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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 1 ● ● I.1 ESCOPO e OBJETIVOS do CURSO O projeto de estruturas em concreto armado desenvolve-se nas cinco etapas interligadas, delineadas no quadro 1. Desenhos de forma e de detalhamento das armações representam suas partes principais, indispensáveis à execução da construção. O “Curso de Concreto Armado” concentra-se nas etapas 3ª, 4ª e 5ª do projeto estrutural, tendo como objetivos, capacitar o estudante à: 1º Dimensionar pelo Método dos Estados Limites, seções de elementos estruturais (vigas, lajes, pilares, sapatas, blocos, estacas, tubulões, contenções e outros) sujeitas às solicitações de flexão, cortante, normal e suas combinações; 2º Detalhar, de acordo com técnicas atuais e com as prescrições da norma ABNT NBR 6118:2014, elementos fundamentais em concreto armado. O projeto parte da Concepção Estrutural, na qual se elabora uma “forma” da estrutura, onde em essência são posicionados os apoios, definidos os vãos e pré- estabelecidas as dimensões das seções transversais dos elementos estruturais que a constituem. Em uma segunda etapa, designada Análise Estrutural, a forma concebida é modelada para ser submetida aos carregamentos que atuam sobre a construção. Assim, com recursos da Mecânica dos Sólidos, da Estática e programas calcados no método da rigidez, são obtidas as solicitações (flexão, cortante, normal, torsor) e deslocamentos das seções principais. A partir das solicitações, faz-se então o Dimensionamento das principais seções transversais dos elementos estruturais representativos do conjunto. Para estruturas em concreto armado são então selecionadas as resistências do concreto (classe) e do aço (categoria) a serem utilizados. Empregando-se o Método dos Estados Limites (M.E.L.), são então ratificadas ou modificadas as dimensões pré- estabelecidas para as seções na etapa de concepção e calculadas as quantidades de aço necessárias ao funcionamento seguro destas seções dimensionadas. Em geral, na etapa subseqüente, denominada Verificação, ainda com base nas diretrizes do Método dos Estados Limites, convertem-se as quantidades de aço obtidas no dimensionamento em número exato de barras, com bitolas definidas e pré- dispostas nas seções estruturais estudadas. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 2 O Detalhamento de Armaduras consiste em uma série de técnicas e prescrições, finalizando o quadro de etapas que integram a realização do projeto de estruturas em concreto armado. Nesta etapa final, os três requisitos que formam a meta essencial do MEL, ou seja; segurança à ruptura, desempenho adequado em serviço e durabilidade, alcançados nas duas etapas anteriores para as seções estudadas, são então estendidos integralmente para seus elementos e destes para a estrutura como um todo. Quadro 1 - Projeto de Estruturas de Concreto Armado ETAPAS DEFINIÇÕES RECURSOS & OBJETIVOS 1ª CONCEPÇÃO ESTRUTURAL 1. Materiais estruturais 2. Sistema estrutural 3. Posicionamento de apoios 4. Processo executivo 5. Modulação de vãos 6. Pré-dimensionamento de seções Experiência profissional acumulada 2ª ANÁLISE da ESTRUTURA 7. Reações 8. Solicitações 9. Tensões 10. Deslocamentos 11. Deformações Sistemas Computacionais Método da Rigidez Modelagem Estrutural Carregamentos Normalizados 3ª DIMENSIONAMENTO das SEÇÕES dos ELEMENTOS ESTRUTURAIS 12. Re-ratificação das dimensões pré-definidas na 1ª Etapa 13. Áreas de aço NBR 6118: M.E.L. Segurança à Ruptura e Durabilidade 4ª VERIFICAÇÃO das SEÇÕES dos ELEMENTOS ESTRUTURAIS 14. Re-ratificação das áreas de aço dimensionadas da 3ª etapa 15. Bitolas das armaduras NBR 6118: M.E.L. Adequação de Desempenho e Durabilidade 5ª DETALHAMENTO dos ELEMENTOS ESTRUTURAIS 16. Forma beneficiada de barras 17. Comprimento das barras/fios 18. Posição longitudinal das barras/fios NBR-6118: Prescrições Segurança, Desempenho e Durabilidade O curso visa ainda prover conhecimentos para apoio à temas do Setor de Estruturas, nos quais se prossegue tratando do projeto e execução de pontes, edificações, fundações e outras estruturas. O dimensionamento e detalhamento de elementos submetidos à torção, assim como abordagem de demais aspectos ligados à execução das obras em concreto armado, são examinados posteriormente. