UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS – UEG
UNIDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
PAULO VICTOR SILVA DE OLIVEIRA
ESTUDO DA ADERÊNCIA AÇO-CONCRETO:
ENSAIO DE TIRANTES
PUBLICAÇÃO Nº: ENC. PF – 145/2011
ANÁPOLIS / GO
2011
ii
PAULO VICTOR SILVA DE OLIVEIRA
ESTUDO DA ADERÊNCIA AÇO-CONCRETO:
ENSAIO DE TIRANTES
PUBLICAÇÃO Nº: ENC. PF – 145/2011
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CURSO DE
ENGENHARIA CIVIL DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE
GOIÁS.
ORIENTADORA: VALÉRIA CONCEIÇÃO MOURO COSTA,
M.Sc.
ANÁPOLIS / GO: 2011
iii
FICHA CATALOGRÁFICA
Catalogação na Fonte
Biblioteca UnUCET – UEG
Jerusa da Silva Alves Guimarães – CRB 1/1938
De Oliveira, Paulo Victor Silva
Estudo da Aderência Aço-Concreto: Ensaio de Tirantes. / Paulo Victor Silva de
Oliveira – Anápolis: Universidade Estadual de Goiás, Curso de Engenharia Civil,
2011.
67p. il. ; 31 cm. – (Monografia / Universidade Estadual de Goiás, Unidade
Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas – Curso de Engenharia Civil).
I.
De Oliveira, Paulo Victor Silva
II.
Título
III.
Monografia.
1. Concreto Armado
2. Aço
3. Aderência
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
DE OLIVEIRA, P. V. S. Estudo da aderência aço-concreto: Ensaio de tirantes. Trabalho de
Conclusão de Curso, Engenharia Civil, Universidade Estadual de Goiás, Anápolis, GO, 67p.
2011.
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Paulo Victor Silva de Oliveira
TÍTULO DA MONOGRAFIA DE PROJETO FINAL: Estudo da aderência aço-concreto:
Ensaio de tirantes.
GRAU: Bacharel em Engenharia Civil. ANO: 2011
É concedida à Universidade Estadual de Goiás a permissão para reproduzir cópias
deste projeto final e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos
e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte deste projeto final
pode ser reproduzida sem a autorização por escrito do autor.
__________________________________
Paulo Victor Silva de Oliveira
Avenida A Nº 60 Apto. 512-A Residencial Vila Rica Setor Leste Vila Nova
74635-030 – Goiânia/GO – Brasil
[email protected]
iv
PAULO VICTOR SILVA DE OLIVEIRA
ESTUDO DA ADERÊNCIA AÇO-CONCRETO:
ENSAIO DE TIRANTES
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE BACHAREL.
APROVADO POR:
________________________________________________
VALÉRIA CONCEIÇÃO MOURO COSTA, M. Sc. (UEG)
(ORIENTADOR)
_______________________________________________
ANA LÚCIA CARRIJO ADORNO, D. Sc. (UEG)
(EXAMINADOR INTERNO)
___________________________________________________
LIANA DE LUCCA JARDIM BORGES, D. Sc. (UEG)
(EXAMINADOR INTERNO)
ANÁPOLIS/GO, 01 de Julho de 2011.
v
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho primeiramente a Deus, pela saúde,
fé e perseverança. A minha mãe, Geralda, que nunca
duvidou da minha capacidade. Por fim, ao meu pai,
Marcos Antônio, que mesmo não estando aqui entre nós,
me deu forças nos momentos dificies.
vi
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que me permitiu a inteligência e a sabedoria.
À minha mãe, Geralda, pelo carinho, dedicação e amor, que sempre me apoiou e me
amparou quando se fazia necessário.
À minha orientadora Professora Valéria, pelo constante apoio, incentivo, dedicação e
amizade essenciais para a elaboração deste trabalho e para o meu desenvolvimento como
pesquisador.
À minha família por todo o apoio prestado.
Aos meus amigos de faculdade, Raphael Kratka, Nilo, Fernando Rheinländer e Pedro
Curado, que estiveram comigo nos momentos bons e também nos momentos ruins.
Ao amigo e ex-chefe, Júlio Nunes, pela excepcional amizade e pelo apoio profissional.
A todos, os meus sinceros agradecimentos.
vii
“A mente que se abre a uma nova idéia
jamais voltará ao seu tamanho original”.
Albert Einstein
viii
RESUMO
O uso eficiente dos materiais estruturais é a chave para o desenvolvimento da
construção civil. A associação entre o aço e o concreto em vigas, pilares e lajes tem ocorrido
em maior escala nas estruturas de concreto armado. Nestas, os elementos são compostos por
concreto de qualidade estrutural e as barras de armadura adequadamente dimensionadas e
detalhadas são inseridas no concreto simples. Nos elementos de concreto armado, admite-se a
interação completa entre os dois materiais para que ocorra a integral transferência dos
esforços e a compatibilidade de deformações. (De NARDIN et al, 2005).
A aderência pode ser entendida como a ligação existente entre o aço e o concreto,
impedindo o deslocamento relativo entre os dois materiais, formando assim uma peça
solidária. De modo esquemático, a aderência é dividida em três parcelas: adesão, aderência
mecânica e atrito, que em conjunto compõem a aderência natural.
Os objetivos deste trabalho são estudar a importância da aderência nas estruturas de
concreto armado e apresentar os resultados obtidos por meio do ensaio de tirantes e comparálos com os resultados da NBR 7477 (ABNT, 1982)
A metodologia utilizada para atingir os objetivos propostos, inicialmente foi realizada
uma revisão bibliográfica sobre a importância da aderência aço-concreto nas estruturas de
concreto armado, posteriormente este trabalho apresenta os resultados do ensaio de tirantes,
segundo NBR 7477 (ABNT, 1982), realizado com concreto convencional, na idade de 90
dias, para determinação do coeficiente de conformação superficial das barras de aço.
As barras de aço utilizadas nos experimentos foram do tipo nervuradas de diâmetros
nominal de 10,0mm, 12,5mm e 16,0mm.
Os resultados obtidos através do ensaio mostram que todas as barras de aço atenderam
a NBR 7477 (ABNT, 1982).
Palavras-chave: concreto armado, aço, aderência.
ix
ABSTRACT
The efficient use of structural materials is the key to the development of the
construction. The association between the steel and concrete beams, columns and slabs has
occurred on a larger scale in concrete structures. In these, the elements are composed of
structural quality concrete and rebar properly sized and details are entered in plain concrete.
In reinforced concrete elements, it is assumed the complete interaction between the two
materials for the occurrence of transfer of full efforts and compatibility of deformations.
The grip can be understood as the link between steel and concrete, preventing relative
movement between the two materials, thus forming a joint piece. Schematically, the grip is
divided into three parts: accession, mechanical grip and friction, which together comprise a
natural grip.
Our objectives are to study the importance of adherence in the reinforced concrete
structures and present the results obtained from the test traces and compare them with the
results of the NBR 7477 (ABNT, 1982)
The methodology used to achieve the proposed objectives, was initially performed a
literature review on the importance of adherence in the steel-concrete reinforced concrete
structures, then this paper presents the results of the test rods, according to NBR 7477
(ABNT, 1982), held with conventional concrete, at the age of 90 days to determine the
coefficient of surface conformation of the steel bars.
The steel bars used in the experiments were the type of ribbed nominal diameters of
10.0 mm, 12.5 mm and 16.0 mm.
The results obtained by testing show that all the steel bars met the NBR 7477 (ABNT,
1982).
Keywords: concrete, steel, adhesion.
