AULA 1 concreto protendido e pontes

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Concreto Protendido e Pontes
Introdução
Michael Leone Madureira de Souza
michael.madureira@animaeducacao.com.br
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Sumário
1 Introdução
2 Propriedades Mecânicas
3 Sistemas de Protensão
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1 Introdução
2 Propriedades Mecânicas
3 Sistemas de Protensão
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Introdução
Conceitos
Ao longo das últimas décadas houve um grande avanço na engenharia
de estruturas civis, tanto de aço quanto de concreto, em três grandes
segmentos: materiais estruturais, cálculos/projetos e métodos
construtivos.
Os materiais estruturais são basicamente aço e concreto. A
tecnologia possibilitou a inclusão de aditivos/adições no concreto que
melhoraram a qualidade, durabilidade e aumento de resistência do
material, facilmente superando os 50 MPa.
Em relação ao aço o desenvolvimento industrial resultou a maior
oferta dos aços-carbono que possuem aplicações importantes em
estruturas metálicas (ASTM A36, 572 e 709), concreto armado
(CA-50 e CA-60) e o concreto protendido (CP 190 e CP 210).
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Introdução
Conceitos
Os processos de cálculos/projetos apresentaram grande evolução a
partir da década de 1960. Técnicas de probabilização das variáveis
estruturais (solicitações e resistências) e o método dos Estados
Limites tornaram mais claras as verificações de segurança e
desempenho de estruturas.
A análise estrutural com a utilização robusta de softwares de alta
capacidade tiveram papel importante no avanço dos cálculos,
possibilitando modelos mais sofisticados (não-lineares em geometria
e/ou material) no estudo estático ou dinâmico.
O sistema BIM (Building Information Model) permite que projetistas
de diversas especialidades desenvolvam os seus projetos por meio da
modelagem computacional da edificação e alimentem
simultaneamente o sistema de forma a evitar interferências cruzadas.
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Introdução
Conceitos
Em relação aos métodos construtivos, máquinas e equipamentos
passaram a substituir a execução de operários em diversas tarefas. O
transporte e montagem de materiais e peças foram otimizados
resultando em prazos mais curtos de obra.
A protensão, também encarada como um sistema construtivo,
propiciou um maior aproveitamento estrutural a partir da sua maior
capacidade resistente, redução de deformações e melhoria da
durabilidade e uso. Adicionalmente teve papel decisivo na
industrialização da construção civil, com a produção em série de
peças pré-moldadas: lajes, vigas, estacas e painéis de fachada.
É vasta a utilização de elementos protendidos no campo da
engenharia de estruturas, passando desde obras de grande porte
(pontes e viadutos), médio porte (edificações) e também pequeno
porte ou leves (pré-moldados).
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Introdução
Conceitos
Figure: Edif́ıcio comercial em Alphaville. Estruturas de lajes maciças protendidas,
pós tração com cordoalhas engraxadas.
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Introdução
Conceitos
Figure: Fábrica de pneus Continental. Estrutura pré-moldada, pós e pré-tração.
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Introdução
Conceitos
Figure: Edif́ıcio Mackenzie prétio ”T”. Estrutura de lajes nervuradas protendidas,
pós-tração com cordoalhas engraxadas.
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Introdução
Conceitos
Figure: Teatro de Arena Villa-Lobos. Estrutura protendida, pós-tração com
aderência posterior e balanço de 22 metros. Altura estrutural de 1,70 m.
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Introdução
Conceitos
Figure: Ponte protendida em balanços sucessivos na Itália.
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Introdução
Conceitos
O concreto é o resultado da mistura de diversos materiais que tem
como objetivo resistir a determinados esforços.
Concreto = Cimento + Água + Agregados + Aditivos + Adições
Cimento: pó fino que endurece por hidratação, apresentando grande
resistência a compressão e durabilidade
Água:elemento que hidrata o cimento
Agregados: elementos inertes adicionados. Ex: areia, pó de pedra,
britas, etc.
Aditivos: produtos utilizados para alterar determinadas caracteŕısticas
do concreto. Ex: fluidez, trabalhabilidade, etc.