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 3 I.2 CONCEITOS e DEFINIÇÕES GERAIS Aglomerantes ativos ou ligantes são produtos reagentes, cuja propriedade principal é a de solidificar ao reagir quimicamente com ar ou água, podendo aglutinar outros materiais, ditos agregados, partículas minerais quimicamente inertes que aumentam o volume da mistura reduzindo seu custo. Podem ser orgânicos (à base de carbono) ou inorgânicos. Como se vê no quadro 2 e na figura 1, o cimento Portland comum é um aglomerante hidráulico seco, em pó, à base de cálcio, silício e alumínio, predominantemente em forma de silicato tricálcico {(CaO)3SiO2 =C3S=alita(≈50%)}; silicato dicálcico {(CaO)2SiO2=C2S=belita (≈25%)} e aluminato tricálcico {(CaO)3Al2O3= C3A=(≈12%)}, que resultam da pulverização conjunta de gesso (≈3%, para estender o tempo de pega) e clínquer (≈97%). Este, em corpos de aspecto esférico, essência do cimento moderno, resulta do processo industrial de calcinação-sinterização conjunta de ≈90% calcário {CaO} em pedra britada com ≈10% argila-saibro-minério {filito=Al2O3} / {quartzito=SiO3} / {magnetita=Fe2O3}, à 1450ºC. À mistura clínquer-gesso podem ser adicionados ainda um dos materiais para moagem: Pozolanas (cinzas), escória de alto forno ou pó calcáreo (filler). Estas adições modificam química e mecânicamente as propriedades do produto final e geram os cimentos Portland compostos apresentados no quadro 3. Quadro 2 – Aglomerantes: O Cimento Portland Seu contato com água forma uma pasta fluida e desencadeia instantânea reação química exotérmica, denominada hidratação. Esta reação prossegue com o fenômeno denominado “pega”, que se inicia com o aumento súbito da viscosidade e liberação de calor, fazendo com que a pasta perca gradativamente sua fluidez, até se solidificar após algumas horas (poucos minutos na pega rápida até 10 horas na lenta). Ao final da pega a pasta não se decompõe em contato com água ou ar. A reação estende-se em nova fase, a de “cura / endurecimento”, na qual a pasta adquire continuamente resistência mecânica, estabilizando-se ao final de anos. Adicionando- se o agregado fino (em geral areia: 0,075mm< Φ < 4,8mm)à pasta forma-se uma argamassa também rígida e resistente. cimento água calor cristais agulhas agulhas aglomeram-se por hidratação Téchne UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 4 Figura 1 – Fabricação do Clínquer e do Cimento Portland Quadro 3 – Composições e Principais Tipos de Cimento Portland Gesso Calcário COMUNS COMPOSTOS ALTO FORNO POZOLÂNICO ALTA R. INICIAL RES. à SULFATOS COMPOSIÇÃO MÉDIA Tricalcium Silicate (50%) Dicalcium Silicate (25%) Tricalcium Aluminate (12%) Tetracalcium Aluminoferrite (8%) Gypsum (3.5%) Other (1.5%) BELITA ≈ 25% ALITA ≈ 50% ALUMINATO TRICÁLCICO ≈ 12% ≈ 50% OUTROS UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 5 Etimologicamente, o termo concreto deriva do latim “concretus”, particípio de “concrescere”, verbo que se traduz por “crescer junto”, significando “consolidar”. Tal consolidação configura o efeito mecânico produzido pela reação química entre um aglomerante ativo, nesse caso o cimento, (também do latim “cæmentu”) e a água. O concreto simples, como indicado na figura 2, é obtido acrescentando-se agregados graúdos (geralmente brita: Φ ≥ 4,8mm) à argamassa, responsável por sua coesão. A dosagem representa a proporção exata da mistura cimento-agregados e água, da qual resulta o conglomerado sintético viscosco, que após pega e endurecimento, forma o material pétreo com elevada resistência à compressão. É comum ainda a incorporação opcional de aditivos em sua produção, tendo por fim a obtenção de propriedades específicas da mistura, tais como maior fluidez, aceleração ou retardo de “pega” e outras mais. Ainda que bem variável, a faixa de sua composição é indicada na figura 2. Embora o concreto