x
LISTA DE FIGURAS
Título
Página
Figura 2.1 Tipos de superfície das barras, adap. FUSCO (1995)...............................................5
Figura 2.2 Situações de boa e má aderência para armaduras horizontais...................................7
Figura 2.3 Aderência por adesão, adap. FUSCO (1995). ...........................................................9
Figura 2.4 Aderência mecânica, adap. FUSCO (1995) ............................................................10
Figura 2.5 Aderência por atrito, PINHEIRO & MUZARDO (2003). ......................................11
Figura 2.6 Formação de espaços vazios ou poros sob as barras concretadas em posição
horizontal devida à segregação e ao acúmulo de água, LEONHARDT (1979). ......................14
Figura 2.7 Efeito da resistência à compressão do concreto na resistência, DUCATTI (1993,
apud BARBOSA, 2001) ...........................................................................................................15
Figura 2.8 Ensaio de arrancamento direto (RILEM RC5, 1982)..............................................16
Figura 2.9 Ensaio de arrancamento com anel circunferencial (FRANÇA, 2004)....................17
Figura 2.10 Ensaio de flexão em vigas (RILEM RC5, 1982). .................................................18
Figura 2.11 Ensaio de extremidade de viga. RIBEIRO (1985) ................................................18
Figura 2.12 Esquema do corpo de prova do ensaio das quatro barras. DUCATTI (1993). .....19
Figura 2.13 Esquema geral de ensaio desenvolvido por DUCATTI (1993) ............................20
Figura 2.14 Esquema do corpo de prova (FRANÇA, 2004) ....................................................21
Figura 2.15 Coeficiente de conformação da barra de ø 10mm (França, 2004) ........................24
Figura 2.16 Coeficiente de conformação da barra de ø 12,5mm (França, 2004) .....................24
Figura 2.17 Coeficiente de conformação da barra de ø 16,0mm (França, 2004) .....................25
xi
Figura 3.1 Slump Test. .............................................................................................................27
Figura 3.2 Lona plástica nos corpos de prova. .........................................................................29
Figura 3.3 Ensaio de resistência à compressão axial................................................................29
Figura 3.4 Ensaio de resistência à tração por compressão diametral .......................................30
Figura 3.5 Ensaio de módulo de elasticidade, detalhe do sistema de medição das deformações
..................................................................................................................................................30
Figura 3.6 Tensão de compressão ............................................................................................31
Figura 3.7 Tensão de tração......................................................................................................32
Figura 3.8 Módulo de deformação ...........................................................................................32
Figura 3.9 Leitura do ângulo de inclinação das nervuras .........................................................34
Figura 3.10 Moldes para os corpos de prova............................................................................36
Figura 3.11 Formas dos tirantes ...............................................................................................37
Figura 3.12 Sistema de carregamento ......................................................................................38
Figura 3.13 Marcação das fissuras ...........................................................................................39
Figura 4.1 Espaçamento médio entre as fissuras – aço de 10,0mm .........................................41
Figura 4.2 Espaçamento médio entre as fissuras – aço de 12,5mm .........................................42
Figura 4.3 Espaçamento médio entre as fissuras – aço de 16,0mm .........................................42
xii
LISTA DE TABELAS
Título
Página
Tabela 2.1 Relação entre η e η1 ..................................................................................................5
Tabela 2.2 Valores obtidos de XM e CV – 28 dias (França, 2004) .........................................22
Tabela 2.3 Valores obtidos de XM e CV – 90 dias (França, 2004) .........................................23
Tabela 2.4 Coeficiente de conformação superficial (França, 2004).........................................23
Tabela 2.5 Aumento em porcentagem do (η) em relação ao aumento do diâmetro da barra
(França, 2004)...........................................................................................................................25
Tabela 3.1 Resultados das propriedades mecânicas do concreto .............................................31
Tabela 3.2 Resultados da caracterização das barras de aço......................................................33
Tabela 3.3 Comparação dos espaçamentos entre nervuras obtidos e os intervalos exigidos pela
NBR 7480 (ABNT, 1996) ........................................................................................................35
Tabela 3.4 Dimensões dos tirantes ensaiados...........................................................................36
Tabela 4.1 Espaçamento médio entre fissuras..........................................................................40
Tabela 4.2 Valores obtidos de CPM, DP e CV ........................................................................43
Tabela 4.3 Valores do coeficiente de aderência .......................................................................43
Tabela 4.4 Tensão de aderência segundo CASTRO (2000).....................................................44
Tabela 4.5 Tensão de aderência segundo NBR 6118 (ABNT, 2003).......................................45
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas;
a
espaçamento médio entre 10 nervuras consecutivas das barras de aço;
Ac
área de concreto;
An
área da nervura;
As
área de aço;
BT
beam test;
CAD
concreto de alto desempenho;
CEB
Comité Euro-International du Béton;
CP
Corpo-de-prova;
CV
coeficiente de variação da amostra;
Ec
módulo de elasticidade do concreto;
Es
módulo de elasticidade do aço;
e
altura mínima da nervura das barras de aço;
fbd
tensão de aderência (de cálculo) adotada pela norma brasileira;
fc
resistência à compressão do concreto;
fcm
resistência média à compressão do concreto;
fct
resistência à tração do concreto;
f
resistência média à tração do concreto;
fy
resistência de escoamento do aço à tração;
fr
área relativa da nervura;
IPT
Instituto de Pesquisas Tecnológicas;
La
comprimento de ancoragem;
Lb
comprimento de ancoragem (normalização brasileira);
M
valor médio;
n
número de nervuras no comprimento de ancoragem;
N
força de tração;
NBR
norma brasileira de regulamentação;
q
carga aplicada;
P
força;
POT
ensaio de pull out (arrancamento);
xiv
Sn
distância entre nervuras transversais centro a centro;
S
deslizamento;
smáx
deslizamento máximo;
us
deslocamento do aço;
Xm
valor médio do espaçamento entre as nervuras;
β
ângulo de inclinação da nervura;
εc
deformação no concreto;
εs
deformação no aço;
φ
ângulo de fricção do concreto;
ø
diâmetro da barra;
ρ
taxa de armadura;
σc
tensão no concreto;
σs
tensão no aço;
η
coeficiente de conformação superficial das barras de aço;
η(1,2,3)
coeficiente da normalização brasileira;
τ
tensão de aderência;
τbm
tensão média de aderência oriunda da rigidez da peça;
τm
tensão média de aderência;
τmáx
tensão máxima de aderência;
τu
tensão última (ruptura) da aderência;
∆
variação percentual;
∆s
distância entre duas fissuras.
xv
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................................1
1.1
OBJETIVOS E JUSTIFICATIVAS....................................................................1
1.2
METODOLOGIA A SER UTILIZADA.............................................................2
1.3
CONTEÚDO DO TRABALHO .........................................................................2
2 REVISÃO DA LITERATURA SOBRE ADERÊNCIA AÇO-CONCRETO................4
2.1
CONDIÇÕES INICIAIS .....................................................................................4
2.2
TIPOS DE ADERÊNCIA ...................................................................................8
2.3
2.4
2.2.1
ADERÊNCIA POR ADESÃO .................................................................................. 9
2.2.2
ADERÊNCIA MECÂNICA ..................................................................................... 9
2.2.3
ADERÊNCIA POR ATRITO ................................................................................. 10
FATORES QUE INFLUENCIAM NA TENSÂO DE ADERÊNCIA ..............11
2.3.1
ADENSAMENTO DO CONCRETO ....................................................................... 11
2.3.2
CONFORMAÇÃO SUPERFICIAL ......................................................................... 12
2.3.3
DIÂMETRO DA BARRA ..................................................................................... 12
2.3.4
IDADE DO CONCRETO ...................................................................................... 13
2.3.5
POSIÇÃO DA BARRA NA CONCRETAGEM .......................................................... 13
2.3.6
RESISTÊNCIA MECÂNICA DO CONCRETO ......................................................... 14
2.3.7
TRAÇO DO CONCRETO ..................................................................................... 15
ENSAIOS DE ADERÊNCIA............................................................................15
2.4.1
ENSAIO DE ARRANCAMENTO DIRETO: PULL-OUT TEST (POT) ................... 16
2.4.2
ENSAIO DE ARRANCAMENTO COM ANEL CIRCUNFERENCIAL: RING PULL – OUT
TEST
17
2.4.3
ENSAIO DE FLEXÃO: BEAM TEST (BT).............................................................. 17
2.4.4
ENSAIO DE EXTREMO DE VIGA: BEAM END TEST ............................................ 18
2.4.5
ENSAIO DE ADERÊNCIA DO TIPO PUSH-OUT TEST........................................... 19
2.4.6
ENSAIO DAS QUATRO BARRAS ......................................................................... 19
xvi
2.4.7
ENSAIO DE CONFORMAÇÃO SUPERFICIAL OU ENSAIO DE TIRANTE DE
CONCRETO ................................................................................................................... 20
2.5
PESQUISA SOBRE ENSAIOS DE TIRANTES..............................................22
2.5.1
FRANÇA (2004)................................................................................................ 22
3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................27
3.1
INTRODUÇÃO .....................................................................................................27
3.2
CONCRETO .........................................................................................................27
3.2.1
PROPRIEDADES MECÂNICAS ........................................................................... 28
3.3
ARMADURA .......................................................................................................32
3.4
MÉTODO EXPERIMENTAL ...................................................................................35
3.4.1
ENSAIOS DE TIRANTES .................................................................................... 35
3.4.2
FABRICAÇÃO DOS TIRANTES ........................................................................... 37
3.4.3
SISTEMA DE CARREGAMENTO ......................................................................... 38
3.4.4
SISTEMA DE LEITURA ...................................................................................... 39
4 APRESENTÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS .....................................................40
4.1
RESULTADOS EXPERIMENTAIS ...........................................................................40
4.2
ANÁLISE ESTATÍSTICA........................................................................................40
4.2.1
COEFICIENTE DE VARIAÇÃO DA AMOSTRA ...................................................... 40
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..........................46
5.1
CONCLUSÕES .....................................................................................................46
5.2
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................47
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................48
1
1 INTRODUÇÃO
Ao longo da história o homem tem explorado diversas concepções estruturais, sempre
em função da cultura, dos padrões arquitetônicos vigentes, dos aspectos financeiros e das
limitações técnicas existentes. Diversos são os materiais e infinitas são as combinações entre
eles, porém, a associação entre o aço e o concreto para formar peças estruturais resistentes aos
diferentes tipos de esforços, mostrou ser a solução mais viável, não somente pelo aspecto
econômico e técnico como também pela disponibilidade dos materiais (SILVA, 2006).
