Apostila sobre Concreto Armado

Apostila sobre Concreto Armado

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Estrutura de Concreto Armado (2010.2) Mauro César de Brito e Silva1

1 - O concreto armado como material estrutural

O concreto é um material estrutural formado por agregado grosso (brita), agregado fino (areia) e cimento, que é um pó fino, com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece pela perda da água. O volume de agregado na composição do material responde por 75% a 80% do volume total de concreto.

Figura 1.1Figura 2.2 Figura 3.3

Esta mistura torna-se uma pedra artificial, que pode ganhar formas e volumes, de acordo com as necessidades de cada obra. Graças a essas características, o concreto, segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) é o segundo material mais consumido pela humanidade, superado apenas pela água.

A especificação do concreto tem dois aspectos a considerar: a seleção de seus constituintes, tipo de cimento e tipo de agregados, e a determinação da dosagem, mistura de seus componentes. A seleção dos materiais é determinada considerando grau de dureza, temperatura e resistência à ataques químicos.

Figura 4.4

1 Professor Assistente I, Departamento de Artes e Arquitetura, PUC Goiás, Goiânia, Goiás, Brasil

A relação entre quantidade de água e cimento adotada para produzir o concreto é essencial para se obter a resistência a compreensão. Este fator conhecido por A/C é determinante para configurar um concreto com maior ou menor resistência neste sentido. Quanto maior a parcela de água menor a capacidade de ser resistente nesta condição; quanto menor o percentual de água, e conseqüente maior participação do cimento na mistura, maiores tensões de compressão obtemos. Uma maior participação de água no concreto, contudo permite mais trabalhabilidade com massa de concreto, isto significa melhores condições para manuseá-lo, moldá-lo. Há ainda que destacar que a cura do concreto (figura 1.4), ou seja, o controle de seu processo de endurecimento, também é importante para se obter os resultados esperados para melhor resistência do concreto. Este processo de cura deve procurar assegurar que o fator A/C estabelecido na dosagem do concreto seja preservado na sua execução. Hoje, há aditivos químicos que podem substituir parte da água na composição do concreto, favorecendo a trabalhabilidade sem, contudo ampliar o fator A/C, permitindo-se obter as resistências desejadas

armadura e do tipo de equipamento disponível na concretagem

A resistência do concreto é determinada durante o cálculo estrutural; e a requerida trabalhabilidade dependerá da natureza da estrutura, especificamente das dimensões dos elementos, da complexidade da

O concreto é um material estrutural muito versátil, que tem uma boa resistência a compressão e baixíssima resistência a tração, mas tem uma excelente resistência ao fogo e boa durabilidade. O concreto é disponibilizado na forma semilíquida e esta característica faz com este material permita uma grande variedade de formas e também permite que outros materiais sejam incorporados ao elemento de concreto.

Figura 5.5

O mais importante deles é o aço, que em forma de barras cilíndricas (figura 1.5) de pequeno diâmetro é normalmente o material que é incorporado, sendo o conjunto formado por concreto e aço denominado por concreto armado. O concreto armado tem menor resistência mecânica que o aço, e os elementos em concreto armado equivalentes aos de aço são geralmente mais volumosos.

que provoca flexão no elemento estrutural

A interação concreto-aço pode ser apreciada analisando a distribuição das tensões que ocorrem dentro de uma viga submetida a um carregamento

A distribuição de tensões dentro da viga vai depender do tipo de carregamento. A ação de uma viga solicitada a um carregamento uniformemente distribuído é flexionar como indica a figura 1.6(b), causando tração nas fibras nas fibras inferiores da viga e compressão nas fibras superiores. A distribuição exata das tensões é um processo complexo, mas pode ser visualizado na figura 1.6.

Na figura 1.6(a) uma serie de círculos foram desenhados nos lados superiores e inferiores da viga. Com a aplicação do carregamento os círculos se transformam em elipses, como na figura 1.6(b), e os eixos maiores e menores das elipses coincidem com as direções das máximas tensões de compressão e tração em cada local. Portanto, é possível plotar as direções das tensões principais (máximas de compressão e tração) na figura 1.6(c). Assim, no meio do vão a direção das tensões é paralela a viga. E na região extrema da viga a direção das tensões de tração e compressão se torna progressivamente inclinada em relação ao eixo longitudinal da viga e essas linhas de tensões se cruzam. O material da viga nessas regiões está simultaneamente tensionado a tração e compressão em duas direções ortogonais.

A figura 1.7 ilustra o comportamento de uma viga de concreto sem armadura a qual está submetida a um determinado carregamento. Existirá então a formação de fissuras, que com o aumento do carregamento romperá, na região situada onde as tensões de tração são maiores e que formam um ângulo de 90º em relação à direção de máxima tensão de tração. Em virtude da tensão de compressão do concreto é pelo menos 10 vezes maior que as tensões de tração, o concreto da parte superior da viga tem tensões próximas de zero quando a ruptura a tração na parte inferior da viga.