Adições: materiais diversos adicionados para melhorar o desempenho
do concreto. Ex: aumentar a resistência, adicionar cor, etc.
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Introdução
Cimento
Figure: Sacos de cimento Figure: Cimento
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Introdução
Agregados
Figure: Brita e areia
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Introdução
Aditivos
Figure: Aditivos para concreto
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Introdução
Adições
Figure: Aço
Figure: Bitolas dos aços
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Introdução
Adições
Figure: Concreto + Armadura (passiva) = Concreto Armado
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Introdução
Adições
Figure: Cordoalhas de aço
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Introdução
Adições
Figure: Concreto + Armadura (ativa) = Concreto Protendido
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Introdução
Conceitos
A dosagem (definição do traço e do fator água-cimento) deve ser
definida considerando-se os fatores:
resistência mecânica;
trabalhabilidade (consistência da mistura);
durabilidade (impermeabilidade, resistência ao desgaste e ataque de
agentes agressivos, umidade e temperatura).
A resistência do concreto aumenta com o consumo de cimento, numa
faixa usual de utilização entre 250 a 450 kg/m3 e diminui com o
aumento do fator água-cimento, que varia entre 45 % à 65 %. Ver
NBR 12655.
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Introdução
Conceitos
O uso do concreto como material para os elementos estruturais possui
vantagens e desvantagens, a saber:
Vantagens:
usualmente é mais econômico que outros materiais;
é composto por materiais que, em geral, são dispońıveis nos locais das
construções;
produção e execução relativamente simples;
é adaptável a qualquer geometria e forma;
após ser produzido permanece, por certo tempo, em estado plástico de
forma a possibilitar seu transporte e lançamento;
produz uma estrutura monoĺıtica e hiperestática;
possui certa resistência a efeitos térmicos, atmosféricos, ao desgaste
mecânico e choques;
baixo custo com manutenção e conservação, associadas a uma grande
durabilidade
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Introdução
Conceitos
O uso do concreto como material para os elementos estruturais possui
vantagens e desvantagens, a saber:
Desvantagens:
peso próprio relativamente alto;
dificuldade para reformas e demolições;
grande consumo de formas e escoramentos;
possibilidade de fissuração inicial alta, devido à baixa resistência à
tração, o que pode comprometer a durabilidade.
A durabilidade está associada ao grau de agressividade ambiental do
local da obra. Nesse sentido, o fator água-cimento e o cobrimento são
dois aspectos de controle da durabilidade do concreto.
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Introdução
Conceitos
Figure: NBR 6118:2014
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Introdução
Conceitos
Figure: NBR 6118:2014
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Introdução
Conceitos
Figure: NBR 6118:2014
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Introdução
Comportamento Associado Concreto + Aço
Por que adicionar barras de aço em um elemento de concreto?
A finalidade das barras de aço é absorver as tensões de tração que
surgem nos elementos quando submetidos a esforços de flexão,
cisalhamento, torção e tração. Nesse sentido, deve ser disposta
armadura nas regiões tracionadas das peças estruturais.
Figure: Concreto Armado.
A alta resistência à compressão do
concreto é aproveitada nas zonas
comprimidas das peças.
Na região tracionada a resistência do
concreto à tração é superada, dando
ińıcio ao processo de fissuração,
acionando a resistência à tração das
barras de aço.
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Introdução
Comportamento Associado Concreto + Aço
Como o aço e o concreto podem formar um elemento monoĺıtico?
* Aderência. A ”conexão”, ”ligação” entre os materiais garante a
igualdade de suas deformações e a transmissão mútua dos esforços
solicitantes, ainda que o concreto esteja fissurado.
* Coeficiente de deformação térmica praticamente iguais. Ao serem
expostos a variações de temperatura, os materiais se deformam
igualmente, evitando elevadas tensões internas provenientes de
deformações térmicas.
* Proteção contra corrosão do açopelo concreto. Essa proteção é:
f́ısica, em função de seu adensamento, vibração e dosagem, além de
um cobrimento compat́ıvel com o local da obra; e qúımica, pela
presença de elementos qúımicos que formam uma peĺıcula inibidora
em torno da armadura, conferirindo assim um meio alcalino, com pH
em torno de 12 a 13,5.
