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UNIVERSIDADE LÚRIO FACULDADE DE ENGENHARIA DIRECÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Verificação da Segurança de Vigas em Betão Armado e Pré-Esforçado Estudo de caso: Viga de uma Ponte Rodoviária Autor: Arsénio Ilídio Landezo Supervisor: Eng. Nelson Traquinho PEMBA, 2023 UNIVERSIDADE LÚRIO FACULDADE DE ENGENHARIA DIRECÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Verificação da Segurança de Vigas em Betão Armado e Pré-Esforçado Estudo d e caso: Viga de uma Ponte Rodoviária Monografia apresentada ao Curso de Licenciatura em Engenharia Civil da Universidade Lúrio como cumprimento do requisito obrigatório para obtenção do título de Licenciado em Engenharia Civil. Autor: Arsénio Ilídio Landezo Supervisor: Eng. Nelson Traquinho PEMBA, 2023 iii PENSAMENTO “Hoje é o único tempo do qual você realmente dispõe. É muito tarde para o ontem, e não há como depender do amanha” (John C. Maxwell) iv PAGINA DE ACEITAÇÃO Presidente do Júri Secretário Vogal Pemba / /2023 v DECLARAÇÃO DE HONRA Eu, Arsénio Ilídio Landezo, filho de Ilídio Landezo e de Relva Ernesto Carimo, nascido ao 23 de Setembro de 1999, Cidade de Quelimane, Província da Zambézia, declaro que sou autor desta Monografia e que autorizo a Universidade Lúrio, a fazer uso da mesma com a finalidade que julgue conveniente. Assinatura: Data: vi AGRADECIMENTOS O meu profundo agradecimento a todos os que me apoiaram, de forma direta ou indireta, na realização deste trabalho. Em particular: Aos meus pais Ilídio Landezo e Relva Ernesto, aos meus irmãos e amigos pelo apoio incondicional, não só durante a elaboração deste trabalho, mas também durante todo o meu percurso académico. Gostaria de dar o meu grande agradecimento ao meu supervisor, Engenheiro Nelson Traquinho, que contribuiu para a elaboração deste trabalho em mais do que apenas com orientação técnica. Aos meus amigos e colegas da faculdade, pelo apoio e compreensão prestados, pelo companheirismo e ajuda muitas vezes prestada. Agradeço principalmente o tempo comigo partilhado, proporcionando muitos dos melhores momentos por mim vividos. Finalmente, um especial agradecimento aos meus irmãos Renalda e Relidio pelo apoio, compreensão e encorajamento constante. vii DEDICATÓRIA Dedico este trabalho a Deus, autor de meu destino, aos meus Pais Ilídio Landezo e Relva Ernesto Carimo e aos meus irmãos que, com muito amor e apoio, não mediram esforços para que eu realizasse meus sonhos. viii LISTAS DE ABREVIATURAS CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer EC2 Euro código 2 ELS Estado Limite de Serviço ELU Estado Limite Último EN1 Estrada Nacional Número 1 FIB Fédération Internationale du Béton FIP Fédération Internationale de la Précontrainte, PCI Prestressed Concrete Institute REBAP Regulamento De Estruturas De Betão Armado e Pré-Esforçado RSA Regulamento de Segurança e Acções Para Estruturas de Edifícios e Pontes VT Veiculo Tipo ix LISTA DE SÍMBOLOS 𝐴𝑐 Área da secção 𝐴𝑃 Área das armaduras de pré-esforço 𝐴𝑠 Área da secção de armadura 𝐴𝑠.𝑚𝑎𝑥 Área máxima de armaduras 𝐴𝑠.𝑚𝑖𝑛 Área mínima de armaduras 𝐴𝑠𝑤 Área de armadura de esforço transverso existente no comprimento s a Largura da superfície de contacto das rodas do veículo-tipo b Altura da superfície de contacto das rodas do veículo-tipo 𝑏𝑤 Largura da alma d Altura útil da secção e Excentricidade do cabo de pré-esforço ao centro de gravidade da secção 𝐸𝑐𝑚 Módulo de elasticidade do betão 𝐸𝑃 Módulo de elasticidade da armadura de pré-esforço 𝐸𝑠 Módulo de elasticidade da armadura Ordinária 𝐹𝑐 Força de compressão no betão 𝐹𝑃 Força de pré-esforço 𝐹𝑠 Força no tirante no aço 𝑓𝑐𝑑 Valor de cálculo da tensão resistente do betão à compressão 𝑓𝑐𝑘 Valor característico da tensão resistente do betão à compressão 𝑓𝑐𝑚 Valor médio da tensão de rotura do betão à compressão 𝑓𝑐𝑡𝑚 Valor médio da tensão de rotura do betão à tração simples 𝑓𝑝𝑢𝑘 Valor característico da resistência do aço das armaduras de pré-esforço 𝑓𝑝0.1𝑘 Valor característico da tensão limite convencional de proporcionalidade a 0.1% 𝑓𝑝𝑦𝑑 Valor de cálculo de cedência das armaduras de pré-esforço 𝑓𝑠𝑦𝑑 Valor de cálculo da tensão de cedência do aço (REBAP) x 𝑓𝑦𝑑 Valor de cálculo da tensão de cedência do aço (EC2) 𝑓𝑦𝑘 Valor característico da tensão de cedência do aço ℎ𝑓 Altura do banzo 𝐼 Momento de inércia da secção 𝐿 Comprimento do vão do tabuleiro 𝑀𝑐,𝑞𝑝 Momento fletor referente à combinação quase permanente das acções 𝑀𝐸𝑑 Valor de cálculo do momento flector atuante (EC) 𝑀𝑆𝑑 Valor de cálculo do momento flector atuante (RSA) MRd O momento resistente de cálculo 𝑄 Carga transmitida por cada eixo do veículo-tipo 𝑃𝑚𝑎𝑥 Valor máximo de pré-esforço 𝑃∞ Valor de pré-esforço a longo prazo 𝑅𝑑 Valor de cálculo da resistência do material 𝑅𝑘 Valor característico da resistência do material 𝑆𝑑 Valor de cálculo da solicitação atuante 𝑆𝐺𝑖𝑘 Esforço resultante da acção permanente, tomada com o seu valor característico 𝑆𝑘 Valor característico da acção 𝑆𝑄𝑗𝑘 Esforço resultante de uma ação variável distinta da acção base, tomada com o seu valor característico 𝑆𝑄1𝑘 Esforço resultante da acção variável considerada como acção de base da combinação tomada com o seu valor característico 𝑆𝐹𝑎 Esforço resultante de uma acção de acidente, tomada com o seu valor nominal 𝑠 Espaçamento entre estribos 𝑉𝐸𝑑 Valor de cálculo do esforço transverso atuante (EC) 𝑉𝑅𝑑 Força resistente de cálculo 𝑉𝑆𝑑 Valor de cálculo do esforço transverso atuante (RSA) xi 𝑣 Coeficiente de Poisson 𝑥 Distancia da linha neutra 𝑧 Braço das forças interiores 𝛼 Ângulo formado pelas armaduras de esforço transverso com o eixo do elemento 𝛽 Soma dos valores absolutos (em radianos) dos ângulos de desvio do traçado da armadura de pré-esforço 𝑘 Desvio angular parasita por unidade de comprimento µ Coeficiente de atrito entre a armadura de pré-esforço e a conduta 𝑦𝑐 Coeficiente parcial relativo ao betão 𝑦𝑔𝑖 Coeficiente de segurança relativo às ações permanentes 𝑦𝑃 Coeficiente de segurança relativo ao pré-esforço 𝑦𝑞 Coeficiente de segurança relativo às acções variáveis 𝑦𝑠 Coeficiente parcial relativo ao aço 𝜀𝑐 Extensão do betão à compressão 𝜀𝑠 Extensão do aço ∆𝜀𝑆𝑃 Variação do alongamento no aço de pré-esforço 𝜎𝑐 Tensão de compressão do betão 𝜎𝑡 Tensão de tracção do betão 𝜎𝑃,𝑚𝑎𝑥 Tensão máxima aplicada à armadura de pré-esforço ∅b Diâmetro da bainha 𝜓 Coeficiente que quantifica as ações consoante a combinação e o estado limite xii INDICE DE TABELAS Tabela 1 – Diâmetro das Bainhas ................................................................................................. 48 Tabela 2 – valores de pesos volúmicos dos materiais................................................................... 50 Tabela 3 – Valores dos coeficientes de segurança das acções ...................................................... 53 Tabela 4 – Propriedades do betão ................................................................................................. 66 Tabela 5 – Características mecânicas da armadura Ordinária ..................................................... 67 Tabela 6 – Características mecânicas do aço de pré-esforço ........................................................ 67 Tabela 7 – Propriedades e regulamentos de cordoes mais usados ................................................ 89 Tabela 8 – Catalogo das ancoragens activas do tipo MSA ........................................................... 90 Tabela 9 – Catalogo para as ancoragens de continuidade do tipo MCB ...................................... 91 Tabela 10 – Catalogo das ancoragens passivas do tipo MTP ....................................................... 92 xiii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – O estado de tensão associado ao pré-esforço contraria o estado de tensão associado ás cargas. ........................................................................................................................................... 25 Figura 2 – Ilustração do principais efeitos do pré-esforço ............................................................ 26 Figura 3 – Viga pré-fabricada e pré-esforçada de secção I. .......................................................... 31 Figura 4 – Tipos de secções de vigas pré-fabricadas correntemente utilizados ........................... 32 Figura 5 – Esquema simplificado para peças pré-esforçadas por pré-tensão .............................. 33 Figura 6 – Esquema simplificado de fabricação de peça pré-esforçadas com pós-tensão ............ 34 Figura 7 – Cabos de Pré-esforço externos em secção caixão de ponte ......................................... 36 Figura 8 – Pré-esforço externo para reforço de viaduto ............................................................... 36 Figura 9 – Pré-esforço externo para reforço de ponte ................................................................... 36 Figura 10 – Síntese do pré-esforço ............................................................................................... 37 Figura 11 – Ancoragem Activa VSL tipo Bondtech ..................................................................... 38 Figura 12 – Acoplador tipo KC .................................................................................................... 38 Figura 13 – Ancoragem Passiva VSL tipo H ............................................................................... 38 Figura 14 – Macacos hidráulicos. a) Tensionamento de cabos; b) tensionamento de um cordão/monocordão ...................................................................................................................... 