Esta ruptura pode ser evitada se barras de aço forem colocadas próximas das fibras inferiores da viga, como é ilustrado na figura 1.8. Nas vigas de concreto armado as barras de aço são responsáveis por absorver as tensões de tração evitando-se assim que a viga de concreto armado venha romper por tensões de tração. A fissura que se formará será então interceptada por uma ou várias barras de aço.

Figura 1.8

O concreto pode tanto ser moldado no local definitivo da edificação (concreto moldado “in loco” – figura 1.9), e apesar do concreto ser um material versátil e permitir diversas formas, tais como as curvilíneas, a construção das estruturas de concreto armado é geralmente complicada porque envolve a construção de outra estrutura de madeira (figura 1.10) ou metálica, que deve ser montada no local da obra para que os elementos sejam moldados. Outra desvantagem é a necessidade de espaço para armazenamento das fôrmas de madeira e das armaduras de aço, e isto pode ser um problema se o local da obra for pequeno e congestionado.

Figura 1.9Figura 1.10

O concreto armado também pode ser pré-fabricado e ser mais resistente que o concreto armado convencional. Este tipo de concreto é conhecido por concreto protendido, que pode ser tanto pré-tensionado (figura 1.1) quanto pós-tensionado (figura 1.12). O concreto protendido com armaduras pré-tensionadas são mais adequados para instalações fixas, ou seja, nas fábricas. Enquanto os com armaduras pós-tensionadas são mais utilizados quando a protensão é realizada na obra.

O processo de execução do concreto protendido pré-tensionado pode ser descrito da seguinte forma: a) as armaduras de aço são esticadas entre dois suportes nas extremidades da mesa, ficando ancoradas provisoriamente nos mesmos; b) o concreto é colocado dentro das fôrmas, envolvendo as armaduras; c) após o concreto haver atingido resistência suficiente, cortamse as armaduras de aço entre o suporte e a viga, transferindo-se então a força por aderência entre o aço e o concreto para a viga.

No concreto protendido com armaduras pós-tensionadas, as armaduras de protensão são esticadas após o endurecimento de concreto dentro de bainhas, que geralmente são fabricadas com chapas metálicas, podendo ser lisas ou onduladas, ficando ancoradas na face do mesmo. Estes sistemas podem apresentar uma grande variedade, dependendo dos tipos de cabos, percursos dos mesmos na viga, tipos e posicionamentos das ancoragens etc.

Figura 1.1Figura 1.12
como também para solicitações de cisalhamento

O concreto protendido passa por um processo de protensão que pode ser definida como o artifício de introduzir numa peça estrutural um estado prévio de tensões de modo a melhorar sua resistência. Com a protensão aplicam-se tensões prévias de compressão que pela manipulação das tensões internas, pode-se obter a contribuição da área total da seção da viga para a inércia da mesma. Sendo os cabos de aço tracionados e ancorados, podem-se empregar neles aços com alta resistência, trabalhando com tensões elevadas, assim teremos: o concreto com elevada resistência a compressão e as barras de aço com elevada resistência a tração. Logo, o estado prévio de tensões, introduzido pela protensão na viga de concreto, melhora o comportamento da mesma, não só para solicitações de flexão,

Uma viga protendida sob ação de cargas sofre flexão, alterando-se as tensões de compressão aplicadas previamente. Quando a carga é retirada, a viga volta à sua posição original e as tensões prévias são restabelecidas. Se as tensões de tração provocadas pelas cargas forem inferiores às tensões prévias de compressão, a seção continuará comprimida, não sofrendo fissuração. Sob ação de cargas mais elevadas, as tensões de tração ultrapassam as tensões prévias, de modo que o concreto fica tracionado e fissura. Retirando-se a carga, a protensão provoca o fechamento das fissuras.

Portanto, o concreto produzido em indústrias de peças pré-fabricadas, dado as melhores condições de trabalho se comparadas às obras onde as estruturas são moldadas no local (“in loco”), consegue-se cura, por exemplo, com auxílio de câmara de resfriamento, ou por imersão em água, os materiais são dosados por peso e não por volume. Balanças utilizadas para medir os materiais que compõem o concreto asseguram maior precisão do que adoção de recipientes, padiolas, para medição da quantidade dos insumos que comporão a massa de concreto.

Como já foram mencionadas as peças protendidas com armaduras pré-tensionadas são geralmente fabricadas em usinas, havendo grande interesse em padronizar os tipos construtivos, para economia de formas. Portanto, o concreto protendido é usado com maior freqüência na construção de vigas para edifícios, pontes, etc. O número de aplicações do concreto protendido é muito grande e cabe ao profissional responsável pelo desenvolvimento do projeto arquitetônico obter os fundamentos necessários para explorar este material estrutural.

