das saliências ou mossas deve ser tal que não permita a movimentação da barra dentro do concreto. Estas devem ter uma configuração geométrica que não propicie concentração de tensões prejudiciais do ponto de vista da resistência à fadiga. Em caso de dúvida, devem ser realizados ensaios de fadiga. A NBR 6118 mede a conformação superficial das barras e fios pelo coeficiente 1, cujo valor está relacionado ao coeficiente de conformação superficial b de acordo com a Tabela 3.2. Tabela 3.2 – Valor do coeficiente de aderência 1 Tipo de barra 1 Lisa (CA-25) 1,0 Entalhada (CA-60) 1,4 Alta aderência (CA-50) 2,25 fy (RESISTÊNCIA) N ( F R E Q U Ê N C IA ) 1,65 Sd fym fyk 5% 95% dymyk S1,65ff Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 17 3.8 Marcação As barras com saliências devem apresentar marcas de laminação em relevo que identifique o fabricante e categoria do material. As barras lisas e fios são identificados por pintura de topo, etiquetas ou marcas em relevo. 3.9 Ensaio de dobramento Além do ensaio de tração, para determinação da resistência característica, as barras de aço devem ser submetidas ao ensaio de dobramento a 180º sem que ocorra ruptura nem fissuração na zona tracionada. 3.10 Características mecânicas e ensaios Os aços para concreto armado devem apresentar algumas características de modo que tenham um bom desempenho quando trabalharem com o concreto. Para tanto são realizados uma série de ensaios nos aços: ensaio de tração (NBR 6152) ensaio de dobramento (NBR 6153) ensaio de tração em barras emendadas (NBR 8548) ensaio de fissuração do concreto (NBR 7477) ensaio de fadiga (NBR 7478) 3.11 Diagrama tensão-deformação simplificado A NBR 6118 admite a utilização do diagrama tensão-deformação simplificado da Figura 3.4, válido para aços com ou sem patamar de escoamento. Nesta figura estão representados os diagramas característico e de cálculo. Figura 3.4 – Diagrama tensão-deformação para aços de concreto armado Este diagrama é válido para intervalos de temperatura entre –20ºC e 150ºC, e tem, como indica a Figura 3.4, mesmo comportamento tanto à tração quanto à compressão. A limitação de 3,5 o/oo à compressão mostrada no diagrama deve-se ao concreto que rompe com esta deformação, sendo este um assunto de abordagem futura. fyk s s o fyd 10,0 yk yd -3,5 fycd fyck tr aç ão co m pr es sã o Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 18 Tensões no aço (diagrama de cálculo – fyd): (3.2) (3.3) 3.12 Resistência de cálculo A resistência do aço para fins de cálculo é minorada através de coeficientes de segurança (s), pelas mesmas razões já apresentadas para o concreto. No entanto, o valor do coeficiente de segurança é menor, já que o processo de fabricação do aço apresenta controle de qualidade superior. A resistência de cálculo do aço à tração é dada por: (3.4) e a resistência de cálculo à compressão é dada por: (3.5) sendo s dado pela Tabela 3.3. Tabela 3.3 – Valores dos coeficientes s Combinações s Normais 1,15 Especiais ou de construção 1,15 Excepcionais 1,0 As combinações abordadas na Tabela 3.3 serão objeto de estudo futuro. Para verificações de estados limites de serviço (ELS) adota-se s = 1,0. s yk yd γ f f s yck ycd γ f f ydsyds sssyds fσεε εEσεε Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 19 4 AÇÕES E SEGURANÇA NAS ESTRUTURAS 4.1 Conceito de segurança Uma estrutura oferece segurança quando ela possui condições de suportar, em condições não precárias de funcionamento, todas as ações, com as intensidades e combinações mais desfavoráveis, de atuação possível ao longo da vida útil para qual foi projetada. Uma estrutura deve apresentar: Estabilidade: segurança contra a ruptura devido às solicitações; Conforto: evitar deformações excessivas e vibrações que comprometam o uso da estrutura ou causem dano não aceitável em elementos não estruturais; Durabilidade: evitar fissuração excessiva para impedir a corrosão das armaduras. Quando a estrutura não preenche um dos requisitos mencionados, diz-se que a mesma atingiu um “estado limite”, que pode ser: Estado Limite Último (ELU) (ou de ruína): perda de estabilidade da estrutura, ruptura das seções críticas, instabilidade elástica (efeitos de segunda ordem), deterioração por fadiga: Estado Limite de Serviço (ELS) (ou de utilização): deformações excessivas, fissuração excessiva,vibrações excessivas. No estado limite último (ELU), as ações são combinadas e majoradas por coeficientes de segurança de modo que seja pequena a probabilidade destes valores serem ultrapassados e os valores das resistências são reduzidos, de modo que seja pequena a probabilidade dos valores descerem até este ponto. Os coeficientes que reduzem os valores das resistências dos materiais já foram mencionados nos capítulos 2 e 3, e os coeficientes que majoram as ações serão informados no presente capítulo. 4.2 Ações nas estruturas de concreto armado De acordo com a NBR 8681, as ações nas estruturas de concreto armado são classificadas em permanentes, variáveis ou excepcionais. Ações permanentes são as que ocorrem com valores praticamente constantes durante toda a vida da construção. Também são consideradas como permanentes as ações que crescem no tempo tendendo a um valor limite constante. São divididas em diretas e indiretas. As ações variáveis dividem-se em diretas e indiretas. As diretas são constituídas pelas cargas acidentais previstas para o uso da construção (Exemplo: NBR 6120), pela ação do vento e da chuva, devendo-se respeitar as prescrições feitas por normas brasileiras específicas. Já as indiretas são constituídas pelas variações de temperatura e pelas ações dinâmicas. No projeto de estruturas sujeitas a situações excepcionais de carregamento, cujos efeitos não possam ser controlados por outros meios, devem ser consideradas ações excepcionais com os valores definidos, em cada caso particular, por normas brasileiras específicas. Na Tabela 4.1 estão discriminadas as ações que devem ser consideradas em uma estrutura de concreto armado. Outras informações a respeito de cada ação específica podem ser obtidas no capitulo 11 da NBR 6118 – Ações, ou em bibliografias especificas. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 20 Tabela 4.1 – Ações a considerar no cálculo de estruturas de concreto armado Permanentes Diretas Peso próprio Elementos construtivos permanentes Empuxos permanentes Indiretas Retração do concreto Fluência do concreto Deslocamentos de apoio Imperfeições geométricas locais e globais Variáveis Diretas Cargas acidentais Ação do vento Ação da água Ações variáveis durante a construção Indiretas Variações de temperatura Ações dinâmicas Excepcionais Exemplos Sismos, Explosões, Incêndios 4.2.1 Valores das ações Valores característicos Os valores característicos Fk das ações são estabelecidos em função da variabilidade de suas intensidades. Valores representativos No cálculo dos esforços solicitantes, devem ser identificadas e quantificadas todas as ações passíveis de atuar durante a vida da estrutura e capazes de produzir efeitos significativos no comportamento da estrutura. Os valores representativos são os que realmente quantificam as ações a serem consideradas, podendo ser: a) os valores característicos de ações permanentes ou variáveis; b) valores convencionais excepcionais, que são os valores arbitrados para as ações excepcionais; c) valores reduzidos, em função da combinação de ações variáveis, tais como: - nas verificações de Estados Limites Últimos (ELU), quando a ação variável considerada se combina com a ação variável principal. Os valores reduzidos são determinados a partir dos valores característicos pela expressão 0Fk, que considera muito baixa a probabilidade de ocorrência simultânea dos valores característicos de duas ou mais ações variáveis de naturezas diferentes; - nas verificações de Estados Limites de Serviço (ELS). Estes valores reduzidos são determinados a partir dos valores característicos pelas expressões 1Fk e 2Fk, que estimam valores frequentes e quase permanentes, respectivamente, de uma ação que acompanha a ação principal. Os valores de 0, 1 e 2 são apresentados na Tabela 4.2. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 21 Tabela 4.2 - Valores dos coeficientes 0, 1 e 2 Ações 0 11) 2 Cargas acidentais de edifícios Locais em que não há predominância de pesos de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, nem de elevadas concentrações de pessoas 2) 0,5 0,4 0,3 Locais em que há predominância de pesos de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, ou de elevada concentração de pessoas 3) 0,7 0,6 0,4 Biblioteca, arquivos, oficinas e garagens 0,8 0,7 0,6 Vento Pressão dinâmica do vento nas estruturas em geral 0,6 0,3 0 Temperatura Variações uniformes de temperatura em relação à média anual local 0,6 0,5 0,3 1) Para os valores de 1 relativos às pontes e principalmente aos problemas de fadiga, ver seção 23 NBR 6118. 2) Edifícios residenciais. 3) Edifícios comerciais e de escritórios. Valores de cálculo Os valores de cálculo das ações (Fd) são obtidos pela multiplicação dos valores representativos por um coeficiente de ponderação f (g, para ações permanentes, q, para ações variáveis diretas e , para deformações impostas, ou ações indiretas). Estes coeficientes de ponderação são dados pela Tabela 4.3. Tabela 4.3 - Valores dos coeficientes f (g, q e ) Combinações de Ações Ações Permanentes (g) Variáveis (q) Recalques de apoio e retração D F G T D F Normais 1,4 1) 1,0 1,4 1,2 1,2 0 Especiais ou de construção 1,3 1,0 1,2 1,0 1,2 0 Excepcionais 1,2 1,0 1,0 0 0 0 Onde: D é desfavorável, F é favorável, G representa as cargas variáveis em geral e T é temperatura. 1) Para cargas permanentes de pequena variabilidade, como o peso próprio das estruturas, especialmente as pré-moldadas, esse coeficiente pode ser reduzido para 1,3. 4.2.2 Combinações de ações Um carregamento é definido pela combinação das ações que têm probabilidades não desprezíveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido. A combinação das ações deve ser feita de forma que possam ser determinados os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura; a verificação da segurança em relação aos estados limites últimos e aos estados limites de serviço deve ser realizada em função de combinações últimas e combinações de serviço, respectivamente. As combinações últimas são classificadas em: Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 22 Combinações últimas normais: Em cada combinação devem figurar: as ações permanentes e a ação variável principal, com seus valores característicos e as demais ações variáveis, consideradas como secundárias, com seus valores reduzidos de combinação, conforme NBR 8681. Combinações últimas especiais ou de construção: Em cada combinação devem figurar: as ações permanentes e a ação variável especial, quando existir, com seus valores característicos e as demais ações variáveis com probabilidade não desprezível de ocorrência simultânea, com seus valores reduzidos de combinação, conforme NBR 8681. Combinações últimas excepcionais: Em cada combinação devem figurar: as ações permanentes e a ação variável excepcional, quando existir, com seus valores representativos e as demais ações variáveis com probabilidade não desprezível de ocorrência simultânea, com seus valores reduzidos de combinação, conforme NBR 8681. Tabela 4.4 - Combinações últimas usuais (Tabela 11.3 NBR 6118) As combinações de serviço são classificadas em: 1) No caso geral, devem ser consideradas inclusive combinações onde o efeito favorável das cargas permanentes seja reduzido pela consideração de g = 1,0. No casode estruturas usuais de edifícios essas combinações que consideram de g reduzido (1,0) não precisam ser consideradas. 