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Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 102 Aula 9: Características do Aço Numa estrutura de concreto armado, o aço tem como função básica resistir aos esforços de tração. Isso ocorre pois o concreto não possui resistência à tração suficiente para absorver os esforços solicitantes de uma edificação. Nesta lógica, durante a realização do cálculo estrutural, as regiões sujeitas aos esforços de tração devem ser armadas. Por exemplo, no caso de lajes simplesmente apoiadas, sob a ação de cargas verticais dirigidas de cima para baixo, a armadura deve ser colocada na face inferior da laje. O trabalho solidário do concreto com o aço é possível graças às compatibilidades física e química que ocorrem entre os dois materiais. 1. O Aço O aço é uma liga metálica composta principalmente de ferro e de pequenas quantidades de carbono, podendo ser acrescido de outros materiais como Pb, Si, Mg, S, P ou Cr, e apresentando boa resistência e ductilidade. A principal diferença entre aço e ferro diz respeito ao teor de carbono: o aço possui um teor inferior a 2,04% e o ferro, possui um teor entre 2,04% e 6,7%. O aço estrutural utilizado na construção civil possui teores de carbono da ordem de 0,08 % a 0, 5 %. A armadura que é colocada dentro do concreto livre de tensão (sem ser previamente alongada) é chamada de armadura passivas e o concreto neste caso é chamado de concreto armado. Esta armadura é constituída de fios e barras (vide NBR 7480/1996), e na sua designação é usado o prefixo CA (concreto armado). Para estruturas de concreto protendido, o aço é denominado CP. Classificam-se como barras os produtos de diâmetro nominal igual ou superior a 5,0 mm obtidos por laminação a quente, sem posterior deformação a frio, e como fios os produtos com dimensão nominal igual ou inferior a 10,0 mm obtidos por trefilação ou outro processo equivalente, como por exemplo, estiramento. As barras são classificadas nas categorias CA-25 e CA-50 e os fios na categoria CA-60. É importante salientar que a revisão da normalização NBR 7480/1996 omite a classificação dos aços em classe “A” (barras obtidas por laminação a quente sem posterior deformação a frio) e “B” (barras e fios obtidos por deformação a frio), mas realça a existência de duas classes de aços. Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 103 A nomenclatura dos aços usados em estruturas de concreto armado é dada em função da sua tensão de escoamento (fyk) dada em kgf/mm². Assim, para um aço CA-50 a tensão de escoamento é de 50 kgf/mm². Deve-se lembrar de que o aço mais utilizado nas obras correntes é o CA-50 cujas barras são obtidas por laminação a quente de tarugos de lingotamento contínuo. As barras de aço (CA50) são fornecidas normalmente com comprimentos de 12 m, em feixes amarrados de 1000 kg ou 2000 kg, e devem ser fabricadas segundo especificações da NBR 7480, sendo considerados diâmetros nominais maiores ou iguais a 5,0 mm e obtidos exclusivamente por laminação a quente. O aço CA-60 é obtido por trefilação de máquina, e se caracteriza pela alta resistência, o que proporciona estruturas de concreto armado mais leves, e pelos entalhes, que aumentam ligeiramente a aderência do aço ao concreto. Estes aços são normalmente empregados para fabricação de lajes, tubos concreto, lajes treliçadas, estribos de vigas e pilares, estruturas pré-moldadas de pequena espessura, etc. São fornecidos em bitolas finas e em rolos com peso aproximado de 170 kg, barras de 120 m de comprimento, em feixes amarrados de 1000 kg, em estocadores e bobinas de 1500 kg para uso industrial fornecido em bitolas finas, e é mais usado em lajes e estribos de vigas e pilares. O aço CA-25 por ser bastante dúctil, é normalmente usado quando se requer grandes diâmetros ou quando o detalhamento exige dobramentos sucessivos. Sempre que houver perigo de confusão no canteiro de obras, é proibido o emprego simultâneo de diferentes categorias de aço. Entretanto, esse emprego é permitido desde que uma das categorias seja empregada na armadura longitudinal e a outra na armadura transversal das vigas e pilares. A armadura deve ser identificada quanto ao produtor, à categoria do material e o seu respectivo diâmetro nominal, através de marcas em relevo ou etiquetas. 