A associação entre o aço e o concreto em vigas, pilares e lajes tem ocorrido em maior
escala nas estruturas de concreto armado. Nestas, os elementos são compostos por concreto de
qualidade estrutural e as barras de armadura adequadamente dimensionadas e detalhadas são
inseridas no concreto simples. Nos elementos de concreto armado, admite-se a interação
completa entre os dois materiais para que ocorra a integral transferência dos esforços e a
compatibilidade de deformações (BARBOSA, 2001).
As últimas três décadas têm presenciado a adoção de uma nova alternativa para a
associação aço-concreto nas edificações. São as estruturas mistas aço-concreto, que se
diferenciam das estruturas de concreto armado usuais pela maneira como se apresenta o aço
estrutural. Neste trabalho será realizada uma revisão bibliográfica sobre a aderência e, um
levantamento das pesquisas que utilizaram os ensaios de tirantes, com diferentes tipos de
concretos, comparando os resultados entre si e com a formulação teórica da NBR 7477
(ABNT, 1982).
1.1 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVAS
Este trabalho tem como objetivo geral estudar a importância da aderência nas
estruturas de concreto armado. Como objetivos específicos, podem ser citados:
a) Fazer uma revisão bibliográfica sobre a aderência;
b) Apresentar os resultados obtidos através do ensaio de tirantes, comparando os
resultados encontrados com a NBR 7477 (ABNT, 1982) e com NBR 6118 (ABNT,
2003)
2
O estudo da aderência entre o aço e o concreto envolve uma grande quantidade de
variáveis, tais como: a resistência à compressão do concreto, diâmetro da barra,
comprimento de ancoragem, adensamento e entre outras, onde cabe destacar que
algumas dessas variáveis ainda não têm sua influência completamente estabelecida
como, por exemplo, comprimento de ancoragem.
1.2 METODOLOGIA A SER UTILIZADA
Visando atingir os objetivos propostos, inicialmente será realizada uma revisão
bibliográfica sobre a importância da aderência aço-concreto nas estruturas de concreto
armado, posteriormente será realizado o ensaio de tirantes e comparando os resultados
encontrados com a NBR 7477 (ABNT, 1982). Em seguida, será realizada uma análise
estatística dos ensaios de tirantes que foram realizados.
1.3 CONTEÚDO DO TRABALHO
O trabalho está estruturado, em seis capítulos, além das referências bibliográficas. A
seguir é apresentada uma descrição a respeito do conteúdo dos capítulos.
O capítulo 2 apresenta uma revisão da literatura sobre aderência aço-concreto.
Inicialmente são tratados os principais tipos de aderências existentes entre o aço e o concreto,
tais como por atrito, mecânica e adesão, bem como os fatores que influenciam na aderência
aço-concreto: adensamento do concreto, comprimento de ancoragem, conformação
superficial, diâmetro da barra, estado superficial, idade do concreto, posição da barra na
concretagem, resistência à compressão simples do concreto e por fim, traço do concreto.
Posteriormente, são contemplados os seguintes ensaios de aderência: ensaio de
arrancamento direto – pull-out test (pot) , ensaio de arrancamento com anel circunferencial –
ring pull – out test, ensaio de flexão – beam test (bt), ensaio de aderência do tipo push-out
test, ensaio de extremo de viga – beam end test, ensaio das quatro barras e ensaio de
conformação superficial ou ensaio de tirante de concreto.
3
O capítulo 3 e o capítulo 4 descreve o ensaio de tirantes, sendo que o capítulo 3 aborda
o programa experimental, o capítulo 4 fala sobre a apresentação e análise de resultados do
ensaio comparando com a NBR 7477 (ABNT, 1982). As principais conclusões e sugestões
para trabalhos futuros serão apresentados no capítulo 5.
4
2 REVISÃO DA LITERATURA SOBRE ADERÊNCIA AÇO-CONCRETO
2.1 CONDIÇÕES INICIAIS
A descoberta do cimento tem sua origem nas pesquisas realizadas por Smeaton e
Parker, no século XVIII, sendo que sua produção industrial somente ocorreu no século
seguinte, como conseqüência dos estudos e pesquisas de Vicat e Josef Aspdin, na Inglaterra,’
em 1824 (KAEFER, 1998).
O concreto armado surgiu na França em 1849, quando Lambot construiu um pequeno
barco com argamassa e fios de aço de pequeno diâmetro, exibido em Paris em 1855
(BASTOS, 2006).
Em 1861, o horticultor e paisagista Joseph Monier, constrói vasos ornamentais em
argamassa armada, conseguindo em 1867 patentear essa invenção. Posteriormente, consegue
patentes de tubos, reservatórios, placas e pontes (BASTOS, 2006).
Em 1850 tem início uma série de ensaios realizados pelo advogado norte americano
Thaddeus Hyatt, que em 1877 obtém patente para um sistema de execução de vigas de
concreto e aço, no qual as barras previam os efeitos de tração e cisalhamento, sugerindo o uso
de estribos e barras dobradas (VASCONCELOS, 1992).
O concreto armado pode ter surgido da necessidade de se aliar as qualidades da pedra
(resistência à compressão e durabilidade) com as do aço (resistências à tração), com as
vantagens de poder assumir qualquer forma, com rapidez e facilidade, e proporcionar a
necessária proteção do aço contra a corrosão (BASTOS, 2006).
De acordo com Ferguson et al. (1988), como o concreto armado é formado por dois
materiais distintos, o dimensionamento desses tipos de estruturas se torna mais difícil
justamente por apresentarem comportamentos diferentes. Percebe-se isso pela curva tensão x
deformação de cada material específico. Para que o concreto armado funcione como qualquer
outro material estrutural que tenha o objetivo de garantir a segurança é imprescindível que se
tenha uma perfeita aderência entre o aço e o concreto, de modo a funcionar como um material
único, uniforme, homogêneo e isótropo.
5
Se não há contato entre aço e concreto, não pode haver força de tração no aço. Deve,
portanto, haver aderência entre aço e concreto para que o aço trabalhe com eficiência, ou seja,
as tensões de tração possam ser transmitidas perfeitamente do concreto para o aço. Em barras
nervuradas essa transferência de tensões são maiores do que as barras lisas (Figura 2.1),
justamente pelo maior atrito conseguido por esse tipo de barra (FUSCO, 1995).
Figura 2.1 – Tipos de superfície das barras, adap. FUSCO (1995)
A caracterização da superfície de aderência das barras de aço destinada a armaduras
para concreto armado é feita pelo coeficiente de conformação superficial η, através de ensaio
estabelecido na NBR 7477 (ABNT, 1982). Os valores mínimos para este coeficiente,
apresentados na NBR 7480 (ABNT, 1996) são estabelecidos em função da categoria do aço.
Para a NBR 6118 (ABNT, 2003), a conformação superficial é medida pelo coeficiente η1. Os
valores para este coeficiente são estabelecidos em função do tipo de superfície lateral das
barras. As relações entre os coeficientes η e η1, apresentadas pela NBR 6118 (ABNT, 2003),
item 8.3.2, são mostradas na Tabela 2.1.
Tabela 2.1- Relação entre η e η1, conforme NBR 6118 (ABNT, 2003)
Tipo de barra
Lisa (CA-25)
Entalhada (CA-60)
Alta aderência (CA-50)
Coeficiente de conformação superficial
η
η1
1,0
1,0
1,2
1,4
≥ 1,5
2,25
Para a determinação da resistência de aderência de cálculo fbd, a NBR 6118 (ABNT,
2003) adota uma expressão que representa a média da resistência uma vez que sua variação
não é uniformemente distribuída ao longo da barra. De acordo com a NBR 6118 (ABNT,
6
2003) a resistência de aderência de cálculo entre armadura e o concreto na ancoragem de
armaduras passivas é obtida pela seguinte expressão:
f bd = η1 × η 2 × η 3 × f ctd
Sendo:
f ctd =
f ctk ,inf
γc
;
2
f ct , m = 0,3 × f ck 3 ;
f ctk ,inf = 0,7 × f
ct , m
;
fck = resistência característica à compressão do concreto;
γc = coeficiente de ponderação das resistências no estado limite último;
η1 = tipo de superfície da barra;
η1 = 1,0 para as barras lisas;
η1 = 1,4 para as barras entalhadas;
η1 = 2,25 para as barras nervuradas;
η2 = coeficiente de aderência;
η2 = 1,0 para situações de boa aderência;
η2 = 0,7 para situações de má aderência;
η3 = coeficiente de diâmetro da bitola;
η3 = 1,0 para ø < 32 mm;
η3 =
132 − φ
para ø ≥ 32 mm;
100
fctd = resistência a tração de cálculo do concreto;
ø é o diâmetro da barra em mm.
Equação (2.1)
7
Nota-se que a resistência de aderência de cálculo depende diretamente da formação
superficial da barra, da localização da barra no elemento estrutural, considerando-se as zonas
de boa ou má aderência (Figura 2.2), do diâmetro das barras e da resistência à tração de
cálculo do concreto fctd.
Figura 2.2 – Situações de boa e má aderência para armaduras horizontais
A aderência é pior nas barras superiores de uma concretagem devido aos seguintes
fatores:
a) Fator água/cimento mais alto devido à migração da água para a superfície durante a
vibração;
b) Recalque plástico do concreto debaixo das barras.