2) Quando Fg1k ou Fg1exc atuarem em tempo muito pequeno ou tiverem probabilidade de ocorrência muito baixa, 0j pode ser substituído por 2j. ver tabela de coef. ver tabela de coef. Excepcionais2) ) Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 23 Nas construções do tipo residencial normalmente ocorre apenas um tipo de ação variável direta e as ações variáveis indiretas (temperatura) e as ações indiretas permanentes (retração) não são consideradas porque seus efeitos não são importantes relativamente às ações permanentes e variável principal. O cálculo fica muitas vezes simplificado como: Fd = γg Fgk + γq Fq1k (4.1) Os coeficientes de segurança γg e γq, para combinações normais no ELU, conforme a Tabela 4.3, resumem-se ao valor de 1,4, de modo que: Fd = 1,4 (Fgk + Fq1k) (4.2) No caso das ações existentes se limitarem aquelas da Equação (4.1) o cálculo dos esforços solicitantes pode ser feito com os valores característicos, majorando-se, porém, os esforços solicitantes, isto é, considerando-se os valores de cálculo, tais como: Md = 1,4.Mk Vd = 1,4.Vk Nd = 1,4.Nk Td = 1,4.Tk (4.3) onde: Mk ,Vk , Nk e Tk são valores característicos de Momento, Cortante, Normal e Torção, respectivamente. Md ,Vd , Nd e Td são valores de cálculo. Percebe-se que nas equações recomendadas pela NBR 6118 (2014), as ações são majoradas. É necessária uma análise da combinação de ações mais desfavorável à estrutura, sendo esta combinação majorada por coeficientes de ponderação (). A partir desta combinação são determinados os esforços solicitantes que são comparados aos esforços resistentes da estrutura. No caso da versão antiga da NBR 6118 (1980) os esforços solicitantes eram majorados após serem obtidos a partir de ações características. Ao trabalhar-se no regime elástico é possível majorar-se os esforços solicitantes ao invés das ações, assim como se fazia na antiga NBR 6118 de 1980. Desta forma, a simplificação obtida pela Equação (4.3) só pode ser realizada considerando-se os materiais no regime elástico. As combinações de serviço são classificadas em: Quase permanentes: podem atuar durante grande parte do período de vida da estrutura e sua consideração pode ser necessária na verificação do estado limite de deformações excessivas. Frequentes: repetem-se muitas vezes durante o período de vida da estrutura e sua consideração pode ser necessária na verificação dos estados limites de formação de fissuras, de abertura de fissuras e de vibrações excessivas. Podem também ser consideradas para verificações de estados limites de deformações excessivas decorrentes de vento ou temperatura que podem comprometer as vedações. Raras: ocorrem algumas vezes durante o período de vida da estrutura e sua consideração pode ser necessária na verificação do estado limite de formação de fissuras. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 24 Tabela 4.5 - Combinações de serviço (Tabela 11.4 NBR 6118) Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 25 5 DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que sob as condições ambientais previstas na época do projeto e quando utilizadas conforme preconizado em projeto conservem suas segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente à sua vida útil. Na sequência são apresentados alguns aspectos relativos à durabilidade das estruturas de concreto armado. 5.1 Agressividade do ambiente A agressividade do meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, independentemente das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da retração hidráulica e outras previstas no dimensionamento das estruturas de concreto. Nos projetos das estruturas correntes, a agressividade ambiental pode ser classificada de acordo com o apresentado na Tabela 5.1. Tabela 5.1 – Classes de agressividade ambiental (tabela 6.1 NBR 6118) 5.2 Qualidade do concreto de cobrimento A durabilidade das estruturas é altamente dependente das características do concreto e da espessura e qualidade do concreto do cobrimento da armadura, devendo-se, na falta de ensaios mais detalhados, adotar os requisitos mínimos expressos na Tabela 5.2. Tabela 5.2 – Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do concreto Concreto Classe de agressividade (Tabela 5.1) I II III IV Relação Água/Cimento 0,65 0,60 0,55 0,45 Classe do concreto C20 C25 C30 C40 Nota: O concreto empregado na execução das estruturas deve cumprir os requisitos estabelecidos na NBR 12655 Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 26 5.3 Cobrimento mínimo Além das exigências de qualidade do concreto, deve-se respeitar também uma espessura mínima de cobrimento da armadura mais externa do elemento estrutural (em geral o estribo), dada pela Tabela 5.3. Tabela 5.3 – Correspondência entre classe de agressividade ambiental e cobrimento mínimo Elemento estrutural Classe de agressividade ambiental (Tabela 5.1) I II III IV 2) Cobrimento mínimo (mm) Laje 1) 20 25 35 45 Viga/pilar 25 30 40 50 Elementos estruturais em contato com o solo 3) 30 40 50 1) Para a face superior de lajes e vigas que serão 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 cerâmicos, pisos asfálticos, e outros tantos, as exigências desta tabela podem ser substituídas pelo valor 15 mm. De qualquer forma, o cobrimento não poderá ser inferior ao diâmetro da barra ou do feixe. 