simples resista bem às tensões compressivas, sua resistência às tensões trativas, da ordem de 10 % da anterior, é extremamente reduzida. Na atualidade, esta característica restringe acentuadamente seu uso como material estrutural isolado. O aço é um produto siderúrgico estrutural, com elevada resistência tanto à tração como a compressão. Exposto isolada ou desprotegidamente aos agentes atmosféricos, oxida-se aceleradamente face às dimensões usuais de seus elementos. Figura 2 – Composição do Cimento e dos Concretos CLÍNQUER AR:1 à 8% CIMENTO 7 à 15% BRITAS 31 à 51% AREIA 24 à 30% ÁGUA 14 à 21% UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 6 O concreto armado resulta da associação tecnicamente dimensionada, do concreto simples à armadura passiva (≈100 kgf/m3 de concreto), geralmente constituída por barras de aço, e assim denominada por não ser tensionada antes da estrutura entrar em carga. Os dois materiais resistem solidariamente aos esforços solicitantes e, com seu trabalho conjunto, as deficiências de cada um são supridas pela presença de atributos do outro, de tal forma que, o aço trabalhe nas regiões tracionadas dos elementos estruturais, enquanto o concreto trabalha bem à compressão e o protege dos agentes atmosféricos. No concreto protendido, introduz-se ainda a armadura denominada ativa ou de protensão (≈30 kgf/m3 de concreto), previamente tensionada, para melhorar o comportamento final da estrutura, quando nela são aplicados os carregamentos aos quais se destina. I.3 Da ARGILA ao CONCRETO: AVALIAÇÃO de uma TRAJETÓRIA I.3.1 – A Argila e os Primeiros Aglomerantes No barro, a argila solidifica com seus demais componentes por secagem, com a evaporação da água, e não por reação química desta, como nos aglomerantes ativos. Figura 3 – A Argila: Construções na Natureza UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 7 Enquanto nestes a hidratação fixa parte da água, transformando-a em outras substâncias, no primeiro ela se evapora, deixando um composto pouco resistente, inclusive à ação da própria água. Ainda assim, isto não impediu que argilas fossem e ainda sejam usadas como aglomerantes naturais, como se vê na figura 3. Seu uso animal, para formação de conglomerados com funções estruturais, precede bastante o do próprio ser humano. Figura 4 – Formações Naturais e Argilas: Conceitos e Materiais nas Construções Tibete América Síria UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 8 Na Antropologia, supõe-se que homem primitivo já teria tido contato com outros materiais aglomerantes, além de argilas. Ao acenderem fogueiras junto a pedras calcárias ou gesso, estes ativavam-se formando pós, que hidratados por chuva ou sereno, convertiam-se novamente em pedra. Extraindo da natureza tanto os conceitos como os materiais, as primeiras culturas usaram conglomerados à base de argilas, pedras e suas combinações, para construir habitações em paredes verticais ou arqueadas, semelhantes às cavernas e aos arcos naturais (fig. 4). No Antigo Egito, já se utilizavam argamassas à base dos aglomerantes ativos cal e gesso, porém sem destaque nas maciças construções (fig. 5) que os distinguiram. Na Grécia Antiga (≈ 650a.C.) o uso de aglomerantes era também obscurecido, frente ao uso de blocos de pedra cortadas para as arquitraves e colunas que notabilizaram as construções clássicas (fig. 6). Figura 5 – A Pedra nas Construções Maciças Figura 6 – A Pedra em Arquitraves e Colunas Em seu consagrado texto (≈25a.D.), o construtor romano Vitruvius (fig.7n), atesta que na Grécia, já se conhecia a “pozzolana”, que misturada (1/3 à 2/3) ao UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLSe EDUARDO VALERIANO pág. 9 calcário hidratado (2/3 à 1/3), ambos não hidráulicos, produzia um aglomerante cimentíceo e, portanto, dotado de hidraulicidade, com as propriedades já descritas. I.3.2 – A Pozolana e o Concreto Romano (Fig. 7) Após sua origem, em vinte e três séculos o Império Romano(f) dilatou-se no tempo e em seu espaço geográfico para enfim declinar e sucumbir. A queda de suas capitais, Roma e