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Engenharia

Edificações – Concreto Protendido

By 15 de novembro de 2018 No Comments

Esta aula tem como objetivo descrever os conceitos mais importantes concernentes ao estudo do concreto protendido e outros conceitos correlatos não abordados nas outras aulas de concreto com o foco para concursos públicos. O material é baseado na NBR 6118, NBR 14931 e outras normas correlatas e nos resumos preparados para consolidação do conhecimento da matéria ao longo dos anos.

Considerações Iniciais

Diferente do concreto armado, o concreto protendido pode ser classificado como um estágio superior, onde é introduzido um estado prévio de tensões na estrutura. Ou seja, é um concreto que trabalha a compressão, o que faz com que ele tenha maior capacidade de resistência aos esforços de tração, já que ele fica previamente comprimido antes de receber as cargas as quais vai ser submetido.

A sua aplicação permite a construção de pavimentos e pontes com vãos mais extensos do que aqueles obtidos com o uso do concreto armado, possibilitando ainda o desenho de elementos estruturais com seções transversais de menor dimensão.

A utilização de aços de elevada resistência, como armaduras de concreto armado, fica limitada pela fissuração do concreto. Como os diferentes tipos de aço têm aproximadamente o mesmo módulo de elasticidade, o emprego de aços com tensões de tração elevadas implica grande alongamento dos mesmos, o que por sua vez, ocasiona fissuras muito abertas. A abertura exagerada das fissuras reduz a proteção das armaduras contra corrosão, além de indesejável esteticamente.

Sob ação de cargas, uma viga protendida 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 com fissuras. Retirando-se a carga, a protensão provoca o fechamento das fissuras.

Trata-se de tecnologia inteligente, eficaz e duradoura, capaz de oferecer soluções estruturais com ótimas relações custo-benefício. A protensão pode resultar, em muitos casos, em estruturas com baixa ou nenhuma necessidade de manutenção ao longo de sua vida útil.

Ao pré-esforçar o aço dos varões cria-se uma carga de aperto que faz com que se crie uma força de compressão que compensa a tensão que o concreto exibiria face à carga. Podem ser classificados como:

  • Concreto Protendido com pré-tração: o concreto é colocado sobre varões tensionados previamente (normalmente pré- fabricados / pista de protensão);
  • Concreto Protendido com pós-tração / Cordoalha aderida: a tensão é aplicada só após o concreto ter atingido uma dada consolidação, através do uso de macacos hidráulicos que tracionam os varões (as cordoalhas) sendo estes depois fixados à extremidade da estrutura com detentores adequados (nichos de ancoragem); Com relação às cordoalhas de aço para concreto protendido, conforme o número de fios, estas classificam-se em cordoalha com três fios e cordoalha com sete fios categorias CP-190 e CP-210
  • Concreto Protendido com pós-tração / Cordoalha Engraxada: cada cordoalha é acondicionada dentro de uma bainha metálica recebendo uma cobertura de graxa especial, sendo assim possível tensionar cada varão independentemente.

O módulo de elasticidade do aço de armadura ativa para concreto protendido pode ser considerado como 200 GPa e armadura passiva considerar 210 GPa. Já a classe de concreto corresponde a menor resistência característica à compressão que pode ser utilizada em é a classe C25, ou superior, ao concreto com armadura ativa.

Em relação ao concreto armado, o concreto protendido apresenta as seguintes vantagens:

    • Reduz as tensões de tração provocadas pela flexão e pelos esforços cortantes.
    • Controle e Redução de deformações e das fissurações.
    • Reduz as quantidades necessárias de concreto e de aço, devido ao emprego eficiente de materiais de maior resistência.
    • Permite vencer vãos maiores que o concreto armado convencional; para o mesmo vão, permite reduzir a altura necessária da viga
    • Facilita o emprego generalizado de pré-moldagem, uma vez que a protensão elimina a fissuração durante o transporte das peças
    • Projetos arquitetônicos mais ousados.
    • Possibilidade de uso em ambiente agressivo.
    • Lajes mais esbeltas do que as equivalentes em concreto armado, isso pode reduzir tanto a altura total de um edifício, como o seu peso e o carregamento das fundações.