Para o cálculo de comprimento de ancoragem (lb) tem-se a seguinte fórmula:
lb =
φ
4
×
f yd
f bd
Onde:
Ф = diâmetro da armadura longitudinal;
fyd = tensão de escoamento de cálculo do aço;
Equação (2.2)
8
fbd = tensão de aderência.
2.2 TIPOS DE ADERÊNCIA
A hipótese fundamental do concreto armado está baseada na transferência de esforços
entre a armadura e o concreto, que é possível devido à iminência de escorregamento relativo
entre os dois materiais, sendo que a resistência ao escorregamento é entendida como
resistência de aderência ou simplesmente aderência. A tensão de cisalhamento, atuante na
interface formada pelo concreto e a armadura é comumente utilizada para identificar a
aderência entre os dois materiais (ROSSI, 2002).
De acordo com Fusco (1995), a solidariedade entre a armadura e o concreto é
garantida pela existência de certa aderência entre os dois materiais, sendo a mesma composta
de diversas parcelas, que decorrem de diferentes fenômenos que intervêm na ligação dos dois
materiais.
Segundo Leonhardt & Mönnig (1977), a aderência em peças de concreto armado surge
sempre que houver variação de tensões em determinado trecho de barras de aço. As principais
causas dessas variações de tensões são: ações externas, fissuras, forças de ancoragem nas
extremidades das barras, variações de temperatura, retração do concreto e deformação lenta.
A aderência pode ser entendida como a ligação existente entre o aço e o concreto,
impedindo o deslocamento relativo entre os dois materiais, formando assim uma peça
solidária. Embora a concepção de um valor médio da tensão de aderência seja conveniente, a
transferência de forças está associada a uma combinação das parcelas relativas à adesão, ao
atrito e à aderência mecânica. Esta divisão, entretanto, é meramente didática, não sendo
possível determinar cada componente isoladamente, devido à complexidade dos fenômenos
envolvidos.
Conforme Pinheiro & Muzardo (2003), aderência é a propriedade que impede que haja
escorregamento de uma barra de aço em relação ao concreto que a envolve. É, portanto,
responsável pela solidariedade entre o aço e o concreto, fazendo com que esses dois materiais
trabalhem em conjunto, uma vez que não existe deslocamento relativo entre a barra de aço e o
concreto que a envolve.
9
2.2.1
Aderência por adesão
A parcela de aderência por adesão, ilustrada na Figura 2.3, é estabelecida pela ligação
físico-química que se estabelece na interface aço-concreto durante as reações de pega do
cimento. A aderência depende da limpeza da superfície e da rugosidade das barras, o que não
é suficiente para uma boa aderência. (FRANÇA, 2004).
Conforme Eligehausen et al. (1983), a aderência fornecida pela adesão é muito baixa,
apresentando valores em torno de 0,5 a 1,0 N/mm². Essa parcela é destruída sob pequenos
deslocamentos da barra.
Figura 2.3 – Aderência por adesão, adap. FUSCO (1995)
2.2.2
Aderência mecânica
A tensão de cisalhamento entre o aço e concreto ainda é resistida pelo engrenamento
desses dois materiais. Na verdade, esta é a principal parcela atuante nas solicitações do
concreto armado, no qual se empregam barras nervuradas.
A parcela referente à aderência mecânica é a grande responsável pela ancoragem da
barra de aço e esta promove certa resistência de pós-pico, depois de atingida a tensão máxima
de aderência (ALMEIDA, 2006).
A aderência mecânica está presente tanto nas barras nervuradas quanto nas barras
lisas. Entretanto, os estudos deste trabalho delimitam à análise da aderência em barras
nervuradas; uma vez que é o engrenamento mecânico entre a nervura da barra e o concreto, o
responsável pela aderência efetiva no concreto armado. As disposições de saliências ao longo
10
das barras funcionam como peças de apoio, mobilizando tensões de compressão no concreto
(FUSCO, 1995).
Essa aderência é a interação mecânica entre o aço e concreto, decorrente da presença
de saliências na superfície da barra (nervuras laminadas, estrias), como ilustra a Figura 2.4.
Este tipo de ligação depende da forma, altura, inclinação das nervuras e da distância entre
elas. Por meio de intertravamento mecânico, do tipo de encaixe entre o concreto e as nervuras
das barras de aço, formam-se “consolos de concreto” que são solicitados ao corte e à
compressão antes que a barra possa deslizar no concreto (FRANÇA, 2004).
Figura 2.4 – Aderência mecânica, adap. FUSCO (1995)
2.2.3
Aderência por atrito
A parcela relativa ao atrito, ilustrada na Figura 2.5, é decorrente da ação das forças de
atrito existentes entre os dois materiais. Estas forças dependem do coeficiente de atrito entre o
aço e o concreto, o qual é função da rugosidade superficial da barra. A aderência por atrito, a
qual se manifesta devido à pressão transversal do concreto sobre a armadura como, por
exemplo, a de retração ou de confinamento, pode ser determinada por meio de ensaios de
arrancamento.
Conforme Ducatti (1993), mesmo quando o concreto circunvizinho apresentar fissuras
de fendilhamento, o atrito pode substituir, embora parcialmente, a parcela perdida da
transferência do engrenamento das tensões de aderência. Permanece a situação até certo nível
de tensão para o qual ou a resistência de atrito seja esgotada ou se torne insuficiente. Nesse
11
caso, a barra é arrancada deixando em seu lugar original, um orificiio quase intacto dentro do
concreto (quando do caso de barras lisas).
Figura 2.5 – Aderência por atrito (PINHEIRO & MUZARDO, 2003)
2.3 FATORES QUE INFLUENCIAM NA TENSÂO DE ADERÊNCIA
A tensão de aderência pode ser definida como sendo a relação entre a força atuante na
barra e a superfície da barra aderente ao concreto. Porém, existem vários fatores que podem
intervir na sua quantificação e influenciar o comportamento da aderência. Seguem abaixo
alguns fatores que devem ser levados em consideração no dimensionamento e análise.
2.3.1
Adensamento do concreto
O adensamento pode ser critico para a aderência uma vez que as zonas de ancoragem
são pontos onde normalmente se tem uma elevada porcentagem de armadura, ocasionando
maiores dificuldades de concretagem e, como conseqüência, maior possibilidade de
surgimento de vazios, tornando esta região mais fraca quando solicitada (FRANÇA, 2004).
Influencia tanto na aderência ao aço-concreto quanto na resistência à compressão e à
tração do concreto (OLIVEIRA E ASSIS, 2006).
12
2.3.2
Conformação superficial
Quanto à conformação superficial, as barras de aço são classificadas em lisas e
nervuradas.
Segundo Vieira (1994), o estado superficial das barras lisas, onde a resistência de
aderência está ligada à adesão, tem influência significativa sobre a aderência que ela possa
desenvolver. De acordo com CEB 151 (1982), as barras lisas contaminadas com desmoldante
praticamente não apresentam aderência.
Para barras nervuradas, onde a adesão representa uma pequena parcela da resistência
da aderência, o estado superficial da barra não influencia nessa resistência.
As barras nervuradas com diferentes condições de superfície (barras normais, oxidadas
ao ar, oxidadas na água salgada, lubrificadas e com rugosidade obtida artificialmente) têm
pouca influência no comportamento de aderência do aço ao concreto.
2.3.3
Diâmetro da barra
Ducatti (1993), ao estudar o efeito na aderência de barras nervuradas de diferentes
diâmetros, observou que a resistência de aderência diminui quando o diâmetro de barra
aumenta. Segundo o autor, A justificativa para tal fato possivelmente está ligada à espessura
da zona de transição, que é mais grossa nas barras de maior diâmetro.
Conforme Barbosa (2001), o aumento do diâmetro das barras reduz a tensão máxima
de aderência. Uma justificativa é que a espessura da zona de transição torna-se maior nas
barras de maior diâmetro. Com o aumento do diâmetro e a maior altura das nervuras, há uma
maior retenção da água de amassamento do concreto na interface barra/concreto, o que
aumenta a zona de transição. Como esta região torna-se mais porosa, o esmagamento ou
cisalhamento da parte em contato com as nervuras ocorre de forma mais fácil.
Segundo Soroushian e Chol (1989) e Reynolds e Baddy (1982) o aumento do diâmetro
de barra reduz a tensão máxima de aderência. Tal fato pode ser explicado devido ao aumento
da espessura da zona de transição entre a armadura e o concreto. Além disso, as maiores
dimensões das nervuras retêm mais água de amassamento na face inferior da barra, refletindo
13
em uma zona de transição de maior espessura, enfraquecendo assim a ligação entre a matriz
de argamassa e a armadura, tornando-se esta mais porosa e ficando vulnerável ao
esmagamento do concreto por compressão pelos flancos das nervuras.
Segundo Eligehausen et al. (1983), o aumento do diâmetro resulta em uma diminuição
da tensão máxima de aderência, sendo esta diminuição não é significativa. Porém, os estudos
realizados por Barbosa (2001) apontam para um aumento da tensão de aderência à medida
que se aumenta o diâmetro. Entretanto, a autora conclui ainda que sejam necessários mais
estudos.
2.3.4
Idade do concreto
Ribeiro (1985) afirma que a influência da idade do concreto sobre a aderência é a
mesma verificada em relação à resistência à compressão ou à tração do concreto.