Constantinopla, pautou a periodização da História encerrando a Antiguidade, delimitando a Idade Média e iniciando a Era Moderna. Em seu apogeu impôs e consolidou sua presença em três continentes, por meios militares e civis. Suas construções e seu concreto pozolânico exerceram papel fundamental nessa trajetória. Construíram em vasta escala, sem o foco no refinamento estético que marcara as edificações helênicas: Templos, anfiteatros e estádios, redes de abastecimento, aquedutos e ampla rede de estradas com suas pontes. Conjugaram dois princípios construtivos; o da arquitrave-coluna assimilado dos gregos e o do arco semicircular etrusco(k); com dois materiais distintos; os blocos de pedra e o concreto pozolânico. Os efeitos dessa conjugação bastaram para estruturar toda a base física que viabilizou a grandiosidade superlativa de seu Império. Pozolanas naturais(g,h), nome derivado de Pozzuoli, vila da encosta do Vesúvio(a,d) na Baía de Nápoles(e), são cinzas arenosas de origem vulcânica, ricas em silicatos e aluminatos. A Geologia aponta que de 1.282 vulcões ativos nos últimos 100 séculos, apenas três expeliram pozolanas de alta qualidade. Um recentemente no Pacífico e dois outros no sul da Europa. O primeiro (≈1.500a.C.), Santorini(b) na Grécia(c) e Vesúvio (79a.D.) o segundo. No presente, cinzas de várias origens, (carvão mineral, etc.) mas semelhantes propriedades, são denominadas pozolanas e usadas atualmente como aditivos. A partir de 150a.D., o desenvolvimento do concreto pozolânico foi o fulcro de uma revolução nas construções civis e militares romanas. Pouco plástico (adensado em camadas), não fluia nas formas; lento em seu endurecimento, porém muito resistente e durável, o concreto pozolânico romano, ainda que rudimentar, possuía qualidades equivalentes as do concreto de cimento Portland, com durabilidade, atestada em várias de suas construções, ainda em uso após quase vinte séculos. Gradativamente, de argamassa auxiliar, à associado da pedra e, finalmente dela liberado ao estruturar isoladamente arcos e abóbadas, o concreto, nessa trajetória, impulsionou várias construções: No Anfiteatro de Pompéia(m) (paredes: 75a.C.), no Coliseu(j) (fundações e paredes internas: 80a.D.), no Aqueduto “Pont du Gard”(o) em Nimes (no canal e cantarias: 150a.D.) e nas Termas de Caracalla(i) (arcos: 215a.D). Enfim, a moldabilidade do aglomerante potencializou e expandiu tridimensionalmente a lógica de funcionamento do arco em pedra, tendo sido intensamente explorada, até culminar no “domus” do Panteon de Adriano (fig. 8). UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 10 Figura 7 – Pedra e Concreto Pozolânico na Consolidação do Império Romano i k b a j f c d e h g l o p m n UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 11 Figura 8 – O Panteon Romano e sua Influência no Ocidente Adriano Florença Vaticano Washington Washington Madrid Londres Copenhague UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 12 No Panteon, a Engenharia Romana atingiu seu máximo brilho e capacidade, ao aplicar o concreto pozolânico, isoladamente, para vencer o vão de 43 metros de seu “domus” hemisférico, inclusive explorando agregados leves. Templo dedicado a todos (“pan”) os deuses (“theo”), concluído em 125a.D. pelo Imperador Adriano, convertido em igreja no século VII, usado como mausoléu desde a Renascença e atualmente ponto turístico de Roma, foi, por mais de 17 séculos, o maior domo no mundo e, até o presente, ainda o maior em concreto simples. Esta construção singular e inexcedível, bem à frente de seu próprio tempo, imprimiu por séculos forte influência em diversas (fig. 8) das mais destacadas construções ocidentais e marcou o concreto e a História das construções. I.3.3 – O Cimento Portland Ao final da Antiguidade, a tecnologia do concreto pozolânico praticamente se perde e o papel do aglomerante torna-se secundário, ou mesmo ausente durante a Idade Média. As catedrais góticas (fig. 9), grandes realizações desta época, foram estruturadas exclusivamente em pedra com seus arcos ogivais. Figura 9 – A Tecnologia do