As estruturas de concreto armado permitem que o arquiteto possa elaborar projetos de edificações de complicadas formas. E diferentemente das estruturas de aço, continuidade entre os elementos estruturais é facilmente conseguida resultando em estruturas hiperestáticas. Em suma, geometrias irregulares podem ser exploradas, tanto no plano quanto na seção transversal das peças, com lajes em balanço, e elementos com formas afiladas e curvilíneas podem ser construídos mais facilmente em concreto armado do que em aço.

Portanto, as estruturas compostas de um material de certa complexidade vão exigir análises dos profissionais que desejam explorar todo o potencial do concreto armado. E o uso deste material com sucesso deve ser baseado no conhecimento de suas propriedades básicas e seu comportamento quando solicitado aos diversos carregamentos.

Figura 1.13 – Toronto City Hall (foto: Mauro C. B. Silva)

Como exemplo a figura 1.13 mostra o complexo de edifícios que forma a Prefeitura de Toronto (Toronto City Hall) na província de Ontário no Canadá. O projeto arquitetônico foi concebido pelo Finlandês Viljo Revell e o projeto estrutural por John B. Parkin Associates. Esses edifícios demonstram como a arquitetura e a engenharia podem em conjunto desenvolver edificações usando uma das vantagens do concreto armado que é a moldagem “in loco” de estruturas não lineares.

2 – Concreto armado – fatores que influenciam sua escolha como material estrutural

2.1 - Estética

período relativamente curto

A estética do concreto armado: as oportunidades que o concreto armado oferece como forma arquitetônica pode ser vista examinando os vários tipos de edifícios que tem o usado como material estrutural durante um

Apesar de que um tipo de concreto ter sido usado por arquitetos e engenheiros romanos na antiguidade, o concreto armado foi considerado um “novo” material estrutural capaz de produzir edificações duráveis, de alta resistência ao fogo, de planejamentos flexíveis e livres de paredes estruturais no final do século dezenove. Ele chegou à arquitetura no momento em que os precursores do movimento modernista estavam explorando as possibilidades de criação de uma nova linguagem arquitetônica a qual seria apropriada para o mundo do século vinte. Estes arquitetos estavam ansiosos para usar novos materiais que a indústria estava produzindo e o mais inovador de todos os materiais foi considerado o concreto armado.

cerâmico

August Perret foi um dos primeiros a entender as qualidades desse novo material estrutural, nos blocos de apartamentos localizados a 25 bis Rue Franklin, Paris, 1902 como mostra a figura 2.1, à adoção de uma estrutura de concreto armado foi usado para produzir um planejamento com paredes não estruturais no seu interior. Grandes áreas envidraçadas são características da fachada do edifício e as colunas de concreto armado não são exatamente aparentes, pois elas são cobertas por um revestimento

restrições na forma arquitetônica que faziam dele um material estrutural ideal

Le Corbusier, estudante de Perret por um determinado período de tempo, foi outro arquiteto pioneiro a usar o concreto armado. Para ele o concreto armado tinha excelentes propriedades estruturais com poucas

As propriedades físicas do concreto armado foram bem demonstradas em seu famoso desenho da casa Domino de 1914, mostrada na figura 2.2.

parte da planta do edifício

Este desenho ilustra que ele entendia a capacidade do material com relação a um sistema de laje e a habilidade de vencer balanços além das colunas externas. Portanto, a estrutura causava uma interferência mínima no layout interno do edifício, e que as escadas poderiam ser posicionadas em qualquer

O planejamento “livre” o qual esse material estrutural oferecia ao arquiteto foi sintetizado por Le Corbusier em Five points towards a new architecture - 1926 e explorado por ele nos projetos de casas as quais ele construiu na década de 20, que culminaram com Villa Savoye - 1929, ilustrada na figura 2.3.

desigualdades

Nos edifícios das décadas de 40 e 50, Le Corbusier introduziu um novo elemento no vocabulário do concreto armado, o concreto aparente. Todo concreto, naturalmente, mantém as marcas das fôrmas, mas no caso do concreto aparente as fôrmas são simplesmente construídas usando placas de madeira (plastificadas) que produzem uma textura áspera e com Figura 2.4

tempo

Um dos edifícios em Le Corbusier usou o concreto aparente foi numa edificação perto de Lyons – França em 1957-1960 “The Monastery of La Tourette” ilustrada na figura 2.4. Nesta edificação a textura sem acabamento da construção foi entendida pela inexperiência dos construtores, mas sem dúvida alguma Le Corbusier encontrou nessa sugestão do “primitivo” uma produção que era compatível com o pensamento arquitetônico daquele