2.3.5
Posição da barra na concretagem
Na concretagem de uma peça, tanto no lançamento como no adensamento, o
envolvimento da barra pelo concreto é influenciado pela inclinação e posição da barra.
De acordo com o CEB 151 (1982), a tensão de aderência de barras concretadas na
posição vertical e solicitadas no sentido contrário à concretagem é maior que a de barras
concretadas na posição horizontal ou na vertical solicitadas no mesmo sentido da
concretagem. A exsudação do concreto fresco provoca um acúmulo de água sob as barras, que
ao ser absorvida ou evaporar, deixará espaços vazios ou poros, prejudicando a aderência
(BARBOSA, 2001).
Ribeiro (1985) observou que a posição da barra influi na resistência ao arrancamento.
As barras concretadas na posição horizontal, no topo da forma, apresentam pior
comportamento do que aquelas concretadas no fundo da forma. Isto se deve ao fato de que as
barras inferiores situam-se numa zona em que o adensamento é mais acentuado e, portanto, a
existência de argamassa porosa na metade inferior das barras é menor, conforme ilustra a
Figura 2.6.
14
Figura 2.6 – Formação de espaços vazios ou poros sob as barras concretadas em posição horizontal devida à
segregação e ao acúmulo de água, LEONHARDT (1979)
2.3.6
Resistência mecânica do concreto
A resistência mecânica do concreto é um dos fatores que influência de maneira mais
significativa à resistência de aderência. De modo geral, quanto maior a resistência do concreto
e quanto melhor a qualidade do concreto, em razão da boa dosagem, maiores serão os
esforços de aderência que o concreto poderá suportar na interface aço-concreto.
Conforme Ducatti (1993), no caso da ruptura por fendilhamento de concretos normais
com resistência à compressão de até 40 MPa, a resistência à tração do concreto seria o fator
determinante do estado último de carregamento na ancoragem da armadura.
Segundo Monteiro (1985), que realizou ensaios de aderência do tipo Pull-Out-Test,
em corpos de prova com diferentes níveis de resistência, concluiu que a resistência à
compressão do concreto exerce um “papel fundamental” na resistência de aderência.
Conforme Ducatti (1993, apud BARBOSA, 2001), a tensão última de aderência é
proporcional à raiz quadrada da resistência à compressão (Figura 2.7). Para resistências
convencionais, isso pode ser explicado através da proporcionalidade entre resistência à tração
e à compressão, visto que os principais mecanismos de aderência são dependentes da
fissuração e conseqüentemente da resistência à tração.
Vieira (1994) afirma que a resistência à tração do concreto é o fator principal que
condiciona a resistência de aderência quando a ruptura ocorre por fendilhamento. No entanto,
no caso em que ocorre ruptura por arrancamento, o fator determinante é a resistência de
compressão do concreto.
15
Figura 2.7 – Efeito da resistência à compressão do concreto na resistência da aderência, DUCATTI (1993, apud
BARBOSA, 2001)
2.3.7
Traço do concreto
Qualquer modificação no traço do concreto que não altere a resistência à compressão
ou à tração do concreto, não influenciará o comportamento de aderência ao aço-concreto
(OLIVEIRA E ASSIS, 2006).
Martin e Noakowski (1981) afirmam que utilizando agregados de diâmetro maior e
pequena quantidade de água se observa um definido acréscimo no comportamento da
aderência. Uma explicação para estas observações seria que em misturas com agregados
muito finos, as partículas finas e também a água se acumulam nas circunvizinhanças da barra,
levando esta região a uma queda na resistência, o que facilita um esmagamento do concreto
por compressão junto aos flancos das nervuras, quando a barra for solicitada.
2.4 ENSAIOS DE ADERÊNCIA
A normalização brasileira avalia a tensão de aderência através da determinação do
coeficiente de conformação superficial que é obtido através do ensaio de fissuração em
tirantes de concreto de forma prismática, armados com uma única barra ou fio, onde será
submetido ao ensaio de tração.
Existem vários ensaios que determinam o coeficiente de conformação superficial de
barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado, alguns citados a seguir:
16
2.4.1
Ensaio de Arrancamento Direto: PULL-OUT TEST (POT)
Este ensaio é normalizado pela CEB RC6 (1983) e também recomendado pelo RILEM
RC5 (1982) e pela ASTM C243 (1991).
É um ensaio sobre o material composto concreto armado. Não é evidentemente o caso
do ensaio de compressão simples, realizado unicamente com o material concreto. Sendo,
portanto, considerado como um ensaio composto, que pode ser conduzido por arrancamento
de uma barra envolvida dentro de um bloco de concreto (Figura 2.8), que está diretamente
correlacionado com a tensão de compressão.
Barbosa et al. (2000), ressaltam que as vantagens desse ensaio são o baixo custo, a
simplicidade do corpo de prova, possibilidade de se isolar as variáveis que influenciam a
aderência, e a possibilidade de uma visualização objetiva do próprio conceito de comprimento
mínimo de ancoragem, sendo, dessa forma, um ensaio bastante didático.
A validade do ensaio de arrancamento para efeitos de capacidade de ancoragem das
barras é questionada, tendo em vista as diferenças existentes entre o panorama de tensões
obtido nesse tipo de ensaio e o correspondente às regiões de ancoragem das armaduras de
peças de concreto armado.
Conforme Fusco (1995), no ensaio de arrancamento surge uma componente de
compressão longitudinal. Em zonas de ancoragem da armadura de tração de vigas submetidas
à flexão essa componente não existe.
Figura 2.8 – Ensaio de arrancamento direto (RILEM RC5, 1982)
17
2.4.2
Ensaio de Arrancamento com Anel Circunferencial: Ring Pull – Out Test
Conforme França (2004), este ensaio consiste na extração de uma barra de aço
concretada no interior de um corpo de prova que se apóia contra placas de uma máquina de
ensaio, o corpo de prova é sempre cilíndrico e fica envolvido por anel metálico que abraça o
comprimento mergulhado; este anel é instrumentado com strain-gages que possibilitam
medir, além das deformações ocorridas no anel, a tração exercida em um dos extremos da
barra e os escorregamentos. A Figura 2.9 ilustra o ensaio.
Figura 2.9 – Ensaio de arrancamento com anel circunferancial (FRANÇA, 2004)
2.4.3
Ensaio de Flexão: Beam Test (Bt)
O “Beam Test” consiste em um corpo de prova constituído de dois blocos
paralelepipédicos de concreto armado, ligados em sua parte inferior pela barra de aço e em
sua parte superior por uma rótula metálica, conforme ilustrado na Figura 2.10. A viga assim
constituída é solicitada a flexão simples, sobre dois apoios, por duas forças concentradas de
mesma magnitude que agem a distâncias iguais dos extremos. Nos extremos das barras
colocam-se deflectômetros, a fim de que possam ser medidos os deslocamentos relativos da
barra em relação ao concreto. (SIMPLICIO, 2008)
18
Figura 2.10 – Ensaio de flexão em vigas (RILEM RC5, 1982)
2.4.4
Ensaio de Extremo de Viga: Beam End Test
Segundo França (2004), este ensaio representa a situação de aderência que existe entre
uma fissura de flexão-cisalhamento e o extremo de uma viga simplesmente apoiada.
Representa uma variação do ensaio de flexão, que consiste em uma barra situada na parte
inferior do corpo de prova, que é tracionada e a reação, que simula a zona de compressão da
viga, é aplicada na parte superior do corpo de prova, ilustrada na Figura 2.11.
Conforme Ribeiro (1985), ele fornece as mesmas informações que o ensaio de flexão
ou ensaio de viga, com a vantagem da redução do tamanho do corpo de prova.
Figura 2.11 – Ensaio de extremidade de viga. RIBEIRO (1985)
19
2.4.5
Ensaio de Aderência do Tipo Push-Out Test
Este ensaio consiste em fazer extrair uma barra de armadura de aço, geralmente
posicionada no centro de um bloco de concreto, arrancando ou puxando sobre ela (ensaio de
PULL-OUT TEST ou ensaio de PUSH-OUT TEST). Uma vez rompida a ligação aço-concreto,
a barra se desloca com mais ou menos facilidade dentro do bloco de concreto dependendo da
rugosidade da sua superfície envolvida (armadura lisa ou armadura nervurada).
Barbosa et al. (2000), ressaltam que as vantagens desse ensaio são o baixo custo, a
simplicidade do corpo-de-prova, possibilidade de se isolar as variáveis que influenciam a
aderência, e a possibilidade de uma visualização objetiva do próprio conceito de comprimento
mínimo de ancoragem, sendo, dessa forma, um ensaio bastante didático.
2.4.6
Ensaio das quatro barras
É um ensaio de arrancamento do aço no concreto, onde a barra central, situada em um
dos lados do corpo de prova, é tracionada enquanto o mesmo é mantido imóvel pela força
reativa distribuída pela outras três barras, situadas no lado oposto e dispostas no vértice de um
triângulo imaginário (ROSSI, 2002).
Figura 2.12 – Esquema do corpo de prova do ensaio das quatro barras (DUCATTI, 1993).