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Introdução
Concreto + aço
Figure: União viga-pilar em concreto armado
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Introdução
Concreto + aço
Figure: Viga de ponte em concreto protendido
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Introdução
Concreto + aço
Figure: Viga de ponte em concreto protendido
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1 Introdução
2 Propriedades Mecânicas
3 Sistemas de Protensão
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Propriedades Mecânicas
Conceitos
O que são?
São caracteŕısticas associadas ao material que permitem seu emprego
em determinada função
Quais são os tipos de propriedades?
Resistências a tração e a compressão, permeabilidade, flexibilidade,
etc.
Como são medidas as resistências dos materiais?
Através de ensaios experimentais.
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
A resistência do concreto é obtida a partir de ensaios
experimentais, para diversos esforços, e varia de acordo com a idade
do concreto, a saber: 1, 3, 7, 21 e 28 dias após a concretagem.
* fck - resistência caracteŕıstica à compressão do concreto. (28 dias)
Obtida em ensaios de corpo de prova ciĺındricos de acordo com a
NBR 5738 e rompidos a partir das diretrizes da NBR 5739.
Figure: Ensaio a compressão.
Figure: Curva tensão-deformação.
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
Para superestruturas de concreto armado o concreto deve ser no
ḿınimo de classe C20 (fck = 20 MPa) e para estruturas de fundação
e em obras provisórias classe C15 (fck = 15 MPa).
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
* fctk - resistência caracteŕıstica à tração do concreto.
É dividida em resistência a tração indireta fct,sp (NBR 7222) e
resistência à tração na flexão fct,f (NBR 12142).
A resistência a tração direta, fct pode ser considerada igual a 0,9fct,sp
ou 0,7fct,f , ou na falta de ensaios para obtenção de fct,sp e fct,f pode
ser avaliado o seu valor médio ou caracteŕıstico por meio das
equações:
fctk,inf = 0, 7fct,m e fctk,sup = 1, 3fct,m
concretos até C50: fct,m = 0, 3f
2/3
ck
Concretos de C55 até C90: fct,m = 2, 12 ln(1 + 0, 11 fck)
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
Figure: Ensaios de tração no concreto.
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
Exemplo. Supondo um concreto C20, têm-se:
Resistência à compressão caracteŕıstica: fck = 20 MPa.
Resistência à tração média: fct,m = 0, 3× 202/3 = 2, 21 MPa.
Resistência à tração caracteŕıstica inferior: fctk,inf = 0, 7× 2, 21 = 1, 55
MPa.
Resistência à tração caracteŕıstica superior: fctk,sup = 1, 3× 2, 21 = 2, 87
MPa.
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Propriedades Mecânicas
Resistência do Concreto
A resistência fct,f é obtida a partir de ensaio com elementos flexionados.
A resistência fct,sp é obtida a partir de ensaio com elementos comprimidos
diametralmente.
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Propriedades Mecânicas
Módulo de Elasticidade
Segundo a Lei de Hooke (resistência dos materiais), para alguns
materiais e ńıveis de tensão, a relação entre tensão e deformação é
linear. Portanto: E = ∆σ∆ε .
Porém, conforme visto no diagrama tensão-deformação, o concreto
não apresenta esse comportamento linear. Dessa forma a NBR 6118
permite estimar o módulo de deformação tangente inicial Eci (28
dias) da seguinte forma:
fck de 20 a 50 MPa: Eci = αE · 5600
√
fck
fck de 55 a 90 MPa: Eci = 21, 5.10
3 · αE ·
(
fck
10 + 1, 25
)1/3
, onde
αE é um parâmetro de cálculo do módulo de elasticidade que é função da
natureza do agregado, tal que:
αE = 1, 2 para basalto e diabásio, αE = 1, 0 para granito e gnaisse,
αE = 0, 9 para calcário e αE = 0, 7 para arenito.
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Propriedades Mecânicas
Módulo de Elasticidade
Outro módulo utilizado no dimensionamento de estruturas de
concreto é o módulo de deformação secante Ecs, estimado da
seguinte forma: Ecs = αi · Eci , onde αi = 0, 8 + 0, 2 · fck80 ≤ 1.