Concreto Pozolânico se Apaga na Idade Média Antes e até por algum tempo após a invenção do cimento atual(fig.10 i), usou-se um tipo de cimento chamado “natural” (ou até erroneamente de romano), proveniente da queima de misturas naturais de calcário e argila. Suas propriedades variavam tanto quanto as fontes de seus recursos. Grande esforço foi empreendido na Europa nos séculos XVIII e XIX para se “redescobrir” um novo tipo de aglomerante hidráulico. As investigações e experimentos que desembocaram no cimento moderno, à base de calcário e argila, ocorreram em aproximadamente seis décadas na Inglaterra e França (fig. 10). Em 1812, realizando testes(b) para construção de uma ponte, Louis Vicat(a) registra, que um cimento hidráulico artificial, poderia ser produzido pela calcinação de uma mistura proporcionada de calcário e argila. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 13 Em 1824, Joseph Aspdin(c) obtém patente do cimento obtido por calcinação proporcionada de rochas calcárias moídas, argila e carvão. Nomeou-o de Portland, ilha(d) inglesa da qual se extraiam pedras(e) de cor acinzentada para construção. Em 1885, Frederick Ransome patenteia o forno rotativo(f,g), levemente inclinado, que reduz o custo, uniformiza sua produção e substitui os modelos em “garrafa” (h). No Brasil a produção de cimento teve início em 1926, sendo até então um produto importado. Figura 10 – A Evolução do Cimento Portland a b c d e f g h i cimento natural cimento portlandUNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 14 I.3.4 – O Ferro e o Aço Os metais ferrosos são ligas à base de ferro e carbono, podendo conter ainda silício, manganês, fósforo, enxofre e outros elementos químicos. De seu amplo espectro, cabe aqui destacar o ferro fundido o ferro laminado e o aço, sendo este último, o único atualmente empregado como material estrutural da Engenharia Civil. Figura 11 – A Evolução dos Metais Ferrosos: Do Ferro ao Aço Ao final do século XVIII, com o advento da Revolução Industrial, o ferro fundido e o ferro laminado tornaram-se materiais estruturais atraentes, uma vez que puderam ser submetidos à padronização e pré-fabricação. Tal fato permitiu que estes materiais, e posteriormente o aço, produzidos em escala industrial, viessem gradativamente a substituir a pedra e o tijolo cerâmico como principais materiais estruturais usados ao longo dos séculos anteriores. Em 1779, na Ponte de Coalbrookdale(a), Inglaterra, utiliza-se pela primeira vez como material estrutural um produto siderúrgico, o ferro fundido. Em 1826 é construída a Ponte pênsil de Menai (d), em Gales, Inglaterra, com 175 metros de vão, empregando barras de ferro laminado. Em 1860, Henry Bessemer(c) desenvolve na Inglaterra um forno conversor(e) que possibilita a produção do aço em larga escala. Em 1874, a Ponte de Eades(b), sobre o Rio Mississipi nos Estados Unidos é a primeira na qual se emprega o aço como material estrutural (fig. 11). a b e d c UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 15 Figura 12 – A Produção dos Metais Ferrosos: Ferro e Aço hematita ferro pirita coque calcário a d c b e f g h i j l m n o p escória gusa k1 k2 UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 16 Com mais de 10.000 anos, a Metalurgia abrange a tecnologia da extração e purificação de metais, bem como da geração de suas ligas, nas quais algumas propriedades superam as de suas bases. A siderurgia é seu ramo dedicado à produção do ferro e do aço. O ferro da crosta terrestre não se encontra em estado puro, pois se oxida rapidamente em presença da umidade e do oxigênio do ar, tornando-se pó. Só é encontrado combinado com o próprio oxigênio ou enxofre, sendo a hematita (Fe2O3) e a pirita (FeS2) seus minérios mais comuns. Já que o ferro se funde a ≈1500ºC, sua purificação foi mais difícil e posterior a do cobre (≈1000ºC) e estanho (≈200ºC), com origem provável na Anatólia, atual Pérsia ≈6.500a.C. Para se obter ferro puro, o oxigênio ou o enxofre devem ser removidos por redução química pelo carbono. Como em estado puro o ferro é relativamente