comportamento à flexão de vigas de concreto autoadensável armado reforçado com fibras de aço.

19 Pages·2017·1.03 MB·Portuguese

COMPORTAMENTO À FLEXÃO DE VIGAS DE
CONCRETO AUTOADENSÁVEL ARMADO REFORÇADO COM
FIBRAS DE AÇO.

AUTOR:
GABRIEL BERNARDO SARAIVA PEREIRA

ÁREA:
ESTRUTURAS E MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO

ORIENTADOR:
DANIEL CARLOS TAISSUM CARDOSO
AFILIAÇÃO (Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio, Rua Marquês de São Vicente,
225 – Gávea - CEP 22451-900, Rio de Janeiro –Brasil – Tels. (21) 3114-1190 / 3114-1191,
Fax: [phone]).
Rio de Janeiro, Julho de 2017.
Departamento de Engenharia Civil
Sumário

Sumário ...................................................................................................................................... II
1- Introdução .......................................................................................................................... 1
2- Materiais e Comportamentos mecânicos ........................................................................... 2
3- Fundamentação teórica ...................................................................................................... 3
3.1 –Histórico de Investigações ............................................................................................. 3
3.2–Modelos Representativos ................................................................................................ 4
3.3 – Diagrama Momento-Curvatura ..................................................................................... 5
4- Programa Experimental ..................................................................................................... 6
4.1 –Traço .............................................................................................................................. 6
4.2–Tipos de Fibras ................................................................................................................ 6
4.3–Caracterização Mecânica ................................................................................................ 7
4.4 – Ensaios Estruturais ........................................................................................................ 8
4.5–Correlação Digital de Imagem (DIC).............................................................................. 9
5- Análise dos resultados ...................................................................................................... 10
5.1 –Resultados à Compressão no Concreto ........................................................................ 10
5.2–Resultados à Tração Direta no Concreto ....................................................................... 11
5.3–Resultados à Tração no Aço ......................................................................................... 12
5.4–Resultados Estruturais em Vigas .................................................................................. 13
Referências Bibliográficas ....................................................................................................... 16

