Introdução a propriedades dos materiais

Introdução a propriedades dos materiais

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Concreto Armado: Introdução e propriedades dos materiais

José Samuel Giongo

São Carlos, 1 de Agosto de 2009.

Este texto apresenta os capítulos iniciais a respeito das matérias lecionadas na disciplina SET 409 – Estruturas de Concreto Armado I, na Escola de Engenharia de São Carlos – USP. Os capítulos são: 1 – Introdução, no qual é estudada uma breve história do concreto armado, no mundo e no Brasil; 2 - Deformabilidade do concreto, sendo que se apresenta o comportamento do material concreto e as expressões indicadas na ABNT NBR 6118:2003 com as quais se avaliam as deformações por retração e fluência; 3 - Propriedades mecânicas do concreto, originalmente publicado em livro editado pelo Instituto Brasileiro do Concreto (Isaia, G. C., Editor (2005). Concreto: ensino, pesquisas e realizações. São Paulo. IBRACON – Instituto Brasileiro do Concreto. 2v.) em co-autoria com Ana Elisabete P. G. de Ávila Jacintho, Professora Doutora no CEATEC - Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias da Faculdade de Ciências Tecnológicas – PUCCampinas; e, 4 - Propriedades mecânicas dos aços.

Este trabalho considera nas análises os conceitos e termos apresentados na

NBR 6118:2003, publicada em 2004. No capítulo 4 fez-se a atualização em face da publicação da ABNT NBR 7480:2007.

Parte deste texto aproveita o que foi escrito no trabalho “Concreto Armado:

Propriedades dos materiais”, publicado na EESC – USP, em janeiro de 1986, pelo Professor Doutor Libânio Miranda Pinheiro e pelo autor desta edição.

Colaborou nesta versão o Engenheiro Rodrigo Gustavo Delalibera, pósgraduando – doutorado no Departamento de Engenharia de Estruturas – EESC – USP e o Eng. Petrus Vinicius Silveira Daniel, em 2005 aluno do curso de graduação em Engenharia Civil da EESC – USP e monitor da Disciplina SET 404 – Estruturas de Concreto A.

Ao final dos capítulos se apresentam as referências bibliográficas consultadas e, também, sugeridas para melhorar o conhecimento do aluno de engenharia civil.

Sumário

1 INTRODUÇÃO 1 1.1 Histórico 1 1.2 Generalidades 1 1.2 Importância do estudo das estruturas de concreto 3 1.3 Materiais constituintes das estruturas de concreto 4 1.3.1 Concreto simples 4 1.3.2 Concreto armado 5 1.3.3 Concreto protendido 7 1.3.4 A família das estruturas de concreto 7 1.4 Estruturas de concreto – vantagens e desvantagens 7 1.5 Normas técnicas para projeto e construções de concreto 9

2 DEFORMABILIDADE DO CONCRETO 1 2.1 Considerações iniciais 1 2.1.1 Generalidades 1 2.2 Estrutura interna do concreto 1 2.3 Retração e expansão 14 2.3.1 Causas da retração e da expansão 14 2.3.2 Fatores que influem na retração 14 2.4 Deformações causadas por ações externas 15 2.4.1 Deformação imediata 16 2.4.2 Fluência 16 2.4.3 Relaxação 17 2.4.4 Deformações recuperáveis e deformação residual 17 2.5 Critérios para cálculo da retração e fluência 18 2.5.1 Preâmbulo 18 2.5.2 Deformações do concreto 18 2.5.2.1 Considerações iniciais 18 2.5.2.2 Fluência do concreto 19 2.5.2.3 Retração do concreto 23 2.5.2.4 Idade e espessura fictícias 25 2.5.2.5 Deformação total do concreto 27 2.5.3 Deformações na armadura 27 2.6 Exemplo de cálculo de deformações 28

3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO 29 3.1 Introdução 29 3.1.1 Considerações iniciais 29 3.1.2 Fatores que influenciam a resistência mecânica 29 3.1.3 Evolução da resistência do concreto 3 3.1.4 Conceito de resistência 3 3.1.5 Influência das formas e dimensões dos corpos-de-prova 34 3.1.6 Velocidade e duração da carga 36 3.2 Resistência à compressão 37 3.2.1 Conceito de resistência característica à compressão 37 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.3 3.2.4

Deformações de ruptura Deformações de ruptura na compressão simples Deformação na flexão simples Deformação na flexo-compressão Diagrama tensão - deformação Classes de resistência do concreto

40 40 41 42 42 4 3.3 Resistência à tração 45 3.3.1 Preâmbulo 45 3.3.2 Determinação da resistência à tração 45 3.3.2.1 Resistência por ensaios à tração direta 45 3.3.2.2 Resistência à tração por ensaios à flexão 46 3.3.2.3 Resistência à tração por ensaios à compressão diametral 47 3.3.3 Resistência característica à tração do concreto 49 3.3.4 Resistência à tração do concreto considerada em projeto 49 3.4 Resistência no estado múltiplo de tensões 50

4. PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS 5 4.1 Considerações iniciais 5 4.1.1 Generalidades 5 4.2 Processo de obtenção dos aços 5 4.2.1 Tratamento industrial dos aços 5 4.2.2 Propriedades mecânicas das barras e fios de aço 5 4.3 Aços para concreto armado 56 4.3.1 Aços de dureza natural 58 4.3.2 Aços encruados a frio 58 4.4 Propriedades das barras e fios de aços para concreto armado 59 4.4.1 Preâmbulo 59 4.4.2 Propriedades geométricas das barras e fios de aço 60 4.4.3 Propriedades mecânicas das barras e fios de aço 61 4.4.4 Propriedades das barras e fios de aço com relação à aderência 62 4.4.5 Propriedades das barras e fios para projetos 62 Tabelas 65

José Samuel Giongo – USP – EESC – SET – Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais – Agosto de 2009 1

1. INTRODUÇÃO

1.1 HISTÓRICO 1.1.1. GENERALIDADES

As construções em pedra existem, segundo relatos históricos, há quatro mil anos, tomando-se como exemplos as pirâmides de Gisé, construídas entre 2.650aC. e 2.550aC.

As construções em madeira sobre palafitas se iniciaram no Período Neolítico da pré-história, entre 10.000aC. e 4.000aC.

As edificações em estruturas metálicas começaram a ser construídas no século

XVII, como por exemplo o Palácio do Kremlin, em Moscou, Rússia, sendo que os elementos da treliça eram em barras de ferro fundido justapostos.

A utilização do concreto armado é mais recente. Os primeiros elementos de concreto armado foram construídos a partir da metade do século XIX, na França, porém a sua utilização em maior escala aconteceu no início do século X.

O concreto surgiu com o desejo de se criar uma pedra artificial, resistente, econômica e durável como aquelas extraídas das rochas naturais e que apresentasse como vantagens a possibilidade de ser moldada nas formas e dimensões necessárias à sua utilização.

A associação do concreto com barras e fios de aço foi motivada pela necessidade de obter maior resistência dos elementos estruturais à tração, que por sua vez fica protegida com relação à corrosão por ação do meio ambiente.

A pedra artificial (concreto) amplamente usado até nos dias atuais em inúmeras aplicações, só foi possível com o desenvolvimento do cimento (aglomerante) em virtude das pesquisas feitas por Smeaton e Parker, no século XVIII. A produção industrial do cimento ocorreu no século X, decorrente de estudos e experiências realizadas por Vicat e Aspdin, no ano de 1824, na Inglaterra, passando o material aglomerante a ser chamado de cimento Portland. Johnson, em 1845, produziu um cimento com a mesma tipologia dos usados atualmente.

O cimento armado, na época assim conhecido, foi usado pela primeira vez na

França, no ano de 1849, quando Lambot construiu um pequeno barco, que foi mostrado na exposição de Paris em 1855. A França, confiando na data da origem do concreto armado, comemorou o seu centenário em 1949. Segundo historiadores o barco encontra-se no museu de Brignoles (França).

No Brasil diz-se que o material com o qual o barco de Lambot foi construído é a argamassa armada, material constituído por um compósito de agregado miúdo (areia) e pasta de cimento (cimento e água), com uma armação feita com fios de aço de pequeno diâmetro. A Escola de Engenharia de São Carlos – USP, por intermédio de professores e pesquisadores do Departamento de Engenharia de Estruturas, teve e tem participação ativa e intensa no desenvolvimento do material argamassa armada, como pode ser visto no trabalho de, entre outros, Hanai (1981).

François Coignet, na França, em 1861 obtém uma patente para a construção de elementos de cimento armado.

Joseph Monier, também na França, horticultor e paisagista, construiu em 1861, vasos para plantas usando argamassa armada (cimento armado). Em 1867 ele obtém sua primeira patente para construção de vasos de cimento armado, requerendo outras patentes para a construção de tubos e reservatórios (1868), placas (1869) e pontes (1873).

Ward, em 1873, em Nova Iorque (EUA), construiu uma casa em concreto armado, que segundo os historiadores existe até os dias atuais.

Capítulo 1 - Introdução 2

Thaddeus Hyatt, advogado, também americano, motivado por uma série de ensaios experimentais com elementos de concreto armado iniciados em 1850, obtém em 1877 patente para a construção de um sistema de vigas de concreto e aço, com as barras nas posições corretas para absorver as tensões de tração oriundas das ações de momento fletor e força cortante (estribos e barras dobradas).

São apresentadas, a seguir, outros feitos e datas importantes do desenvolvimento na fase pioneira do concreto armado: 1880 – Hennebique, na França constrói a primeira laje armada com barras de aço de seção circular; 1884 e 1885 – Empresas alemãs, entre elas Wayss e Freytag, adquirem as patentes de Monier para uso em construções na Alemanha e na Áustria; 1886 – Koenen, na Alemanha, escreve a primeira publicação a respeito do tema concreto armado; 1888 – Döhring, também na Alemanha, registra a primeira patente acerca do uso da protensão em placas e vigas de pequenas dimensões; 1892 – Hennebique registra patente da primeira viga com armação semelhante as usadas atualmente, isto é, com barras longitudinais para absorver as tensões de tração oriundas da ação de momento fletor e estribos para absorver as tensões de tração por conta da ação de força cortante; 1897 – Rabut, na França, inicia o primeiro curso a respeito de estruturas de concreto armado, na “École des Ponts et Chaussées”; 1902 – Mörsch, engenheiro da firma Wayss e Freytag, publica a primeira edição de seu livro, apresentando resultados de pesquisas acerca de elementos estruturais em concreto armado e tornando-se um dos contribuintes para o conhecimento do comportamento e progresso das estruturas em concreto armado; 1904 – Na Alemanha é escrita a primeira norma técnica a respeito de projeto e construção de estruturas de concreto armado.