macio, sua evolução como material estrutural se deu pela ligação reduzida e controlada com o carbono, que o endurece, formando as ligas ferro-carbono, com amplo espectro de tipos e propósitos. A figura 12 ilustra o fluxo(o) de produção do aço, que ocorre em 5 etapas(p). Na primeira, denominada preparo da carga, faz-se a mistura dos seus componentes. A segunda, denominada redução, se dá no alto-forno(a), construção metálica revestida internamente em material refratário, que recebe em seu topo(b) a carga proporcionada (ou sinter), de minério, coque (carvão betuminoso aquecido sem combustão, em recipiente fechado) e calcário. Por baixo é soprado(b) ar pré-aquecido a 1000°C e o combustível coque, em contato com o oxigênio, produz calor(c) fundindo(b) assim a carga metálica, reduzindo (eliminação de O2) o minério e transformando-o em metal líquido(d), que ao resfriar forma um produto intermediário, o ferro-gusa(e), liga com alta concentração de carbono (6%), quebradiça e destinada a ser refundida para obtenção do aço. Na Aciaria, a etapa seguinte, o refino do gusa líquido (ou sólido) e sucata(f) processada(g) (de ferro e aço) ocorre em conversores à oxigênio(j) (45 min. refinam 400 tf.) ou fornos elétricos(i) à arco e se dá por meio da injeção de oxigênio(h) na massa fundida a 1700 ºC, que remove as substâncias que o efraquecem (sílica, fósforo e enxofre > eliminados como escória) e oxida (extrai) o excesso de carbono (escapa como CO), reduzindo-o à faixa de 0,05% a 0,08%. (aços: 0,02≤%C≤2,04, ferros: 2,04≤%C≤6,70), convertendo-a em aço líquido(i, j), cuja maior parte é vazada em lingoteiras(k1, k2), ainda em estado rubro (1200ºC) e solidifica(k1, k2) na forma de lingotes(l) em seção quadrada, com 15 metros de comprimento. Na etapa seguinte, os equipamentos de lingotamento contínuo dão forma aos produtos semi-acabados, blocos e lingotes que seguem para diferentes linhas finais de acabamento (aços longos e aços planos). Na etapa final, a de laminação, os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores(m) e transformados em diversos produtos siderúrgicos(n), dentre os quais os que se destinam ao concreto armado. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 17 I.3.5 – A Associação do Concreto ao Aço (Fig. 13). A associação de elementos pétreos à metálicos, já precariamente praticada na Antiguidade (concreto pozolânico e bronze), foi explorada com singularidade no Pantheon de Paris(a), (ex-igreja de Santa Genoveva) em 1770. A necessidade decorreu do maior espaçamento adotado entre colunas, segundo a concepção(c) de Souffllot e Rondelet. As pedras lavradas e artesanalmente furadas foram unidas às barras(b) de ferro e os espaços preenchidos com argamassa de cal. A “invenção” do cimento foi o passo necessário para inversão do processo e a preservação do conceito, produzindo- se primeiro a armação, com a “pedra artificial fluida” envolvendo-a à “posteriori”. Figura 13 – O Concreto e o Aço: O Desenvolvimento do Concreto Armado O primeiro registro da associação de argamassa ao ferro foi na Exposição de Paris de 1855, com Jean-Louis Lambot(f) apresentando um barco(d) de “cimento armado”, no qual foram unidos os materiais, formando um novo produto denominado “fer-cimento”. Esta vertente naval, mesmo sem ênfase, segue sendo explorada até os dias atuais. a b c d e f g h i UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e EvoluçãoMAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 18 Entre 1861 e 1878, Joseph Monier(g), comerciante e horticultor, tendo participado da Exposição de Paris, dá início a fabricação e venda de artefatos de “cimento armado”, passando sucessivamente à produção de reservatórios, tubos, lajes e finalmente à construção de uma ponte(e) com 17 metros de vão. Trabalhando empiricamente, obtém patente para seus produtos. Em 1884, as empresas alemãs “Freytag & Heidschuch” e “Martenstein & Josseaux” obtém de Monier o direito de patente e garantem a transferência da tecnologia para toda Alemanha, permitindo seu desenvolvimento de forma acelerada. Entre 1900 e 1902, Mörsch(h) desenvolve