2. Bitolas Comerciais As barras de aço CA-50 são fornecidas normalmente com comprimento de 12 metros, em feixes amarrados de 1000 kg ou 2000 kg, e devem ser fabricadas segundo especificações da NBR 7480/1996, sendo considerados diâmetros nominais maiores ou iguais a 5,0 mm e obtidos exclusivamente por laminação a quente. Os fios são aço CA-60. Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 104 Obs.: apesar de normalizado, o diâmetro de 22 mm não é comercializado. Para efeito de detalhamento, serão consideradas as seguintes bitolas e respectivas áreas: 3. Propriedades Gerais 3.1. Tipos de Superfícies Os fios e as barras podem ser lisos ou providos de saliências ou mossas. As barras lisas não possuem saliências suficientes em sua superfície, portanto elas têm pouca aderência ao concreto quando comparadas com as nervuradas. As propriedades mecânicas exigidas para Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 105 barras e fios de aço destinados para as armaduras de concreto armado são especificadas na tabela a seguir: Obs.: na tabela anterior, define-se limite de resistência (LR) como sendo a força máxima suportada pelo material na qual ele se rompe, ou seja, é o ponto máximo da resistência de uma barra, valor este que é obtido pela leitura direta na máquina de tração. Para ensaios de dobramento, os corpos de prova são submetidos a um dobramento de 180º em pino de diâmetro padronizado, sendo considerado aprovado quando não apresenta quebra ou fissura na região dobrada. Este ensaio tenta reproduzir as condições em que os materiais serão utilizados nas obras. Os diâmetros dos pinos exigidos pelo ensaio são indicados na tabela abaixo, conforme Anexo B da NBR 7480 e são: Quando da execução de armaduras nas obras, a utilização da Norma NBR 7480 e os pinos anteriormente citados não é correta, já que ela só é aplicada para liberação do produto nos laboratórios das usinas ou no controle tecnológico de obras. Então, neste caso deve5se adotar como referência as recomendações da NBR 6118 onde são determinadas as Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 106 condições a obedecer no projeto, na execução e no controle de obras de concreto armado. De acordo com esta norma os diâmetros dos pinos a serem utilizados no dobramento de barras devem ser: O dobramento em obra é realizado em uma mesa de dobra, normalmente uma bancada de madeira conforme esquematizado abaixo: Algumas das propriedades numéricas dos aços são: • Massa Específica: pode-se assumir para massa específica do aço para concreto armado o valor de 7850 kg/m³; • Coeficiente de Dilatação Térmica: pode-se utilizar o mesmo valor utilizado para o concreto, que é de α = 10−5 oC−1 para intervalos de temperatura entre – 20 graus a 150 graus; • Módulo de Elasticidade: para qualquer tipo de aço admite-se que o módulo de elasticidade é Es = 210 GPa = 210.000 MPa; • Diagrama Tensão-Deformação Específica: as características dos aços são verificadas mediante ensaios de resistência à tração, dobramento e aderência. Para os cálculos no estado limite último e no estado limite de serviço, a normalização recomenda que se empregue o diagrama simplificado abaixo, considerando-se comportamentos iguais na compressão e na tração. O valor Ԑuk representa o valor da deformação naruptura, e para aços sem patamar de escoamento o valor de fyk é o valor da tensão correspondente à deformação permanente de 2 ‰. O valor máximo da deformação à tração é tomado como 10 ‰ (alongamento de ruptura), e o valor máximo da deformação à compressão é de 3,5 ‰ (encurtamento de ruptura), para que haja coerência com o encurtamento máximo do concreto. Assim: Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 107 São definidos: fyk a resistência característica de escoamento do aço à tração; fyd a resistência de cálculo de escoamento do aço à tração; ɣs o coeficiente de segurança do aço, normalmente tomado como 1,15. Tem-se então: fyd = fyk/ ɣs Sendo Ԑyk a deformação que dá início ao escoamento, tem-se: Ԑyk = fyk/Es Sendo que no dimensionamento, a favor da segurança, deve-se tomar os valores minorados de resistência: Ԑyd = fyd/Es Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 108 e onde Es é o módulo de elasticidade longitudinal do aço. Na compressão, considera-se que o comportamento é igual à tração, ou seja: fyk = fyck fyd = fycd Pelos diagramas apresentados, observa5se o comportamento elástico (reta inclinada) e comportamento plástico (reta “paralela”) do aço. 4. Proteção da Armadura Qualquer barra de