Características do Concreto - Capítulo 2

ESTRUTURAS DE CONCRETO CAPÍTULO 2 Libânio M Pinheiro Cassiane D Muzardo Sandro P Santos Março de 2004 CARACTERÍSTICAS DO CONCRETO Como foi visto no capítulo anterior a mistura em proporção adequada de cimento agregados e água resulta num material de construção o concreto cujas características diferem substancialmente daquelas apresentadas pelos elementos que o constituem Este capítulo tem por finalidade destacar as principais características e propriedades do material concreto incluindo aspectos relacionados à sua utilização 21 MASSA ESPECÍFICA Serão considerados os concretos de massa específica normal ρc compreendida entre 2000 kgm3 e 2800 kgm3 Para efeito de cálculo podese adotar para o concreto simples o valor 2400 kgm3 e para o concreto armado 2500 kgm3 Quando se conhecer a massa específica do concreto utilizado podese considerar para valor da massa específica do concreto armado aquela do concreto simples acrescida de 100 kgm3 a 150 kgm3 22 PROPRIEDADES MECÂNICAS As principais propriedades mecânicas do concreto são resistência à compressão resistência à tração e módulo de elasticidade 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 221 Resistência à compressão A resistência à compressão simples denominada fc é a característica mecânica mais importante Para estimála em um lote de concreto são moldados e preparados corposdeprova para ensaio segundo a NBR 5738 Moldagem e cura de corposdeprova cilíndricos ou prismáticos de concreto os quais são USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 22 ensaiados segundo a NBR 5739 Concreto Ensaio de compressão de corpos deprova cilíndricos O corpodeprova padrão brasileiro é o cilíndrico com 15cm de diâmetro e 30cm de altura e a idade de referência para o ensaio é 28 dias Após ensaio de um número muito grande de corposdeprova pode ser feito um gráfico com os valores obtidos de fc versus a quantidade de corposdeprova relativos a determinado valor de fc também denominada densidade de freqüência A curva encontrada denominase Curva Estatística de Gauss ou Curva de Distribuição Normal para a resistência do concreto à compressão Figura 21 Figura 21 Curva de Gauss para a resistência do concreto à compressão Na curva de Gauss encontramse dois valores de fundamental importância resistência média do concreto à compressão fcm e resistência característica do concreto à compressão fck O valor fcm é a média aritmética dos valores de fc para o conjunto de corposde prova ensaiados e é utilizado na determinação da resistência característica fck por meio da fórmula 165s f f cm ck O desviopadrão s corresponde à distância entre a abscissa de fcm e a do ponto de inflexão da curva ponto em que ela muda de concavidade O valor 165 corresponde ao quantil de 5 ou seja apenas 5 dos corpos deprova possuem fc fck ou ainda 95 dos corposdeprova possuem fc fck Portanto podese definir fck como sendo o valor da resistência que tem 5 de probabilidade de não ser alcançado em ensaios de corposdeprova de um determinado lote de concreto USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 23 Como será visto posteriormente a NBR 8953 define as classes de resistência em função de fck Concreto classe C30 por exemplo corresponde a um concreto com fck 30MPa Nas obras devido ao pequeno número de corposdeprova ensaiados calcula se fckest valor estimado da resistência característica do concreto à compressão 222 Resistência à tração Os conceitos relativos à resistência do concreto à tração direta fct são análogos aos expostos no item anterior para a resistência à compressão Portanto temse a resistência média do concreto à tração fctm valor obtido da média aritmética dos resultados e a resistência característica do concreto à tração fctk ou simplesmente ftk valor da resistência que tem 5 de probabilidade de não ser alcançado pelos resultados de um lote de concreto A diferença no estudo da tração encontrase nos tipos de ensaio Há três normalizados tração direta compressão diametral e tração na flexão a Ensaio de tração direta Neste ensaio considerado o de referência a resistência à tração direta fct é determinada aplicandose tração axial até a ruptura em corposdeprova de concreto simples Figura 22 A seção central é retangular medindo 9cm por 15cm e as extremidades são quadradas com 15cm de lado Figura 22 Ensaio de tração direta b Ensaio de tração na compressão diametral spliting test É o ensaio mais utilizado Também é conhecido internacionalmente como Ensaio Brasileiro Foi desenvolvido por Lobo