39 Figura 15 – Módulo de elasticidade Secante e tangente ............................................................... 40 Figura 16 – Fluência de uma peça de betão …... .................................................. 41 Figura 17 – Retracção de uma peça de betão. ............................................................................... 41 Figura 18 – Diagrama tensão-extensão do aço típico de armaduras para betão armado, a) laminado a quente; b) aço endurecido a frio. ................................................................................ 44 Figura 19 – Diagrama tensão-extensões, idealizado e de cálculo do aço das armaduras para betão armado........................................................................................................................................... 44 Figura 20 – Fios, cordões, e barras para pré-esforço .................................................................... 45 Figura 21 - Diagrama tensões-extensões do aço típico de pré-esforço ........................................ 46 Figura 22 – Diagrama tensão-extensões, idealizado e de cálculo do aço das armaduras para betão armado .......................................................................................................................................... 46 Figura 23 – Ligação de um respiro num ponto intermediário de uma bainha .............................. 47 Figura 24 – Bainhas Metálicas e Plásticas. ................................................................................... 48 xiv Figura 25 – Montagem das armaduras e fixação das bainhas ....................................................... 50 Figura 26 – Montagem de Bainhas .............................................................................................. 50 Figura 27 – Montagem das cofragens e betonagem . .................................................................... 50 Figura 28 – Tensionamento ......................................................................................................... 50 Figura 29 – Veículo tipo .............................................................................................................. 51 Figura 30 – Efeito do pré-esforço na resistência ao esforço transverso da viga ......................... 56 Figura 31 – Reduções de alongamento na armadura de pré-esforço originam reduções de tensão ....................................................................................................................................................... 57 Figura 32 – Contribuição de cada perda de pré-esforço na perda total ....................................... 57 Figura 33 – Perdas por escorregamento nos dispositivos de amarração ...................................... 60 Figura 34 – Detalhes da viga A (nos apoios) e B (no vão). .......................................................... 65 Figura 35 – Esquema estático com todas as cargas permanentes inseridas .................................. 68 Figura 36 – Diagrama de momento flector devido as cargas Permanentes (kNm) ...................... 69 Figura 37 – Diagrama de esforço cortante devido as cargas Permanentes (kN) .......................... 69 Figura 38 – Envoltória de momento flector devido a acção do veiculo tipo (kNm) .................... 70 Figura 39 – Envoltória de esforço cortante devido a acção do veiculo tipo (kN) ....................... 70 Figura 40 – Perdas de pré-esforço ............................................................................................... 75 Figura 41 – Diagrama de tensões ................................................................................................. 76 Figura 42 – Determinação de ∑∅b................................................................................................ 79 Figura 43 – Diagrama dos esforços de momento e cortantes referentes ao pré-esforço ............... 80 Figura 44 – Fluxograma de dimensionamento de peça em betão pré-esforçado ......................... 82 Figura 45 – Ancoragens activas do tipo MSA ............................................................................. 90 Figura 46 – Ancoragens de continuidades do tipo MCB .............................................................. 91 Figura 47 -Ancoragens passivas do tipo MTP .............................................................................. 92 xv RESUMO O pré-esforço, como uma tecnologia em crescimento estabelece uma das mais importantes implementações no campo da engenharia estrutural e de construção. O pré-esforço em vigas é uma técnica de pré- compressão, imposta à secção da viga, nas zonas que venham sofrer elevados esforços de tracção, permitindo optimizar: à disposição das armaduras e o peso das vigas. No entanto, a sua aplicação em vigas sujeitas simultaneamente aos esforços transversos, de flexão e axiais elevados, ainda é pouco divulgado quer no seio acadêmico quer no seio profissional. Este trabalho pretende abordar a descrição geral sobre o conceito, vantagens desvantagens do pré-esforço em vigas, apresentando através de um caso prático a modelação e a verificação de segurança de uma viga de uma ponte rodoviária. Para tal, pretende-se analisar uma viga isostática de uma ponte com consola com secção retangular sujeitas a cargas de natureza estática e móvel. Com base nestes dados foram realizados cálculos dos esforços através de um programa de cálculo automático. Este estudo permitiu concluir que, com a aplicação do valor da força do pré-esforço na secção da viga obtido garantindo a descompressão para a combinação quase permanente de acções, proporcionou a uma melhor distribuição e optimização das armaduras na secção da viga garantindo a economia e bom funcionamento da estrutura. Palavras-chave: Pré-esforço, Pré-esforço em vigas, betão pré-esforçado, viga isostática xvi ABSTRACT Prestressing as a growing technology establishes one of the most important implementations in the field of structural and construction engineering. Prestressing in beams is a pre-compression technique, imposed on the beam section, in areas that will suffer high tensile stresses, allowing to optimize: the arrangement of the reinforcements and the weight of the beams. However, its application in beams simultaneously subjected to shear, bending and high axial forces, is still little publicized either in academic or professional circles. This work intends to approach the general description of the concept, advantages and disadvantages of prestressing in beams, presenting through a practical case the modeling and safety verification of a beam of a road bridge. To this end, we intend to analyze an isostatic beam of a cantilever bridge with rectangular section subjected to static and moving loads. Based on these data, the efforts were calculated using an automatic calculation program This study allowed us to conclude that, with the application of the prestress force value in the beam section, obtained guaranteeing the decompression for the almost permanent combination of actions, it provided a better distribution and optimization of the reinforcements in the beam section, guaranteeing the economy and good functioning of the structure. Key-words: Prestressing, Prestressing Beams, Prestressed Concrete, Isostatic Beam. xvii ÍNDICE PENSAMENTO ........................................................................................................................................... iii PAGINA DE ACEITAÇÃO ........................................................................................................................ iv DECLARAÇÃO DE HONRA ...................................................................................................................... v AGRADECIMENTOS ................................................................................................................................ vi DEDICATÓRIA ......................................................................................................................................... vii LISTAS DE ABREVIATURAS ................................................................................................................ viii LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................................... ix INDICE DE TABELAS .............................................................................................................................. xii ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................................. xiii RESUMO .................................................................................................................................................... xv ABSTRACT ............................................................................................................................................... xvi CAPITULO I: INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 21 1.1. Contextualização ......................................................................................................................... 21 1.2. Problematização .......................................................................................................................... 22 1.3. Justificativa ................................................................................................................................. 22 1.4. Delimitação da pesquisa.............................................................................................................. 23 1.5. Objectivos ................................................................................................................................... 