armadura deve ter cobrimento nominal de concreto pelo menos igual ao seu diâmetro, e de acordo com a agressividade do meio ambiente ao qual a estrutura está exposta, referido à superfície da armadura externa, em geral a face externa do estribo, devendo-se prever uma espessura de sacrifício ou um revestimento protetor em regiões sob condições ambientais muito agressivas. Para garantir o cobrimento mínimo (cmin) o projeto e a execução devem considerar o cobrimento nominal (cnom), que é o cobrimento mínimo acrescido da tolerância de. execução (∆c). Assim, as dimensões das armaduras e os espaçadores devem respeitar os cobrimentos nominais, estabelecidos na tabela abaixo para ∆c = 10 mm, que é o valor mínimo de ∆c a ser considerado nas obras correntes. No caso de haver em obra um adequado controle de qualidade e rígidos limites de tolerância da variabilidade das medidas durante a execução, pode ser adotado um valor ∆c = 5 mm, mas esta exigência deve estar bem explicitada nos desenhos de projeto. Tem-se que o cobrimento nominal (a ser especificado em projeto) é: 𝑐𝑛𝑜𝑚 = 𝑐𝑚𝑖𝑛 + ∆𝑐 ≥ ∅𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎 No caso de feixes de barras, além de se considerar os valores acima, deve-se verificar: Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 109 𝑐𝑛𝑜𝑚 ≥ ∅𝑓𝑒𝑖𝑥𝑒 = ∅𝑛 = ∅√𝑛 onde φ é o diâmetro da barra utilizado e n é o número de barras do feixe. Para a face superior de lajes e vigas que serão revestidas com argamassa de contrapiso, com revestimentos finais secos tipo carpete e madeira, com argamassa de revestimento e acabamento tais como pisos de elevado desempenho, pisos cerâmicos, pisos asfálticos, e outros tantos, as exigências desta tabela podem ser simplificadas para cobrimento maior ou igual ao diâmetro da barra, com cobrimento mínimo de 15 mm. Para faces inferiores de lajes e vigas de reservatórios, estações de tratamento de água e esgoto, condutos de esgoto, canaletas de efluentes e outras obram em ambientes química e intensamente agressivos o cobrimento nominal deve ser de pelo menos 45 mm. Deve-se lembrar de ainda que a dimensão máxima característica do agregado graúdo, utilizado no concreto, não pode superar 20% da espessura nominal do cobrimento, ou seja: dmax ≤ 1,2 cnom Quanto à agressividade ambiental, esta pode ser classificada conceitualmente de acordo com o apresentado a seguir: Esta classificação da agressividade do meio ambiente às estruturas pode ser avaliada simplificadamente segundo as seguintes condições: Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 110 Observações: • (1) - Salas, dormitórios, banheiros, cozinhas e áreas de serviço de apartamentos, residências e conjuntos comerciais ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura; • (2) - Vestiários, banheiros, cozinhas, lavanderias industriais e garagens. • (3) - Obras em regiões secas, como o nordeste do país, partes protegidas de chuva em ambientes predominantemente secos; • (4) - Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas; • (5) - Macro clima especial significa ambiente com agressividades bem conhecida, que permitirá definir a classe de agressividade III ou IV nos ambientes úmidos. Se o ambiente for seco, a classe de agressividade será sempre II, nos ambientes internos e III nos externos; • No caso de alta contaminação por cloretos, a estrutura deve ser enquadrada na classe IV. Para projetos no litoral, pode-se de maneira geral utilizar CAA = II para peças no interior, e CAA = III para peças expostas à intempérie. Para garantir a qualidade dos componentes e elementos estruturais de concreto armado segundo a classe de agressividade, deve-se utilizar o fator água/cimento e classe de concreto abaixo relacionado: • Outra observação muito importante é que se podem especificar dois recobrimentos diferentes para uma peça estrutural, dependendo se esta peça é interna ou externa, ou seja, menos ou mais sujeita à agressividade. 