Carneiro em 1943 Para a sua realização um corpodeprova cilíndrico de 15cm por 30 cm é colocado com o eixo horizontal entre os pratos da prensa Figura 23 sendo aplicada uma força até a sua ruptura por tração indireta ruptura por fendilhamento USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 24 Figura 23 Ensaio de tração por compressão diametral O valor da resistência à tração por compressão diametral fctsp encontrado neste ensaio é um pouco maior que o obtido no ensaio de tração direta O ensaio de compressão diametral é simples de ser executado e fornece resultados mais uniformes do que os da tração direta c Ensaio de tração na flexão Para a realização deste ensaio um corpodeprova de seção prismática é submetido à flexão com carregamentos em duas seções simétricas até à ruptura Figura 24 O ensaio também é conhecido por carregamento nos terços pelo fato das seções carregadas se encontrarem nos terços do vão Analisando os diagramas de esforços solicitantes Figura 25 podese notar que na região de momento máximo temse cortante nula Portanto nesse trecho central ocorre flexão pura Os valores encontrados para a resistência à tração na flexão fctf são maiores que os encontrados nos ensaios descritos anteriormente Figura 24 Ensaio de tração na flexão USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 25 Figura 25 Diagramas de esforços solicitantes ensaio de tração na flexão d Relações entre os resultados dos ensaios Como os resultados obtidos nos dois últimos ensaios são diferentes dos relativos ao ensaio de referência de tração direta há coeficientes de conversão Considerase a resistência à tração direta fct igual a 09 fctsp ou 07 fctf ou seja coeficientes de conversão 09 e 07 para os resultados de compressão diametral e de flexão respectivamente Na falta de ensaios as resistências à tração direta podem ser obtidas a partir da resistência à compressão fck ctm sup ctk ctm inf ctk 23 ck ctm 13 f f 07 f f 03 f f Nessas equações as resistências são expressas em MPa Será visto oportunamente que cada um desses valores é utilizado em situações específicas 223 Módulo de elasticidade Outro aspecto fundamental no projeto de estruturas de concreto consiste na relação entre as tensões e as deformações Sabese da Resistência dos Materiais que a relação entre tensão e deformação para determinados intervalos pode ser considerada linear Lei de USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 26 Hooke ou seja σ E ε sendo σ a tensão ε a deformação específica e E o Módulo de Elasticidade ou Módulo de Deformação Longitudinal Figura 26 Figura 26 Módulo de elasticidade ou de deformação longitudinal Para o concreto a expressão do Módulo de Elasticidade é aplicada somente à parte retilínea da curva tensãodeformação ou quando não existir uma parte retilínea a expressão é aplicada à tangente da curva na origem Neste caso temse o Módulo de Deformação Tangente Inicial Eci Figura 27 Figura 27 Módulo de deformação tangente inicial Eci O módulo de deformação tangente inicial é obtido segundo ensaio descrito na NBR 8522 Concreto Determinação do módulo de deformação estática e diagrama tensãodeformação USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 27 Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto para a idade de referência de 28 dias podese estimar o valor do módulo de elasticidade inicial usando a expressão 12 ck ci 5600 f E Eci e fck são dados em MPa O Módulo de Elasticidade Secante Ecs a ser utilizado nas análises elásticas do projeto especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de limites de serviço deve ser calculado pela expressão Ecs 085 Eci Na avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou de uma seção transversal pode ser adotado um módulo de elasticidade único à tração e à compressão igual ao módulo de elasticidade secante Ecs 224 Coeficiente de Poisson Quando uma força uniaxial é aplicada sobre uma peça de concreto resulta uma deformação longitudinal na direção da carga e simultaneamente uma deformação transversal com sinal contrário Figura 28 Figura 28 Deformações longitudinais e transversais A relação entre a deformação transversal e a longitudinal é denominada coeficiente de Poisson e indicada pela letra ν Para tensões de compressão menores que 05 fc e de tração menores que fct pode ser adotado ν 02 USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 28 225 Módulo de elasticidade transversal O módulo de elasticidade transversal pode ser considerado Gc 04 Ecs 226 Estados múltiplos de tensão Na compressão associada