A medida dos deslocamentos da barra central em relação ao concreto é feita por meio
de extensômetros fixados ao concreto por um adeviso. As deformações são medidas por
extensômetros elétricos colocados ao longo do comprimento da barra central.
20
O ensaio de quatro barras, testado por Ducatti (1993), consiste de uma emenda por
transpasse, ligando três barras a uma central e envolvidas por um cilindro de concreto, como
mostra Figura 2.13. O objetivo principal deste método é eliminar as interferências das tensões
de compressão, impostas ao concreto no ensaio de arrancamento tradicional.
Figura 2.13 – Esquema geral de ensaio desenvolvido por DUCATTI (1993)
2.4.7
Ensaio de Conformação Superficial ou Ensaio de Tirante de Concreto
Este ensaio consiste em exercer um esforço de tração aos dois extremos de uma barra
mergulhada no centro de um corpo de prova de concreto prismático, com objetivo de avaliar a
aderência entre o concreto e o aço. Em geral, ele é usado para se estudar fissuração, simular a
zona de transição entre duas fissuras de flexão e determinar o coeficiente de conformação
superficial da barra (BARBOSA, 2001).
De acordo com NBR 7477 (ABNT, 1982), a determinação do coeficiente de
conformação superficial será feita por meio de ensaio de fissuração em tirantes de concreto,
armados com uma única barra ou fio. Enquanto barras lisas apresentam fissuras de maior
abertura e mais afastadas entre si, barras nervuradas apresentam fissuras mais próximas e com
menor abertura.
O afastamento (df) entre as fissuras permite a determinação do coeficiente de
conformação superficial, por meio da equação 2.3, especificada na NBR 7477 (ABNT, 1982).
21
Figura 2.14 – Esquema do corpo de prova (FRANÇA, 2004)
η=
2,25 × d
∆Lmédio
Equação (2.3)
Onde:
η = coeficiente de conformação superficial;
d = lado da seção do tirante;
∆Lmédio = distância média entre fissuras, considerando as quatro faces.
Segundo Castro (2000), a partir do cálculo do espaçamento médio entre as fissuras
determina-se a tensão média de aderência das barras de aço em concretos de diferentes classes
de resistência aplicando-se a equação 2.4:
τ m = 0,375 ×
f ct × φ
∆l médio × ρ
Onde:
τm = tensão média de aderência (MPa);
fct = resistência à tração simples do concreto (MPa);
f ct = 0,9 × f ct , sp ;
Equação (2.4)
22
fct,sp = resistência à tração indireta, medida no ensaio de compressão diametral;
∆lmédio = distância média entre fissuras (mm);
Ø = diâmetro da barra (mm);
ρ = As / Ac;
As = área de aço da seção transversal (mm²);
Ac = área de concreto da seção transversal (mm²).
2.5 PESQUISA SOBRE ENSAIOS DE TIRANTES
2.5.1
França (2004)
Segundo França (2004) após a execução do ensaio de tirantes, foram medidos os
espaçamentos entre as fissuras para obter o coeficiente de conformação supercifial.
Os valores dos espaçamentos médios entre as fissuras obtidos para idades de 28 e 90
dias estão na Tabela-2.2, na qual se encontram, também, os coeficientes de variação das
amostras (CV). Geralmente, se os dados de uma amostra têm um CV igual ou maior a 25% a
sua qualidade é considerada duvidosa.
Tabela 2.2- Valores obtidos de XM e CV – 28 dias (França, 2004)
ENSAIOS REALIZADOS AOS 28 DIAS
diâmetro da
barra (mm)
concreto
convencional
concreto com 10 %
de resíduo
XM
C.V.
XM
C.V.
10.0
7,94
12,1
7,43
17,53
12.5
7,73
9,37
8,34
4,53
16.0
7,96
7,52
8,59
9,48
Onde: XM: média das distâncias dos nove CPs em cm; CV:
coeficiente de variação em %.
23
Tabela 2.3 – Valores obtidos de XM e CV – 90 dias (França, 2004)
ENSAIOS REALIZADOS AOS 90 DIAS
diâmetro da
barra (mm)
concreto
convencional
concreto com 10 %
de resíduo
XM
C.V.
XM
C.V.
10.0
7,84
5,41
7,01
8,25
12.5
7,6
3,62
8,25
3,92
16.0
7,72
2,36
8,38
3,62
Onde: XM: média das distâncias dos nove CPs em cm; CV:
coeficiente de variação em %.
Analisando as tabelas 2.2 e 2.3 verificou-se que todas as amostras apresentaram um
coeficiente de variação inferior a 25%, conclui-se que os resultados obtidos apresentaram uma
boa qualidade.
Pode-se notar que à medida que o diâmetro das barras cresce há uma diminuição do
valor do coeficiente de variação. Além disso, observa-se que o CV obtido para as amostras
ensaiadas na idade de 90 dias foram menores que aquelas ensaiadas aos 28 dias.
Posteriormente, foi calculado o coeficiente de aderência, de acordo com a norma NBR
7477 (ABNT, 1982), utilizando-se a equação 2.3.
Tabela 2.4 – Coeficiente de conformação superficial (França, 2004)
concreto
convencional
concreto com
Resíduos
28
90
28
90
10.0
1,36
1,38
1,45
1,54
12.5
1,57
1,6
1,46
1,53
16.0
1,72
1,78
1,6
1,64
diâmetro da
barra (mm)
Podemos observar que à medida que se aumenta o diâmetro da barra há um aumento
no coeficiente de conformação.
Para melhor visualização do comportamento da aderência foram elaborados gráficos
da evolução do coeficiente de conformação superficial.
24
Figura 2.15 – Coeficiente de conformação da barra de ф 10mm (França, 2004)
Figura 2.16 - Coeficiente de conformação da barra de ф 12,5mm (França, 2004)
25
Figura 2.17 - Coeficiente de conformação da barra de ф 16mm (França, 2004)
Tabela 2.5 – Aumento em porcentagem do (η) em relação ao aumento do diâmetro da barra (França, 2004)
diâmetro da
barra (mm)
concreto convencional
concreto com Resíduos
28 dias
90 dias
28 dias
90 dias
10.0 → 12.5
+ 15,44%
+ 15, 94%
+ 0,69%
- 0,65%
12.5 → 16.0
+ 9,55%
+ 11,25%
+ 9,59%
+ 7,19%
Observando a Tabela 2.5, conclui-se que o aumento no diâmetro da barra de aço
produz um acréscimo mais expressivo no coeficiente de aderência no concreto convencional
do que no concreto com resíduos.
A NBR 7480 (ABNT, 1996) determina que o valor mínimo para o coeficiente de
conformação supercial seja igual a 1,5 para as barras de aço de diâmetro nominal igual ou
superior a 10,00 mm.
26
Frente a isto, conclui-se que o concreto convencional na barra de 10 mm não atendeu a
normalização brasileira em nenhuma das idades (28 e 90 dias), mas o concreto com resíduos
atendeu o valor solicitado pela norma na idade de 90 dias.
Para as barras de 12,5 mm utilizando o concreto convencional, este valor foi atendido
nas duas idades (28 e 90 dias), mas para o concreto com resíduo de borracha esse valor só foi
atendido na idade de 90 dias.
Para as barras de 16,0 mm, ambos os concretos superou o valor exigido pela norma.
27
3 PROGRAMA EXPERIMENTAL
3.1 Introdução
Os ensaios para caracterização do aço, das propriedades mecânicas do concreto e o
ensaio de tirantes foram realizados no Laboratório da UFG de Engenharia Civil, em GoiâniaGO. Neste capítulo são apresentados os procedimentos experimentais usados para avaliação e
comparação da aderência aço-concreto, utilizando concreto convencional e três diâmetros de
barras de aço do tipo nervuradas.
3.2 Concreto
O concreto utilizado foi dosado para atingir uma resistência característica à
compressão em torno de 35 MPa, aos 28 dias. O concreto foi cedido pela empresa Realmix
Concreto Ltda. Foi medido o abatimento antes e após a introdução do aditivo, sendo 4 cm e
18 cm, respectivamente, conforme ilustra a Figura 3.1.
Figura 3.1 – Slump Test
28
Empregou-se como agregado miúdo areia natural proveniente do Rio e como agregado
graúdo, o granulito da Pedreira Anhanguera (Brita 1). A relação água e cimento foi de 0,44. O
cimento utilizado foi o CP II-F 32 da Cimpor, e o superplastificante, foi o TecFlow 50N,
sendo um litro por metro cúbico de concreto.
3.2.1
Propriedades Mecânicas
As principais propriedades mecânicas medidas do concreto são: resistência à
compressão axial, resistência à tração por compressão diametral e o módulo de elasticidade
longitudinal. Essas propriedades são determinadas a partir de ensaios, executados em
condições específicas. Geralmente, os ensaios são realizados para controle da qualidade e
atendimento às especificações.
A concretagem de todos os corpos de prova cilíndricos e dos moldes de tirantes foi
realizada em uma única etapa, com duração de aproximadamente 3 horas. Para determinação
das propriedades mecânicas do concreto, foram moldados 3 (três) corpos-de-prova cilíndricos
de 10x20cm para cada idade (3, 7, 21, 28, 60 e 90 dias), sendo o adensamento realizado por
meio de mesa vibratória.