II
Departamento de Engenharia Civil

1- Introdução
A construção civil, com o passar dos anos, tem requerido uma gama de novas
opções que diminuam os custos, aumentem a eficiência e a durabilidade estrutural.
Tendo esse cenário em mente, este trabalho constitui-se de um estudo analítico e
experimentalem elementos estruturais, com objetivo de validar modelos analíticos que
representem com fidelidade o comportamento de vigas de concreto armado reforçado
com fibras de aço. Com o presente estudo será avaliado a capacidade da estrutura
fibrosa à flexão de modo a comprovar o aumento da capacidade de carga, comparando
parâmetros das fibras de aço utilizadas como a forma, a ancoragem e a fração
volumétrica.
O concreto tem excelente capacidade à compressão. Entretanto, possui baixa
resistência à tração, que depende de fatores como o tamanho, a forma e a rugosidade
superficial dos agregados, bem como a resistência da pasta cimentícia. Segundo a NBR
6118 [1], a resistência à tração no concreto não pode ser levada em consideração no
dimensionamento estrutural. Com a presença de fibras discretas de aço na matriz
cimentícia, a transferência de forças entre as fissuras pode ser realizada de maneira
integral ou parcial pelas próprias fibras.
Atualmente, a consideração dos efeitos do reforço fibroso à flexão para o
dimensionamento de elementos estruturais de concreto armado não estão presentes em
normalizações. Deste modo este trabalho vem propôr modelos para um posterior
equacionamento.
De acordo com Maidl [2] , durante mais de quarenta anos o concreto reforçado com
fibra de aço(CRFA), como conhecemos altualmente, tem sido utilizado,em muitas
aplicações construtivas no mundo, como: Em túneis e na mineração, na forma de
concreto projetado ou bombeado, para a estabilização de rochas e solos; Em escadas e
tubulações pré-moldadas; Em pisos industriais, lajes de garagem e em pavimentações
de concreto, onde pode ocorrer um aumento das distâncias entre juntas e minimizar a
fissuração por fadiga; Em construções de alta segurança como usinas nucleares e de
energia, para a proteção em locais onde apresentam campos eletro magnéticos, na
Rússia e Estados Unidos; Em estandes de balística do exército, na Alemanha e Estados
Unidos.
Apesar do concreto reforçado com fibra de aço ter diversas aplicações, o
desenvolvimento de procedimentos e rotinas de cálculo para dimensionamento não
estão bem determinadas. Por isso, nos últimos 30 anos, foram realizadas muitas
pesquisas para obtenção de dados quantitativos e qualitativos visando melhor
compreensão do comportamento de concretos reforçados com fibras [3][4][5][6].
A utilização de fibras de aço tem se tornado particularmente atrativa para concretos
de alta resistência, segundo Kwak [7], pois sem estas, seriam extremamente frágeis, e
em certos casos, os estribos podem ser parcialmente ou totalmente eliminados ou as
armaduras convencionais podem ter suas taxas diminuidas [8].
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Departamento de Engenharia Civil
No presente estudo, serão apresentadas soluções analíticas para momento-curvatura
e tensão-deformação, assim como os modos de ruptura, padrões de fissuração, e a
deformabilidade do compósito pelo método da correlação de imagem digital e,
resistências e deformações das barras de aço e da matriz do concreto fibrosa a partir de
análise experimental.
O programa experimental será realizado principalmente a partir de ensaios de flexão
em 4 pontos com vigas, de concreto autoadensável armado reforçado com percentuais
de fibras de aço variando de 0 a 2%, de 15cmx15cmx120cm, com de taxa de armadura
de 0,27%, 0,45%, e 0,7%, sem a presença de estribos na zona de momento máximo, e
de ensaios complementares de caracterização de resistência e deformação da matriz
fibrosa como: compressão simples em corpos de prova cilíndricos, tração direta
utilizando o Dog-Bone shape e tração em barras de aço. De modo a validar modelos
para um posterior dimensionamento, a partir dos modos de ruptura em cada ensaio, e
das características do concreto solicitado à compressão, tração e flexão em conjunto
com fibras com ganchos (HE) de 30mm e de 60mm e torcidas (TW) de 25mm, com
distintas razões de aspecto.
2- Materiais e Comportamentos mecânicos
O CRFA autoadensável pode propiciar vantagens como o controle da fissuração,
melhora na resistência à fadiga, impacto e abrasão, e melhor durabilidade, por
apresentar baixa porosidade [9].
De acordo com PONS [10], que hibridizou fibras em diversas matrizes de concreto,
os compósitos produzidos com matriz autoadensável proporcionou uma melhor
interação entre fibra e a matriz, ao comparar esse aspecto em relação ao concreto
convencional vibrado, devido a um traço de material granular mais fino de maior área
superficial.
As características do concreto no estado endurecido são melhoradas com a
aplicação de fibras, pois criam pontes entre as fissuras e transmitem tensões de modo a
impedir a propagação das fissuras. Porém, variações no tipo, tamanho, forma das fibras,
podem fornecer diferentes comportamentos mecânicos aos compósitos.
Em geral, os testes utilizados para a obtenção da resistência à compressão do
concreto convencional também são igualmente usados em concretos autoadensáveis
reforçados com fibras. Como as fibras de aço apresentam alto módulo de elasticidade,
é comum que o compósito fibroso apresente resistência semelhante à matriz sem as
fibras, porém apresenta maior ductilidade, tendo então sua ruptura.
Comumente, materiais a base de cimentos, quando submetidos a esforços de tração,
apresentam um comportamento extremamente frágil. Com a adição de fibras em geral,
esse efeito é alterado, já que as fibras conferem uma resistência pós-fissuração e,
consequentemente beneficiam a tenacidade do material.
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O comportamento à tração de compósitos fibrosos, até a primeira fissura, é
governado pela matriz cimentícia. Após a fissura, a transferência de forças é realizada
pelas fibras. As tensões desenvolvidas apresentam um decaimento gradual com a
deformação, até a ruptura, que é caracterizada pelo arrancamento das fibras da matriz
(pullout).
Na flexão, a caracterização pós-fissuração de elementos de concretos reforçados
com fibras é influenciada pelo tipo, módulo de elasticidade, fração volumétrica,
comprimento e ancoragem das fibras, de acordo com Lima [11], já que o
comportamento do compósito depende da interação fibra-matriz.
3- Fundamentação teórica
3.1 –Histórico de Investigações