23 1.5.1. Objectivo Geral ................................................................................................................... 23 1.5.2. Objectivos específicos ......................................................................................................... 23 1.6. Estrutura do trabalho ................................................................................................................... 24 CAPITULO II: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 25 2.1. Os Fundamentos do Pré-Esforço ................................................................................................. 25 2.1.1. Pré-esforço em estruturas de betão ..................................................................................... 25 2.1.2. Desenvolvimento do betão pré-esforçado ........................................................................... 27 2.1.3. Princípios gerais do pré-esforço. ......................................................................................... 28 2.1.4. Vantagens e desvantagens do pré-esforço em estruturas de betão ...................................... 29 2.1.4.1. Vantagens ........................................................................................................................ 29 2.1.4.2. Desvantagens .................................................................................................................. 30 2.1.5. Aplicações do pré-esforço ....................................................................................................... 30 2.1.6. Pré-esforço em elementos de betão pré-fabricado .................................................................. 31 2.1.6.1. Vantagens do pré-esforço em elementos de betão pré-fabricado .................................... 32 2.2. Sistemas de pré-esforço .............................................................................................................. 33 xviii 2.2.1. Pré-tensão ............................................................................................................................ 33 2.2.2. Pós-tensão ........................................................................................................................... 34 2.2.3. Pré-esforço externo ............................................................................................................. 35 2.3. Níveis de pré-esforço .................................................................................................................. 37 2.4. Equipamentos de aplicação do pré-esforço ................................................................................. 37 2.4.1. Ancoragens e acopladores ................................................................................................... 37 2.4.1.1. Ancoragens activas ......................................................................................................... 38 2.4.1.2. Ancoragem de continuidade ou acoplamentos ................................................................ 38 2.4.1.3. Ancoragens passivas ....................................................................................................... 38 2.4.2. Macaco hidráulico ............................................................................................................... 39 2.5. Materiais usados em estruturas pré-esforçadas ........................................................................... 39 2.5.1. Betão ................................................................................................................................... 39 2.5.1.1. Parâmetros de deformação .............................................................................................. 40 2.5.1.1.1. Fluência e retracção ........................................................................................................ 41 2.5.1.2. Factores que justificam resistências elevadas ................................................................ 42 2.5.2. Tipos de armaduras de pré-esforço ..................................................................................... 43 2.5.2.1. Armaduras passivas......................................................................................................... 43 2.5.2.2. Armaduras activas ........................................................................................................... 44 2.5.3. Bainhas ................................................................................................................................ 46 2.5.4. Caldas de Injecção .............................................................................................................. 48 2.6. Execução de pré-esforço em vigas .......................................................................................... 49 2.7. Critérios de verificação de segurança de vigas de betão armado pré-esforçado ......................... 50 2.7.1. Definição de acções ................................................................................................................ 50 2.7.1.1. Acções Permanentes ........................................................................................................... 50 2.7.1.2. Acção do pré-esforço ...................................................................................................... 51 2.7.1.3. Acções variáveis ............................................................................................................. 51 2.7.1.3.1. Acções do trafego rodoviário .......................................................................................... 51 2.7.2. Critérios de combinação das acções ........................................................................................ 52 2.7.3. Verificação de segurança em relação aos Estados Limites de Serviço ............................... 53 2.7.3.1. Estado limite de descompressão ..................................................................................... 54 2.7.3.2. Estado limite de largura de fendas .................................................................................. 54 2.7.3.3. Estado Limite de deformação ......................................................................................... 54 2.7.3.4. Verificação da máxima tensão máxima de compressão .................................................. 55 2.7.4. Verificação da Segurança aos Estados Limites Últimos ......................................................... 55 2.7.4.1. Estado limite de flexão .................................................................................................... 55 xix 2.7.4.2. Estado limite de esforço transverso................................................................................. 56 2.8. Perdas de pré-esforço em vigas ................................................................................................... 56 2.8.1.1. Força de pré-esforço inicial ............................................................................................. 58 2.8.1.2. Força de pré-esforço final ............................................................................................... 58 2.8.2. Tipos de perda de pré-esforço ............................................................................................. 59 2.8.2.1. Perdas Instantâneas de Pré-esforço ................................................................................. 59 2.8.2.1.1. Perdas Instantâneas devidas a atritos ao longo das armaduras ........................................ 59 2.8.2.1.2. Perdas Instantâneas devidas à deformação do betão ....................................................... 60 2.8.2.1.3. Perdas instantâneas por reentrada de cabos .................................................................... 60 2.8.2.2. Perdas Diferidas de Pré-esforço ...................................................................................... 61 CAPITULO III: METODOLOGIA ............................................................................................................ 63 3.1. Introdução ................................................................................................................................... 63 3.2. Classificação da pesquisa ............................................................................................................ 63 3.3. Aspectos considerados no dimensionamento .............................................................................. 64 CAPITULO IV: APRESENTAÇÃO DO CASO DE ESTUDO................................................................. 65 4.1. Introdução ................................................................................................................................... 65 4.2. Identificação do projeto .............................................................................................................. 65 4.3. Características da secção transversal .......................................................................................... 65 4.4. Características dos materiais utilizados ...................................................................................... 66 4.4.1. Betão ................................................................................................................................... 66 4.4.2. Armadura ordinária ............................................................................................................. 67 4.4.3. Armadura de pré-esforço .................................................................................................... 