oferece

Logo, as propriedades e requisitos do concreto armado determinaram um importante papel na linguagem da arquitetura que exemplificava uma categoria na relação entre estrutura e arquitetura, ou seja, a da “estrutura aceita”. Mas foi o próprio Le Corbusier que fez uma estrutura exagerada expressando as possibilidades do concreto armado na “Notre-Dame-du-Haut, Ronchamp – France, 1954” mostrada na figura 2.5. Nessa edificação a relação entre a estrutura e arquitetura é um exemplo da “estrutura ignorada”, ou seja, o sistema estrutural da edificação não é considerado na evolução da forma do edifício. É importante ressaltar que o sistema estrutural adotado é de fácil entendimento, e devido às excelentes propriedades do concreto armado. A estrutura da cobertura da capela não é nada mais do que sistema estrutural formado por uma viga – coluna suportando uma laje armada em uma direção. Como o concreto é um material estrutural moldável e devido à continuidade do sistema estrutural foi possível produzir uma laje de cobertura com formas curvas. Isso ilustra muito bem a liberdade que um arquiteto tem na criação de formas semelhantes, e que a construção em concreto armado

escolhido

É importante ressaltar que essa complexa forma foi obtida usando um tipo básico de material estrutural, porque o vão da edificação, que gira em torno de 20 m, não é muito grande. Por conseguinte se a edificação tivesse vão maior, sistemas mais eficientes deveriam ser utilizados, como os sistemas estruturais de forma-ativa. Fica claro que se Le Corbusier tivesse que optar, por razões estruturais, por outro material estrutural sem a liberdade que o concreto oferece a forma da edificação provavelmente teria que ser concebida levando em consideração as restrições do material

Outra edificação, figura 2.6, que ilustra as qualidades do concreto armado é a casa “Falling Water” que é um projeto ousado do arquiteto Frank Lloyd Wright. Construída na Pennsylvania - EUA em 1936 tem as sacadas em balanço que utilizaram a continuidade dos elementos estruturais, vigas invertidas e laje, a qual é obtida pelas características que o concreto armado oferece nessas formas arquitetônicas. Entretanto, problemas foram manifestados desde quando as formas, na fase de construção, foram retiradas e deformações excessivas foram percebidas. Portanto, esta casa e a Capela “Notre-Dame-du-Haut, Ronchamp” (figura 2.5) são exemplos de estruturas ignoradas (ver item 2 - Estruturas no projeto de arquitetura – Estrutura e Arquitetura).

No Brasil, o arquiteto Oscar Niemeyer é o pioneiro na exploração das possibilidades construtivas e plásticas do concreto armado. E é em Brasília, nascida do plano urbanístico de Lúcio Costa, que Oscar Niemeyer com inusitadas formas estruturais em concreto armado demonstra a potencialidade deste material estrutural.

Uma das edificações que ilustra a potencialidade do material é a

Catedral de Brasília, que foi idealizada com o propósito de absorver todos os recursos do concreto armado, e que sua leveza, pudesse ilustrar a técnica contemporânea. Segundo Oscar Niemeyer em 1977: “colunas delgadas, extremamente delgadas, provam como a técnica domina o concreto armado e como este último se adapta docilmente a todas as nossas fantasias”.

Figura 2.7Figura 2.8

A forma estrutural da Catedral de Brasília, como mostra as figuras 2.7 e 2.8, é fruto das possibilidades técnicas do concreto armado e da genialidade do engenheiro Joaquim Cardozo, que elaborou o cálculo estrutural na época de sua construção. Os 21 hiperbolóides de 40m de altura, inicialmente propostos por Niemeyer, foram reduzidos, por questões de estética, para 16 pilares de 30 m. Da mesma forma, o anel de concreto de base, imaginado inicialmente com 70m de diâmetro, apoiado no chão e servindo de suporte, e a coroa no topo, que seria o outro ponto de apoio para garantir a amarração e rigidez da estrutura, foram alterados por questão de estabilidade: a base ficou com 60m de diâmetro e a o anel do topo foi deslocado a 10m abaixo deste, ressaltando a leveza e a transparência da estrutura.

Figura 2.9Figura 2.10

Em Goiânia-GO, os arquitetos e professores do Departamento de

universidade

Artes e Arquitetura – PUC Goiás, António Manuel Corado Pombo Fernandes e Ruy Rocha Filho foram responsáveis pela elaboração do projeto de arquitetura de vários edifícios no campus da universidade, dentre os quais os Blocos C e D da Área I (figuras 2.9 e 2.10), local onde os Departamentos de Artes e Arquitetura, Engenharia, Computação, Matemática e Física estão localizados. O projeto estrutural de concreto armado foi idealizado pelo engenheiro civil e professor Argemiro Antônio Fontes Mendonça dos Departamentos de Engenharia Civil e Artes e Arquitetura da mesma

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