A NBR 6118 disponibiliza uma tabela com os valores já calculados
quando da utilização de granito como agregado graúdo.
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Propriedades Mecânicas
Módulo de Elasticidade
A NBR 6118:2014 também apresenta métodos para estimar o módulo
de elasticidade inicial em idades inferiores a 28 dias, item 8.2.8.
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Propriedades Mecânicas
Ensaios Experimentais - Aço
Nos projetos de estruturas de concreto armado deve ser utilizado aço
classificado pela NBR 7480, com valor caracteŕıstico da resistência de
escoamento nas categorias CA-25 (fyk = 250 MPa), CA-50
(fyk = 500 MPa) e CA-60 (fyk = 600 MPa).
A capacidade aderente entre o aço e o concreto está relacionada ao
coeficiente η1 da seguinte forma:
A massa espećıfica do aço de armadura passiva é dada por 7850
kg/m3, o coeficiente de dilatação térmica vale 10−5/oC e o módulo
de elasticidade, salvo valor definido pelo fabricante, pode ser adotado
em 210 GPa.
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Propriedades Mecânicas
Ensaios Experimentais - Aço
Figure: Ensaio a tração
Figure: Curva de resistência a tração
As normas técnicas da ABNT fornecem métodos para cálculo da
resistência quando não existem ensaios experimentais
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1 Introdução
2 Propriedades Mecânicas
3 Sistemas de Protensão
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Sistemas de Protensão
Conceitos
De acordo com a NBR 6118:2014, tem-se definido que:
* concreto com armadura ativa pré-tracionada (protensão com
aderência inicial): concreto protendido em que o pré-alongamento da
armaduta ativa é feito utilizando-se apoios independentes do elemento
estrutural, antes do lançamento do concreto, sendo a ligação da
armadura de protensão com os referidos apoios desfeita após o
endurecimento do concreto; a ancoragem no concreto realiza-se
somente por aderência.
* concreto com armadura ativa pós-tracionada (protensão com
aderência posterior): concreto protendido em que o pré-alongamento
da armaduta ativa é realizado após o endurecimento do concreto,
sendo utilizadas, como apoios, partes do próprio elemento estrutural,
criando posteriormente aderência com o concreto, de modo
permanente, através da injeção das bainhas.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
De acordo com a NBR 6118:2014, tem-se definido que:
* concreto com armadura ativa pós-tracionada sem aderência
(protensão sem aderência): concreto protendido em que o
pré-alongamento da armadura ativa é realizado após o endurecimento
do concreto, sendo utilizadas, como apoios, partes do próprio elemento
estrutural, mas não sendo criada aderência com o concreto, ficando a
armadura ligada ao concreto apenas em pontos localizados.
Video ilustrativo
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Sistemas de Protensão
Conceitos
A protensão traz melhorias no desempenho (serviço) e na segurança
das estruturas de concreto. Dentre as vantagens do concreto
protendido com relação ao concreto armado é posśıvel citar:
* durabilidade: a ausência ou redução da fissuração garante maior
proteção das armaduras, inibindo o fenômeno da corrosão.
* deformabilidade: a protensão equilibra grande parcela do
carregamento da estrutura, reduzindo os deslocamentos finais (flechas)
e garantindo acabamentos de melhor qualidade.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
A protensão traz melhorias no desempenho (serviço) e na segurança
das estruturas de concreto. Dentre as vantagens do concreto
protendido com relação ao concreto armado é posśıvel citar:
* melhor qualidade: no concreto protendido é posśıvel utilizar aços
especiais sem que a peça seja condenada por fissuração excessiva.
* leveza e esbeltez: a sistemática estrutural do concreto protendido
(equiĺıbrio de cargas), associada à qualidade superior dos materiais,
propicia seções mais esbeltas, vãos maiores e estruturasmais leves.
* menores cisalhamentos: a protensão reduz o valor da força cortante e
reduz a tensão principal de tração, propiciando menor quantidade de
estribos.