Uma das vantagens mais importantes do concreto protendido é o possibilidade de vãos bem mais extensos pois as pontes com vigas retas de concreto armado têm seu vão livre limitado a 30m ou 40m, enquanto as pontes com vigas protendidas já atingiram vãos de 250m.

Os vãos extremos, se possível, devem ter comprimento menor que os vãos seguintes internos, de maneira a se manter os valores de momentos fletores dentro de uma mesma ordem de valores.

Na pré-tensão, ou pré-tração, sistema bastante utilizado nas estruturas pré-fabricadas, todo o processo é feito em uma pista instalada no galpão da fábrica. Neste sistema é feito um alongamento dos cabos de protensão em uma pista usualmente de 100 metros de comprimento. Lá, esse cabo é puxado por um macaco hidráulico e depois o concreto é lançado em cima do cabo já tensionado.

Quando o concreto endurece, são cortadas as extremidades do cabo e ele funciona como um elástico, só que ao invés de voltar para a posição inicial (como um elástico faria), o fato de ele estar envolvido por concreto acaba o comprimindo.

Nos sistema de protensão com aderência posterior, a protensão pode ser iniciada antes do atingimento da resistência característica do concreto aplicado na estrutura.

É possível executar a protensão sem aderência onde os cabos são colocados externamente à peça de concreto já moldada conforme figura abaixo.

A armadura passiva (frouxa) destinada a resistir às tensões locais de tração no concreto, transmitidas pela ancoragem, denomina-se Fretagem.

De modo geral, aplicam-se às regras e processos de cálculo relativos  peculiaridades:

  • estruturas     de concreto pré-moldado as às estruturas moldadas no local, com algumas
  • As estruturas devem ser verificadas em relação aos graus de liberdade adicionais, completos ou parciais, introduzidos pelos elementos pré-moldados.
  • Consideração especial deve ser dada às incertezas que podem afetar as reações mútuas dos elementos e de suas ligações.
  • Devem ser tomados cuidados especiais na organização geral da estrutura e nos detalhes construtivos, de forma a minimizar a possibilidade de colapso progressivo.

Em um processo construtivo utilizando estruturas de concreto pré-moldadas, quando o engenheiro está precisando saber qual a diferença entre a medida nominal de dimensão de projeto reservada para a colocação de um determinado elemento e a medida nominal da dimensão correspondente do elemento. Sendo assim, o engenheiro quer saber então qual é o Ajuste. O ajuste pode ser positivo ou negativo.

Interessante introduzir mais dois conceitos correlacionados e sutis que podem ser cobrados: Desvio é a diferença entre a dimensão básica e a correspondente executada e Tolerância á o valor máximo aceito para o desvio, prescrito obrigatoriamente no projeto.

Na execução de elementos pré-fabricados os encarregados da produção e do controle de qualidade devem estar de posse de manuais técnicos, cuidadosamente preparados pela direção da empresa responsável pelos trabalhos, que apresentem de forma clara e precisa, pelo menos, as especificações e procedimentos seguintes:

  • Formas, montagem, desmontagem, limpeza e cuidados;
  • Armadura, diâmetro dos pinos para dobramento das barras, manuseio, transporte, armazenamento, estado superficial, limpeza e cuidados;
  • Concreto, dosagem, amassamento, consistência, descarga da betoneira, transporte, lançamento e adensamento;
  • Protensão, forças iniciais e finais, medidas das forças e alongamentos, manuseio, transporte, armazenamento, estado superficial, limpeza e cuidados com fios, barras ou cabos de protensão;
  • Liberação da armadura pré-tracionada, método de liberação da armadura de seus apoios independentes e de seccionamento da armadura exposta entre elementos dispostos em linha, no caso de pistas de protensão na produção de elementos de concreto pré- fabricados por     pré-tração, cuidados e segurança contra acidentes;
  • Manuseio e armazenamento dos elementos, utilização de cabos, balancins ou outros meios para suspensão dos elementos, pontos de apoio, métodos de empilhamento, cuidados e segurança contra acidentes;
  • Tolerâncias, tolerâncias dimensionais e em relação a defeitos aparentes     das formas e da armadura, tolerâncias quanto à variação da     consistência e defeitos aparentes do concreto fresco, tolerâncias quanto à discrepância entre a medida do alongamento e da força aplicada à armadura protendida, tolerância em relação às resistências efetivas do concreto, tolerâncias de abertura de fissuras, tolerâncias dimensionais e em relação a defeitos aparentes dos elementos pré-fabricados acabados.