Desde a década de 1960 muitos pesquisadores, motivados pela possibilidade de
substituição parcial ou total de estribos pelas fibras, investigaram a resistência ao
cisalhamento de vigas reforçadas com fibras de aço. O uso de fibras é permitido
segundo a ACI-318 [12] e existem diversas expressões que fornecem estimativa de
resistência para essa situação[13]. Equações para determinação da abertura de fissuras
em serviço também são previstas pelo fib Model Code 2010 [14].
Henager e Doherty [15] foram os primeiros a apresentarem equações para
determinação da resistência à flexão de vigas de concreto reforçado com fibra de aço.
Estes assumiram que a resistência à tração do concreto com fibras seja admitida
constante ao longo da zona tracionada da viga. As equações apresentaram boa
concordância com os ensaios realizados pelos autores, que observaram um aumento de
até 25% da resistência em relação ao concreto armado convencional (CAA) e maior
rigidez pós-fissuração.
Anos mais tarde, Lim et al.[16] derivaram expressões fechadas para momento-
curvatura e para carga-deflexão a partir de modelos constitutivos bilineares de tensão-
deformação. Duas conclusões muito importantes foram extraídas pelos autores nesta
pesquisa. Houve um aumento de ductilidade da viga em comparação com o concreto
armado convencional e que maiores taxas de armadura com maiores volumes de fibras
levam a uma ruptura brusca.
Em 2015, Mobasher et al. [17] adotaram relações constitutivas aproximadas para as
barras de aço e para a matriz de concreto reforçado com fibras de aço, tanto para
compressão quanto para tração, e obtiveram equações para momento-curvatura de vigas
de concreto armado e reforçado com fibras. A partir do estudo, foram propostos gráficos
de projeto como ferramentas para dimensionar a quantidade necessária de aço para o
reforço em seções sub-armadas de CRFA e foi recomendada uma expressão para
calcular a proporção mínima de fibras de aço para evitar ruptura brusca.
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Nesse trabalho, as relações momento-curvatura foram determinadas a partir de
relações constitutivas capazes de aproximar o comportamento real dos materiais
constituintes. Para isso, foram utilizadas relações disponíveis na literatura e serão
descritas a seguir.
3.2–Modelos Representativos

Para a análise da matriz fibrosa à compressão a expressão que mais se ajustou ao
comportamento à compressão da matriz fibrosa foi descrita por um trecho quadrático
seguido por um tramo linear, como mostrado na figura 3.1.

Figura 3.1- Curva tensão deformação na compressão a partir da equação adotada.
Em tração a matriz fibrosa tem comportamento elástico-linear até a primeira fissura,
cujo valor de tensão é função das características do concreto. Após a fissuração, a
presença das fibras produz um ramo descendente (strain-softening) até uma resistência
residual. Esse comportamento é característico do arranchamento de fibras da matriz,
como mostrado na figura 3.2. Neste trabalho, uma função exponencial similar à
sugerida por Murugappan et al [18] é proposta para o ramo descendente.