para o concreto armado a primeira teoria científica consistente, comprovada experimentalmente, e a publica. O trabalho por ele desenvolvido constituiu por muitas décadas, em todo mundo, os fundamentos de uma original “Teoria do Concreto Armado” e são ainda parcialmente válidos, após décadas de intensas pesquisas, utilização e evolução deste material. No Brasil, as primeiras realizações datam de 1904, com a construção de casas e prédios em Copacabana. Entre 1912 e 1943, o Engenheiro brasileiro de ascendência germânica, Emílio Baumgart(i), fluente no idioma alemão, promove enorme transferência para o Brasil da tecnologia do concreto armado, então em intensa evolução na Alemanha. I.3.6– O Desenvolvimento da Normalização Brasileira No Brasil a “Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT” é o órgão legalmente constituído como fórum nacional de normalização, responsável pela elaboração e atualização das normas nacionais científicas, técnicas, industriais, comerciais e agrícolas. Em 1930 a criação do periódico técnico “Cimento Armado” aglutinava profissionais da área, dando origem a ABC, sendo um de seus objetivos a elaboração de um regulamento que se basearia nas “Determinações Alemãs”. Em 1940 é criada a ABNT, sendo a “NB1-1940: Cálculo e Execução de Obras de Concreto Armado” a primeira norma oficialmente aplicada em todo país. Com relação à evolução desta norma em si, fez-se sua primeira revisão em 1960, a segunda em 1978 e, finalmente, em 2003, homologou-se a versão atual que difere bastante da anterior, pelo fato de abraçar todo espectro relacionado ao projeto de obras em concreto: Simples, armado e protendido. A normalização exerce papel importante no desenvolvimento nacional, fixando procedimentos e referenciais da produção com base tecnológica, lastreando atividades econômicas, trocas comerciais e, em particular, as atividades da Engenharia Civil. A normalização e sua aplicação conduzem ao registro do conhecimento tecnológico, uso adequado de recursos e do tempo, disciplina, segurança, controle no trabalho e na UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO TECNOLÓGICO PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL CURSO DE CONCRETO ARMADO Capítulo I – Introdução e Evolução MAYRA PERLINGEIRO, LEONARDO VALLS e EDUARDO VALERIANO pág. 19 produção. As normas especificam materiais, padronizam componentes, equipamentos, procedimentos de cálculos e projetos, por meio de informações codificadas. É fundamental que sejam estudadas e interpretadas, para que adequadamente sejam aplicadas. O quadro 4 apresenta as principais normas ligadas ao concreto armado. Quadro 4 – Normas Técnicas Citadas na ABNT NBR 6118 ABNT NBR DENOMINAÇÂO 6118: 2014 Projeto de estruturas de concreto - Procedimento 5738:1994 Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto - Procedimento 5739: 1994 Concreto - Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos - Método de ensaio 6120:1980 Cargas para o cálculo de estruturas de edificações - Procedimento 6122:1996 Projeto e execução de fundações - Procedimento 6123:1988 Forças devidas ao vento em edificações - Procedimento 7480:1996 Barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado - Especificação 7481:1990 Tela de aço soldada - Armadura para concreto - Especificação 8522:1984 Concreto - Determinação do módulo de deformação estática e diagrama tensão deformação - Método de ensaio 8548:1984 Barras de aço destinadas a armaduras para concreto armado com emenda mecânica ou por solda - Determinação da resistência à tração - Método de ensaio 8681:2003 Ações e segurança nas estruturas - Procedimento 8953:1992 Concreto para fins estruturais - Classificação por grupos de resistência - Classificação 9062:2001 Projeto e execução de estruturas de concreto pré-moldado - Procedimento 12654:1992 Controle tecnológico de materiais componentes do concreto - Procedimento 12655:1996 Concreto - Preparo, controle e recebimento - Procedimento 14931:2004 Execução de estruturas de concreto - Procedimento
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