2) Nas faces inferiores de lajes e vigas de reservatórios, estações de tratamento de água e esgoto, condutos de esgoto, canaletas de efluentes e outras obras em ambientes química e intensamente agressivos, devem ser atendidos os cobrimentos da classe de agressividade IV. 3) No trecho dos pilares em contato com o solo junto aos elementos de fundação, a armadura deve ter cobrimento nominal ≥ 45 mm. Em caso de adequado controle de qualidade e rígidos limites de tolerância da variabilidade das medidas durante a execução podem ser adotados cobrimentos mínimos com redução de 5,0 mm. Neste caso a exigência de controle rigoroso deve ser explicitada nos desenhos de projeto. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 27 6 FLEXÃO NORMAL SIMPLES 6.1 Hipóteses de cálculo para dimensionamento de estruturas de concreto armado Na análise dos esforços resistentes de uma seção de viga ou pilar, devem ser consideradas as seguintes hipóteses básicas: a) as seções transversais permanecem planas após deformação; b) a deformação das barras deve ser a mesma do concreto em seu entorno (perfeita aderência); c) a resistência à tração do concreto será desprezada; d) a distribuição de tensões no concreto se faz de acordo com o diagrama parábola retângulo definido na Figura 2.4 com tensão de pico igual a 0,85 fcd. Esse diagrama pode ser substituído pelo retângulo de profundidade y= λx (onde x é a profundidade da linha neutra), onde o valor do parâmetro λ podeser tomado igual a: com a seguinte tensão: λ = 0,8, para fck ≤ 50 MPa; ou λ = 0,8 – (fck – 50)/400, para fck > 50 MPa. e onde a tensão constante atuante até a profundidade y pode ser tomada igual a: αc fcd, no caso da largura da seção, medida paralelamente à linha neutra, não diminuir a partir desta para a borda comprimida; 0,9 αc fcd, no caso contrário, sendo αc definido como: — para concretos de classes até C50, αc = 0,85 — para concretos de classes de C50 até C90, αc = 0,85. [1,0 – (fck – 50) / 200] As diferenças de resultados obtidos com esses dois diagramas são pequenas e aceitáveis, sem necessidade de coeficiente de correção adicional. e) a tensão nas armaduras deve ser obtida a partir dos diagramas tensão-deformação, com valores de cálculo, definidos no item 2.7. f) o estado limite último de uma seção transversal é caracterizado quando a distribuição das deformações na seção transversal pertencer a um dos domínios definidos na Figura 6.1, ou seja, deformação plástica excessiva das armaduras (10 o/oo) ou ruptura do concreto (εc2 ou εcu). A ruína da seção transversal para qualquer tipo de flexão no estado limite último é caracterizada pelas deformações específicas de cálculo de concreto e do aço, que atingem (uma delas ou ambas) os valores últimos (máximos) das deformações específicas desses materiais. Os conjuntos de deformações específicas do concreto e do aço, ao longo de uma seção transversal retangular com armadura simples (só tracionada) submetida a ações normais (momento fletor e força normal), definem seis domínios de deformação, esquematizados na Figura 6.1. Os domínios representam as diversas possibilidades de ruína da seção; a cada par de deformações específicas de cálculo, εcd e εsd correspondem a um esforço normal, se houver, e a um momento fletor atuantes na seção. Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 28 Figura 6.1 – Domínios de deformação Para determinar a resistência de cálculo de uma dada seção transversal, é preciso saber primeiramente em qual domínio está situado o diagrama de deformações específicas de cálculo dos materiais (aço e concreto). Ruptura por deformação plástica excessiva (aço com alongamento máximo): - reta a: tração uniforme; - domínio 1: tração não uniforme, sem compressão - a seção resistente é composta pelas duas armaduras de aço, não havendo participação resistente do concreto, o qual é admitido como inteiramente fissurado; - domínio 2: flexão simples ou composta - sem ruptura à compressão do concreto (cd < cu e com máximo alongamento permitido para o aço) - a seção resistente é composta por aço tracionado e concreto comprimido; Ruptura convencional por encurtamento limite do concreto: - domínio 3: flexão simples (seção subarmada) ou composta com ruptura à compressão do concreto e com escoamento do aço (s yd) - a seção resistente é composta por aço tracionado e concreto comprimido - aproveitamento ideal - grandes deformações; - domínio 4: flexão simples (seção superarmada) ou composta com ruptura à compressão do concreto e aço tracionado sem escoamento (s < yd) - a seção resistente é composta por aço tracionado e concreto comprimido - ruptura frágil; - domínio 4a: flexão composta com armaduras comprimidas - a seção resistente é composta por aço e concreto comprimidos - ruptura frágil (encurtamento da armadura); - domínio 5: compressão não uniforme, sem tração - a seção resistente é composta por aço e concreto comprimidos - ruptura frágil (encurtamento da armadura); - reta b: compressão uniforme. (cu - c2)h/cu h 10o/oo c2 cu d 1 2 3 4 5 4a a b B C yd Alongamento Encurtamento d' s cd Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 29 6.2 Flexão simples (coeficientes “k”) - concretos de até 50 MPa Nas vigas, geralmente, o esforço normal é desprezível e, dessa forma, estes não serão considerados. No dimensionamento à flexão simples, os efeitos do esforço cortante podem ser considerados separadamente. Portanto, será analisado somente o momento fletor, ou seja, flexão pura. Figura 6.2 – Diagrama Parábola-Retângulo e Diagrama Retangular (6.1) (6.2) scd cd εε ε0,8 d y ky scd cd εε ε d x scd cd εε ε 0,8d y 0,8 y x 0,8xy scd cd x εε ε d x k xd ε x ε scd xεxdε scd