Figura 3.2- Curva tensão deformação na tração a partir da equação adotada. A
esquerda temos a visão geral do modelo e a direita a sua escala de deformações reduzida em
10 vezes.
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Já para a relação tensão-deformação para as barras de aço, o modelo de Mander et
al. [19] é o que mais se aproxima aos resultados observados experimentalmente, já que
é caracterizado por um tramo inicial elástico seguido por um patamar constante
indicando o escoamento e uma curva exponencial que aponta o encruamento até a
ruptura, ilustrada pela figura 3.3.

Figura 3.3- Curva tensão deformação na tração no aço a partir da equação adotada.

3.3 – Diagrama Momento-Curvatura

O diagrama momento-curvatura reflete os modelos tensão-deformação tanto do aço
quanto do concreto e pode ser admitido como uma propriedade da seção transversal.
Para a obtenção de sua curva teórica, é necessário admitir três hipóteses básicas: i) as
seções permanecem planas após as deformações; ii) aderência perfeita entre o concreto
e as barras, com consequente compatibilidade de deformações; e iii) as tensões podem
ser obtidas a partir das curvas tensão-deformação.
Com base nessas hipóteses, a deformação em qualquer ponto, ε, pode ser facilmente
definida como ε = Φ(x-xLN), onde Φ é a curvatura, xLN é a profundidade da linha
neutra e x é a profundidade da camada de armadura convencional considerada. A
distribuição de tensão resultante é obtida correlacionando o perfil de deformação com
as curvas tensão-deformação e as forças internas podem ser obtidas integrando as
tensões dentro da área da seção transversal. A figura 4.3 mostra o diagrama Momento
versus curvatura para o concreto armado sem e com a presença de fibras
respectivamente.
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Figura 3.4 – Diagrama momento (kNm) - curvatura (1/m). a) Concreto armado sem a
presença de fibras. b) concreto armado com a presença de fibras.

4- Programa Experimental

Nesse estudo, o programa experimental foi constituído de ensaios de caracterização
para obtenção das propriedades mecânicas da matriz em concreto autoadensável com
fibras de aço e da armadura convencional de reforço, e de ensaios estruturais em vigas.
4.1 –Traço
Insumo Consumo
Brita 9.5mm 494
Areia Natural #.85 830
Areia Natural #.150 100
Sílica 325 70
Cimento CPV 360
Cinza Volante 168
Sílica Ativa 45
Superplastificante 45
Água 150
Fibras de aço 0.5, 1 e 2.0%
Tabela 4.1 – Consumo do traço utilizado em kg/m³.

4.2–Tipos de Fibras

Para a produção do CRFA foram utilizados três tipos diferentes de fibras de aço. i)
fibra de 30mm de comprimento com gancho; ii) fibra de 60mm de comprimento com
gancho; e iii) fibra torcida sem gancho. As características de ambas as fibras podem ser
verificadas na Tabela 4.2, tendo origem nos dados fornecidos pelos fabricantes
DRAMIX® e HELIX®.
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Fibra Curta com Fibra Longa com Fibra torcida
Características
ganchos (HE4530) ganchos (HE8060) (TW5025)
Comprimento (mm) 30 60 25
Diâmetro (mm) 0,67 0,75 0,5
Razão de aspecto (l/d) 45 80 50
Peso específico (g/cm³) 7,85 7,85 7,85
Resistência a tração (Mpa) 1100 1100 1100
Módulo de Elasticidade (Gpa) 200 200 200
Tabela 4.2- Características das fibras de aço
No trabalho, foram considerados percentuais de fibras variando de 0 a 2% em
volume. E as denominações utilizadas foram: com ganchos (HE 4530 e HE 8060), de
30 mm e 60 mm, respectivamente e torcidas (TW 5025) de 25 mm.
4.3–Caracterização Mecânica

