Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Civil Departamento de Estruturas. Fundamentos do concreto armado

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1 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Civil Departamento de Estruturas Fundamentos do concreto armado Notas de aula da disciplina AU414 - Estruturas IV Concreto armado Prof. Msc. Luiz Carlos de Almeida Agosto/2002

2 Índice FUNDAMENTOS DO CONCRETO ARMADO 2 1. Introdução 2 2. Armadura 2 3. Fissuração 4 4. Concreto Armado 6 5. Vantagens do concreto armado 8 6. Desvantagens do concreto armado 8 7. História da construção em concreto simples e concreto armado Bibliografia 12 1

3 Fundamentos do concreto armado 1. Introdução A pedra e a madeira são utilizadas como materiais de construção cerca de três mil anos, já o concreto é utilizado na construção mais recentemente, cerca de 100 anos. A utilização do concreto na construção deve ter surgido da possibilidade de se aproveitar da grande resistência à compressão e a durabilidade oferecida pela pedra e a vantagem de sua mistura com agregado miúdo, aglomerante e água resultar em um material que, antes de endurecer, pode ser moldado nas formas desejadas (trabalhabilidade). O concreto é um material de construção composto de quantidades racionais de aglomerante (cimento), agregado miúdo (areia ou pó de pedra), agregado graúdo (pedra britada u cascalho) e água. O concreto simples é um material de utilização limitada na construção de estruturas, pelo fato de apresentar resistência à tração muito baixa, cerca de 8 a 12 vezes menor que sua resistência à compressão, mas a associação do concreto com um material de boa resistência a tração e convenientemente colocado na massa de concreto, permite que o conjunto concreto armado resista tanto aos esforços de compressão como os de tração. Os seguintes materiais resistentes à tração podem ser utilizados: aço, fibras de vidro, plásticos, nylon e bambu. 2. Armadura As armaduras são posicionadas no interior da forma e posteriormente é lançado o concreto plástico, que envolve as barras de aço, obtendo-se, após o endurecimento, uma peça de concreto armado. 2

4 Uma viga de concreto simples atingiria ao colapso devido à tração oriunda da flexão, pelo fato da resistência do concreto à tração ser muito inferior à de compressão, ficando desse modo, mal aproveitado o concreto da região comprimida, conforme mostra a Figura 01. Dispondo-se, entretanto, armaduras na face inferior da viga, conforme está mostrado na Figura 02, estas absorvem os esforços internos de tração e o concreto resistirá aos esforços internos de compressão, obtendo-se desse modo um melhor aproveitamento dos materiais e uma elevada capacidade de carga da viga, quando comparada com a viga de concreto simples. Figura 01 Figura 02 As armaduras são também utilizadas para absorver tensões de cisalhamento, provocados por esforços cortantes ou momentos de torção, podendo ainda auxiliar o concreto a resistir às tensões de compressão. O trabalho conjunto desses dois materiais diferentes (concreto e aço) é possível graças à coincidência de duas de suas propriedades físicas essências: a) os dois materiais oferecem aderência recíproca; 3

5 b) seus coeficientes de dilatação são aproximadamente iguais. A aderência impede o escorregamento entre as armaduras e o concreto, e transmite esforços de um para outro material, sendo a propriedade fundamental para o trabalho conjunto dos mesmos. Os coeficientes de dilatação aproximadamente iguais implicam em deslocamentos semelhantes provocados por variações de temperatura, desse modo não destruí a aderência, tornando possível o trabalho conjunto desses materiais. Em geral as armaduras longitudinais são dispostas mais distantes da linha neutra próxima às bordas tracionadas. Entretanto, este procedimento não é válido para as vigas de grande altura, pois nestes casos deve-se prever uma armadura adicional para evitar fissuras entre a linha neutra e a armadura. 3. Fissuração A fissuração do concreto armado pode ser devida a duas causas principais: a) retração acelerada do concreto, quando se permite a rápida evaporação da água da mistura; b) tensões de tração produzidas por solicitações atuantes. As fissuras de retração podem ser impedidas ou minimizadas por meio de medidas protetoras do concreto, na fase de endurecimento do mesmo. A fissuras causadas por tensões de tração são praticamente impossíveis de serem evitadas, pois, as armaduras resistem a tensões de tração muito superiores à resistência do concreto a tração. Conseqüentemente, a resistência à tração do concreto é desprezada e o concreto é armado com barras de aço para resistirem, sozinhas, os esforços de tração. 4

