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A história do material mais utilizado na construção civil IInnttrroodduuççããoo aaoo CCoonnccrreettoo AArrmmaaddoo 1 O concreto e o Aço 11..11 IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO Porque concreto armado? O concreto simples é um material de construção constituído pela mistura proporcional de materiais inertes, agregados graúdo e miúdo, com um aglomerante hidráulico e água. Esses materiais, quando associados entre si resultam em outros materiais amplamente utilizados na construção civil: Pasta: cimento + água Argamassa: pasta + agregado miúdo (areia) Concreto (concreto simples): Argamassa + agregado graúdo (brita). Uma vez que o cimento é um material de construção relativamente caro, a utilização do agregado graúdo justifica‐se na intenção de reduzir os custos sem que a qualidade do material seja muito prejudicada. Microconcreto: concreto em que o agregado graúdo tem dimensões reduzidas Concreto de Alto Desempenho (CAD): Concreto que se obtém com a incorporação de micro‐sílica e aditivos químicos ao concreto simples. Inicialmente era denominado de concreto de alta resistência (CAR), mas teve o nome alterado após constatar‐se que apresentava não só um aumento na resistência, mas também a A palavra cimento é originada do latim Caementu, que na velha Roma designava uma espécie de pedra natural proveniente de rochedos. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 2 melhoria de outras propriedades que, principalmente, elevam a durabilidade da estrutura. O concreto apresenta excelente resistência a compressão, mas a sua resistência a tração é deficiente. Assim, torna‐se importante associar o concreto à um material que tenha boa resistência a tração e seja mais deformável que o concreto. O concreto estrutural é o material de construção composto que resulta da união do concreto simples com barras de aço de baixo teor de carbono, dispostas de forma conveniente em seu interior. No concreto estrutural, o aço é denominado de armadura. Dependendo da associação entre o concreto e a armadura, o concreto estrutural pode ser caracterizado como concreto armado ou concreto protendido. Denomina‐ se concreto armado ao concreto estrutural em que as armaduras não são pré‐alongadas durante a construção. Quando ocorre esse pré‐ alongamento de modo permanente, o concreto estrutural recebe o nome de concreto protendido. Neste curso, estudaremos os fundamentos para o projeto de estruturas em concreto armado. Basicamente, o sucesso do concreto armado como material estrutural deve‐se a combinação das capacidades resistentes do concreto e do aço das armaduras. Na idealização estrutural, o concreto, devido a sua excelente resistência à compressão, ocupa as partes comprimidas nas peças de concreto armado, enquanto o aço, que apresenta excelente resistência à tração, é disposto nas partes tracionadas, principalmente. É o que ocorre em vigas, por exemplo. Em virtude de sua baixa resistência à tração, o concreto fissura na zona tracionada do elemento estrutural. Então, a partir deste momento, os esforços de tração passam a ser absorvidos pelas armaduras de aço. Nas estruturas de concreto armado, os esforços atuantes nas armaduras são decorrentes das ações aplicadas à superfície externa da estrutura após a sua construção. Isso significa que as tensões e deformações que surgem nas armaduras são exclusivamente decorrentes do carregamento externo à peça onde elas estão inseridas. Portanto, as Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 3 armaduras são solicitadas em consequência das deformações do concreto da própria estrutura. Assim, as armaduras acompanham passivamente as deformações da estrutura, por isso, no concreto armado elas são chamadas de armaduras passivas. Quando o concreto endurece, formando a peça estrutural, o concreto e suas armaduras passam a trabalhar solidariamente, isto é, não existe escorregamento relativo entre os dois materiais. Esta é a hipótese fundamental da teoria do concreto armado. No concreto protendido, utilizando dispositivos adequados, as armaduras de protensão são tracionadas durante a construção da estrutura, armazenando tensões residuais permanentes. Embora as armaduras de protensão também tenham seus esforços alterados pelo carregamento externo à peça onde elas estão inseridas, essas alterações são relativamente pequenas quando comparadas aos esforços iniciais introduzidos pelos aparelhos de protensão. Desse modo, as armaduras de protensão exercem um papel ativo na distribuição dos esforços internos nas peças estruturais onde estão inseridas, por isso, são chamadas de armaduras ativas. A Figura 1‐1 apresenta a seção transversal de uma viga de concreto armado submetida à flexão, destacando‐se as porções da seção transversal que estão sujeitas à compressão e à tração. Figura 1‐1: Viga de concreto armado sujeita a flexão, MARINO [8] Entretanto, o aço também apresenta uma boa resistência à compressão, podendo ser utilizado para colaborar com o concreto em regiões comprimidas. Este é o caso de pilares, por exemplo. A Figura 1‐2 apresenta um pilar em concreto armado submetido a uma carga de compressão axial. Na prática, veremos que não existem pilares sujeitos exclusivamente a carregamentos axiais centrados. A ABNT NBR 6118:2014 considera que a carga deve ser aplicada considerando‐ se uma excentricidade mínima, conforme veremos nos capítulos seguintes. NOTA: O estudo de pilares será realizado no capítulo 7. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 4 Figura 1‐2: Pilar de concreto armado sujeito à carga de compressão axial, MARINO [8] A resistência à tração do concreto é normalmente desprezada nas análises estruturais, sendo que seu valor pode ser tomado como aproximadamente 1/10 da resistência à compressão. Além dos benefícios evidentes decorrentes da combinação das propriedades estruturais do concreto e do aço, é consenso no meio técnico que são 3 os fatores que contribuem mais significativamente para o sucesso do concreto armado como material estrutural: 1. Aderência entre o concreto e o aço da armadura. A aderência entre o concreto e a armadura é o principal fator do sucesso do concreto armado, sendo possível afirmar que não haveria o concreto armado se não houvesse aderência entre o concreto e o aço. Devido a essa solidariedade, quando submetido as diferentes ações que atuam nas construções, as deformações que ocorrem na armadura são aproximadamente as mesmas que ocorrem no concreto adjacente, impedindo que ocorra o escorregamento relativo entre esses materiais. Como veremos nos próximos capítulos, quase todo o desenvolvimento teórico dos fundamentos do concreto armado é baseado na hipótese das seções planas de Navier, associada ao fato das deformações iguais entre a armadura e o concreto adjacente. De acordo com a ABNT NBR 6118:2014 (item 3.1.3): Elementos de concreto armado são “aqueles cujo comportamento estrutural depende da aderência entre concreto e armadura e nos quais não se aplicam alongamentos iniciais das armaduras antes da materialização dessa aderência”. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to ArmadoProf. Joaquim Araújo Junior 5 2. Proximidade dos valores dos coeficientes de dilatação térmica linear do concreto e do aço. Os coeficientes de dilatação térmica do concreto e do aço são aproximadamente iguais. Assim, quando existe variação de temperatura, os deslocamentos relativos entre a armadura e o concreto adjacente são praticamente nulos. Este fato torna possível adotar para o concreto armado o mesmo coeficiente de dilatação térmica do concreto simples. Dessa forma, quando uma estrutura de concreto armado for submetida a moderadas variações de temperatura, as tensões internas entre o aço e o concreto (geradas pela diferença entre os coeficientes de dilatação térmica) serão pequenas. Mesmo nos casos em que a estrutura possa ficar submetida a elevadas temperaturas (como em situações de incêndios, por exemplo), a adoção de um maior cobrimento de concreto já pode ser uma medida suficiente para reduzir a variação de temperatura no nível das armaduras. 3. O concreto envolve as armaduras, protegendo‐as da corrosão. Uma vez que as barras de aço são envolvidas pelo concreto, este evita a oxidação da armadura protegendo‐a de ataques químicos provenientes do meio ambiente. Apesar da fissuração, quase sempre inevitável em uma estrutura de concreto armado, a durabilidade das armaduras não fica prejudicada, desde que as aberturas das fissuras sejam limitadas. Portanto, o concreto armado não necessita cuidados especiais, ao contrário do que ocorre com estruturas metálicas, por exemplo. 1.1.1 Consumo de concreto armado O concreto como material de construção está presente na quase totalidade das obras de engenharia, sejam públicas ou privadas. Seu volume de consumo é o maior em todo o mundo comparado aos outros materiais do setor da indústria da construção. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 6 Segundo MEHTA[9], o consumo de concreto em 1920 era de aproximadamente 700 milhões de toneladas por ano. Em meados da década de 60, o consumo de concreto totalizava cerca de 3 bilhões de toneladas, o que na época, equivalia a uma tonelada de concreto por ser humano vivo. No início do século XXI, o consumo anual de concreto era próximo de 6 bilhões de toneladas, ou seja, a ordem de uma tonelada por ser humano vivo tem‐se mantido constante ao longo dos anos. Atualmente, estima‐se que o consumo atual do concreto no mundo seja da ordem de 11 bilhões de toneladas ao ano, sendo o segundo material mais consumido pelo homem, atrás somente da água. Segundo diversos autores, existem 3 fatores que contribuem para o concreto ser o material mais consumido na construção: A) Devido a excelente resistência à água. Diferente de outros materiais, a capacidade do concreto de enfrentar a ação da água sem sofrer grande deterioração torna‐o o material ideal para a construção de estruturas para controle, armazenamento e transporte de água, como barragens, reservatórios, canais etc. A Figura 1‐3 mostra a usina hidrelétrica de Itaipú, construída em 1982 com a utilização de mais de 10 milhões de metros cúbicos de concreto. Figura 1‐3: Usina hidrelétrica de Itaipú, MEHTA[9] Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 7 B) O concreto é moldável. Facilidade em obter elementos estruturais em concreto nas mais variadas formas e tamanhos, devido ao concreto fresco possuir consistência plástica, sendo capaz de adaptar‐se as fôrmas. C) Baixo custo e disponibilidade. Os principais componentes para produção do concreto, água, cimento Portland, e principalmente, pedra e areia, são relativamente baratos e encontrados em fontes locais, não muito distantes da obra, praticamente, em todos os lugares do mundo. Desse modo, os custos gerais da matéria prima são significativamente menores que o das alternativas apresentadas por outros materiais, como o aço, por exemplo. Mais recentemente, dentro de uma visão de sustentabilidade das construções, o concreto poderia, ainda, ser considerado como um material “ecologicamente correto”, não só por requerer, na sua produção, um consumo relativamente baixo de energia, como também por ser um material que pode reciclar grande quantidade de resíduos industriais. 