Foram adotados valores médios de tensão e deformação entre três corpos de prova
na caracterização mecânica, da matriz do concreto em compressão simples e tração
direta, e tração no aço.
A determinação da resistência à compressão uniaxial e do diagrama tensão-
deformação das matrizes de concreto produzidas foi realizada seguindo a NBR 5739
[20], utilizando corpos-de-prova cilíndricos de 100 mm de diâmetro e 200 (±1) mm de
altura, avaliados aos 28 dias de idade. Tanto o carregamento, quanto as deformações
foram registradas por um sistema de aquisição de dados, por meio de uma célula de
carga e da média das leituras de dois LVDTs externos fixados ao corpo de prova com
auxílio de anéis de acrílico, distando 70 mm entre si.
Para os ensaios de resistência à tração direta das matrizes do concreto produzidas,
foram utilizados moldes cilíndricos com formato de ‘osso de cachorro’ ‘dog-bone
shape’, caracterizada por uma região central, onde a seção é reduzida e apresenta
diâmetro de 68 mm de diâmetro e por transições suaves em formato de parábola cúbica
de revolução até as extremidades, onde o diâmetro é de 150 mm. Para a determinação
dos deslocamentos axiais, foi utilizado um sistema com dois verticais LVDTs fixos à
região central dos corpos-de-prova com auxílio de anéis de acrílico distantes 140 mm
entre si.
O cálculo da tensão de tração foi feito em relação à área da seção fissurada do corpo-
de-prova. Para se analisar a deformação, foi considerada a média dos deslocamentos
dos LVDTs. O módulo de elasticidade à tração foi calculado considerando o trecho
linear do gráfico tensão versus deformação.
Os ensaios de resistência à tração do aço tipo CA-50 para armadura, foram
realizados de modo semelhante ao adotado para o ensaio de tração direta no concreto.
Cada barra de aço foi cortada no comprimento de 400 mm e usinada na parte central
para remoção das nervuras, antes de ser instrumentada nessa mesma região com um
transdutor de deformação do tipo clip-gage.
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O cálculo da tensão de tração foi feito em relação à área da seção bruta corpo-de-
prova verificada com paquímetro. Para se avaliar a deformação, foi considerado o
deslocamento fornecido pelo clip-gage. O módulo de elasticidade à tração foi calculado
considerando o trecho linear do gráfico tensão-deformação.
4.4 – Ensaios Estruturais

Nos ensaios estruturais, foram analisadas vigas sujeitas à flexão em 4 pontos
contendo diferentes taxas de armadura longitudinal convencional e percentual de fibras,
conforme apresentado na Tabela 4.3, buscando-se uma análise consistente da influência
das fibras no comportamento estrutural. Todas as vigas foram confeccionadas com as
mesmas dimensões (15x15x120 cm) e com um entalhe central, em formato triangular
de 1,5 cm de largura por 1 cm de altura, para provocar intencionalmente o aparecimento
da primeira fissura no centro da peça. Para evitar ruptura por cortante, foram adotados
estribos de 5mm nos vãos de cisalhamento, prescindindo dos mesmos no trecho central
de momento constante.
Vigas de CAA e CRFA
Percentual
Tipo de Barras de
Viga em volume As (cm²)
fibra aço
(%)
1 - 0,0% 0,62 2ф6.3
2 - 0,0% 1,00 2ф8.0
3 - 0,0% 1,57 2ф10
4 HE 4530 0,5% 1,57 2ф10
5 HE 4530 1,0% 1,57 2ф10
6 HE 4530 2,0% 0,62 2ф6.3
7 HE 4530 2,0% 1,00 2ф8.0
8 HE 4530 2,0% 1,57 2ф10
9 HE 8060 2,0% 1,57 2ф10
10 TW 5025 2,0% 1,57 2ф10
Tabela 4.3- Combinações utilizadas para análise de vigas

Na figura 4.1 tem-se um esquemático no qual é verificado a presença de um entalhe
no eixo simétrico da viga, assim como extensômetros, posicionados em pares
distanciados em 10cm um do outro a partir do centro. Para a obtenção de dados de
deformações na zona comprimida, foram posicionados também 1 par de extensômetros
na face superior da viga no seu eixo de simetria.
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