* provas de carga: como a protensão equilibra grande parte do
carregamento aplicado à estrutura pode ser encarada como uma prova
de carga para o elemento protendido.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
Por outro lado, as desvantagens do concreto protendido em relação
ao concreto armado devem ser cuidadosamente avaliadas. Dentre as
desvantagens do concreto protendido com relação ao concreto
armado é posśıvel citar:
* corrosão: nas peças protendidas em que a armadura ativa não esta
protegida por bainhas (armaduras pré-aderentes), o efeito da corrosão
pode ser danoso para a segurança da estrutura. Quando no interior das
bainhas a proteção é dupla: a própria bainha (metálica ou plastificada),
a calda de cimento nas peças injetadas ou a graxa especial das
cordoalhas engraxadas.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
Por outro lado, as desvantagens do concreto protendido em relação
ao concreto armado devem ser cuidadosamente avaliadas. Dentre as
desvantagens do concreto protendido com relação ao concreto
armado é posśıvel citar:
* protensão é força ativa: erros de projeto ou de construção podem
resultar em rúınas das estruturas quando a protensão estiver sendo
aplicada no concreto.
* maiores exigências de projeto: o projeto de estruturas protendidas,
além de verificações e detalhamentos mais abrangentes, deve conter
também os procedimentos executivos para a construção e o uso da
estrutura.
* maiores exigências na construção: além dos materiais de melhor
qualidade, as estruturas protendidas requerem equipamentos como
macacos, aparelhos de controle de pressão, bombas injetoras e
misturadoras. Também a mão de obra deve ser treinada para controlar
e liberar a protensão. O controle tecnológico e sua respectiva
resistência são fundamentais para a aplicação da protensão da
estrutura. 50 / 70
Sistemas de Protensão
Conceitos
É posśıvel estabelecer dois tipos de protensão:
* quanto ao processo construtivo: em função do sistema construtivo e
do modo como a força de protensão, durante a construção, é
transferida para a seção de concreto.
* quanto às exigências relativas à fissuração e à proteção das
armaduras: em função da conservação da segurança, estabilidade e
aptidão em serviço durante o peŕıodo correspondente à vida útil.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
quanto ao processo construtivo:
1) Pré-tensão: peças de concreto com armadura ativa pré-tracionada
(protensão com aderência inicial). Este processo construtivo é aplicada
para a execução de pré-moldados (e pré-fabricados).
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Sistemas de Protensão
Conceitos
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Sistemas de Protensão
Conceitos
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Sistemas de Protensão
Conceitos
quanto ao processo construtivo:
2) Pós-tração com aderência posterior: a aderência posterior é
desenvolvida com a injeção de calda de cimento que preenche os
espaços vazios no interior das bainhas. Tem aplicação generalizada em
estruturas protendidas de médio e grande portes. São as tradicionais
estruturas moldadas e protendidas no local da construção.
A transferência da força de protensão é feita através das ancoragens
terminais (passivas e ativas) que ficam incorporadas na própria peça.
As unidades de protensão (cabos) são constitúıdas por cordoalhas (fios)
que estão isoladas do concreto por estarem no interior de bainhas
metálicas.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
De forma resumida o processo construtivo de peças pós tracionadas
com injeção posterior é dada por:
a) preparação da estrutura: formas, armadura passiva, colocação dos
cabos (kit completo com armadura, bainhas, ancoragens e acessórios).
b) concretagem da peça sem que haja o contato entre o concreto e a
armadura a ser protendida, adensamento e cura. Após o endurecimento
do concreto até atingir a resistência especificada no projeto, efetua-se a
protensão. Nesse ato ocorre a mobilização do peso próprio e deve ser
feita a verificação correspondente.
c) atendidas as exigências de projeto com relação aos valores da força de
protensão e respectivos alongamentos das armaduras, começam as
operações de injeção de calda de cimento, até preencher os vazios
existentes dentro das bainhas. Em seguida, são efetuados os
acabamentos finais como os cortes das sobras de aço junto às
ancoragens, preenchimento dos nichos e outros.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
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Sistemas de Protensão
Conceitos
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Sistemas de Protensão
Conceitos
O termo ancoragem é aplicado aos dispositivos e, ou artif́ıcios,
utilizados para fixar os cabos de protensão tensionados, de forma a
manter a carga aplicada pelo macaco hidráulico, impedindo que o
cabo volte ao estado original, ou fique frouxo, sem tensão de tração.