a confinamento lateral como ocorre em pilares cintados por exemplo a resistência do concreto é maior do que o valor relativo à compressão simples O cintamento pode ser feito com estribos que impedem a expansão lateral do pilar criando um estado múltiplo de tensões O cintamento também aumenta a dutilidade do elemento estrutural Na região dos apoios das vigas pode ocorrer fissuração por causa da força cortante Essas fissuras com inclinação aproximada de 45 delimitam as chamadas bielas de compressão Portanto as bielas são regiões comprimidas com tensões de tração na direção perpendicular caracterizando um estado biaxial de tensões Nesse caso temse uma resistência à compressão menor que a da compressão simples Portanto a resistência do concreto depende do estado de tensão a que ele se encontra submetido 23 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO Na preparação do concreto com as mistura dos agregados graúdos e miúdos com cimento e água tem início a reação química do cimento com a água resultando gel de cimento que constitui a massa coesiva de cimento hidratado A reação química de hidratação do cimento ocorre com redução de volume dando origem a poros cujo volume é da ordem de 28 do volume total do gel Durante o amassamento do concreto o gel envolve os agregados e endurece com o tempo formando cristais Ao endurecer o gel liga os agregados resultando um material resistente e monolítico o concreto A estrutura interna do concreto resulta bastante heterogênea adquire forma de retículos espaciais de gel endurecido de grãos de agregados graúdo e miúdo de várias formas e dimensões envoltos por grande quantidade de poros e capilares portadores de água que não entrou na reação química e ainda vapor dágua e ar Fisicamente o concreto representa um material capilar pouco poroso sem continuidade da massa no qual se acham presentes os três estados da agregação sólido líquido e gasoso USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 29 24 DEFORMAÇÕES As deformações do concreto dependem essencialmente de sua estrutura interna 241 Retração Denominase retração à redução de volume que ocorre no concreto mesmo na ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura As causas da retração são Retração química contração da água não evaporável durante o endurecimento do concreto Retração capilar ocorre por evaporação parcial da água capilar e perda da água adsorvida O tensão superficial e o fluxo de água nos capilares provocam retração Retração por carbonatação CaOH2 CO2 CaCO3 H2O ocorre com diminuição de volume 242 Expansão Expansão é o aumento de volume do concreto que ocorre em peças submersas Nessas peças no início temse retração química Porém o fluxo de água é de fora para dentro As decorrentes tensões capilares anulam a retração química e em seguida provocam a expansão da peça 243 Deformação imediata A deformação imediata se observa por ocasião do carregamento Corresponde ao comportamento do concreto como sólido verdadeiro e é causada por uma acomodação dos cristais que formam o material 244 Fluência Fluência é uma deformação diferida causada por uma força aplicada Corresponde a um acréscimo de deformação com o tempo se a carga permanecer Ao ser aplicada uma força no concreto ocorre deformação imediata com uma acomodação dos cristais Essa acomodação diminui o diâmetro dos capilares e aumenta a pressão na água capilar favorecendo o fluxo em direção à superfície Tanto a diminuição do diâmetro dos capilares quanto o acréscimo do fluxo aumentam a tensão superficial nos capilares provocando a fluência USP EESC Departamento de Engenharia de Estruturas Características do Concreto 210 No caso de muitas estruturas reais a fluência e a retração ocorrem ao mesmo tempo e do ponto de vista prático é conveniente o tratamento conjunto das duas deformações 245 Deformações térmicas Definese coeficiente de variação térmica αte como sendo a deformação correspondente a uma variação de temperatura de 1C Para o concreto armado para variações normais de temperatura a NBR 6118 permite adotar αte 105 C 25 FATORES QUE INFLUEM Os principais fatores que influem nas propriedades do concreto são Tipo e quantidade de cimento Qualidade da água e relação águacimento Tipos de agregados granulometria e relação agregadocimento Presença de aditivos e adições Procedimento e duração da mistura Condições e duração de transporte e de lançamento Condições de adensamento e de cura Forma e dimensões dos corposdeprova Tipo e duração do carregamento Idade do concreto umidade temperatura etc