6 No cálculo de peças de concreto armado, considera-se fissurada a região tracionada das seções e admite-se que a armadura deva resistir sozinha os esforços de tração. As fissuras que se admite no cálculo, realmente ocorrem sob as condições de serviço, embora sejam invisíveis a olho nu. Através da distribuição conveniente da armadura e do uso de barras de conformação superficial que permita boa aderência ao concreto, podese controlar a distribuição das fissuras, conseguindo fissuras mais fechadas e o mais próximas uma da outra, conforme mostra a Figura 03. Figura 03 5

7 4. Concreto Armado Concreto armado e a união do concreto e de um material resistente à tração (geralmente o aço), envolvido pelo primeiro de maneira que ambos resistam solidariamente aos esforços a que forem submetidos. A não existência da solidariedade implica em ter-se concreto simples com a presença de uma armadura sem função resistente, ou apenas elementos metálicos com revestimento de concreto, o que pode ser ilustrado com os exemplos a seguir: a) Se for moldada uma viga de concreto com um orifício longitudinal por onde, após o endurecimento do concreto e passada uma barra de aço, esta ficará solta no interior da viga, conforme mostra a Figura 04. Figura 04 Sob a ação de um carregamento qualquer a viga se deforma e a barra de aço acompanha essa deformação sem sofrer esforços longitudinais por estar solta no interior do concreto. Quem resiste os esforços de tração e compressão é o concreto sozinho. A barra não acompanha o alongamento do concreto, isso pode ser observado por traços de referência marcados no concreto e na barra. b) Se no exemplo anterior, entretanto, a barra for colocada no interior do concreto numa posição próxima à face, na ocasião da concretagem, e se houver aderência completa entre a barra de aço e o concreto, após o endurecimento deste, qualquer deformação da viga devida a um carregamento, provocará igual deformação na barra (agora chamada armadura) e esta oferecerá resistência à solicitação externa. Os dois materiais estarão trabalhando solidariamente, conforme mostra a Figura 05. 6

8 Figura 05 c) Tome-se a barra do caso (a), mas com as extremidades fixadas na viga de concreto, conforme está mostrado na Figura 06. Com um carregamento a viga se deformará e o concreto abaixo da linha neutra sofrerá alongamento. Neste caso a barra também irá se alongar, de forma que alongamento total de l do concreto e da barra serão o mesmo, porém com uma diferença entre o alongamento específico de cada um. O alongamento específico da barra ε = l / l será constante, enquanto que o do concreto será variável de um ponto para o outro, na mesma altura da barra, sendo ora maior, ora menor que desta, havendo deslizamento relativo, conforme mostra a Figura 06. Figura 06 7

9 Portanto, para que exista concreto armado é necessário que exista completa aderência entre o concreto e a armadura, afim de que suas deformações sejam iguais ao longo da superfície de contato, na quase totalidade da extensão da peça. A aderência entre ambos dá integridade e esta união e a proteção que o concreto oferece à oxidação da armadura lhe assegura durabilidade. 5. Vantagens do concreto armado De um modo geral podem ser apresentadas como vantagens do concreto na construção as seguintes: a) Facilidade de adaptação às formas construtivas; b) Monolitismo; c) Economia construção e de manutenção; d) Boa resistência aos esforços dinâmicos (choques e vibrações); e) Segurança contra o fogo. 6. Desvantagens do concreto armado a) Peso próprio elevado; b) Peça fissurada; c) Formas e escoramentos; 7. História da construção em concreto simples e concreto armado. Os nomes, acontecimentos e datas históricas da construção de concreto armado e de concreto protendido apresentados a seguir foram escolhidos entre os mais significativos, e serão abordados apenas nos aspectos que ainda despertam interesse geral ac A civilização Minoana na Ilha de Creta foram os primeiros a empregar argamassa de cal nas estruturas a qual dissolvia na presença de água. 8