xεxεdε cdscd Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 30 0,47 2,48‰3,5‰ 3,5‰ 0,8kyl 2,48‰2100000 1,15 6000 ε 60 CA 0,50 2,07‰3,5‰ 3,5‰ 0,8kyl 2,07‰2100000 1,15 5000 ε 50 CA 0,62 1,04‰3,5‰ 3,5‰ 0,8kyl 1,04‰2100000 1,15 2500 ε 25 CA yd yd yd s yd yd cd E f ε 3,5‰ε No limite dos domínios 3 (s yd) e 4 (s < yd), assim, quando s = yd, tem-se a partir da Equação (6.2): (6.3) se ky kyl tem-se seção subarmada (s yd) – domínio 3 se ky > kyl tem-se seção superarmada (s < yd) – domínio 4 Seções superarmadas (domínio 4) têm por característica a ruptura por esmagamento do concreto, pois este alcança a sua deformação de ruptura (3,5 o/oo para concretos de até 50 MPa) antes que o aço alcance o escoamento. Este tipo de ruptura ocorre de forma brusca, sem aviso prévio (fissuração excessiva), devendo o dimensionamento das peças estruturais neste domínio de deformação ser muito bem avaliado pelo engenheiro. Valores limites de ky, para os aços especificados pela NBR 6118, considerando fyd = fyk/s, com s = 1,15 e Es = 2100000 kgf/cm2: Para CA até 50 MPa: ky ky0,8 ε ky ky ky 0,8 ε ky kyε ky ε0,8 ε ky ε0,8 ε cdcd cdcd cd cd s cds εky ky0,8 ε ky ε0,8 εε cdscd ydcd cd yl εε 0,8ε k Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 31 6.3 Seção retangular 6.3.1 Armadura Simples (unidades: tf; cm) Figura 6.3 – Seção transversal de viga sujeita à flexão simples com armadura simples (6.4) Equilíbrio da seção: (6.5) As d y 0,85.fcd Rst h bw d" y/2 z Rcc Md 2 wcdd wcdd dbkzkyf0,85M dkzybf0,85M km db M 2 w d kzkyf0,85 1 km cd concreto) pelo resistido (momento zRM ccd 2 ky 1 d z kz 2 ky 1d 2 dky d 2 y dz x0,8y fAσAR sssst ybf0,85R wcdcc kfd MγM Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 32 (6.6) Ainda por equilíbrio da seção: (6.7) (6.8) 6.3.2 Dimensionamento da seção no Domínio 2 Quando a deformação do aço alcança seu valor máximo, ou seja, 10,0o/oo, o dimensionamento passa a ser feito considerando-se deformações do concreto menores que 3,5o/oo (para CA de até 50 MPa), portanto, dimensionamento no Domínio 2. O processo de dimensionamento é idêntico ao já apresentado anteriormente, porém, o valor “0,85 fcd” deve ser corrigido por um fator “” (psi) que leva em consideração cd < 3,5 o/oo.O valor de “” considerado deverá ser: como s = 10,0 o/oo: ky-0,8 ky10 εmáxc d M fkz 1 A dkzAfM zRM d yd s sydd std ydfkz 1 ka d Mka A ds d 2 w M db km scd cd εε ε0,8 ky 2,0‰ quando , 002,03 1 1 002,0 1,25 3,5‰ 2,0‰ quando , 3 002,0 11,25 3,5‰ quando , 1 máx cd máx cd máx cd máx cdmáx cd máx cd 01ε ε0,8 ky cd cd Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 33 6.3.3 Armadura dupla Figura 6.4 – Seção transversal de viga retangular sujeita a flexão simples com armadura dupla – parte do momento total (Md) absorvido pelo binário Rcc / Rst1 (Md1) e parte absorvido pelo binário Rsc / Rst2 (Md2) Rsc = resultante das tensões de compressão na armadura longitudinal Md1 = Momento máximo que a seção resistiria com armadura simples Md2 = Momento adicional resistido pelo binário formado pelas armaduras As2 e A's d2d1d MMM d1dd2 M-MM Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 34 (6.9) (6.10) (6.11) (6.12) Os valores de 's (tensão de compressão na armadura) são obtidos a partir da deformação do aço ('s), conforme segue: (para CA até 50 MPa) s2s1s yds2yds1yds st2st1st AAA fAfAfA RRR kml db M 2 w d1 d Mkal A d1s1 ddfAddRM ddRM yds2st2d2 scd2 ddssAddRM scd2 ddf M A yd d2 s2 d'-d ' M A' s d2 s dkylyly y1,25x 3,5‰ε ε x d'-x ε ε ε dx x cd cds s cd Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 35 Tendo-se o valor de 's, a partir do diagrama tensão deformação do aço, obtém-se a tensão 's. se: 's < ycd 's = 's . Es se: 's ycd 's = fycd Define-se seção com armadura dupla a seção que, além da armadura resistente tracionada contém também armadura longitudinal resistente na região comprimida, ali colocada para auxiliar o concreto na resistência às tensões de compressão. A armadura dupla é um artifício que permite dimensionar as seções cujas deformações encontram-se no domínio 4, sem que haja a necessidade de se alterar algum dos parâmetros inicialmente adotados. A seção com armadura dupla surge como solução ao dimensionamento antieconômico e contra a segurança (ruptura frágil, sem aviso prévio) proporcionado pelo domínio 4. Este domínio é evitado alterando-se a posição da linha neutra para o limite entre os domínios 3 e 4 (kyl), o que resulta na máxima seção comprimida possível no domínio 3. Ao se fazer assim, a área de concreto comprimido não mais considerada para a resistência da seção é “compensada” pelo acréscimo de uma armadura longitudinal próxima à borda comprimida, que irá auxiliar o concreto no trabalho de resistência às tensões de compressão. s s (o/oo) fyd 10,0 ycd yd -3,5 fycd tr aç ão co m pr es sã o Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 36 7 DISPOSIÇÕES CONSTRUTIVAS 7.1 Dimensões mínimas das vigas (item 13.2.2 – NBR 6118) A seção transversal das vigas não deve apresentar largura menor que 12 cm. Este limite poderá ser reduzido a um mínimo de 10 cm, desde que sejam respeitadas as seguintes condições: alojamento das armaduras e suas interferências com as armaduras de outros elementos estruturais, respeitando os espaçamentos e coberturas estabelecidos na NBR 6118; lançamento e vibração do concreto de acordo com a NBR 14931. 