11..22 AA HHIISSTTÓÓRRIIAA DDOO CCOONNCCRREETTOO AARRMMAADDOO O conhecimento da nossa história é fundamental para uma melhor compreensão do tempo presente, em qualquer área de estudo, não sendo diferente para o concreto armado. As lições aprendidas ao longo dos anos através dos estudos, experimentos e construções de várias obras em todo o mundo contribuíram decisivamente para o estado atual de desenvolvimento tecnológico das estruturas de concreto armado. A seguir, procura‐se relatar um breve resumo cronológico da história das construções de concreto. O momento exato na história em que o concreto teria surgido ainda divide a opinião de alguns renomados pesquisadores, não havendo ainda, um consenso a respeito desta data. Todavia, segundo PINHEIRO & GIONGO (1986), o concreto surgiu com o desejo de se criar uma pedra artificial, resistente, econômica e durável como a pedra natural e que Figura 1‐4: Pantheon de Roma Localizado em Roma, o Pantheon é o único edifício construído na época greco‐romana que se encontra em perfeito estado de conservação. Construído originalmente em 27 a.C., na República Romana, no consulado de Marco Vipsânio Agrippa foi destruído por um incêndio em 80 d.C. e reconstruído em 125 d.C. no reinado do imperador Adriano. No mesmo ano, em 27 a.C., o senado romano atribiui a Otaviano poderes absolutos e conferiu‐lhe o novo título de Augusto, evidenciando o fim da República e o início do Império Romano. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 8 apresentasse como vantagem a possibilidade de ser moldada nas dimensões e nas formas desejadas. Alguns pesquisadores dizem que os antigos egípcios foram os inventores do concreto, alegando que o concreto poderia ter sido utilizado na construção das partes internas das pirâmides. Acredita‐se que no seu interior foram usados blocos de concreto feitos de um tipo de cimento denominado “geopolímero”, que era composto de pedra britada, silte do Nilo e resíduos das minas de cobre da área do Monte Sinai. Assim, apenas os blocos externos das pirâmides seriam de pedra natural, mas esta teoria é contestada por vários pesquisadores. A arquitetura grega é decorrente do emprego de vigas e placas de pedra. Entretanto, como a resistência à tração das pedras obrigava a utilização de pequenos vãos (daí o motivo do grande número de colunas nas obras erguidas na Grécia antiga), especula‐se que os gregos teriam sido os primeiros a procurar um material alternativo, resultando na invenção do concreto. Por um outro ponto de vista, vários arqueólogos acreditam que o concreto teria vindo do Oriente Médio, ou dos fenícios, todos antes dos romanos. A maioria dos pesquisadores acredita que foram os romanos os inventores do concreto. Entretanto, mesmo que não o tenham criado, eles foram sem dúvida nenhuma os primeiros que o usaram de forma eficaz e em larga escala. Os gregos e romanos utilizaram por muito tempo uma mistura de cal, água, pedra e areia. Posteriormente, os romanos adicionaram à essa mistura as cinzas vulcânicas doVesúvio, que endurecia em contato com a água. Estas cinzas eram encontradas na cidade de Puzzoli, e deram origem ao nome pozolana. Eles também utilizaram aditivos em suas misturas, como o sangue, que funcionava como um incorporador de ar nas argamassas, devido à propriedade de dispersão da hemoglobina. Na construção do Pantheon de Roma (ver Figura 1‐4), uma das obras mais impressionantes do Império Romano, estima‐se que foram utilizados sete tipos diferentes de concreto, do mais pesado ao mais leve, à medida que se chegava ao topo da cúpula, o que se constituiu no uso de Figura 1‐5: Coliseu de Roma O Coliseu foi construído durante o império romano, entre os anos de 70 a 80 d.C., durante os governos dos imperadores Vespasiano e seu filho Domiciano. Incialmente projetado para receber 50 mil pessoas, foi ampliado com um 4º andar no reinado de Alexandre Severo e Gordiano III, atingindo a capacidade de receber até 90 mil pessoas. No início do século V, foi danificado por um terremoto e restaurado anos mais tarde. É considerado pela UNESCO Patrimônio da Humanidade, e foi eleito em 2007, como uma das Sete Novas Maravilhas do Mundo. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 9 concreto com agregados leves, há praticamente dezenove séculos. Além do Pantheon, essa mistura desenvolvida pelos romanos também foi empregada na construção de aquedutos, pontes e outras obras públicas, como, por exemplo, no Coliseu (Figura 1‐5). Finalmente, construções dessa época são as primeiras nas quais foram encontradas associações de um metal à argamassa. Os romanos utilizaram barras de bronze dentro de argamassas de pozolanas, indicando que o princípio do concreto armado esteve presente em algumas de suas construções. Com a chegada dos Bárbaros e a queda do Império Romano, o uso do concreto se perdeu até quase o final do século XVIII. Neste período, a pedra foi o material de construção mais utilizado, seguida pela madeira. Somente em 1770, com o arquiteto Jean Rondelet, o concreto reaparece na França, na construção da Igreja de Santa Genoveva, hoje Pantheon de Paris. Essa construção foi feita em alvenaria armada, com a associação de ferro e pedra natural, com os espaços vazios sendo preenchidos com uma argamassa de cal. Em seguida, ainda no século XVIII, os ingleses John Smeaton e James Parker desenvolveram pesquisas sobre o cimento. Em 1756, Smeaton conseguiu obter um produto de alta resistência por meio de calcinação de calcários moles e argilosos e em 1791 usou essa mistura como base da construção do Farol de Eddistone, em Cornwall. Com o desenvolvimento das pesquisas na área do cimento, chega‐ se a um outro inglês, o construtor Joseph Aspdin, que em 1824 queimou conjuntamente pedras calcárias e argila, transformando‐as num pó fino. A mistura, após secar tornava‐se tão dura quanto as pedras utilizadas nas construções e não se dissolvia em água. Foi patenteado pelo construtor no mesmo ano, com o nome de cimento Portland, por apresentar cor e propriedades de durabilidade e solidez semelhantes às rochas da ilha britânica de Portland, situada no condado de Dorsek. Quase que paralelamente a Aspdin, Louis Vicat, na França, também chega ao cimento portland. Em 1845, Johnson desenvolve o cimento como nós o utilizamos hoje. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 10 Chega‐se então a 1849, data oficial do surgimento do concreto. Nesta data o agricultor francês Joseph‐Louis Lambot desenvolveu um barco em argamassa armada, chamada na época de cimento armado. O objetivo de Lambot era fazer um barco com um material que não se deteriorasse com o tempo, em contato com a água. Ele costumava sair para pescar com seus filhos, e os barcos de madeira acabavam apodrecendo de tempos em tempos, sendo necessário fazer outros. O experimento deu certo e Lambot o apresentou na Exposição de Paris de 1855. Também nesse ano (1855) é montada a primeira fábrica de cimento na Alemanha. Em 1854, o inglês William Boutland Wilkinson, fabricante de gesso e de argamassa, registrou uma patente de um sistema de piso utilizando vigas regularmente espaçadas, com os vazios entre as nervuras preenchidos com moldes de gesso e o plano de piso com uma fina capa de concreto armado com cabos de aço expurgados de guindastes de minas. O grande responsável pela difusão do concreto armado na Europa, e em seguida na América, foi o horticultor e paisagista francês Joseph Monier, que havia visto o barco de Lambot na Exposição de Paris. Monier também tinha problemas com o apodrecimento de vasos de madeira, onde ele cultivava suas plantas, e começou então a fazer vasos de argamassa armada, mesmo material do barco, que não se deteriorava em contato com a água. A partir de 1861, Monier começou a fazer outros objetos e obter patentes para eles, à medida que viajava pela Europa, vendendo suas peças e difundindo o material, que hoje conhecemos como concreto armado (até cerca do ano de 1920 o concreto armado era chamado de “cimento armado”). Nesse mesmo ano (1861), o engenheiro químico François Coignet, também francês, obtém uma patente para execução de peças de concreto armado. Em 1867, Monier tira a patente para os vasos, em 1868 para tubos e reservatórios, em 1869 para placas e em 1873 para pontes. Nesse mesmo ano (1873), o engenheiro mecânico William E. Ward, nos Estados Unidos, constrói uma casa de três pavimentos em concreto armado. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 11 Dentre os americanos, o advogado Thaddeus Hyatt é um dos grandes nomes dessa época, deixando grandes contribuições para as construções de concreto armado. Em 1877 ele tira a patente de um sistema de execução em vigas de concreto e aço, onde a posição das barras previa os efeitos de tração e cisalhamento, e já sugeria o uso de estribos e barras dobradas. Porém, seus estudos não ganharam repercussão por falta de publicação. Até esta época, a armadura era disposta no concreto empiricamente, de forma a adequar‐se com a forma da estrutura desenvolvida, sem levar em conta os esforços envolvidos. Na França, Hennebique foi o primeiro após Hyatt a compreender a função das armaduras no concreto. “Percebeu a necessidade de dispor outras armaduras além da armadura reta de tração. Imaginou armaduras dobradas, prolongadas em diagonal e ancoradas na zona de compressão. Foi o primeiro a colocar estribos com a finalidade de absorver tensões oriundas da força cortante e o criador das vigas T, levando em conta a colaboração da laje como mesa de compressão”, (Vasconcelos, 1985). Em 1880, Monier vendeu suas patentes a uma empresa alemã, que contratou o professor Emil Mörsch, da Universidade de Stuttgart, para realizar estudos sobre o concreto armado, estudos estes que resultaram na formulação da Teoria Clássica de Mörch, em 1902. A partir desta teoria, baseada em resultados de ensaios experimentais, as primeiras normas para o cálculo e a construção em concreto armado foram redigidas, propiciando o desenvolvimento deste material na construção. A treliça clássica de Mörsch é uma das maiores invenções em concreto armado, permanecendo ainda aceita,apesar de ter surgido há mais de 100 anos. Seria injusto atribuir a invenção do concreto somente à uma pessoa. Como se pôde ler nos parágrafos acima, vários foram aqueles que contribuíram para a evolução do concreto, com destaque aos pioneiros: os franceses Lambot, Monier e Coignet, o norte‐americano Hyatt, e posteriormente, o alemão Mörsch. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 12 Este texto procurou apresentar de maneira resumida como o concreto, um material em constante evolução, vem se desenvolvendo, desde o seu aparecimento no início do século passado, até os dias de hoje, seja através do surgimento de novas tecnologias, ou com o surgimento de novos materiais, tais como os aditivos e as fibras, entre outros. A seguir, apresentam‐se de forma cronológica os fatos mais significativos nos primeiros desenvolvimentos do concreto armado: 1852 ‐ Coignet executa elementos de construção com emprego de concreto armado (vigotas e pequenas lajes); 1867 a 1878 ‐ Mounier registra patentes para construção, primeiramente de vasos, tubos e depósitos e, depois, de elementos de construção; 1880 ‐ Hennebique constrói a primeira laje armada com barras de aço de seção circular; 1884 e 1885 ‐ Firmas alemãs, entre elas Wayss e Freytag, adquirem as patentes de Monier, para emprego na Alemanha e na Áustria; 1886 ‐ Könen, na Alemanha, escreve a primeira publicação sobre cálculo de concreto armado; 1888 ‐ Döhring, também na Alemanha, registra a primeira patente sobre aplicação de protensão em placas e em pequenas vigas; 1892 ‐ Hennebique obtém patente do primeiro tipo de viga, como as atuais, com estribos; 1897 ‐ Rabut inicia o primeiro curso sobre concreto armado ("cimento armado"), na École des Ponts et Chaussées, na França; 1902 ‐ Mörsch, engenheiro da firma Wayss e Freytag, publica a primeira edição de seu livro, “Teoria e Prática do Concreto Armado”, apresentando resultados de numerosas experiências e tornando‐se um dos maiores contribuintes para o progresso do concreto armado. A obra de Mörsch, sob vários aspectos, continua válida até hoje; As fissuras (trincas de pequena abertura, ≈ 0,05 a 0,4 mm), causadas pela tensão de tração no concreto, atrasaram o desenvolvimento do concreto armado devido à dificuldade de como tratar e resolver o problema. Como forma de contornar o problema da fissuração no concreto, M. Koenen propôs, em 1907, tracionar previamente as barras de aço, originando tensões de compressão na seção, para eliminar a tração no concreto e, conseqüentemente, eliminar as fissuras. Surgia assim o chamado “Concreto Protendido”. Porém, as experiências iniciais não lograram êxito. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 13 1904 ‐ Com o desenvolvimento do novo tipo de construção, tornou‐se necessário regulamentar o projeto e a execução. Surge na Alemanha a primeira norma sobre concreto armado; 1900 a 1910 ‐ São publicados os resultados de diversas comissões na França, Alemanha e Suíça. 1912 ‐ Mörsch e Könen desenvolvem os princípios do concreto protendido com a introdução de tensão prévia nas armaduras para eliminar os esforços de tração. A idéia, porém foi abandonada devido às altas perdas de tensão registradas ao longo do tempo; 1928 ‐ Freyssinet (considerado o pai do concreto protendido) utiliza os aços de baixa relaxação, obtendo, assim, o concreto protendido como o conhecemos hoje; 1945 ‐ A partir desse ano, após a 2a Guerra Mundial, o concreto protendido passa a ser usado em escala comercial. 1950 – Criação do CEB (Comitê Europeu do Concreto), do qual o Brasil passa a fazer parte. Ao final da década de 1950, os concretos de alta resistência (CAR) começaram a ser produzidos. Inicialmente, concretos com resistência à compressão superior a 35 MPa eram considerados como de alta resistência. Atualmente, concretos com resistência à compressão acima de 100 MPa são obtidos com relativa facilidade. O limite de resistência para considerá‐lo de alta resistência, ou não, ainda não está totalmente definido, varia de país para país, e às vezes até mesmo dentro de um único país há divergências. Porém, pode‐se dizer que o uso do concreto de alta resistência, seja ela acima de 40, 50 ou 60MPa, é uma constante em quase todo o mundo. Com o desenvolvimento dos concretos de alta resistência, chegou‐ se, nos dias atuais, a um novo tipo de concreto: o concreto de alto desempenho (CAD). Na realidade, um novo conceito para os diferentes tipos de concreto já existentes. Quando se diz CAD, deve‐se estabelecer a que se refere o desempenho desejado, seja ele a alta resistência ou a ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 14 durabilidade, por exemplo. Na maioria dos casos essas duas propriedades ocorrem juntas. Desde então, vários pesquisadores vêm dando suas contribuições ao desenvolvimento do concreto em todo o Mundo, inclusive o Brasil. 1.2.1 O concreto no Brasil Apesar das contradições quanto a qual foi realmente a primeira obra no Brasil, desde o início do século XX têm sido produzidas inúmeras obras em concreto armado no país. Segundo Vasconcelos (1985) [1], o qual afirma que em 1913, a “vinda da firma alemã Wayss & Freytag constituiu talvez o ponto mais importante para o desenvolvimento do concreto armado no Brasil”. Sua empresa no Brasil foi registrada somente em 1924, sob o nome de Companhia Construtora Nacional, funcionando até 1974. Imagina‐se que, de 1913 a 1924, Wayss utilizou‐se da firma de um alemão, L. Riedlinger, para construir várias obras no Brasil, como 40 pontes de concreto armado. Riedlinger importou mestres de obras da Alemanha, e a firma serviu de escola para a formação de especialistas nacionais, evitando a importação de mais estrangeiros. Embora o Brasil não tenha participado na descoberta do concreto, já que as pesquisas tecnológicas na Europa e Estados Unidos eram bem mais avançadas que as nossas na época, soube muito bem usá‐lo de forma criativa, ousada e eficiente, como comprovam o nosso acervo de obras por todo o país. Hoje, além das contribuições construtivas, o Brasil participa efetivamente no desenvolvimento tecnológico do concreto, e da ciência da engenharia como um todo. A seguir, apresenta‐se uma lista de importantes obras em concreto armado realizadas no Brasil: 1904 ‐ Casas e sobrados construídos com cimento armado em Copacabana, no Rio de Janeiro. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 15 1908 ‐ Ponte com 9 m de vão, executada no Rio de Janeiro pelo construtor Echeverria, com projeto e cálculo do francês François Hennebique. 1909 ‐ Ponte na Rua Senador Feijó, com vão de 5,4 m. 1910 ‐ Ponte sobre o Ribeirão dos Machados, com 28 m de comprimento, construída na Av. Pereira Rebouças, em São Paulo. Essa ponte ainda existe em ótimo estado de conservação. 1911 ‐ Ponte sobre o Rio Camanducaia, na Fazenda Modelo, em Amparo, São Paulo; 1912 ‐ Ponte sobre o Rio Tamanduateí, na Moóca, São Paulo. Trata‐se de uma ponte em arco de 29 m de vão, construída como parte das obras de retificação e canalização do rio; 1912 ‐ Paredes laterais e lajes do fundo e do teto dasobras de reconstrução de dois grandes reservatórios do sistema de abastecimento de água de Belo Horizonte; 1914 ‐ Diversas obras de arte (pontes, viadutos, muros de arrimo) na duplicação da linha da Serra do Mar da EFCB. Nessas obras foram usados trilhos velhos como armadura de concreto, não se tratando, portanto, de concreto armado com o significado que hoje se lhe dá; 1914 ‐ Muros de arrimo laterais em dois trechos das obras de retificação e canalização do Rio Tamanduateí, São Paulo; 1924 ‐ Jockey Club do Rio de Janeiro, fundações em estacas de concreto armado cravadas até uma profundidade máxima de 24 m, perfazendo um total de 8 km, um recorde sul‐americano na época; A partir de 1924 quase todos os cálculos estruturais passaram a ser feitos no Brasil, com destaque para o engenheiro estrutural Emílio Baumgart. 