O controle de qualidade e a inspeção de todas as etapas de produção, transporte e montagens dos elementos pré-moldados devem ser executados de forma a garantir o cumprimento das especificações do projeto.

Os elementos produzidos em usina ou instalações analogamente adequadas aos recursos para produção e que disponham de pessoal, organização de laboratório e demais instalações permanentes para o controle de qualidade, devidamente inspecionada pela fiscalização do proprietário, recebem a classificação de pré-fabricados.

 

Tecnologias de concreto: Execução de traços

Tratando-se do preparo e execução do concreto, é oportuno abordar a questão da especificação do concreto. Especificar significa exatamente designar as qualidades que ser quer para qualquer material ou produto.

No caso do concreto, de acordo com o projeto, são requeridas determinadas propriedades que devem ser transmitidas ao executante da obra – mais especificamente ao responsável pelo concreto – sendo essas propriedades indicadas sob a forma de uma especificação. A forma de especificar o concreto implica em responsabilidade de quem especifica e de quem executa o concreto. O concreto pode ser especificado usualmente de duas maneiras, segundo os objetivos que se pretende:

  • Resistência;
  • Consumo de cimento ou traço.

O caso mais comum em que se usa a propriedade do concreto, cuja função é a mais importante é a Resistência. As normas, em geral, e em particular as brasileiras, estabelecem que se especifique a resistência característica.

Além da resistência, é necessário, para definir o concreto, que se especifique o tamanho máximo do agregado e o abatimento. Resumindo, nestes casos, deve-se especificar:

  • Resistência característica;
  • Tamanho máximo do agregado;
  • Abatimento do concreto.

Naturalmente, subentende-se que outras propriedades do concreto, tais como coesão da mistura, proporção adequada dos componentes, etc, são de responsabilidade de quem prepara o concreto.

No caso de consumo, deve-se especificar:

  • Consumo de cimento (kg/m3);
  • Tamanho máximo do agregado;
  • Abatimento.

Na especificação pelo traço, o pedido contém as quantidades de cada um dos componentes do concreto, inclusive água e aditivos e, evidentemente, que prepara o concreto só responde pelas proporções da mistura e pelas propriedades inerentes, ou seja, homogeneidade e integridade.

As demais propriedades do concreto fresco (abatimento) e endurecido (resistência, textura, etc) são de inteira responsabilidade de quem específica.

Em qualquer dos casos anteriores, particularmente quando se especifica resistência, podem-se fazer especificações complementares, tendo em vista certas propriedades especiais que se requer para o concreto. Estas propriedades são citadas abaixo:

  • Relação água/cimento: Quando o concreto deverá ficar exposto a meios agressivos, pode-se especificar um valor máximo para a relação água/cimento. Às vezes, a adoção desse máximo implica em resistência maior do que a necessária, prevalecendo então como valor a ser adotado o que foi exigido pela durabilidade. A especificação de resistência é então atendida, pois se obtém um valor maior do que o pretendido.
  • Massa Específica: Pode-se necessitar concretos leves (para isolação térmica, enchimento de pequeno peso, etc) ou pesados (para lastro pesado, retenção de raios X, ou outros), nesse caso, pode-se então especificar a massa específica desejada. Obtêm-se esses concretos com o uso de agregados leves ou pesados. No primeiro caso, temos a argila expandida, as vermiculitas, o poliestireno expandido, etc., e no segundo, temos a barita, óxidos de ferro, granalha de ferro, etc. Os concretos leves podem ter massas específicas desde 700 kg/m3 ou 800 kg/m3 e os pesados podem chegar até quase 4.000kg/m3. A resistência dos concretos leves, em geral, diminui com a massa específica, mas com argila expandida pode-se obter concretos estruturais com massas específicas entre 1.600 kg/m3 a 1.800kg/m3 e resistência compatíveis com funções estruturais.
  • Consumo de Cimento: Às vezes, devido a problemas de exposição a meios agressivos, é necessário fixar um consumo mínimo de cimento. Como no caso da relação água/cimento, pode ocorrer que o mínimo especificado para esse consumo resulte em resistência maior do que a pretendida, mas prevalece este critério para a fixação do traço.
  • Tipos de Cimento: Por razões tais como exposição a meio agressivo, necessidade de pequeno desprendimento de calor (peças muito robustas), agregados potencialmente reativos, etc., se exija cimentos especiais, como de alto forno, pozolânico, alta ou moderada resistências aos sulfatos, teor limitado de álcalis,etc..
  • Textura: Em certos casos, para a obtenção de efeitos especiais, como é o caso do concreto aparente, pode-se necessitar de um concreto com mais argamassa, com agregados especiais (concreto com agregado aparente), ou mesmo nos casos de concreto para bombeamento, pode-se especificar os requisitos pretendidos.
  • Aditivos: Pode ser especificado um aditivo ou pela designação comercial ou pela função que se deseja, por exemplo, retardador de pega, incorporação de ar, impermeabilização, expansão, etc. Quando é indicado o aditivo e o teor, a responsabilidade é de quem especifica e quando indicada a função, a responsabilidade é de quem prepara o concreto.
  • Outras especificações: Várias outras especificações podem se objeto de especificações complementares, por exemplo, permeabilidade, retração, fluência, teor de argamassa.

A dosagem consiste em determinar as quantidades de material dentro das proporções estabelecidas no laboratório. A dosagem pode ser feita por dois princípios gerais: volumétrico e gravimétrico.

Para se proceder à dosagem é necessário exprimir o traço ou composição do concreto, o que pode ser feito de diversas maneiras, tendo em vista o método a ser usado para determinar as quantidades.

Em geral, o laboratório determina o traço em massa, referido à unidade de massa de cimento. Quando o concreto é dosado volumetricamente, nas obras, por meio de caixotes, geralmente o traço se refere a um saco de cimento, cujo volume aparente é de 35 litros.

Uma terceira maneira de designar o traço de um concreto é pela massa de cada componente por metro cúbico de concreto. Este método é usado quando os traços são determinados gravimetricamente, isto é, pelo peso ou massa dos componentes.

Na dosagem volumétrica, conforme mencionado anteriormente, usa-se para os agregados volumes que são múltiplos de 35 litros (volume de um saco de cimento solto). Seriam necessárias duas medidas de caixas diferentes para a areia e para a pedra. Alterações na massa unitária dos agregados ou mesmo na umidade da areia vão exigir jogos de caixas diferentes.

Traços diferentes, também, vão exigir outros jogos de caixas. O trabalho com essa multiplicidade de medidas só é possível quando a obra dispõe de engenheiro e de um pequeno laboratório, e mesmo assim se torna muito problemático.

Para simplificar o problema, na prática, adotam-se traços com resistências maiores, mas cujos volumes relativos são múltiplos simples, como por exemplo, 1:2: 3 em lugar de 1:2,15:3,6. Dessa forma, desperdiça-se cimento, mas em pequenos serviços esse fato não é importante.

Outro ponto a ser considerado na dosagem manual, por meio de caixas, são as variações introduzidas devido às diferenças no enchimento (volume faltante ou em excesso) ou na compactação, que pode dar diferenças de até 1kg a 1,5kg de material para mais ou para menos, ou seja, variações de 2 kg a 3kg em cada 35 litros.