7.2 Armaduras longitudinais mínima e máxima das vigas (item 17.3.5.2 – NBR 6118) A armadura longitudinal mínima de tração deve ser suficiente para absorver o momento de fissuração da viga, evitando assim a ruptura brusca na passagem do Estádio I (concreto não fissurado) para o Estádio II (concreto fissurado). Esta condição pode ser considerada atendida se respeitadas as taxas expressas nas Tabela 7.1. Tabela 7.1 – Taxas mínimas de armaduras de flexão para vigas Forma da seção Valores de min (As,min/Ac) (%) Fck (MPa) 20 25 30 35 40 45 50 Retangular 0,150 0,150 0,150 0,164 0,179 0,194 0,208 Fck (MPa) 55 60 65 70 75 80 85 Retangular 0,211 0,219 0,226 0,233 0,239 0,245 0,251 A soma das armaduras de tração e de compressão (As + As’) não pode ter valor maior que 4 % Ac, calculada na região fora da zona de emendas. 7.3 Armadura de pele (item 17.3.5.2.3 – NBR 6118) Trata-se de uma armadura disposta ao longo das faces laterais das vigas com altura superior a 60 cm. Esta armadura tem por objetivo costurar longitudinalmente a peça fletida, criando uma transição das regiões tracionada e comprimida e reduzindo o aparecimento de fissuras de retração e de variações de temperatura. É conveniente que esta armadura seja disposta ao longo da região tracionada da viga, porém, devido a dificuldade de se determinar a posição da linha neutra, em geral a armadura de pele é disposta ao longo de toda a altura da viga. Deve-se dar preferência às barras de armadura de bitolas mais finas para composição da armadura de pele. Estas barras devem ser de alta aderência (1 2,25). A armadura de pele mínima que deverá ser disposta em cada face lateral da viga deve ser equivalente a 0,10 % da área de concreto da alma, e o espaçamento entre as barras constituintes não deve exceder 20 cm: em cada face (7.1) almac,peles, A0,10%A Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 37 7.4 Centro de gravidade das armaduras (item 17.2.4.1 – NBR 6118) Os esforços nas armaduras podem ser considerados concentrados no centro de gravidade correspondente, se a distância deste centro ao ponto da seção de armadura mais afastada da linha neutra, medida normalmente a esta, for menor que 10 % da altura da viga. Figura 7.1 – Posição do centro de gravidade das armaduras 7.5 Espaçamento mínimo entre barras da armadura (item 18.3.2.2 – NBR 6118) Figura 7.2 – Espaçamento entre barras da armadura dmáx = diâmetro máximo do agregado. 7.6 Número de barras por camada Figura 7.3 – Número de barras por camada d" d CG h + x" < 10 % . h x" ev eh máx máx d0,5 2,0cm ev d1,2 2,0cm eh eh eha n c2ba tw Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 38 7.7 Determinação de da altura útil “d” d = 90%.h (7.2) 7.8 Vão teórico das vigas O vão efetivo das vigas deve ser calculado pela seguinte expressão (7.3) Com a1 igual ao menor valor entre (t1/2 e 0,3h) e a2 igual ao menor valor entre (t2/2 e 0,3h), de acordo com a Figura 7.4. Figura 7.4 – Vão teórico das vigas Para vigas em balanço o vão teórico é igual ao comprimento entre a extremidade livre e o centro do apoio. Usualmente adota-secomo vão teórico de vigas a distância entre os centros dos apoios, desde que estes não apresentem dimensões muito maiores que a altura da viga. 7.9 Aproximações de cálculo para vigas (item 14.6.7.1 – NBR 6118) Pode ser utilizado o modelo clássico de viga contínua, simplesmente apoiada nos pilares, para o estudo das cargas verticais, observando-se a necessidade das seguintes correções adicionais: a) não devem ser considerados momentos positivos menores que os que se obteriam se houvesse engastamento perfeito da viga nos apoios internos; 7.10 Pré-dimensionamento de vigas (sugestão) A altura das vigas poderá ser inicialmente considerada como um décimo do vão (h= 10%L). Já a largura das vigas normalmente é definida em função da espessura da alvenaria, sendo em geral adotada uma largura igual a da alvenaria sem revestimentos. 7.11 Componentes do carregamento das vigas Cargas de paredes; Cargas devido ao peso próprio (concr. 2500 kg/m3); Reações das lajes; Reações de outras vigas (cargas concentradas); Outros. 210ef a a l l Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 39 8 DETALHAMENTO DE VIGAS À FLEXÃO 8.1 Aderência Para que seja possível a existência do concreto armado é necessário que exista entre aço e concreto uma aderência que impeça o escorregamento de um em relação ao outro. Figura 8.1 – Tensão de aderência entre aço e concreto 8.1.1 Regiões de boa e má aderência Consideram-se em boa situação quanto à aderência os trechos das barras que estejam em uma das posições seguintes: com inclinação maior que 45º sobre a horizontal horizontais ou com inclinação menor que 45º sobre a horizontal, desde que: - para elementos estruturais com h < 60cm, localizados no máximo 30cm acima da face inferior do elemento ou da junta de concretagem mais próxima; - para elementos estruturais com h 60cm, localizados no mínimo 30cm abaixo da face superior do elemento ou da junta de concretagem mais próxima; > 45º h < 60 cm Face inferior ou junta de concretagem 30 < 45º 30 < 45º h 60 cm Face superior ou junta de concretagem Tensão de aderência: = perímetro da barra πμ lμ F b b F Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 40 Trechos em outras situações são considerados em má situação quanto à aderência. 