5. Aços na Protensão Os aços usados no concreto protendido caracterizam-se por elevada resistência e pela ausência de patamar de escoamento. São sensivelmente mais econômicos que os aços normalmente empregados na construção com concreto armado, já que sua resistência pode Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 111 ser, aproximadamente, até três vezes maior. Os aços de alta resistência podem ser fornecidos também em grandes comprimentos, na forma de fios e cordoalhas, evitando-se assim os problemas relacionados com a emenda da armadura em peças estruturais de grandes vãos. Na construção com concreto armado, o emprego dos aços de alta resistência é proibitivo, devido aos alongamentos excessivos que produziriam fissuras muito abertas. No concreto protendido este problema é evitado através do alongamento prévio da armadura. Existem duas especificações da Associação Brasileira de Normas Técnicas que regulamentam as características e propriedades do aço de protensão, a saber: • NBR 7482 - Fios de aço para concreto protendido; • NBR 7483 - Cordoalhas de aço para concreto protendido. Os aços de protensão são encontrados nas seguintes formas: • Aços aliviados ou de relaxação normal (RN). São aços retificados por um tratamento térmico que alivia as tensões internas de trefilação; • Aços estabilizados ou de relaxação baixa (RB). São aços que recebem um tratamento termomecânico que melhora as características elásticas e reduz as perdas de tensão por relaxação. Os tipos e bitolas de aço de protensão fornecidos pela indústria variam no tempo e dependem, principalmente, dos seguintes fatores: normalização nacional e internacional, já que o aço além de ser vendido no mercado interno também é exportado para outros países, e, demanda do mercado. A indústria, geralmente, é capaz de fornecer tipos de aço que não constam de seus catálogos de produtos, desde que seja feita uma encomenda. No Brasil, a fabricação do aço de protensão se iniciou em 1952, através da Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira iniciou. Nessa época só era fabricado o fio de aço de diâmetro 5,0 mm. Na década de 60 começaram a aparecer as cordoalhas de dois, três e sete fios que estão gradativamente substituindo osfios isolados de φ 5, 7 e 8 mm. Nos países em que a tecnologia do concreto protendido se difundiu há mais tempo, praticamente já não se usa mais os fios pois as cordoalhas têm se mostrado mais econômicas. No Brasil os fios ainda são utilizados, principalmente nos sistemas que empregam a pré-tração. Na pós-tração, tem-se optado quase exclusivamente por utilizar as cordoalhas de 7 fios de φ 12,7 mm. A cordoalha de 7 fios de φ 15,2 mm é pouco utilizada, apesar de apresentar grandes vantagens no tocante ao alojamento dos cabos em peças cujas dimensões não podem ser aumentadas. Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 112 A partir de 1974 a Belgo-Mineira começou a produzir os aços estabilizados, nos quais é aplicado um tratamento térmico sob tensão elevada. Esse tratamento produz aços de baixa relaxação RB em oposição aos aços anteriores denominados RN (de relaxação normal). Esse avanço tecnológico permitiu reduzir bastante as perdas de protensão que os estudos recentes mostraram ser muito maiores que os 15% admitidos nas primeiras obras. Atualmente, são produzidos no Brasil tanto os aços RN como os RB, existindo uma nítida preferência pelos aços de relaxação baixa. A partir de 1977 a Siderúrgica Barra Mansa passou a fabricar as barras de aço filetado CP 85/105 com diâmetro de 32 mm, e mais recentemente também as barras lisas de φ 19 mm, diretamente para a empresa Protendidos Diwidag Ltda., representante no Brasil da patente alemã Diwidag. O aço, que não é vendido diretamente para o consumidor, tem sido aplicado, com os demais componentes da patente Diwidag, principalmente em contenção de taludes de terra ou rocha e em fundações. 5.1. Designação Genérica dos Aços de Protensão Exemplo: CP-175 (RN) Designa-se aço para concreto protendido com resistência mínima ruptura por tração fptk = 175 kN/cm² (1750 MPa), e de relaxação normal. A resistência à ruptura é dita efetiva para os fios e convencional para as cordoalhas porque, nesse último caso, as tensões não se distribuem uniformemente por todos os fios. 5.2. Principais Propriedades Mecânicas do Aço de Protensão As principais propriedades mecânicas do aço de protensão são descritas a seguir: • fptk: resistência característica à ruptura por tração do aço; • fpyk: limite de escoamento convencional, correspondente à deformação residual (após descarga) de 0,2 % ; • Ep: valor médio do módulo de elasticidade: ✓ para fios: Ep = 205.000 MPa; ✓ para cordoalhas: Ep = 195.000 MPa. Para fios e cordoalhas, o limite de escoamento convencional é aproximadamente igual à tensão correspondente à deformação de 1 %. Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 113 As cordoalhas possuem um módulo de elasticidade aparente, menor que o módulo de deformação dos fios porque, durante o carregamento, os fios que constituem a cordoalha se acomodam, mascarando a deformação. O CEB (Comitê Euro-Internacional do Concreto) permite a adoção de um valor médio único para o módulo de deformação longitudinal, Ep = 200.000 MPa. A NBR 7197 permite adotar para o aço de protensão um diagrama tensão-deformação similar ao dos aços tipo B. Para os aços CA-XXB, a lei de Hooke é válida para tensões na faixa de 0 a 0,7 fyd . O ponto correspondente a 0,7 fyd é chamado limite de proporcionalidade (ver figura acima). Na fase elástica, pode-se dizer que a tensão para uma dada deformação é obtida por: ∅𝑠. 𝑓𝑦𝑑 = 𝜀𝑠. 𝐸𝑠 Para tensões superiores a 0,7 fyd , vale a equação: ∅𝑠 = 𝑔𝑎√𝑔𝑎 2 + 45𝜀𝑠 − 0,49 Onde: 𝑔𝑎 = 0.7 − 22,5. 𝑓𝑦𝑑 𝐸𝑠 Para qualquer aço, A ou B, se φs > 1,0 tomar φs = 1,0. As equações acima podem ser utilizadas para correlacionar tensões com deformações em qualquer aço, seja ele CAXXA, CAXXB ou CP. Aula 9 – Características do Aço CONCRETO 114 5.3. Corrosão dos Aços de Protensão A corrosão no aço de protensão é um fator preocupante pelo menos por dois motivos. Em primeiro lugar porque normalmente o diâmetro dos fios é pequeno e em segundo lugar porque o aço quando sujeito a elevadas tensões fica mais susceptível à corrosão. Um certo grau de corrosão, considerado inofensivo para um aço de concreto armado, pode ser crítico no caso de fios de protensão com pequena seção transversal. As depressões causadas pela corrosão funcionam como mossas, fazendo surgir perigosos picos de tensão em aços tensionados. A chamada corrosão intercristalina sob tensão (stress corrosion) e o fenômeno da fragilidade sob a ação do hidrogênio, também conhecido como corrosão catódica sob tensão, são mais perigosos que a corrosão ordinária. Esses fenômenos podem ocorrer devido à existência simultânea de umidade, tensões de tração e certos produtos químicos como cloretos, nitratos, sulfetos, sulfatos e alguns ácidos. Este tipo de corrosão, que não é detectada exteriormente, dá origem a fissuras iniciais de pequena abertura e pode, depois de certo tempo, conduzir a uma ruptura frágil. Pode levar um cabo de protensão ao colapso. Devido à sua sensibilidade à corrosão, os aços de protensão devem ser protegidos contra a corrosão na fábrica, durante o transporte e na obra, devendo ser armazenados e instalados em lugares cobertos, aquecidos, secos e aerados, para não serem afetados pela água de condensação. É preciso evitar sempre que os fios entrem em contato com o solo (ácido húmico) ou com os agentes químicos já mencionados. Por ocasião da montagem dos cabos, as bainhas devem estar bem impermeabilizadas. 5.4. Bainhas São normalmente denominados bainhas os tubos dentro dos quais a armadura de protensão deve ser colocada, onde possa deslizar sem atrito. As bainhas são utilizadas no caso de protensão com aderência posterior. Via de regra, são fabricadas de chapas de aço laminadas a frio, com espessura de 0,1 a 0,35 mm costuradas em hélice. No processo de fabricação, além da costura da chapa são produzidas ondulações transversais em hélice. Essas ondulações apresentam algumas vantagens, quais sejam: • Conferem rigidez à seção da bainha sem prejudicar a flexibilidade longitudinal, permitindo curvaturas com raios relativamente pequenos, o que possibilita enrolar cabos de grande comprimento, que podem ser transportados em rolos; Aula 9 – Características do Aço UNIDADE 3 – PREPARAÇÃO DO CONCRETO 115 • Facilitam a utilização de luvas rosqueadas nas emendas; • Melhoram a aderência entre o concreto e a nata de injeção, devido às saliências e reentrâncias. Para protensão sem aderência utilizam-se também bainhas plásticas lisas. Para que a injeção de nata de cimento seja bem sucedida são instalados, em pontos estratégicos da bainha, tubos de saída de ar, também chamados respiros. Normalmente são utilizados para esse fim tubos plásticos de polivinil corrugado. Para a injeção das bainhas com nata de cimento devem ser estabelecidos os locais de injeção e os respectivos respiros. Devem-se dispor os pontos de injeção nos locais mais baixos e os respiros nos pontos mais altos do cabo. Baseado e adaptado de Sandra Denise Kruger Alves , Gustavo de Souza Veríss imo, Kléos M Lenz César Jr. Edições sem prejuízo de conteúdo.
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