Essas variações são compensadas pelo fato de que a resistência média adotada é geralmente maior (devido ao arredondamento dos traços), mas no caso de se introduzirem erros sistemáticos para menos, o que geralmente ocorre nos casos de concretagens em ritmo acelerado, o resultado é uma redução no volume do concreto que tem, também, como consequência um acréscimo desnecessário de consumo de cimento.

Essas diferenças decorrem do enchimento e rasamento malfeitos das caixas e podem chegar próximas de 6% a 9% do peso do material, o que representa até 6% do volume do concreto.

Recomenda-se, portanto, muito cuidado no enchimento das caixas e, se possível, uma verificação periódica das massas unitárias, principalmente, em se tratando de obras grandes e de responsabilidade.

Existe dosadores volumétricos contínuos cujo princípio de funcionamento é uma comporta regulável, que descarrega sobre uma esteira os agregados e o cimento a uma vazão constante. A vazão é determinada pelas dimensões da comporta e pela velocidade da esteira. A água é dosada por um dispositivo de vazão controlada. A massa unitária dos componentes do concreto, nas condições de trabalho do equipamento, tem influência no fluxo de material por unidade tempo. Uma aferição periódica permitirá uma regularidade satisfatória nas proporções da mistura.

As aferições devem ser feitas, obrigatoriamente, quando houver qualquer alteração nas propriedades dos materiais, como, por exemplo, mudança de procedência, alteração da umidade da areia, etc.

Na Dosagem em massa os componentes são dosados em massa, por meio de balanças. Este método é o mais seguro de todos, pois permite determinações suficientemente precisas das quantidades de cada componente.

Além disso, as correções a serem feitas, devidas às variações da umidade da areia, tornam-se muito simples, pois deve-se somente multiplicar a massa da areia por um fator igual a (1+h) onde h é a umidade. A quantidade de água deverá ser diminuída da massa de areia multiplicada por h, pois este produto é igual à quantidade de água carreada pela areia.

Os equipamentos mais difundidos, que operam por este princípio, consistem de balanças de agregados, algumas acumulando as massas dos agregados colocados em certa sequência e outras dispondo de uma balança para cada agregado.

Os agregados são colocados na balança por descarga de silos, por meio de comportas operadas geralmente hidráulicas ou pneumaticamente. Em instalações provisórias ou temporárias os agregados podem ser colocados na balança por meio de carregadeiras.

O cimento, às vezes, é dosado em sacos, principalmente em estágios iniciais de funcionamento de centrais ou em instalações provisórias ou temporárias, mas em geral, estocado a granel em silos e pesados em balança separada.

A utilização de cimento em sacos limita a pesagem a frações mínimas de 25kg (meio saco), o que às vezes leva a um pequeno desperdício, pois as aproximações são, em geral, feitas para valores maiores.

Em relação ao Controle da Resistência, para assegurar a obtenção de um concreto com as mesmas propriedades obtidas em laboratório é muito importante o controle da resistência. Embora nem sempre a resistência seja a mais importante ou a única propriedade requerida, geralmente é usada para se controlar a qualidade do concreto.

É válida a suposição de que qualquer variação introduzida durante o preparo do concreto se refletirá na sua resistência. Essas variações podem ocorrer na qualidade dos materiais, na eficiência dos equipamentos ou nos procedimentos. O resultado obtido, se acusar desvio na qualidade, indicará a necessidade de identificação da causa e da providência corretiva a ser tomada. Além disso, o controle da resistência do concreto tem a finalidade de proporcionar informações sobre as propriedades do concreto realmente obtidas.

A média permite avaliar a correção dos métodos de execução e o desvio padrão é um indicativo da variabilidade, ou seja, dos cuidados durante as operações de preparo do concreto.

O controle pela resistência tem o inconveniente de serem os resultados obtidos depois do concreto lançado e endurecido. No caso de se concluir pela suficiência da qualidade do concreto, as providências são sempre problemáticas e às vezes dispendiosas.

O uso de ensaios com endurecimento acelerado atenua estes inconvenientes, mas não os elimina completamente.

Por isso, é consenso geral de que o melhor controle é o que se faz previamente, ou seja, o controle dos materiais, equipamentos e procedimentos, procurando minimizar os riscos de no controle final, pela resistência, se obterem resultados indesejáveis.