8.1.2 Valores últimos para resistências de aderência De acordo com a NBR 6118, em seu item 9.3.2, a resistência de aderência de cálculo entre armadura e concreto na ancoragem (transmissão do esforço aplicado à uma barra de aço ao concreto) das armaduras deverá ser obtida pela seguinte expressão: (8.1) onde: fctd = fctk,inf / c (equação (2.8); 1 = 1,0 para barras lisas (ver Tabela 3.2); 1 = 1,4 para barras entalhadas (ver Tabela 3.2); 1 = 2,25 para barras nervuradas (ver Tabela 3.2); 2 = 1,0 para situações de boa aderência (ver item 8.1.1); 2 = 0,7 para situações de má aderência (ver item 8.1.1); 3 = 1,0 para < 32mm; 3 = (132-)/100, para > 32mm; sendo: fbd é a resistência de aderência entre aço e concreto; fctd é a resistência inferior à tração de cálculo do concreto; 8.1.3 O “Não-Escorregamento” da armadura Em elementos estruturais fletidos faz-se necessária a verificação do não-escorregamento das armaduras longitudinais. Considera-se como verificada a peça que satisfizer a seguinte expressão: (8.2) onde: Vd é o esforço cortante de cálculo na seção considerada; d é a altura útil da seção considerada; µs é a soma dos perímetros de todas as barras da armadura principal tracionada (no caso de feixes de barras, o perímetro a considerar é o da seção circular de área igual); fbd é o valor dado pela equação (8.1). A verificação do não-escorregamento é, geralmente, dispensável para bitolas inferiores a 25 mm e para armação sem uso de feixe de barras. Em outros casos ela é indispensável. Caso a expressão (8.2) não seja satisfeita, a solução será a de se aumentar o número de barras da armação principal (mantendo o valor de As total), usando bitolas mais finas. Isto força o aumento do valor de us. 8.2 Ancoragem das armaduras A ancoragem de uma barra da armadura é a transferência do esforço ao qual ela está submetida para o concreto. De acordo com o item 9.4.1 da NBR 6118, todas as barras das armaduras devem ser ancoradas de forma que os esforços a que estejam submetidas sejam integralmente transmitidos ao concreto. Estas ancoragens podem ser realizadas por aderência ou através de dispositivos mecânicos. ctd321bd fηηηf bdsd f1,75d0,9V Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 41 As ancoragens por aderência são mais baratas e as mais utilizadas, por este motivo nesta disciplina será dada maior ênfase as mesmas. À exceção das regiões situadas sobre apoios diretos (pilares), as ancoragens por aderência devem ser confinadas por armaduras transversais (ver item 8.2.3) ou pelo próprio concreto, considerando-se este caso quando o cobrimento da barra ancorada for maior ou igual a 3e a distância entre barras ancoradas for maior ou igual a 3. Isto se deve a possibilidade de fendilhamento do concreto (fissura do concreto ao longo da barra) em função das tensões de aderência aço/concreto. Figura 8.2 – Fissura por fendilhamento As barras tracionadas podem ser ancoradas ao longo de um comprimento retilíneo ou com grande raio de curvatura em sua extremidade, de acordo com as condições a seguir: a) obrigatoriamente com gancho (estudo futuro) para barras lisas; b) sem gancho nas que tenham alternância de solicitação, de tração e compressão; c) com ou sem gancho nos demais casos, não sendo recomendado o gancho para barras de 32 mm ou para feixes de barras. As barras comprimidas devem ser ancoradas sem ganchos. 8.2.1 Comprimento básico de ancoragem (item 9.4.2.4 – NBR 6118) Define-se comprimento de ancoragem básico (lb) como o comprimento reto de uma barra de armadura necessário para ancorar a força limite As.fyd nessa barra, admitindo, ao longo desse comprimento, a resistência de aderência uniforme e igual a fbd. Assim, a partir da expressão definida na Figura 8.1, tem-se: (8.3) bd yd b yd 2 bbd ydsbbd b b f f 4 l f 4 π lπf fAlπf Flμτ lμ F τ Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 42 8.2.2 Comprimento de ancoragem necessário (item 9.4.2.5 – NBR 6118) Em geral, ao final do cálculo de uma armadura para um determinado esforço, o valor de área de aço efetivamente encontrado não pode ser representado com exatidão por um arranjo de armaduras, seja este arranjo qual for, sendo então necessária a adoção de um arranjo com área de aço superior, porém próxima a encontrada no cálculo (a favor da segurança). Este acréscimo de área de aço possibilita uma redução no comprimento de ancoragem da barra, pois a mesma não mais estará trabalhando com tensão de escoamento (fyd). Assim, o comprimento de ancoragem necessário será calculado pela seguinte expressão: (8.4) onde: 1 = 1,0 para barras sem gancho (ancoragem reta); 1 = 0,7 para barras tracionadas com gancho, com cobrimento no plano normal ao gancho 3; As,calc é a área de aço calculada; As,ef é a área de aço efetiva; lb,min é o maior valor entre0,3.lb, 10 e 10 cm. 8.2.3 Armadura transversal na ancoragem (item 9.4.2.6 – NBR 6118) Em barras com < 32 mm ao longo do comprimento de ancoragem deve ser prevista armadura transversal capaz de resistir a 25% do esforço de uma das barras ancoradas. Se a ancoragem envolver barras diferentes, prevalece para esse efeito, a de maior diâmetro. Em barras com 32mm deve ser verificada a armadura em duas direções transversais ao conjunto de barras ancoradas. Essas armaduras transversais devem suportar os esforços de fendilhamento segundo os planos críticos, respeitando espaçamento máximo de 5 (onde é o diâmetro da barra ancorada). Podem ser consideradas como eficientes para fim armadura transversal na ancoragem todas as barras que atravessem o plano de possível fissuração, ou seja, se os estribos existentes na região de ancoragem forem capazes de resistir à 25% ou mais do esforço de uma das barras, esta armadura já será suficiente. Em geral os estribos existentes na viga, para combate do cisalhamento, mais que asseguram tal condição, a ponto de costumar ser pouco verificada nos casos correntes. Quando se tratar de barras comprimidas, pelo menos uma das barras constituintes da armadura transversal deve estar situada a uma distância igual a quatro diâmetros (da barra ancorada) além da extremidade da barra. 