10 ~300 ac. Os Romanos descobriram uma cinza vulcânica (tipo de areia fina) que misturada com cal fornecia uma argamassa muito resistente que não dissolvia na presença de água. ~126 dc. Os Romanos terminaram a construção de cúpula do Pantheon, em Roma, uma estrutura de concreto que nas partes baixas foi utilizado concreto com pedras britadas e à medida que a construção se aproximava do topo da cúpula, eles utilizaram agregados mais leves com pedra-pomes, para reduzir os momentos fletores devidos ao peso próprio. O vão livre da cúpula era de m, maiores detalhes podem ser observados no endereço eletrônico: ~1800 O engenheiro inglês John Smeatom, na costa sul da Inglaterra, descobriu que mistura de calcário queimado (lama vulcânica) e argila poderia ser utilizada para fazer cimento O empreiteiro Josepf Aspdin, na Inglaterra, desenvolveu o chamado cimento Portland, em homenagem à ilha de Portland, de onde foi extraído o calcário para a fabricação do cimento Brunel utilizou o cimento de J. Aspdin na argamassa da parede do túnel sobre o Rio Thames Bruned também utilizou o cimento de J. Aspdin na fabricação do concreto massa dos pilares de uma ponte I. C. Johnson encontrou um cimento de melhor qualidade, que é hoje conhecido hoje como cimento portland W. B. Wilkinson obteve uma patente para um sistema de pisos de concreto armado que utilizava cúpulas de gesso ocas como forma Primeira fábrica de cimento portland alemã, localizada perto de Stettin. 9

11 1855 Lambot (França), obtém patente para a fabricação de embarcação de concreto armado O jardineiro parisiense J. Monier fabrica vasos de flores com argamassa de cimento, utilizando como reforço uma malha de aço F. Coignet publicou um livro apresentando o uso do concreto armado F. Coignet apresentou na Exposição Internacional de Paris vigas e tubos de concreto armado J. Monier obteve a primeira patente para a construção de vasos de concreto com armadura, e nos anos seguintes obteve outras patentes para tubos, tanques, placas, escadas e pontes. stairs 1871 D. O. Saylor, na Pensilvânia - USA, e T. Millen, em Indiana USA, iniciam a produção de cimento portland W. E. Ward construiu em Nova Iorque uma casa em concreto armado Hyatt publicou os resultados de suas experiências em concreto armado J. Monier obtém novas patentes que dão a base para a introdução do concreto armado em outros países Hennebique construiu a primeira laje de concreto armado com barras de aço de seção circular Freytag adquiriu os direitos das patentes de Monier para a utilização do processo na Alemanha G. A. Wayss obteve o direito das patentes de Monier e fundou uma empresa para construções de concreto segundo o sistema Monier. Nessa época, 10

12 executaram ensaios em construções de concreto armado, para demonstrar, por meio de provas de carga, as vantagens econômicas oferecidas pela inclusão de barras de aço no concreto M. Koenen, arquiteto, desenvolveu procedimentos empíricos de cálculo para as construções de concreto Hennebique patenteou o primeiro tipo de vigas de concreto armado com estribos como os atuais Coignet (filho) e Tedeskko ampliaram as teorias de Koenen para projetar com o método das tensões na Flexão, muito utilizado de 1900 a Rebut iniciou o primeiro curso sobre concreto armado na École dês Ponts et Chaussées, em Paris Emil Morsch publicou a primeira edição do seu livro, onde desenvolveu a teoria iniciada por Koenen e que foi a primeira teoria de dimensionamento de peças de concreto armado Surgiram às primeiras instruções ou normas de construções de concreto armado na Alemanha, França e Suíça. Até hoje Extensivas pesquisas têm determinado vários aspectos do comportamento do concreto armado, resultando nos procedimentos atuais de projeto. 11

13 8. Bibliografia 1 - Fernandes, G. B., Notas de aula, FEC-Unicamp, Campinas, Pfeil, W., Concreto Armado, vol 1, Livros Tecnicos e Cientificos Editora Ltda., Rio, Macgregor, J. G., Reinforced Concrete Mechanics and Disign, Prentice_hal, Inc. Upper Saddle River, New Jersey, Rusch., H., Concreto armado e protendido, Editora Campus, Rio,