67 CAPITULO V: ANALISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS .............................................................. 68 5.1. Modelação numérica ................................................................................................................... 68 5.2. Determinação dos esforços ......................................................................................................... 68 5.2.1. Esforços devidos as acções permanentes ............................................................................ 68 5.2.2. Esforços devidos a acção do veiculo tipo. .......................................................................... 69 5.3. Analise comparativa e validação dos esforços ............................................................................ 71 5.4. Verificação de segurança aos ELS .............................................................................................. 71 5.4.1. Determinação do traçado do pré-esforço ............................................................................ 71 5.4.2. Pré-dimensionamento da força do pré-esforço ................................................................... 72 5.5. Verificação de Segurança aos ELU ............................................................................................ 75 5.5.1. Estado Limite de Flexão ..................................................................................................... 75 5.5.2. Cálculo da armadura de flexão pelo método do diagrama rectangular ............................... 75 xx 5.5.3. Estado limite de esforço transverso..................................................................................... 79 5.6. Fluxograma de verificação de segurança da viga ....................................................................... 82 CAPITULO VI: CONCLUSÃO ................................................................................................................. 83 RECOMENDAÇÕES ................................................................................................................................. 83 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................ 85 ANEXOS .................................................................................................................................................... 88 21 CAPITULO I: INTRODUÇÃO 1.1. Contextualização O desenvolvimento económico, técnico e científico fez surgir diversos sistemas estruturais e construtivos, dentre os quais os sistemas de pré-esforço que continua hoje, muito embora, como uma solução pouco usada na actividade da construção civil. A escolha da constituição de materiais formados por betão e aço advém da própria evolução de processos construtivos e dos materiais em si. Podemos simplificar esta evolução por diversas etapas marcantes como a idade do Bronze, que permitiu a construção de pontes em arco compostas por alvenaria. A invenção do cimento Portland permitiu a obtenção de um novo material denominado betão, composto essencialmente por uma mistura de agregados, água e cimento, que na atualidade é muito corrente nas construções de pontes e viadutos. Mais tarde o surgimento do pré-esforço veio revolucionar ainda mais as estruturas, principalmente as de betão armado, cujo conseguiu-se beneficiar de alguns parâmetros tais como, uma maior esbelteza, vencer vãos maiores, melhoria do comportamento em serviço, diminuição do peso próprio e uma utilização mais racional dos betões e aços de alta resistência. Sendo atualmente uma solução usual de qualquer projeto de execução e de reabilitação de pontes de betão armado (Branco, 2014). O crescente uso de pré-esforço proporcionou maior liberdade arquitetónica de geometrias e formas de estruturas de betão que outrora seriam consideradas dispendiosas ou inexequíveis. Consequentemente, geometrias curvilíneas, vãos elevados associados a esbeltezas reduzidas, têm vindo cada vez mais a fazer parte do vocabulário de arquitetos, promotores e construtores. O uso de pré-esforço também se apresentou como um método de obter superfícies planas impermeáveis, sem a aplicação de impermeabilizações betuminosas correntes, uma vez que o betão é mantido em compressão não permitindo a fendilharão que poderia levar á penetração de água a longo prazo (Oliveira, 2012). Hoje em dia, o betão armado pré-esforçado apresenta crescentes e numerosas aplicações em pontes, edifícios, coberturas, reservatórios e silos, ancoragens (no solo e em rocha), estacas, condutas, barragens e túneis. 22 Neste trabalho incide-se um maior interesse nas pontes de betão armado com especial ênfase para as pontes de tabuleiros vigados com recurso aos sistemas de pré-esforço. Pretende-se garantir a segurança estrutural de pontes vigadas, bem como o estudo de uma tecnologia que nos proporciona a possibilidade de promover a economia, comportamento estrutural e aparência estética em soluções de betão. O presente estudo será realizado mediante a revisão bibliográfica de todos conteúdos relacionados ao dimensionamento do pré-esforço para as vigas de uma ponte tabular vigada, a interação dos diferentes materiais, características dos materiais envolvidos, propriedades dentre outros aspectos relevantes para o estudo. Serão realizados cálculos e analises de verificação de segurança, com base nas normas reconhecidas localmente e mundialmente. 1.2. Problematização Que vantagens e desvantagens tem o pré-esforço em vigas de Pontes rodoviárias? Que regulamentação, actualizada existe para a verificação de segurança deste tipo de elementos estruturais? Que critérios devem ser cumpridos durante o traçado dos cabos de pré-esforço em vigas? 1.3. Justificativa O pré-esforço em vigas é uma técnica de pré-compressão, imposta à secção da viga, nas zonas que venham sofrer elevados esforços de tracção, permitindo optimizar: à disposição das armaduras e o peso das vigas. No entanto, a sua aplicação em vigas sujeitas simultaneamente aos esforços transversos, de flexão e axiais elevados, ainda é pouco divulgado quer no seio acadêmico quer no seio profissional. Isso, justifica o presente estudo, que poderá servir de base, como material adicional de consulta no seio académico e não só. Também, actualmente a engenharia civil busca vencer grandes desafios com projetos ousados de pontes, superando vãos cada vez maiores e ao mesmo tempo a procura de materiais e tecnologias que possibilitem avanços a baixos custos. Logo, faz-se evidente a importância da compreensão dos materiais utilizados nesses empreendimentos, dentre eles o pré-esforço. 23 1.4. Delimitação da pesquisa Este trabalho delimitou-se em fazer-se em levantamento bibliográficos sobre o estudo de comportamento e funcionamento do pré-esforço em vigas, sua evolução histórica, suas características, vantagens e desvantagens, importância, utilização, métodos de dimensionamento e posterior apresentação dos resultados obtidos e optimizacao das armaduras na secção. Não serão, discutidos, os aspectos relacionados, com a verificação de segurança nas zonas de ancoragem. Não serão consideradas as acções de multidão (do trafego), não serão consideradas as acções nos passeios, apenas serão consideradas as cargas permanentes e as cargas do veiculo tipo na verificação de segurança. 1.5. Objectivos 1.5.1. Objectivo Geral O presente trabalho tem como objectivo efectuar uma descrição geral sobre o conceito, vantagens desvantagens do pré-esforço em vigas, apresentando através de um caso prático a modelação e a verificação de segurança de uma viga de uma ponte rodoviária. 1.5.2. Objectivos específicos O presente trabalho tem como objectivos específicos os seguintes: Descrever o conceito de pré-esforço em vigas, suas vantagens e desvantagens; Descrever os critérios regulamentares, para a verificação de segurança de vigas de pontes em betão armado pré-esforçado; Modelar e verificar a segurança de uma viga existente de uma ponte pré-esforçada, ilustrando os detalhes de armaduras, incluindo um fluxograma de verificação, que poderá servir de base de um programa automático; 24 1.6. Estrutura do trabalho O presente trabalho é constituído por 6 capítulos cujo conteúdo se encontra aqui descrito resumidamente: No capítulo 1, consta a introdução (enquadramento), problematização, justificativa e delimitação do trabalho, evidenciando os seus objectivos, estrutura e organização do mesmo. No capítulo 2 apresenta-se uma fundamentação teórica, onde descrevem-se de uma forma geral o objecto de estudo com o apoio das componentes das diferentes áreas de conhecimento específico; No capítulo 3 são apresentados o conjunto de métodos utilizados e o caminho percorrido desde o início até a conclusão da pesquisa. Porém aqui são discutidas, as ferramentas e estratégias utilizadas para obtenção dos dados bem como a caracterização da pesquisa e sua tipologia em função da sua natureza, dos seus objectivos e dos procedimentos técnicos. No capítulo 4 descreve-se a estrutura utilizada na análise e os detalhes da sua modelação, também são apresentados todos os dados relativos à geometria da estrutura e às acções a que esta está sujeita. No capítulo 5 são apresentados os resultados tendo como base os objectivos preconizados para o trabalho, como os resultados da verificação de segurança ao ELS e Estado Limite Último de flexão simples e de esforço transverso. No capítulo 6 discutem-se as principais conclusões retiradas deste estudo e tecem-se algumas considerações sobre a tecnologia de pré-esforço, sugerindo-se ideias para futuros desenvolvimentos relacionados com os temas abordados. 