As ancoragens podem ser agrupadas conforme as seguintes categorias:
* ancoragem por aderência;
* ancoragem por meio de cunhas;
* ancoragem por meio de roscas e porc;
* ancoragem passiva (ou morta).
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Sistemas de Protensão
Conceitos
A ancoragem por aderência é empregada em geral na protensão
com aderência inicial. A aderência deve ser desenvolvida através da
nervura na armadura ou de um perfilado adequado que produza um
endentamento entre a armadura de protensão e o concreto. A
extremidade do fio, sem tensão, se encunha no concreto.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
A ancoragem por meio de cunhas ocorre quando os cabos de
protensão são ancorados através de duas peças especiais, um cone
macho e um fêmea.
Figure: Legenda: 1- fios de aço; 2- cunha de ancoragem (cone macho); 3- apoio
da cunha (cone fêmea); P- força de protensão dos fios de aço do cabo e F- força
aplicada sobre a cunha para ancorar o cabo.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
(a) Legenda: 1- fios de aço; 2- cunhas de
ancoragem (cone macho); 3- peça de apoio
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Sistemas de Protensão
Conceitos
A ancoragem por meio de rosca e porca é utilizado, em geral, com
fios ou cordoalhas ou barras maciças de aço.
Figure: Legenda: 1- fios de aço; 2- peça metálica ligada aos fios; 3- rosca; 4-
cabeçote; 5- porca; 6- peça de apoio; P- força de protensão.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
Ancoragem passiva.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
quanto ao processo construtivo:
3) Pós-tração sem aderência posterior: nesses casos não existe
aderência entre a armadura ativa e o concreto. A ligação entre os
elementos ocorre apenas nas ancoragens, exatamente nos pontos onde
a força de protensão é transferida ao elemento estrutural.
Todos os procedimentos utilizados na pós-tração com aderência podem
ser aplicados nesse cenário, eliminando-se a injeção com calda de
cimento.
Esse tipo de protensão ganhou importância com o desenvolvimento da
cordoalha engraxada que simplificou a construção com equipamentos e
acessórios mais acesśıveis. Está presente na maioria de projetos de lajes
nervuradas de edificações residenciais e comerciais, em pisos estruturais
e pré-moldados com pós-tração executados nos canteiros de obra.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
Figure: Detalhe dos apoios das cordoalhas engraxadas.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
quanto ao processo construtivo:
3) Pós-tração com protensão externa: ocorre quando a armadura ativa
está atuando fora da seção de concreto da peça. Pode ser encarada
como uma força aplicada, posicionada adequadamente com o aux́ılio de
dispositivos especiais (desviadores). Podem ser encontradas em pontes
e viadutos e também como reforços de estruturas prontas.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
quanto às exigências relativas à fissuração e à proteção das
armaduras:
* Devem ser projetadase constrúıdas de modo que, sob determinadas
condições ambientais e quando utilizadas conforme previsto, conservem
a segurança, estabilidade e aptidão ao serviço, durante o peŕıodo
correspondente à sua vida útil.
* O aparecimento ou não de fissuras nas seções de concreto pode ser
relacionado a um Estado Limite de Serviço, que deve ser atendido em
função do concreto adotado e a classe de agressividade ambiental que
a estrutura estará exposta.
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Sistemas de Protensão
Conceitos
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Sistemas de Protensão
Conceitos
Apesar dos valores estabelecidos de fissuração limite, devido ao
estágio atual dos conhecimentos e da alta variabilidade das grandezas
envolvidas, esses limites devem ser vistos apenas como critérios para
um projeto adequado de estruturas.
Portanto, as estimativas de limites de fissuração não devem ser
levadas rigorosamente, pois fissuras reais podem eventualmente
ultrapassar esses valores máximos.
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	Introdução
	Propriedades Mecânicas
	Sistemas de Protensão