A mistura manual de concreto permite controle tecnológico menos eficaz do que o preparo mecanizado, apesar de propiciar fácil visualização da massa e baixo gasto de energia durante o preparo, o controle tecnológico não é realizado através da visualização e sim de ensaios além do fato que a mistura mecanizada deixa o concreto mais uniforme e de melhor qualidade e consistência.

Durante o transporte horizontal do concreto, NÃO é benéfica a ocorrência de trepidação. O sistema de transporte deve ser tal que permita o lançamento direto nas fôrmas, evitando-se depósitos intermediários ou transferência de equipamentos. O tempo de duração do transporte deve ser o menor possível, para minimizar os efeitos relativos à redução da trabalhabilidade com o passar do tempo

Após o lançamento do concreto, é prejudicial a ocorrência excessiva de vibração mecânica, que deve ser interrompida quando as bolhas superficiais desaparecerem e a umidade da superfície uniformizar-se.

Devem ser realizados ensaios de consistência pelo abatimento do tronco de cone, conforme a NBR 7223, ou pelo espalhamento do tronco de cone, conforme a NBR 9606.

Para o concreto preparado pelo executante da obra, devem ser realizados ensaios de consistência sempre que ocorrerem alterações na umidade dos agregados e nas seguintes situações:

  • Na primeira amassada do dia;
  • Ao reiniciar o preparo após uma interrupção da jornada de concretagem de pelo menos 2 h;
  • Na troca dos operadores;
  • Cada vez que forem moldados corpos-de-prova.

Para o concreto preparado por empresa de serviços de concretagem devem ser realizados ensaios de consistência a cada betonada.

A NBR 12654 (Controle Tecnológico dos Materiais Componentes do Concreto) dispõe sobre os ensaios que devem ser efetuados nestes materiais.Como sabemos que praticamente impossível encontrar materiais totalmente isentos de substâncias     nocivas, as normas desempenham um papel de fundamental importância, pois nos apresentam os limites de tolerância destes elementos. Já entre as determinações da NBR 12655 (Concreto – preparo, controle e recebimento) existe a obrigatoriedade de uma dosagem experimental para concretos com resistência igual ou superior a 15 MPa.

A verificação  das armaduras é função integrante do controle tecnológico do concreto.

A resistência característica de um concreto é considerada como o maior valor encontrado nos ensaios com os corpos de prova moldados na obra. As amostras devem ser coletadas aleatoriamente durante a operação de concretagem, conforme a NBR 5750. Cada exemplar é constituído por dois corpos-de-prova da mesma amassada, conforme a NBR 5738, para cada idade de rompimento, moldados no mesmo ato.

Segundo a NBR 6.118/2003, para a construção de pilares de concreto armado, o fck mínimo é de 20 Mpa, e, para obras de fundações, pode-se utilizar concreto com resistência menor.

No ensaio de auscultação mecânica, quanto maior a velocidade do som medida, melhor será a condição do concreto. Para avaliação da qualidade do concreto pela velocidade de propagação do ultrassom, será adotada a tabela a seguir, endossada pela ABCP, usando o aparelho PUNDIT.

O controle de concreto endurecido é efetuado por meio de ensaios não destrutivos, com o emprego     de esclerômetro. Esclerômetro de reflexão é um aparelho usado em ensaio não destrutivo para determinação da dureza superficial do concreto endurecido. Esclerômetro de impacto, para determinação “in loco” e de forma não destrutiva do valor aproximado da resistência à compressão superficial do concreto. Ideal para uso em peças pré- fabricadas, determinações rápidas de estruturas novas, estruturas submetidas a fogo, congelamento.

Caso haja alterações na dosagem dos componentes do concreto, devem ser retirados os corpos de prova, que serão rompidos a 3, 7 e 28 dias. As amostras para controle tecnológico do concreto, quando este for dosado em unidade central, deverão ser, no mínimo, de trinta litros, coletadas no segundo terço do caminhão betoneira.

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