25 CAPITULO II: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Os Fundamentos do Pré-Esforço Segundo o EC2, o processo de pré-esforço consiste na aplicação de forças a estrutura de betão traccionando as armaduras relativamente ao elemento de betão. O termo “pré-esforço” é utilizado globalmente para designar o conjunto dos efeitos permanentes do processo de pré-esforço, que incluem esforços nas secções e deformações na estrutura. A imposição deste sistema de forças é conseguida através do pré ou pós-tensionamento, contra este, de um material de alta resistência, aço ou carbon fiber reinforced polymer (CFRP). 2.1.1. Pré-esforço em estruturas de betão O pré-esforço do betão é uma forma de neutralizar o efeito de cargas externas em uma estrutura, impondo um estado de tensões contrário aos efeitos de carga. A maneira mais comum de conseguir isso é por meio de cabos, que são tensionados antes do carregamento final da estrutura (FIB, 2005). O pré-esforço consiste na introdução de um sistema de forças a uma estrutura recorrendo a cabos previamente esticados, com o objectivo de criar um estado de tensão interno de sinal contrário ao estado de tensão provocado pelas cargas exteriores (Jacinto, 2007). De tal forma, o aço pré- esforçado torna-se um material que actua activamente no betão, independentemente das acções exteriores da peça. Conforme se observa na figura 1, a carga exterior gera tracções na fibra inferior da secção S e o pré-esforço gera compressões, contrariando assim as primeiras. A força de pré-esforço, P, pode ser calculada de forma a anular as tracções provocadas pela carga exterior. Figura 1 – O estado de tensão associado ao pré-esforço contraria o estado de tensão associado ás cargas (Jacinto, 2007). 26 O pré-esforço não está limitado a estruturas de betão armado, mas, no caso destas, tem o objectivo adicional de melhorar o seu comportamento em serviço (redução de fissuração e deformações). O pré-esforço com cabos tem dois efeitos principais, axial e transversal conforme se pode observar na figura 2. O efeito axial dá compressão no betão, causada por forças de ancoragem nas extremidades do cabo, como se observa na figura 2 (a, b e c). No caso b), a excentricidade do cabo recto causa flexão para além do efeito axial. Por fim, o uso de cabos curvos (caso c) introduz um efeito que pode ser projetado para neutralizar mais ou menos as cargas externas, tanto e efeitos de cisalhamento (FIB, 2005). Figura 2 – Ilustração do principais efeitos do pré-esforço (FIB, 2005). O efeito transversal do pré-esforço levará certa parte da carga externa diretamente para os apoios. Para a carga restante, a estrutura terá uma maior resistência ao cisalhamento, punção e torção devido a tensões de compressão do efeito axial. O pré-esforço também reduzirá deflexões em condições de serviço, devido tanto ao efeito reduzido da carga externa quanto à rigidez aumentada causada por rachaduras atrasadas ou eliminadas. 27 2.1.2. Desenvolvimento do betão pré-esforçado A técnica do pré-esforço surge com o desenrolar das necessidades que foram aparecendo ao longo dos tempos. Os vãos a vencer cada vez maiores e o rigor imposto continuamente mais severo, obrigaram a um desenvolvimento das características do aço. O desenvolvimento da tecnologia de pré-esforço certamente constituiu uma das mais importantes melhorias nas áreas de engenharia estrutural e construção. Referência particularmente para aplicações de pós-tensionamento, é geralmente reconhecido como abre a possibilidade melhorar a economia, o comportamento estrutural e os aspectos estéticos das soluções de betão (FIB, 2005). No final do século XIX, depois de se ter conseguido melhorar a capacidade de resistência do betão e de verificar a aderência entre o betão e as armaduras, P. Jackson, um engenheiro da Califórnia, teve a primeira intenção de pré-tensionar o betão e patenteou, em 1886, um sistema de pavimentos pré- comprimidos. Seguiram-se, entretanto, várias tentativas para pré-esforçar o betão, mas sem êxito pois a retração e fluência, fenómenos desconhecidos na época, faziam com que o betão se perde o pré-esforço instalado. Em 1919, K. Wettstein, fabricou na Alemanha, painéis de betão pré-esforçado com cordas de aço e tal facto despertou para o desenvolvimento dos aços de alta resistência. Foi necessário aguardar mais alguns anos para que a tecnologia do Pré-esforço se desenvolvesse e se tornasse aplicável nas construções. Nas décadas 20 e 30 do século XX e graças à contribuição do engenheiro francês, Eugene Freyssinet, o pré-esforço teve a sua grande evolução. Freyssinet dedicou-se aos estudos experimentais e teóricos sobre a fluência e retracção do betão. Foi ainda na década de 30 que o pré-esforço começou a ser uma realidade, construindo-se as primeiras pontes em betão pré- esforçado. Graças ao trabalho de engenheiros como Gustave Magnel, Ulrich Finsterwalder, entre outros, o betão pré-esforçado deve o seu grande progresso entre a década de 30 e de 50. A Europa havia sido devastada pela 2ª Guerra Mundial e era imperativo adoptar novas tecnologias na construção que possibilitassem construções de grande porte. Nos anos 50 construíram-se pontes de betão armado pré-esforçado com vãos superiores a 100 metros. 28 A primeira obra realizada em Portugal com betão armado pré-esforçado foi a Ponte da Vala Nova, na estrada nacional 118 entre Benavente e Salvaterra de Magos, em 1953/54. Esta ponte é uma estrutura formada por três tramos, simplesmente apoiados, de aproximadamente 12 m cada tendo um comprimento total de 38 m. A tecnologia do Betão Armado Pré-esforçado tornou-se credível, proporcionando ganhos económicos e possibilitando o faseamento de construções impares. Neste domínio surgiram várias associações onde se destacam a FIP - Fédération Internationale de la Précontrainte, de origem Suíça e a PCI - Prestressed Concrete Institute, nos EUA. 2.1.3. Princípios gerais do pré-esforço. Segundo Santos & Martins, (2006) a que destacar três diferentes conceitos que podem ser utilizados para explicar e analisar o comportamento básico do betão pré-esforçado. Pré-esforçar para transformar o betão num material elástico O betão, que é fraco em tracção e forte em compressão, é comprimido (por varões de alta resistência) para que o betão frágil possa ser submetido a tensões de tracção. Se não houver tensões de tracção no betão, não existirão fendas e toda a secção de betão é activa comportando-se como um material elástico. Sob este ponto de vista o betão está sujeito a dois sistemas de forças: a. Pré-esforço interno; b. Acções exteriores. Em que as tensões de tracção devidas às acções exteriores são contrabalançadas pelas tensões de compressão devidas ao pré-esforço. Pré-esforçar para combinar aço de alta resistência com o betão O betão pré-esforçado é encarado, de forma idêntica ao betão armado, como uma combinação de dois materiais: aço e betão. Também aqui o aço a receber as tracções e o betão a receber as compressões, em geral. Para tirar partido do aço de alta resistência é necessário submetê-lo a grandes deformações. Por isso, se simplesmente este aço fosse colocado no betão como armadura passiva, o betão envolvente sofreria enorme fendilhação antes que se desenvolvesse as tensões a que a armadura resiste. Assim sendo, é necessário esticar previamente o aço de alta resistência e 29 ancorá-lo contra o betão de forma a desenvolver um efeito favorável nos dois materiais (compressão no betão e tracção no aço) antes de aplicar as cargas exteriores. Pré-esforçar para alcançar a carga equivalente Segundo este conceito o pré-esforço é, basicamente, interpretado como uma tentativa para equilibrar as cargas actuantes sobre o elemento. No projecto de uma estrutura pré-esforçada o efeito do pré-esforço é visto como uma carga equivalente às acções permanentes, de tal forma que os elementos sujeitos à flexão (lajes, vigas) não ficarão sujeitos ao momento-flector para um dado carregamento (acções permanentes e/ou acções quase-permanentes). 2.1.4. Vantagens e desvantagens do pré-esforço em estruturas de betão 2.1.4.1.Vantagens O pré-esforço em peças de betão, especialmente aquelas sob flexão, traz várias vantagens à estrutura, decorrentes do uso de aços de alta resistência e do facto de a carga externa ter que vencer antes as tensões de compressão prévias para iniciar a fissuração do betão (Mendes, 2018). Dentre as principais vantagens, podem-se mencionar as seguintes: Maior esbeltez (l/h = vão / altura da secção) ou maiores vãos para a mesma altura da seção, por causa da participação da zona pré-comprimida na rigidez à flexão. Limitação ou eliminação de fissuras durante a vida útil da estrutura, estanqueidade das estruturas de reservatórios e menor porosidade a gases. Impedimento ou minoração da corrosão de armaduras. Maior resistência à fadiga do aço decorrente da oscilação proporcionalmente pequena de sua tensão, em face da inexistência ou de pouca fissuração do betão, mesmo para grandes oscilações da carga. Melhor disposição da armadura na secção transversal, pois o aço de alta resistência exige menor área de armadura. Estruturas mais leves, custo menor dos pilares e das fundações, desforma mais rápida. Possibilidade de eliminação praticamente completa da variação da curvatura ao longo do tempo, proveniente da fluência do betão sob acção das cargas permanentes. Maior resistência às tensões tangenciais originadas por força cortante e por torção. 