Após o início da pega do concreto, os corpos-de-prova foram cobertos por lonas
plásticas, Figura 3.2. Foi realizada cura úmida durante os sete primeiros dias, após a
concretagem.
29
Figura 3.2 – Lona plástica nos corpos-de-prova cilíndricos
As Figuras 3.3, 3.4 e 3.5, ilustram os ensaios de resistência à compressão axial,
resistência à tração por compressão diametral e módulo de elasticidade longitudinal,
respectivamente.
Figura 3.3 – Ensaio de Resistência à Compressão Cilíndrica, conforme NBR 5739 (ABNT, 2007)
30
Figura 3.4 – Ensaio de resistência à tração na compressão diametral, conforme NBR 7222 (ABNT, 2010)
Figura 3.5 – Ensaio de módulo de elasticidade, conforme NBR 8522 (ABNT, 2008), detalhe do sistema de
medição das deformações
31
A Tabela 3.1 apresenta os valores das resistências à compressão e à tração e o módulo
de deformação, seguindo os procedimentos estabelecidos pelas normas NBR 5739 (ABNT,
2007), NBR 7222 (ABNT, 2010) e NBR 8522 (ABNT, 2008), respectivamente.
Tabela 3.1 – Resultados das propriedades mecânicas do concreto
Idades (dias)
Ensaio
3
7
21
28
60
90
Resistência à Compressão (MPa)
32,29
37,92
41,82
44,81
47,72
50,81
Resistência à Tração (MPa)
3,21
3,66
4,15
4,49
4,73
5,05
Módulo de Deformação (GPa)
21,18
22,17
24,08
26,44
26,98
28,2
As Figuras 3.6, 3.7 e 3.8, ilustram a evolução da resistência à compressão e à tração e
do módulo de deformação, respectivamente, para as idades de 3, 7, 21, 28, 60 e 90 dias.
Resistência à Compressão
60
fck (MPa)
50
40
30
20
10
0
0
3
7
21
28
dias
Figura 3.6. – Evolução da Resistência à Compressão
60
90
32
Resistência à Tração
6
fck (MPa)
5
4
3
2
1
0
0
3
7
21
28
60
90
dias
Figura 3.7 – Evolução da Resistência à Tração
Módulo de Deformção
30
25
GPa
20
15
10
5
0
0
3
7
21
28
60
90
dias
Figura 3.8 – Evolução do Módulo de Deformação
,
3.3 Armadura
Utilizaram-se, nesta pesquisa, aços do tipo nervurado com seção circular da classe CA
50, com resistência característica de escoamento (fy) de 500 MPa, produzido pela Companhia
Siderúrgica Belgo-Mineira.
Optou-se por barras de aço de diâmetros de 10,0mm, 12,5mm, 16,0mm, pela
facilidade apresentada no manuseio e fabricação dos moldes de tirante, uma vez que o
tamanho do molde varia de acordo com o diâmetro da barra, e também por serem os aços
mais utilizados nas construções civis de pequeno e médio porte.
33
Os ensaios para a caracterização do aço obedeceram à norma NBR 7480 (ABNT,
1996), a qual fixa as condições exigíveis na encomenda, fabricação e fornecimento de barras e
fios de aço destinados a armaduras para concreto armado. Os resultados obtidos estão
ilustrados na Tabela 3.2. O ensaio para obtenção das propriedades mecânicas do aço foi
realizado segundo a NBR 6152 (ABNT, 2002).
Tabela 3.2 – Resultados da caracterização das barras de aço
Diâmetro
(mm)
Inclinação da Limite de Limite de
Alongamento
nervura
Escoamento Resistência
(%)
(graus)
(MPa)
(MPa)
10,0
49
609,50
775,30
14,57
12,5
47
619,00
778,00
14,00
16,0
48
630,10
795,00
16,05
Para as barras de aço de diâmetro nominal ou superior a 10,0mm da categoria CA-50,
a norma brasileira estabelece que o coeficiente de conformação superficial deva ser maior ou
igual a 1,5.
A NBR 7480 (ABNT, 1996) estabelece, em relação à conformação geométrica das
barras, que:
Para diâmetros nominais maiores ou iguais a 10.0mm, a altura média das nervuras
transversais ou oblíquas deve ser igual ou superior a 0.04 do diâmetro nominal e para
diâmetros nominais inferiores a 10.0mm, igual ou superior a 0.02 do diâmetro
nominal;
As nervuras devem abranger pelo menos 85% do perímetro nominal da seção
transversal da barra;
As barras devem ter pelo menos duas nervuras longitudinais contínuas e
diametralmente opostas, exceto no caso em que as nervuras transversais estejam
dispostas de forma a se oporem ao giro da barra dentro do concreto;
O espaçamento médio das nervuras transversais ou oblíquas, medido ao longo de uma
mesma geratriz, deve estar entre 0.5 e 0.8 do diâmetro nominal.
34
Para se obterem dados precisos a respeito do material foram realizados ensaios
referentes à conformação geométrica das barras em estudo, especificados a seguir.
O ângulo de inclinação das nervuras foi determinado através de uma série de cinco
leituras de cada lado da barra e para cada diâmetro, obtendo o valor médio. A Figura 3.9
ilustra o método.
Figura 3.9 – Leitura do ângulo de inclinação das nervuras
A distância entre as nervuras foi obtida pela distância entre pontos equivalentes das
mesmas, em 10 espaços afastados e dividida pelo número de espaços. Os resultados obtidos
estão na Tabela 3.3. Verifica-se que os valores obtidos encontram-se dentro dos limites da
NBR 7480 (ABNT, 1996).
35
Tabela 3.3 – Comparação dos espaçamentos entre nervuras obtidos e os intervalos exigidos pela NBR 7480
(ABNT, 1996)
Espaçamentos Médios das Nervuras
Diâmetro (mm)
Espaçamento
(mm)
Intervalo do
espaçamento NBR7480/96
10,00
6,50
5,00 a 8,00
12,50
8,62
6,25 a 10,00
16,00
9,44
8,00 a 12,80
3.4 Método Experimental
3.4.1
Ensaios de Tirantes
O ensaio de tirantes, normalizado pela NBR 7477 (ABNT, 1982), prescreve os
procedimentos necessários para a determinação do coeficiente de conformação superficial de
barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado, sendo que essa determinação
será feita através de ensaio de fissuração em tirantes de concreto, armados com uma única
barra ou fio.
A fabricação dos moldes obedeceu à norma acima citada, que específica as seguintes
características (em cm):
φ

d = π ×φ ×  + 7
4

Onde:
d = medida do lado do tirante;
ø = diâmetro nominal da barra ou fio;
ℓ = comprimento do tirante ≥ 15 x d (Figura 3.10);
L = comprimento da barra = ℓ + 120 (Figura 3.10).
Equação (3.1)
36
Figura 3.10 – Moldes para os corpos de prova
A equação 3.1 permite dimensionar o tamanho das fôrmas que, por sua vez, variam de
acordo com o diâmetro da barra ou fio de aço. As dimensões dos tirantes ensaiados estão
descritos na Tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Dimensões dos tirantes ensaiados
Diâmetro da barra
(ø)
(mm)
10,0
12,5
16,0
Largura
(d)
(mm)
47,7
53,5
60,9
Altura (d) Comprimento (l)
(mm)
47,7
53,5
60,9
(mm)
750,0
850,0
950,0
A norma NBR 7477 (ABNT, 1982) determina que o mínimo de tirantes a serem
ensaiados seja em número de 9 (nove). Atendendo a esta orientação foi executado um número
de formas que permitissem a moldagem dos tirantes suficientes para serem ensaiados com a
37
idade de 90 dias. O objetivo de moldar todos os corpos-de-prova de uma só vez era de poder
eliminar possíveis interferências que poderiam ocorrer de um caminhão de concreto para
outro.
As fôrmas dos tirantes foram executadas em madeira de boa qualidade, conforme
ilustra a Figura 3.11.
Figura 3.11 – Fôrmas dos tirantes
3.4.2
Fabricação dos tirantes
O procedimento adotado na confecção dos tirantes consiste em primeiramente untar
inteiramente as formas com óleo mineral, colocando em seguida as barras de aço
cuidadosamente, para que não sofram contaminação do óleo lubrificante.
Após fixação das barras de aço, os orifícios externos foram tampados com massa de
calafetar, para não permitir que a barra se movimentasse durante o processo de adensamento.
38
Com a fôrma preparada, lançou-se o concreto em duas camadas. Para melhor
adensamento, o concreto é espalhado manualmente. Após o preenchimento dos moldes, os
tirantes foram colocados em mesa vibratória para adensamento.
Após a vibração, os tirantes passam por um processo de nivelamento, quando são
removidas as asperezas por meio de uma desempenadeira.
Para a realização do ensaio, os tirantes foram pintados na cor branca com tinta a base
de cal, para melhor visualização das fissuras.
3.4.3
Sistema de carregamento
Após secagem da pintura, os tirantes foram fixados cuidadosamente ao sistema de
carregamento (Figura 3.12), através de garras aplicadas às extremidades livres da barra e,
submetidos à força de tração até atingir 80% da carga correspondente a tensão de escoamento
da barra de aço, de acordo com a NBR 7477 (ABNT, 1982). Após o fim do carregamento
verificou-se a ocorrência de fissura, marcando com caneta, como ilustra a Figura 3.13.