Analisando as datas dos principais eventos do início do concreto armado, pode-se notar que na última década do século XIX, ocorreu um grande desenvolvimento no conhecimento e, por conseqüência, na utilização de estruturas de concreto armado que continuou no início do século X. Construções de grande porte foram realizadas, podendo-se destacar uma delas que foi projetada e construída por Hennebique, que marcou época por muitos anos e foi recorde no gênero: a Ponte Del Risorgimento, em 1911, em Roma, com 100m de vão, com sistema estrutural constituído por um arco bastante abatido, com relação flecha/vão de 1/10.

Se, na formulação inicial das teorias fundamentais do concreto armado, o Brasil não apresentou contribuições, face ao avanço tecnológico das nações citadas, pode-se afirmar que, nas aplicações do material, soube, com arrojo e criatividade, projetar e construir obras significativas, sendo a Engenharia de Estruturas brasileira reconhecida internacionalmente e respeitada.

A origem do concreto armado no Brasil, de acordo com os estudos e análises feitas por Vasconcelos (1985), inicialmente publicado em Modesto dos Santos (1985) foi com François Hennebique, que já havia sido o primeiro na Europa a posicionar corretamente a armação em um elemento estrutural, prevendo barras dobradas, ancoradas na região comprimida de vigas, com a finalidade de absorverem as tensões de tração por conta da ação de força cortante.

A primeira obra no Brasil foi uma ponte de 9m de vão, construída no Rio de

Janeiro, em 1908, com mão de obra do empreiteiro Echeverria, com projeto estrutural de Hennebique.

Riedlinger, cidadão alemão, técnico de nível médio, fundou no Rio de Janeiro em 1912, no Rio de Janeiro, a Companhia Construtora de Concreto Armado, tendo construído obras importantes. E 1913 a firma alemã Wayss e Freytag monta uma filial no Rio de Janeiro que, posteriormente, adquire a firma de Riedlinger, sendo que este

José Samuel Giongo – USP – EESC – SET – Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais – Agosto de 2009 3 passa a ocupar o cargo de “engenheiro chefe”. A empresa com essa incorporação contratou, no mercado internacional, diversos mestres de obras que transferiram suas experiências para técnicos nacionais.

Um dos primeiros brasileiros que tiveram sua formação fortemente influenciada por Riedlinger foi Emílio Henrique Baumgart, que além de formar numerosos profissionais, deixou um imenso acervo de obras importantes, com diversos recordes mundiais em tamanho e originalidade.

Exemplo de obra importante projetada por Baumgart é a ponte sobre o Rio do

Peixe, em 1928, construída entre os municípios de Joaçara e Herval do Oeste, no Estado de Santa Catarina, inicialmente denominada Ponte do Herval e, posteriormente, Ponte Emílio Baumgart. Foi recorde mundial de dimensão do vão para viga reta em concreto armado com 68m e construída por processo original na época e hoje conhecido como processo dos balanços sucessivos. A ponte foi tombada pelo patrimônio histórico nacional, pelo que representou de pioneirismo para a Engenharia do Brasil. Infelizmente, por conta das fortes chuvas do verão do ano de 1983 e, com conseqüente enchente do Rio do Peixe, a famosa ponte teve perda de apoio para as suas estruturas de fundações e, portanto, foi levada pela águas, perdendo-se assim um patrimônio histórico.

Obra de destaque do notável Engenheiro Baumgart, nascido em Blumenau – SC, foi o Edifício “A Noite”, construído no Rio de Janeiro, no período entre 1928 e 1930, com 2 andares, tendo sido na época o edifício mais alto em concreto armado no mundo.

Muitos outros engenheiros brasileiros merecem destaque por suas obras, entre eles podem ser citados: Paulo Rodrigues Fragoso, projetista da estrutura em concreto do Pavilhão de São Cristóvão, no Rio de Janeiro, cuja cobertura (que não existe mais por conta de um incêndio) em casca de concreto protendida, teve a participação do Laboratório de Estruturas – EESC – USP, na pessoa do Professor Dante Ângelo Osvaldo Martinelli, nas medidas das deformações dos cabos de protensão; Antonio Alves Noronha, projeto da estrutura do Estádio do Maracanã, Rio de Janeiro – RJ; Joaquim Cardoso, projetista dos edifícios da região da Pampulha, em Belo Horizonte – MG e também dos principais edifícios públicos da Cidade de Brasília – DF.

A estrutura de uma edificação só é arrojada se o projeto arquitetônico o for.

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