30 Uso de técnicas construtivas com vantagens estruturais e econômicas, em vários campos, por exemplo: pré-fabricação de peças estruturais; pontes de grandes vãos construídas em balanços sucessivos (eliminação de cimbramento); lajes lisas em edifícios, com consequente eliminação das vigas; fundações em lajes de edifícios. De forma geral, as vantagens fundamentais e conhecidas do pré-esforço podem ser resumidas como a possibilidade de limitar fissuras e deformações em elementos estruturais com grandes vãos, para reduzir dimensões da seção transversal para um determinado vão e carga e, finalmente, para aumentar a capacidade de carga para determinado vão e dimensões (FIB, 2005). 2.1.4.2.Desvantagens Em contrapartida, podem ser relacionadas algumas desvantagens do pré-esforço em pecas de betão (Veríssimo & César Júnior, 1998): O betão de maior resistência exige melhor controle de execução. Os aços de ata resistência exigem cuidados especiais de protecção conta a corrosão. A colocação de cabos de pré-esforço deve ser feita com maior precisão de modo a garantir as posições admitidas nos cálculos. Como a força de pré-esforço possui em geral um valor muito alto, um pequeno desvio do cabo a posição do projecto pode produzir esforços não previstos, levando ao comportamento inadequado da peca e ate mesmo ao colapso. As operações de pré-esforço exigem equipamento e pessoal especializado, com controle permanente dos esforços aplicados e dos alongamentos dos cabos. De um modo geral, as construções em pré-esforço exigem uma atenção e controle praticamente superiores aos necessários para o betão armado comum. Porem, em edifícios altos, com lajes e, ou, vigas pré-esforçadas, a maior esbelteza da estrutura horizontal pode prejudicar a estabilidade global da edificação. Nestes casos, devem ser feitos os estudos pertinentes, que frequentemente conduzem a um aumento de rigidez da estrutura vertical. 2.1.5. Aplicações do pré-esforço Actualmente, o pré-esforço é geralmente usado em diversos tipos de estruturas. As principais utilizações do pré-esforço são em: Em vigas de Pontes e viadutos 31 Edifícios com grandes vãos Coberturas com grandes vãos Grandes reservatórios ou silos Ancoragens Barragens Túneis, entre outros. 2.1.6. Pré-esforço em elementos de betão pré-fabricado A principal diferença das estruturas pré-fabricadas em betão das restantes estruturas de betão a penas o diferente faseamento construtivo. Este faseamento construtivo consiste essencialmente na subdivisão da estrutura em elementos de menor dimensão, na fabricação destes elementos num local diferente daquele em que vão estar em serviço, no transporte e montagem dos elementos na sua localização definitiva e na ligação entre os vários elementos de forma a garantir o comportamento estrutural global exigido à estrutura.(Graça, 2016) De acordo com o autor citado a cima, as vigas pré-fabricadas são geralmente construídas com um comprimento igual ao do vão, sendo cada vão constituído por várias vigas ligadas entre si por uma laje betonada “in situ” e por carlingas. As secções transversais mais comuns são em forma de “I” ou em forma de “U”, pré-esforçadas por pré- tensão, podendo ser dada continuidade longitudinal ao tabuleiro com recurso a cabos pós-tensionados de ligação de vãos adjacentes. Figura 3 – Viga pré-fabricada e pré-esforçada de secção I.(Chen & Duan, 2014) Os tipos mais comuns de secção transversal de vigas pré-fabricadas são (Figura 2.12): Secções retangulares (Figura 2.12 a)); 32 Secções em “I” Figura 2.12 b) e c)); Secções em “T” Figura 2.12 d)); Secções em “T” invertido Figura 2.12 e)); Secções em “U” Figura 2.12 f) e g)). Figura 4 – Tipos de secções de vigas pré-fabricadas correntemente utilizados (Graça, 2016) 2.1.6.1.Vantagens do pré-esforço em elementos de betão pré-fabricado A utilização do pré-esforço em elementos pré-fabricados, associados com betões de ata resistência, traz uma serie de benefícios dos quais pode se citar o seguinte(Veríssimo e César Júnior, 1998): O pré-esforço permite que no caso de peças flectidas, toda a secção da peca trabalhe sob compressão, de forme que o aproveitamento da capacidade resistente da secção é muito maior do que nas pecas de betão armado, esse facto associado ao 𝑓𝑐𝑘 alto permite produzir peças mais esbeltas, consequentemente mais leves, o que possibilita também grandes comprimentos para vencer grandes vãos; O betão com 𝑓𝑐𝑘 alto atinge resistência suficiente para suportar o pré-esforço logo nas primeiras idades, com pouco tempo de cura, acelerando deste modo o processo de produção na fabrica; Betões com 𝑓𝑐𝑘 alto sofrem menos retracção, menos deformação, e como consequência apresentam menos fissuras que os betões comuns; A força do pré-esforço mantem as eventuais fissuras fechadas, garantindo uma melhor protecção das armaduras contra a corrosão, no caso de uma solicitação incidental maior 33 que a prevista no projecto, cessada a carga as fissuras formadas se fecham sob acção do pré-esforço. 2.2.Sistemas de pré-esforço Existem basicamente dois principais sistemas de aplicação do pré-esforço aos elementos de betão são eles (Bhatt, 2011): Pré-tensionamento ou pré-tensão: este método é usado para fabricar um grande número de peças de semelhantes de betão pré-esforçado e pré-fabricado como vigas simplesmente apoiadas, lajes transversais unidirecionais e travessas de ferrovias. É uma operação baseada em fabrica. Pós-tensionamento ou pós-tensão: este método é realizado in-situ e é geralmente usado para pré-esforçar vigas simplesmente apoiadas e continuas, lajes bidirecionais, estruturas estaticamente indeterminadas, como estruturas de pórticos e pontes. 2.2.1. Pré-tensão Com o pré-tensionamento o reforço é pré-esforçado no molde, antes de vazar o betão. São necessárias ancoragens fixas para os tendões fora dos moldes; portanto o método é adequado principalmente para a produção em fábrica de elementos pré-fabricados, onde várias unidades podem ser protendidas com os mesmos cabos em uma longa linha. Após o endurecimento suficiente do betão, o pré-esforço é libera do das ancoragens e, em vez disso, é transferido para os elementos por aderência (FIB, 2005). A figura 5 abaixo ilustra o esquema simplificado para pecas pré-esforçadas por pré-tensão. Figura 5 – Esquema simplificado para peças pré-esforçadas por pré-tensão (Bastos, 2021). 34 2.2.2. Pós-tensão Na pós-tensão a aplicação do pré-esforço é feita depois da betonagem da peça e quando o betão possuir a resistência necessária para suportar as forças de tensionamento. A transmissão da força de pré-esforço é realizada através de dispositivos colocados nas extremidades dos cabos, designados por ancoragens ativas. Este processo exige o uso de bainhas onde, no seu interior, se encontra o aço de alta resistência. (Barbosa, 2014) Ancoragens especiais nas extremidades transferem as forças de protensão para o betão. Isso permite tendões maiores do que no pré-tensionamento, uma vez que a ancoragem não depende mais da aderência. Os tendões geralmente consistem em vários fios ou cordões com uma ancoragem comum, ou de barras de grande diâmetro. O pós-tensionamento oferece grande liberdade na disposição dos tendões para um ótimo efeito transversal. (FIB, 2005) Para serem tensionados após o endurecimento do betão, os cabos devem ser livremente móveis no betão. A maneira mais comum de conseguir isso é envolvê-los em dutos de metal ou plástico. Após o tensionamento, os dutos são preenchidos com calda de cimento por injeção de pressão. A figura 6 ilustra o esquema simplificado de fabricação de peça pré-esforçadas com pós-tensão. Figura 6 – Esquema simplificado de fabricação de peça pré-esforçadas com pós-tensão (Bastos, 2021) 35 A sequência da pós-tensão, essencialmente, é a seguinte(Santos & Martins, 2006): Execução da estrutura com as armaduras passivas, betonagem e cura (incluindo a colocação das bainhas dos cabos); Inserção dos cabos e seu traccionamento (aplicação do pré-esforço); Montagem dos aparelhos de ancoragem com transmissão do pré-esforço por fixação dos cabos nas cunhas. Segundo Barbosa (2014) é possível classificar o pré-esforço, quanto à sua aderência, como aderente ou não aderente. Pode-se dizer que na pré-tensão a transmissão do pré-esforço é sempre aderente, ou seja, o aço está aderente à secção de betão, tal como as armaduras passivas, o que provoca variações de extensão iguais no betão e no aço. Em pós-tensão, a transmissão pode ser feita por aderência, no caso das bainhas, onde é injetada calda de cimento, após terem sido tensionados os cabos, ficando os cordões aderentes. Em pós- tensão, a transmissão pode ser também sem aderência, como é o caso da utilização de monocordão, as armaduras mantêm-se desligadas, deslizando no interior da bainha. Regularmente utiliza-se um tipo de graxa que reduz o atrito, melhorando a proteção destas armaduras. Este sistema é característico da aplicação in situ em lajes de médios e grandes vãos. 2.2.3. Pré-esforço externo O pré-esforço com a armadura de pré-esforço interno à secção transversal da peça (inserida dentro do betão), representa a grande maioria dos casos de aplicação nas estruturas, mas o pré-esforço externo vem sendo muito aplicado em alguns casos específicos, como em secção celular ou caixão de estruturas de grandes pontes, como se ilustra na figura 7, onde a armadura de pré-esforço, embora na parte interna da secção caixão, fica posicionada externamente ao betão da secção, ou seja, a bainha do cabo de protensão não tem aderência com o betão. Sendo externa, a armadura de protensão, pode ser removida ou substituída quando necessário, em qualquer tempo (Bastos, 2021). 