Figura 3.12 – Sistema de carregamento
39
Figura 3.13 – Marcação das fissuras
3.4.4
Sistema de leitura
Ao término da aplicação do carregamento máximo, as distâncias entre as fissuras
foram medidas, no eixo longitudinal, nas quatro faces do tirante e anotada a fim de se realizar
o cálculo do coeficiente de conformação superficial. Ressalta-se que só foram consideradas as
fissuras que surgiram nas quatro faces do tirante.
40
4 APRESENTÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS
4.1 Resultados experimentais
O ensaio para a determinação do coeficiente superficial das barras de aço, também
conhecido como ensaio de tirantes, foi realizado aos 90 dias de idade. Foram moldados nove
corpos de prova para cada variável da pesquisa, que é o diâmetro do aço.
Os valores dos espaçamentos médios entre as fissuras, obtidos para a idade de 90 dias,
estão apresentados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Espaçamento médio entre fissuras
Diâmetro
do aço
(mm)
10,0
12,5
16,0
Espaçamento médio entre fissuras (cm)
CP1
6,49
4,89
5,72
CP2
6,32
4,8
5,91
CP3
6,41
4,72
5,9
CP4
6,35
4,8
6,12
CP5
6,33
4,91
5,82
CP6
6,53
5,13
6,14
CP7
6,58
4,62
5,56
CP8
6,65
4,78
5,47
CP9
6,80
4,89
5,59
CPM
6,50
4,84
5,80
Onde:
CP1, CP2, CP3...CP9 são o número de tirantes ensaiados para cada diâmetro,
CPM = média das distâncias entre as fissuras dos nove CPs em cm.
4.2 Análise estatística
4.2.1
Coeficiente de variação da amostra
Para se calcular o coeficiente de variação é necessário obter o desvio padrão e a média
das amostras a serem analisadas. Para o cálculo do coeficiente de variação utilizou-se a
equação 4.1.
41
 DP 
CV = 
 × 100
 CPM 
Equação (4.1)
Onde:
CPM = média das distâncias entre as fissuras dos nove CPs em cm;
DP = desvio padrão;
CV = coeficiente de variação em %.
Foram confeccionadas nove amostras de tirantes de concreto para cada idade, com
isso obtivemos a distância média entre as fissuras de cada tirante que estão ilustradas nas
Figuras 4.1, 4.2 e 4.3. A linha rosa simboliza um comportamento linear dos resultados com
0% de variação e a em azul os resultados obtidos.
Espaçamento médio
entre as fissuras (cm)
Concreto - 10,0mm
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
1
2
3
4
5
6
7
nº do CP's
10,0mm
Média
Figura 4.1 – Espaçamento médio entre as fissuras - aço de 10,0mm
8
9
42
Espaçamento médio
entre as fissuras (cm)
Concreto - 12,5mm
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8
9
nº do CP's
12,5mm
Média
Figura 4.2 – Espaçamento médio entre as fissuras - aço de 12,5mm
Espaçamento médio
entre as fissuras (cm)
Concreto - 16,0mm
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
1
2
3
4
5
6
7
nº do CP's
16,0mm
Média
Figura 4.3 – Espaçamento médio entre as fissuras - aço de 16,0mm
Por sua vez, na Tabela 4.2, se encontra os valores dos desvios padrões e o coeficiente
de variação das amostras (CV). O CV é uma análise preliminar dos dados obtidos em um
experimento que mede a variabilidade das observações. Geralmente, se os dados de uma
amostra têm um CV igual ou maior que 25% a sua qualidade é considerada duvidosa.
43
Tabela 4.2 – Valores obtidos de CPM, DP e CV
Diâmetro do aço
(mm)
CPM
DP
CV (%)
10,0
6,50
0,15
2,36
12,5
4,84
0,13
2,79
16,0
5,80
0,23
3,88
Analisando os valores do CV apresentados na Tabela 4.2, observa-se que todos os
resultados obtidos tiveram valores menores que 25%, o que acarreta em sua aceitação.
A Tabela 4.3 apresenta os valores do coeficiente de aderência obtidos pela equação e
da tensão média de aderência calculada a partir da equação 4.2.
η=
2,25 × d
∆Lmédio
Equação (4.2)
Onde:
η = coeficiente de conformação superficial;
d = lado da seção do tirante;
∆Lmédio = distância média entre fissuras, considerando as quatro faces.
Tabela 4.3 – Valores do coeficiente de aderência
Diâmetro da
barra (mm)
d (cm)
∆lmédio (cm)
η
10,0
12,5
16,0
4,77
5,35
6,09
6,50
4,84
5,80
1,65
2,49
2,36
Com valores da resistência à tração do concreto e as médias distâncias médias entre
fissuras, pode-se calcular, conforme equação 2.4, anteriormente citada, a tensão média de
44
aderência, segundo CASTRO (2000). A Tabela 4.4 apresenta os resultados obtidos com os
ensaios realizados na idade de 90 dias.
Tabela 4.4 – Tensão de aderência segundo Castro (2000)
ø (mm)
Tensão de aderência (MPa)
10,0
8,44
12,5
11,42
16,0
9,63
Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2003), obtém-se a tensão de aderência conforme a
equação 4.3.
f bd = η1 × η 2 × η 3 × f ctd
Sendo:
f ctd =
f ctk ,inf
γc
;
2
f ct , m = 0,3 × f ck 3 ;
f ctk ,inf = 0,7 × f
ct , m
;
fck = resistência característica à compressão do concreto;
γc = coeficiente de ponderação das resistências no estado limite último;
η1 = tipo de superfície da barra;
η1 = 1,0 para as barras lisas;
η1 = 1,4 para as barras entalhadas;
η1 = 2,25 para as barras nervuradas;
η2 = coeficiente de aderência;
η2 = 1,0 para situações de boa aderência;
η2 = 0,7 para situações de má aderência;
Equação (4.3)
45
η3 = coeficiente de diâmetro da bitola;
η3 = 1,0 para ø < 32 mm;
η3 =
132 − φ
para ø ≥ 32 mm;
100
fctd = resistência a tração de cálculo do concreto;
ø é o diâmetro da barra em mm.
A Tabela 4.5 apresenta os resultados obtidos da tensão de aderência segundo a NBR
6118 (ABNT, 2003).
Tabela 4.5 – Tensão de aderência segundo NBR 6118 (ABNT, 2003)
Diâmetro (mm) Tensão de aderência (MPa)
Ø ≤ 32
11,36
46
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
5.1 Conclusões
A aderência entre o concreto e a armadura é uma das principais propriedades
responsáveis pelo bom desempenho do concreto armado. Além da junção complexa dos
fenômenos adesão, atrito e ancoragem mecânica, a aderência está sujeita à influência de
inúmeros fatores como as propriedades dos materiais aço e concreto, tipo e velocidade do
carregamento, geometria das nervuras, posição das barras durante a concretagem, entre
outros.
Este trabalho relata um estudo do comportamento da aderência de barras de aço
nervuras, inseridas em concreto convencional. Após a revisão bibliográfica e em função da
análise dos dados obtidos no programa experimental, as seguintes conclusões podem ser
feitas:
Analisando os dados do coeficiente de conformação superficial (η) para a barra
nervurada aos 90 dias nota-se que esta atende as especificações da norma, a qual exige
um valor mínimo de η igual a 1,5, tomando como referência, para as comparações
entre outros protótipos;
Observou-se também que o valor do coeficiente de conformação (η) para os aços de
diâmetro de 12,5mm foi maior em relação aos aços de 10,0mm;
Baseado nos resultados encontrados na análise estatística podemos concluir que os
resultados obtidos nesta pesquisa são de boa qualidade, pois os coeficientes de
variações ficaram abaixo dos 25% e a resistência à tração bem como o diâmetro do
aço tem efeito significativo na tensão de aderência;
A normalização brasileira superestima os valores de tensão de aderência para os aços
com diâmetro menor ou igual que 32,0mm;
Observou-se que o valore da tensão de aderência para os aços de diâmetro 16,0mm foi
19% inferior em relação aos aços de 12,5mm.
47
5.2 Sugestões para trabalhos futuros
Como contribuição ao estudo da aderência entre o aço e o concreto foi proposto o
presente trabalho, que tem, conforme o capítulo 1, o objetivo principal comparar os resultados
encontrados com a NBR 7477 (ABNT, 1982) e NBR 6118 (ABNT, 2003).
Vários estudos ainda necessitam ser feitos, a fim de obter melhores expressões de
cálculo para uma maior aproximação dos resultados experimentais com os resultados
estimados, por exemplo:
Buscar melhorar a matriz do concreto, com o intuito de aumentar sua capacidade de
resistência à compressão e reavaliar seu comportamento estrutural através do ensaio de
tirantes;
Avaliar o comportamento do material quando adicionado sílica;
Avaliar o comportamento do material quando adicionado resíduos de borrachas;
Estudar o comportamento do material quando submetido a outros tipos de ensaios
estruturais tais como ensaios de flexão de vigas, ensaio das quatro barras, entre outros;
48
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