8.2.4 Ancoragem de feixes de barras por aderência (item 9.4.3 – NBR 6118) Quando na peça estrutural tem pouco espaço, por ser pequena a sua largura, para alojar as barras da armadura exigidas pelo cálculo de verificação das tensões normais há necessidade de detalhá-las em forma de feixe de barras, conforme mostrado na Figura 8.3. Este tipo de detalhamento permite um melhor adensamento do concreto por facilitar a passagem de vibrador. minb, efs, calcs, b1necb, lA A lαl Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 43 e1 = Largura livre para passagem do vibrador Figura 8.3 – Arranjo dos feixes de barras em vigas De acordo com a equação (7.3), deve-se considerar o feixe como uma barra de diâmetro equivalente igual a: (7.3) onde: f é o diâmetro equivalente; é o diâmetro de uma barra constituinte do feixe; n é o número de barras que compõem o feixe. As barras constituintes de feixes devem ter ancoragem reta, sem ganchos, e atender às seguintes condições: a) quando o diâmetro equivalente do feixe for menor ou igual a 25 mm, o feixe pode ser tratado como uma barra única, de diâmetro igual a f, para a qual vale o estabelecido a respeito da ancoragem por aderência nos tópicos já citados. b) quando o diâmetro equivalente for maior que 25 mm, a ancoragem deve ser calculada para cada barra isolada, distanciando as suas extremidades de forma a minimizar os efeitos de concentrações de tensões de aderência; a distância entre as extremidades das barras do feixe não deve ser menor que 1,2 vezes o comprimento de ancoragem de cada barra individual; c) quando por razões construtivas, não for possível proceder como recomendado em (b), a ancoragem pode ser calculada para o feixe, como se fosse uma barra única, com diâmetro equivalente f. A armadura transversal adicional deve ser obrigatória e obedecer ao estabelecido em 8.2.3, conforme f seja menor, igual ou maior que 32 mm. 8.2.5 Ganchos nas armaduras de tração A utilização de ganchos na ancoragem de armaduras de tração visa a redução do comprimento de ancoragem, conforme pode ser visto na Figura 8.4. Figura 8.4 – Redução do comprimento de ancoragem com uso de gancho lb,g lb nf Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 44 Esta redução de comprimento de ancoragem é definida pelo coeficiente 1 presente na equação do comprimento de ancoragem necessário (lb, nec – equação (8.4)). Os ganchos das extremidades das barras da armadura longitudinal de tração podem ser (Figura 8.5): a) semicirculares, com ponta reta de comprimento não inferior a 2 ; b) em ângulo de 45° (interno), com ponta reta de comprimento não inferior a 4 ; c) em ângulo reto, com ponta reta de comprimento não inferior a 8 Para as barras lisas, os ganchos devem ser semicirculares. Figura 8.5 – Tipos de ganchos da armadura longitudinal de tração O raio interno da curvatura dos ganchos das armaduras longitudinais de tração deve ser pelo menos igual ao estabelecido na Tabela 8.1. Tabela 8.1 – Raios dos pinos de dobramento Bitola Tipo de aço CA – 25 CA – 50 CA – 60 < 20 mm 2 2,5 3 20 mm 2,5 4 - Cuidado: em barras comprimidas não é permitido o uso de ganchos. 8.3 Emendas das barras As emendas das barras em geral são devidas às limitações de comprimento das mesmas, em torno de 10 a 12 metros, e devem, sempre que possível, ser evitadas. Os tipos de emendas possíveis são os seguintes: por traspasse (mais econômico e normalmente utilizado nos casos correntes; por luvas com preenchimento metálico, rosqueadas ou prensadas; por solda; por outros dispositivos devidamente justificados. Nesta disciplina será dada ênfase às emendas por traspasse, por serem estas, conforme já citado, as mais comuns nos casos correntes. Para maiores informações a respeito dos outros procedimentos de emendas de barras deve-se consultar a NBR 6118 em seu item 9.5. 8.3.1 Emendas por transpasse Este tipo de emenda não é permitido para barras de bitola maior que 32 mm. Cuidados especiais devem ser tomados na ancoragem e na armadura de costura dos tirantes e pendurais (elementos estruturais lineares de seção inteiramente tracionada). No caso de feixes, o diâmetro do círculo de mesma área, para cada feixe, não deve ser superior a 45 mm, respeitados os critérios estabelecidos no item 9.5.2.5 da NBR 6118. 2 r 4 r 8 r (a) semicircular (b) ângulo de 45º (c) ângulo reto Concreto Armado I Professora: Jhulis Carelli 45 8.3.2 Proporção das barras emendadas (item 9.5.2.1 – NBR 6118) Consideram-se como na mesma seção transversal as emendas que se superpõem ou cujas extremidades mais próximas estejam afastadas de menos que 20% do maior comprimento do trecho de traspasse. Quando as barras têm diâmetros diferentes, o comprimento de traspasse deve ser calculado pela barra de maior diâmetro (Figura 8.6). Figura 8.6 – Emendas supostas como na mesma seção transversal A proporção máxima de barras tracionadas da armadura principal emendadas por traspasse na mesma seção transversal do elemento estrutural deve ser a indicada na tabela Tabela 8.2. Tabela 8.2 – Proporção máxima de barras tracionada emendadas Tipo de barra Situação Tipo de carregamento Estático Dinâmico Alta aderência em uma camada 100 % 100 % em mais de uma camada 50 % 50 % Lisa < 16 mm 50 % 25 % 16 mm 25 % 25 % No caso de armaduras permanentemente comprimida, todas poderão ser emendadas na mesma seção. 8.3.3 Comprimento de traspasse de barras tracionadas (item 9.5.2.2 – NBR 6118) Quando a distância livre entre barras emendadas estiver compreendida entre 0 e 4, o comprimento do trecho de traspasse para barras tracionadas deve ser: (8.5) sendo 0t é o coeficiente função da porcentagem de barras emendadas na mesma seção, conforme a Tabela 8.3. Tabela 8.3 – Valores do coeficiente 0t % de barras emendadas na mesma seção 20 25 33 50 > 50 Valores de 0t 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Quando a distância livre entre barras emendadas for > 4ao comprimento calculado na equação (8.5) deve ser acrescida a distância livre entre barras emendadas. l02