36 Figura 7 – Cabos de Pré-esforço externos em secção caixão de ponte, (Bastos, 2021) A armadura do pré-esforço externo configura uma parcela da armadura total, composta também por armaduras inseridas no betão, que pode ser passiva, activa ou ambas. Além das pontes, as aplicações mais comuns são em reabilitação e reforço de estruturas já existentes, em estruturas circulares (silos, reservatórios), grandes tubos e tanques de água.(Naaman, 2004 Citado por Bastos, 2021) Como reforço de estruturas de pontes já existentes (de betão, aço ou madeira), aumenta a capacidade de carga, com a armadura de pré-esforço sendo colocada externamente aos elementos, tensionada e ancorada nas extremidades da estrutura, configurando uma solução simples e eficiente, isto pode se observar nas figuras 8 e 9 abaixo. Figura 8 – Pré-esforço externo para reforço de viaduto (Bastos, 2021) Figura 9 – Pré-esforço externo para reforço de ponte (Bastos, 2021) Neste âmbito e, pelo que já foi referido anteriormente, pode-se sintetizar o pré-esforço através da figura 10 abaixo. 37 Figura 10 – Síntese do pré-esforço (Branco, 2018). 2.3.Níveis de pré-esforço A intensidade da força de pré-esforço (e da quantidade de armadura) pode assumir diferentes valores, sendo dependente de vários fatores, principalmente do vão, do carregamento, da agressividade do ambiente e das condições em serviço (flecha, abertura de fissura, nível de vibração)(Bastos, 2021). Em condições de ambientes agressivos, a intensidade do pré-esforço é escolhida de forma a eliminar as tensões de tracção sob o carregamento de serviço, para evitar abertura de fissuras, neste caso escolhe-se pré-esforço completo, que significa peça livre de fissuras de flexão. Em muitos casos, como estruturas em ambientes não agressivos, não há a necessidade de evitar o surgimento de fissuras, de modo que a intensidade da força de pré-esforço pode ser menor, e consequentemente o projecto pode ser mais econômico. A peça pode, por exemplo, ser projectada de forma a permanecer sem fissuras sob a actuação dos carregamentos permanentes, e com fissuras, que se abrem e se fecham, conforme o carregamento variável é aplicado e retirado. É a chamada pré-esforço parcial, quando a peça trabalha fissurada sob o carregamento total (Bastos, 2021) 2.4.Equipamentos de aplicação do pré-esforço 2.4.1. Ancoragens e acopladores Os cabos são ancorados através de ancoragens mecânicas individuais. As ancoragens consistem, geralmente, em placas metálicas, cunhas e elementos de proteção em relação à corrosão. São elementos através dos quais se transmite ao betão a força de pré-esforço concentrada na extremidade do cabo (zona de amarração). Os acopladores são utilizados para ligar armaduras individuais por forma a obter armaduras contínuas.(Paulino, 2016).As ancoragens são peças metálicas onde os cordões ou cabos ficam amarrados por meio de cunhas, e são de 3 tipos: ancoragem activa, de continuidade e passivas. 38 2.4.1.1.Ancoragens activas As ancoragens ativas estão situadas nas extremidades dos cabos, no lado por onde se realiza o tensionamento. Têm que ser capazes de permitir o esticamento dos cabos, mas devem impedir o deslizamento em sentido contrário. 2.4.1.2.Ancoragem de continuidade ou acoplamentos Estas permitem a continuidade entre dois cabos esticados em fases consecutivas. 2.4.1.3.Ancoragens passivas As ancoragens passivas são as que se situam na extremidade dos cabos no lado oposto àquele por onde se realiza o tensionamento. Devem evitar o deslizamento dos cabos para o interior da peça durante e após a aplicação da força de pré-esforço (Paulino, 2016). Nas figuras 11, 12 e 13 abaixo ilustram-se exemplos de ancoragens activas, de continuidade e passivas respectivamente. Figura 11 – Ancoragem Activa VSL tipo Bondtech (Catalogo VSL, 2006) Figura 12 – Acoplador tipo KC (Catalogo VSL, 2006) Figura 13 – Ancoragem Passiva VSL tipo H (Catalogo VSL, 2006) 39 2.4.2. Macaco hidráulico A força de pré-esforço é aplicada aos cabos de pré-esforço ou blocos de betão através de macacos hidráulicos. Como os cabos de pré-esforço devem ser tensionados ate ser atingida uma tensão elevada na armadura, são necessárias forcas de pré-esforço muito grandes. O modo fácil e simples de obter essas forças é através de macacos hidráulicos.(Veríssimo & César Júnior, 1998) De acordo com o mesmo autor, a força de pré-esforço aplicada pelo macaco é determinada a partir da pressão hidráulica lida num manómetro. Ao mesmo tempo o alongamento obtido no cabo pode ser lido em uma escala milimétrica fixada ao macaco. Em alguns sistemas, os macacos são dotados de dispositivos especiais que permitem a aplicação da força de pré-esforço e logo em seguida a cravação das cunhas de ancoragem. Na figura 14 abaixo, ilustra-se diferentes tipos de macacos hidráulicos, para tensionamento de canos (a) e para tensionamento de um cordão ou monocordão (a). Figura 14 – Macacos hidráulicos. a) Tensionamento de cabos; b) tensionamento de um cordão/monocordão (Barbosa, 2014). 2.5.Materiais usados em estruturas pré-esforçadas 2.5.1. Betão A construção de estruturas pré-esforçadas requer um controle de qualidade do betão muito rigoroso. Deve-se exigir a realização de ensaios prévios, o controle contínuo do cimento e dos inertes utilizados, bem como a fiscalização constante durante a elaboração do betão. Os betões utilizados em peças pré-esforçadas possuem normalmente resistência superior a aqueles das peças de betão armado, isto deve-se ao facto de que o betão pré-esforçado fica sujeito, desde muito cedo a tensões de compressão elevadas (Jacinto, 2007). 40 Segundo Bhatt (s.d), o betão de alta resistência é um dos principais constituintes de todas as estruturas de betão pré-esforçado. Os dois aspectos principais de importância são: Resistências à compressão e tração; Parâmetros de deformação como módulo de elasticidade, variação de fluência e deformações de retração com o tempo. Os parâmetros de deformação são particularmente importantes, pois têm um efeito importante na quantidade de pré-esforço retido a longo prazo. 2.5.1.1. Parâmetros de deformação Os parâmetros de deformação que nos interessam são o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson. Relativamente ao módulo de elasticidade usa-se em geral o módulo secante, definido conforme figura 15, e referido aos 28 dias (tal como a resistência). O módulo de elasticidade secante aos 28 dias, ou simplesmente módulo de elasticidade. é denotado no EC2 por 𝐸𝑐𝑚. Figura 15 – Módulo de elasticidade Secante e tangente (EC2). O módulo de elasticidade de um betão depende dos módulos de elasticidade dos seus componentes. No anexo A, são indicados valores aproximados para o modulo de elasticidade 𝐸𝑐𝑚 modulo secante entre 𝜎𝑐 = 0 e 0.4𝑓𝑐𝑚 para betão com agregados de quartzito de acordo com o EC2. Para agregados de calcário e de grés, o valor deverá ser reduzido de 10% e de 30%, respectivamente. Para agregados de basalto, o valor deverá ser aumentado de 20%. De acordo com o EC2, valor do coeficiente de poisson, v, está compreendido entre 0.2 e 0; na qual o primeiro valor refere-se as deformações em fase não fendilhada e o segundo é de admitir quando se considere que o betão tracionado está fendilhado. Nas aplicações correntes pode, em geral, tomar-se v = 0.2. 41 2.5.1.1.1. Fluência e retracção A fluência é um fenómeno que consiste no aumento progressivo no tempo da deformação instantânea de uma peça de betão quando sujeita a uma tensão com carácter de permanência. Este fenómeno ocorre devido à variação de volume de pasta de cimento que envolve os agregados (Appleton, 2002). O efeito da fluência pode ser explicado de uma forma simplificada através da figura 16. Figura 16 – Fluência de uma peça de betão (Appleton, 2002). . A retracção consiste na diminuição da dimensão de uma peça de betão na ausência de variações de temperatura e de tensões aplicadas. Este fenómeno é originado pela variação de volume da pasta de cimento devida essencialmente à evaporação da água de amassadura do betão e às reacções de hidratação das partículas de cimento. A carbonatação do betão origina também fenómenos de retracção (Appleton, 2002). O efeito da retracção pode ser explicado de forma simplificada através da figura 17. Figura 17 – Retracção de uma peça de betão (Appleton, 2002). 42 A fluência e retracção originam o que normalmente se designa por efeitos diferidos e efeitos devidos à deformação do betão ao longo do tempo. 2.5.1.2. Factores que justificam resistências elevadas A maior resistência é necessária no betão pré-esforçado por várias razões (Lin e Burns, 1981). Em primeiro lugar, a fim de minimizar seu custo, as ancoragens comerciais para o aço de protensão são sempre projetadas com base no betão de alta resistência. Portanto, o betão mais fraco exigirá ancoragens especiais ou poderá falhar sob a aplicação de pré-esforço. Tais falhas podem ocorrer no rolamento ou na aderência entre aço e concreto, ou em tracção próxima às ancoragens. Em seguida, o betão de alta resistência à compressão oferece alta resistência à tração e cisalhamento, bem como à aderência e ao rolamento, e é desejável para estruturas de betão pré-esforçado cujas várias porções estão sob maior tensão do que o betão armado comum. Outro fator é que o betão de alta resistência é menos suscetível às fissuras de retração que às vezes ocorrem em betões de baixa resistência antes da aplicação do pré-esforço. Também possui módulos de elasticidade mais altos e menor tensão de fluência, resultando em menor perda de pré-esforço. O emprego de betão e de aços de alta resistência permite a redução das dimensões das peças, diminuindo o seu peso próprio e, por conseguinte, viabilizando técnica e economicamente a execução de estruturas de grande vão. Os betões de alta resistência possuem, em geral, módulo de elasticidade mais elevado, o que diminui tanto as deformações imediatas como as que ocorrem ao longo do tempo. Isso reduz os efeitos da perda de pré-esforço oriundos da retracção e fluência do betão. Na construção pós-tensionada, altas tensões de rolamento resultam nas extremidades das vigas, onde a força de pré-esforço é transferida dos cabos para os acessórios de ancoragem, que se apoiam diretamente no betão. Este problema pode ser resolvido aumentando o tamanho do encaixe de ancoragem ou aumentando a capacidade de carga do betão aumentando sua resistência à compressão. Este último geralmente é mais econômico. 