1926 ‐ Jockey Club do Rio de Janeiro, marquise da tribuna de sócios com balanço de 22,4 m, recorde mundial na época (projeto e construção de Christiani & Nielsen); ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 16 1926 ‐ Ponte Presidente Sodré (antiga Itajurú) em Cabo Frio, arco de 67 m de vão e flecha de 10,5 m, recorde sul‐americano na época (projeto e construção de Christiani & Nielsen) 1925 a 1929 ‐ Edifício Martinelli, construído em São Paulo com área de 40.000 m², o maior do mundo, na época, com 106,5 m de altura e 30 pavimentos; 1930 ‐ Elevador Lacerda, na cidade de Salvador, construído pela filial brasileira da firma dinamarquesa Christiani & Nielsen. É o maior elevador de passageiros para fins comerciais no mundo, com elevação de 59 m, e altura total de 73 m; 1930 ‐ Ponte de Herval (ou Ponte Emílio Baumgart, destruída pelas enchentes de 1983) em Santa Catarina, sobre o Rio do Peixe, com o maior vão do mundo, na época, de 68 m em viga reta. Primeira ponte do mundo em concreto construída em balanços sucessivos (destruída numa enchente em, aproximadamente, 1982); 1930 ‐ Estátua do Cristo Redentor no Corcovado, mais alta estátua (30 m) de concreto armado do mundo, na época; empreendimento e realização do engenheiro Heitor da Silva Costa, escultura de Paul Landowski e cálculos do Bureau d’Études L. Pelnard, Considère & A. Caquot – Paris; 1928 a 1931 ‐ Edifício “A Noite”, construído no Rio, com 22 pavimentos: o mais alto edifício do mundo em concreto armado, na época, com 102,8 m de altura a partir do rés‐do‐chão e 3,6 m enterrados; projeto de Emílio Baumgart e construção de Gusmão, Dourado & Baldassini; 1937 ‐ Ponte ferroviária na estrada de ferro Mayrink‐Santos, em viga contínua de 3 tramos (24,33 + 30 + 24,33 m), conhecida como Viaduto 19; a maior ponte ferroviária do mundo na época, projeto de Humberto da Fonseca; 1939 ‐ Ponte ferroviária sobre o Rio Mucuri com 39,3 m, recorde mundial, na época, para este tipo de ponte, em viga reta (projeto de Baumgart); Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 17 1939 ‐ Jockey Club de São Paulo, marquise da tribuna dos sócios com 25,2 m, recorde mundial na época; 1943 ‐ Cúpula do Salão de Jogos do Hotel Quitandinha em Petrópolis; recorde sul‐americano em casca elíptica, na época, com diâmetro de 46,4 m e flecha de 12,6 m; projeto de Antonio Alves Noronha; 1949 ‐ Ponte do Galeão, a mais longa ponte (e a de maior área de tabuleiro) do mundo, na época, em concreto protendido, com 380m de extensão e 7.600 m², construída pela Civilhidro; 1952 ‐ Ponte de Joazeiro sobre o Rio São Francisco, a mais longa do mundo (801 m), na época, em seu gênero: ponte rodo‐ferroviária em viga reta contínua; o comprimento da viga contínua é de 561 m (vão máximo de 44,8 m); 1952 ‐ Ponte sobre o Rio das Antas, o maior arco de concreto armado do mundo, na época, com 186 m de vão (com tabuleiro intermediário), no Rio Grande do Sul; projeto de Antonio Alves Noronha; 1960 ‐ Ponte de Estreito, sobre o Rio Tocantins, com o maior vão do mundo (140 m), na época, em viga reta, construída pelo processo de balanços sucessivos, em concreto protendido, pela primeira vez no Brasil; construção e projeto de Sergio Marques de Souza; 1962 ‐ Ponte da Amizade (ponte internacional de Foz do Iguaçu ou Ponte Presidente Stroessner como a denominam os paraguaios) com o maior arco de concreto armado do mundo, na época, com 290 m de vão; 1962 ‐ Edifício Itália, o mais alto edifício em concreto armado do mundo, durante alguns meses, antes da conclusão dos acabamentos, perdendo, logo em seguida, para o Marina City (Chicago); 1969 ‐ Garagem San Siro, em São Paulo: o mais alto edifício – garagem do mundo, com altura de 90,3 m acima da calçada, ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 18 esbeltez 10:1, 36 andares; interessante solução estrutural de Mario Franco; projeto arquitetônico e construção de A. Danilovic; 1969 ‐ Museu de Arte de São Paulo (MASP), com laje de 30 x 70 m livres, recorde mundial de vão, na época, projeto estrutural da equipe técnica do Prof. Figueiredo Ferraz, projeto arquitetônico de Lina Bo Bardi, construção de Heleno & Fonseca; 1975 ‐ Ponte Colombo Salles em Florianópolis, a maior viga contínua protendida do mundo (1.227 m), projeto da equipe técnica do Prof. Figueiredo Ferraz, construída pela Construtora Norberto Odebrecht; 1982 ‐ Usina Hidrelétrica de Itaipu, é a maior do mundo na modalidade de barragem de gravidade aliviada, com 190 m de altura e mais do que 10 milhões de metros cúbicos de concreto; foi projetada por quatro consórcios de firmas brasileiras e paraguaias e construída do mesmo modo com coordenação americano‐ italiana. 1995 ‐ Edifício World Trade Center, em São Paulo, projeto de Aflalo & Gasperini Arquitetos e construído pela Construtora OAS; possui 177.000 m² de área construída, que engloba: duas torres, uma de 26 e outra de 17 andares; estrutura em laje lisa protendida com 25 cm de altura e vãos de 10 m, com vigas de bordo. 1995 ‐ Edifício Suarez Trade, em Salvador, projeto da Leite & Miranda, com 33 andares e 40.000m², com concreto de 60MPa nas colunas da torre, andarestipo com 600m² totalmente livres, sem pilares intermediários, estrutura protendida nervurada no tipo, com 15m de vão e espessura total de somente 400mm, laje plana (sem vigas) em concreto armado nos andares de garagem. 19?? ‐ Edifício Manhattan Tower, no Rio de Janeiro, projeto da Leite & Miranda, é um recorde mundial em esbeltez para edifícios, para 114m de altura, são somente 8m de largura, uma relação de 14 para 1, com a torre principal com 33 andares. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 19 11..33 VVAANNTTAAGGEENNSS EE DDEESSVVAANNTTAAGGEENNSS DDOO CCOONNCCRREETTOO AARRMMAADDOO O concreto armado é um material que vem sendo largamente usado em todos os países do mundo, em todos tipos de construção, em função de várias características positivas, como por exemplo: a) Economia: especialmente no Brasil, os seus componentes (água e agregados graúdos e miúdos) são facilmente encontrados e relativamente a baixo custo; Ocorre também, o baixo custo de mão‐de‐obra, pois em geral não exige profissionais com elevado nível de qualificação. b) Conservação: em geral, o concreto apresenta boa durabilidade, desde que seja utilizado com a dosagem correta, sendo muito importantea execução de cobrimentos mínimos para as armaduras; c) Adaptabilidade: O concreto é moldável, permitindo grande variabilidade de formas e de concepções arquitetônicas. d) Rapidez de construção: a execução e o recobrimento são relativamente rápidos; Os Processos construtivos são conhecidos e bem difundidos em quase todo o país, havendo facilidade e rapidez de execução, principalmente se forem utilizadas peças pré‐moldadas. e) Segurança contra o fogo: desde que a armadura seja protegida por um cobrimento mínimo adequado de concreto f) Impermeabilidade: O concreto é pouco permeável à água, quando executado em boas condições de plasticidade, adensamento e cura. g) Resistência a choques e vibrações: É resistente a choques e vibrações, efeitos térmicos, atmosféricos e a desgastes mecânicos. h) Apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitação, desde que seja feito um correto dimensionamento e um adequado detalhamento das armaduras. i) A estrutura é monolítica (quando o concreto é moldado diretamente na obra), fazendo com que todo o conjunto trabalhe quando a peça é solicitada. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 20 j) Os gastos de manutenção são reduzidos, desde que a estrutura seja bem projetada e adequadamente construída. Por outro lado, o concreto armado também apresenta desvantagens, que precisam ser analisadas. Devem ser tomadas as providências adequadas para atenuar suas conseqüências. As principais são: a) Peso próprio elevado, relativamente à resistência: b) Reformas e adaptações são de difícil execução; c) Fissuração. Devido a baixa resistência a tração (ou devido a retração ou fluência), mesmo que não haja prejuízo estrutural, pode comprometer a estética ou a funcionalidade, conduzindo a estrutura a um estado limite de utilização. d) Transmite calor e som. e) Fragilidade. f) Custo de formas para moldagem. g) Corrosão das armaduras, se o cobrimento não for devidamente executado. O concreto armado é utilizado nas mais diversas obras de engenharia em todo o mundo. Algumas aplicações do concreto são relacionadas a seguir: • Edifícios: mesmo que a estrutura principal não seja de concreto, alguns elementos, como as fundações, provavelmente o serão; • Galpões e pisos industriais ou para fins diversos; • Obras hidráulicas e de saneamento: barragens, tubos, canais, reservatórios, estações de tratamento etc.; • Rodovias: pavimentação de concreto, pontes, viadutos, passarelas, túneis, galerias, obras de contenção etc.; Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 21 • Estruturas diversas: elementos de cobertura, chaminés, torres, postes, mourões, dormentes, muros de arrimo, piscinas, silos, cais, fundações de máquinas etc. 11..44 NNOORRMMAALLIIZZAAÇÇÃÃOO Até março de 2003 a principal norma para o projeto de estruturas de concreto armado era a NBR 6118:1980, ou NB1:1978. Após passar por vários anos em processo de revisão, a NB1:1978 foi substituída por uma nova versão, a NBR 6118 – Projeto de Estruturas de Concreto ‐ Procedimento – Março/2003, que incluiu também as estruturas de Concreto Protendido. As recomendações para a execução das estruturas de concreto passaram a fazer parte da norma NBR 14931:2003. A partir de 2003 a NBR 6118 passou a ser revisada regularmente. Atualmente, a versão em vigor corresponde a última revisão, realizada em 2014. Todo o conteúdo desta disciplina e das demais nas áreas de concreto armado e protendido seguem as recomendações constantes da NBR 6118:2014, sendo importante salientar que a partir de 11/09/1990 com a lei federal Nº. 8078 (Lei de Defesa do Consumidor), artigo 39‐VII, na falta de normas oficiais, o atendimento às normas da ABNT tornou‐se obrigatório. A NBR 6118:2014 define os critérios gerais que regem o projeto das estruturas de concreto, sejam elas de edifícios, pontes, obras hidráulicas, portos ou aeroportos etc, devendo ser complementada por outras normas que fixem critérios para estruturas específicas. A seguir, apresenta‐se as normas relacionadas à NBR 6118:2014 e cujas disposições que constituem prescrições para esta norma. A ABNT possui a informação das Normas Brasileiras em vigor em um dado momento. Como toda norma está sujeita a revisão, recomenda‐se que seja verificada a conveniência de se usarem as edições mais recentes das normas citadas a seguir: A ABNT surgiu em 1940 como consequência da elaboração da própria NB1, a partir de uma demanda levantada pela Associação Brasileira de Cimento Portland – ABCP, em 1937. Nessa época, os ensaios com materiais de concreto (para medir a resistência) eram realizados em dois laboratórios tidos como referências em termos de qualidade: o Instituto Nacional de Tecnologia (INT – localizado no Rio de Janeiro) e o Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT, localizado em São Paulo). Os laboratórios, apesar de respeitados e rigorosos em suas avaliações, utilizavam procedimentos diferentes para testar materiais de concreto, o que gerava discrepâncias entre os resultados. Neste sentido, surgiu a necessidade da criação de uma entidade que fosse responsável por definir critérios e metodologias padronizadas. Figura 1‐6: Normas da ABNT ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 22 ABNT NBR 5674:1999 ‐ Manutenção de edificações ‐ Procedimento. ABNT NBR 5732:1991 ‐ Cimento Portland comum ‐ Especificação. ABNT NBR 5733:1991 ‐ Cimento Portland de alta resistência ‐ Especificação. ABNT NBR 5735:1991 ‐ Cimento Portland de alto‐forno ‐ Especificação. ABNT NBR 5736:1991 ‐ Cimento Portland pozolânico ‐ Especificação. ABNT NBR 5737:1992 ‐ Cimento Portland resistente a sulfatos ‐ Especificação. ABNT NBR 5738:1994 ‐ Moldagem e cura de corpos‐de‐prova cilíndricos ou prismáticos de concreto ‐ Procedimento. ABNT NBR 5739:1994 ‐ Concreto ‐ Ensaio de compressão de corpos‐ de‐prova cilíndricos ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 6004:1984 ‐ Arames de aço ‐ Ensaio de dobramento alternado ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 6120:1980 ‐ Cargas para cálculo de estruturas de edificações ‐ Procedimento. ABNT NBR 6122:1996 ‐ Projeto e execução de fundações ‐ Procedimento. ABNT NBR 6123:1988 ‐ Forças devidas ao vento em edificações ‐ Procedimento. ABNT NBR 6153:1988 ‐ Produto metálico ‐ Ensaio de dobramento semi‐guiado ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 6349:1991 ‐ Fios, barras e cordoalhas de aço para armaduras de protensão – Ensaio de Tração – Método de ensaio. ABNT NBR 7190:1997 ‐ Projeto de estruturas de madeira. ABNT NBR 7222:1994 ‐ Argamassa e concreto ‐ Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos‐de‐prova cilíndricos ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 7477:1982 ‐ Determinação do coeficiente de conformação superficial de barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado ‐ Método de ensaio. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 23 ABNT NBR 7480:1996 ‐ Barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado ‐ Especificação. ABNT NBR 7481:1990 ‐ Tela de aço soldada ‐ Armadura para concreto – Especificação. ABNT NBR 7482:1991 ‐ Fios de aço paraconcreto protendido – Especificação. ABNT NBR 7483:1991 ‐ Cordoalhas de aço para concreto protendido – Especificação. ABNT NBR 7484:1991 ‐ Fios, barras e cordoalhas de aço destinados a armaduras de protensão – Ensaios de relaxação isotérmica – Método de ensaio. ABNT NBR 7680:1983 ‐ Extração, preparo, ensaio e análise de testemunhos de estruturas de concreto – Procedimento. ABNT NBR 8522:1984 ‐ Concreto ‐ Determinação do módulo de deformação estática e diagrama tensão‐deformação ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 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. ABNT NBR 8681:2003 ‐ Ações e segurança nas estruturas ‐ Procedimento. ABNT NBR 8800:1986 ‐ Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (Método dos estados limites) ‐ Procedimento. ABNT NBR 8953:1992 ‐ Concreto para fins estruturais ‐ Classificação por grupos de resistência ‐ Classificação. ABNT NBR 8965:1985 ‐ Barras de aço CA 42S com características de soldabilidade destinadas a armaduras para concreto armado ‐ Especificação. ABNT NBR 9062:2001 ‐ Projeto e execução de estruturas de concreto pré‐moldado – Procedimento. ABNT NBR 11578:1991 ‐ Cimento Portland composto – Especificação. ABNT NBR 11919:1978 ‐ Verificação de emendas metálicas de barras de concreto armado ‐ Método de ensaio. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 24 ABNT NBR 12142:1991 ‐ Concreto ‐ Determinação da resistência à tração na flexão em corpos‐de‐prova prismáticos ‐ Método de ensaio. ABNT NBR 12654:1992 ‐ Controle tecnológico de materiais componentes do concreto ‐ Procedimento. ABNT NBR 12655:1996 ‐ Concreto ‐ Preparo, controle e recebimento – Procedimento. ABNT NBR 12989:1993 ‐ Cimento Portland branco – Especificação. ABNT NBR 13116:1994 ‐ Cimento Portland de baixo calor de hidratação – Especificação. ABNT NBR 14859‐2:2002 ‐ Laje pré‐fabricada – Requisitos. Parte 2: Lajes bidirecionais. ABNT NBR 14931:2003 ‐ Execução de estruturas de concreto ‐ Procedimento. ABNT NBR ISO 6892:2002 ‐ Materiais metálicos – Ensaio de tração à temperatura ambiente. ABNT NBR NM 67:1998 ‐ Concreto ‐ Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. Cap . 1 ‐ I n t rodução ao Conc re to Armado Prof. Joaquim Araújo Junior 25 11..55 QQUUEESSTTIIOONNÁÁRRIIOO 01. Quais fatores contribuem para que o concreto seja o material mais amplamente utilizado na construção civil? 02. Quais as principais vantagens do concreto armado em relação a outros materiais de construção civil? 03. Quais são os componentes do concreto simples? 04. Qual a diferença entre concreto armado e concreto protendido? 05. O que são armaduras passivas? 06. O que são armaduras ativas? 07. Qual a ordem de grandeza da relação entre as tensões de resistência à tração e de resistência à compressão do concreto? ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Prof. Joaquim Araújo Junior 26 11..66 RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASS BBIIBBLLIIOOGGRRÁÁFFIICCAASS [1]. 2 Vargas, M. A tecnologia no Brasil. In: FERRI, M. G. & MOTOYAMA, S., coord. História das Ciências no Brasil. São Paulo, EDUSP, 1979. cap. 13, p. 331‐73, apud VASCONCELOS (1992). [2]. ABNT NBR 5738:1994. Moldagem e cura de corpos‐de‐prova cilíndricos ou prismáticos de concreto ‐ Procedimento. Rio de Janeiro, 1994. [3]. ABNT NBR 5739:1994. Concreto ‐ Ensaio de compressão de corpos‐ de‐prova cilíndricos ‐ Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1994. [4]. ABNT NBR 6118:2014. Projeto de estruturas de concreto ‐ Procedimento. Rio de Janeiro, 2014. [5]. CARVALHO, R. C.; FIGUEIREDO FILHO, J. R. Cálculo e detalhamento de estruturas usuais de concreto armado: segundo a NBR 6118:2014. São Carlos: EdUFSCar, 2014. [6]. LEONHARDT, F.; MONNING, E. Construções de concreto. Rio de Janeiro, Interciência. v. 1 a 6; [7]. MACGREGOR, J. G. Reinforced concrete ‐ Mechanics and design. Prentice Hall, 6th ed. Upper Saddle River, 2011. [8]. MARINO, M. A. Concreto Armado ‐ Apostila. UFPR, Curitiba, Paraná, 2006. [9]. MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto ‐ Estrutura, propriedades e materiais. IBRACON, 1ª ed. São Paulo, 1994.
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