43 Na construção pré-tensionada, onde é habitual a transferência por aderência, a utilização de betão de alta resistência permitirá o desenvolvimento de tensões de aderência mais elevadas. Segundo Veríssimo e César Júnior (1998), além de boa resistência, é importante que o betão tenha boas características de compacidade e baixa permeabilidade, para que se tenha uma protecção suficientemente contra a corrosão das armaduras. Tem se comprovado experimentalmente que o aço da armadura activa, quando solicitado por tensões elevada, torna-se mais susceptível à corrosão. 2.5.2. Tipos de armaduras de pré-esforço Diferenciam-se dois tipos de armaduras no betão armado pré-esforçado: Armaduras passivas: armaduras ordinárias habituais no betão armado, associadas às anteriores. Armaduras activas: armaduras de aço de alta resistência, através das quais se introduz a força de pré-esforço; Esta distinção semântica estabelece-se pela seguinte razão: as armaduras passivas só começam a trabalhar quando a peça entra em carga, iniciando-se a sua deformação; pelo contrário, as armaduras ativas estão a trabalhar continuamente, independentemente do estado de carga da peça (Paulino, 2016). 2.5.2.1.Armaduras passivas Segundo o REBAP artigo 21, as armaduras ordinárias devem ser caracterizadas pelo seu processo de fabrico e pelas suas características geométricas, mecânicas e de aderência. Quando se preveja a realização de soldaduras, há que caracterizar também a soldabilidade do aço em face do processo de soldadura a empregar. Tendo em conta as características mecânicas das armaduras, estas devem apresentar uma ductilidade adequada, definida pela relação entre a resistência à tração e a tensão de cedência (ft/fyk), e pela extensão de carga máxima (𝜀uk), e distinguem-se 2 tipos de aços, os laminados a quente e os endurecidos a frio. Os diagramas apresentados a seguir são obtidos através de ensaios uniaxiais de tracção. 44 As armaduras ordinárias são caracterizadas pelo tipo de superfície que apresentam, existindo varões nervurados que conferem alta aderência ao betão, desde que satisfaçam os requisitos da norma EN10080, e os varões lisos que concedem uma aderência normal ao betão. Figura 18 – Diagrama tensão-extensão do aço típico de armaduras para betão armado (EC2), a) laminado a quente; b) aço endurecido a frio. Para efeitos de análise global e dimensionamento de secção pode utilizar-se o diagrama bilinear indicado no gráfico da figura 19. O diagrama de cálculo obtém-se a partir do diagrama idealizado, dividindo os valores das tensões pelo coeficiente γs = 1,15. Figura 19 – Diagrama tensão-extensões, idealizado e de cálculo do aço das armaduras para betão armado (EC2). 2.5.2.2.Armaduras activas Os aços usados no betão pré-esforçado caracterizam-se por elevada resistência e pela ausência de patamar de cedência. Tornam-se, proporcionalmente, sensivelmente mais económicos que os aços normalmente empregados na construção com betão armado, já que a sua resistência pode ser, 45 aproximadamente, até três vezes maior. Na construção com betão armado, estado de tensão inicial nulo no aço, o emprego dos aços de alta resistência é desaconselhado, pois os alongamentos excessivos provocariam fendas muito abertas. Já no betão pré-esforçado este problema é evitado através do alongamento prévio da armadura.(Veríssimo e César Júnior, 1998). De acordo com o EC2, os aços de pré-esforço são encontrados nas seguintes formas: Fios (Wire) Cordões (Stand) Barras (Bar) A aplicação dos fios está sobretudo virada para a indústria da pré-fabricação, que recorre ao método da pré-tensão. Já os cordões, aplicam-se sobretudo na pós-tensão, embora também o sejam na pré-tensão (Jacinto, 2007). Os cordões são formados por 2, 3 ou 7 fios, sendo este último o mais utilizado. Podem ser fornecidos com uma bainha de polietileno de alta densidade, designando-se neste caso cordão auto- embainhado. Os cordões auto-embainhados utilizam-se em pré-esforço exterior e também no pré- esforço de lajes (sistema monocordão). As barras são varões em aço de elevada resistência e podem ser parcial ou totalmente roscadas (Jacinto, 2007). A figura 20 abaixo ilustra as principais formas dos aços de pré-esforço encontrados. Figura 20 – Fios, cordões, e barras para pré-esforço, (Jacinto, 2007) O diagrama σ-ε típico de um cordão de pré-esforço é o indicado na figura 21 apresentada abaixo. 46 Figura 21 - Diagrama tensões-extensões do aço típico de pré-esforço [EC2] Para o calculo das secções, poderá se admitir uma das seguintes hipóteses apresentadas no gráfico da figura 22 abaixo. Figura 22 – Diagrama tensão-extensões, idealizado e de cálculo do aço das armaduras para betão armado (EC2). 2.5.3. Bainhas São normalmente denominados bainhas os tubos dentro dos quais armadura de pré-esforço, por pós-tensão, deve ser colocada, de forma a deslizar sem atrito e a ficar protegida. Obviamente que estas bainhas também são indispensáveis para a criação dos ductos a salvaguardar durante a betonagem, por onde, após o betão endurecido, possam ser inseridos os cabos com a trajectória de projecto (Santos & Martins, 2006). As bainhas são utilizadas no caso do pré-esforço com aderência posterior. Via de regra, são fabricadas de chapas de aço laminadas a frio, com espessura de 0,1 a 0,35 mm, com costura helicoidal e ondulações transversais em hélice. Essas ondulações apresentam algumas vantagens, tais como (Veríssimo & César Júnior, 1998): 47 Conferem rigidez à secção da bainha sem prejudicar a flexibilidade longitudinal, permitindo curvaturas com raios relativamente pequenos, o que possibilita enrolar cabos de grande comprimento, que podem ser transportados em rolos. Facilitam a utilização de luvas rosqueadas nas emendas. Melhoram a aderência entre o betão e a calda de injecção, devido as saliências e reentrâncias. O objectivo das bainhas é impedir que, aquando da betonagem, o betão entre em contacto com o aço o que, se acontecesse, inviabilizaria o esticamento posterior do aço. O diâmetro das bainhas é estabelecido normalmente de forma a que a sua área seja cerca do dobro da área dos cabos. Um diâmetro mais pequeno, além de criar dificuldades de injecção, aumentaria o coeficiente de atrito cabo-bainha (Jacinto, 2007). Para o pré-esforço sem aderência utilizam-se também as bainhas plásticas lisas. Para que a injecção da calda de cimento seja bem-sucedida são instalados, em pontos estratégicos, tubos de ar, chamados de respiradouros como se pode observar na figura 23. Normalmente são utilizados para esse fim tubos de plástico de polivinil. (Veríssimo & César Júnior, 1998) Figura 23 – Ligação de um respiro num ponto intermediário de uma bainha (Veríssimo & César Júnior, 1998) Para a injecção das bainhas, com calda de cimento, devem ser estabelecidos os locais de injecção e os respectivos respiradouros. Deve-se dispor os pontos de injecção nos locais mais baixos e os respiradouros nos pontos mais altos do cabo. A tabela 1 abaixo, apresenta os diâmetros usuais das bainhas. 48 Tabela 1 – Diâmetro das Bainhas Cordón Tipo de tendón Vaina del tendón Ø interior mm Ø exterior mm 0.5'' (13mm) 4 51 56 7 12 62 67 15 72 77 19 85 90 22 90 96 27 100 105 31 110 115 35 0.6'' (15mm) 4 51 56 5 7 62 67 9 72 77 12 85 90 15 90 96 19 100 105 24 110 115 27 120 125 31 37 130 137 Fonte: (MK4 Innovative Solutions) Contudo, as bainhas a usar nos sistemas pós-tensionados poderão ser metálicas ou de plástico (ver figura 24), sendo as primeiras as mais utilizadas. Figura 24 – Bainhas Metálicas e Plásticas (Catalogo VSL, 2006). 2.5.4. Caldas de Injecção Após o esticamento do aço, o espaço vazio entre os cordões e a bainha é preenchido com calda de cimento, a fim de proteger o aço da corrosão e possibilitar a aderência. As caldas de injecção são, 49 basicamente, constituídas por cimento, água e plastificante, podendo, em alguns casos, adicionar- se um expansivo. O objectivo do plastificante é assegurar uma boa trabalhabilidade com uma relação A/C baixa. A injecção das bainhas, a realizar após o esticamento dos cabos, tem um objectivo duplo: Protecção dos aços contra a corrosão; Assegurar a aderência entre o cabo e a secção de betão. De acordo com a norma alemã DIN 4227, citado por Veríssimo e César Júnior (1998) para betão pré-esforçado, as caldas de injecção de cimento devem satisfazer as seguintes exigências: Dentro do possível, a sedimentação e a retracção devem ser pequenas, devendo ser a contracção volumétrica no máximo de 2%; Deve ter boa fluidez, até a conclusão da injecção; Resistência a compressão da ordem de 20 MPa, aos 7 dias, e 30 MPa, aos 28 dias, determinada a partir de provetes cilíndricos com Ø = 10cm e h = 12cm; Não devem ter aumento de volume devido a temperaturas negativas. Podem-se usar aditivos para garantir fluidez, desde que obedecidas as normas dos produtos químicos, mas em caso algum usar o cloro, devido à corrosão sob tensão, nem no cimento nem no aditivo; A quantidade de água deve
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