A Invenção do Concreto Protendido na Construção Civil Mundial e sua Aplicação no Brasil - TCC UMC

critérios trabalho intitulado A invenção do concreto protendido na construção civil nível mundial e como passou a ser utilizado no Brasil O trabalho deverá ser de acordo com as normas de escrita de TCC da UMC e deverá ter no mínimo 10 folhas HISTÓRICO DO CONCRETO PROTENDIDO A ideia da protensão é muito antiga Já era utilizada há muito tempo em arcos de barril tensionados e aros préencolhidos para rodas de madeira O início dos trabalhos em concreto protendido datam de meados do ano de 1872 quando PH Jackson engenheiro do estado da Califórnia EUA patenteou um sistema que utilizou um tirante de união para construir vigas ou arcos com blocos individuais Em 1888 na Alemanha C W Doehring obteve a patente para lajes protendidas com fios metálicos Contudo vale ressaltar que estas atitudes pioneiras não tiveram sucesso devido às perdas de protensão com o tempo RE Drill of Alexandria de Nebraska EUA desenvolveu vários trabalhos no que se refere ao concreto protendido entre eles estudou a influência da resistência do concreto para a fissuração e a deformação lenta e desenvolveu ainda a protensão não aderente de tirantes de união com a ideia que esta falta de aderência compensaria as perdas de tensão com o tempo por causa da diminuição do comprimento do elemento por causa da fissuração e da deformação lenta Essas aplicações eram baseadas no conceito de que o concreto apesar de resistente em compressão era fraco em tração e prétensionar o aço contra o concreto iria provocar tensões de compressão que poderiam ser utilizadas para aliviar quaisquer tensões de tração produzidas pelas cargas Em 1906 M Koenen também de Berlim realizou o primeiro ensaio com armadura concretada sob tensão Os primeiros métodos patenteados não tiveram sucesso pois as tensões de tração que podiam ser desenvolvidas nos aços eram baixas e eram logo perdidas em razão da retração e fluência do concreto ainda não conhecidas na época Estes efeitos induziam deformações de encurtamento no concreto comparáveis com os alongamentos do aço No melhor das hipóteses somente uma pequena porção da protensão poderia ser mantida e portanto o método não conseguia competir economicamente com o concreto armado convencional Em 1908 nos EUA C R Steiner sugeriu a possibilidade de se reapertar as barras da armadura após a ocorrência de alguma fluência e retração do concreto a fim de se recuperar parte das perdas Em 1919 K Wettstein fabricou pranchas de concreto de pequena espessura com cordas de piano fortemente tracionadas embutidas em seu interior Ele foi o primeiro a empregar aço de alta resistência sob elevadas tensões embora sem ter consciência de que estas eram as condições prévias decisivas para o êxito do concreto protendido No início da década de 20 em Mineápolis EUA W H Hewlett desenvolveu o princípio da protensão circular Ele fez uma armadura horizontal de barril tracionada em tornos dos muros de concreto para prevenir a fissuração deste devido à pressão interna do líquido O primeiro a reconhecer que se deveria utilizar aço de alta resistência sob elevada tensão foi R E Dill nos EUA que em 1925 empregou barras de aço de alta resistência revestidas a fim de evitar aderência com o concreto Após o concreto ter endurecido as barras eram tracionadas e ancoradas à peça por meio de porcas Mas o método ainda não era economicamente vantajoso Na Europa em particular na França houve o desenvolvimento do concreto protendido através da engenhosidade de Eugene Freyssinet o qual em 192628 propôs métodos para se estimar as perdas de protensão no uso de aços de altaresistência e altaductilidade ele patenteou um sistema de protensão com tensões no aço superiores a 400 MPa foi o primeiro a estabelecer e descrever de maneira absolutamente correta as hipóteses fundamentais necessárias para o êxito obtido pelo concreto protendido O seu mérito especial está em ter pesquisado a retração e a fluência do concreto tendo daí retirado as conclusões corretas aplicáveis à protensão Freyssinet foi também o primeiro a executar uma obra significativa utilizando a protensão ao empregar em 1935 vigas de concreto protendido para recuperar o terminal marítimo de Le Havre que estava afundando Em 1940 ele desenvolveu o sistema Freyssinet de ancoragem em cunha cônica de 12 cabos Em 1941 Freyssinet projetou a extremamente ousada Pont de Luzancy uma ponte rodoviária em pórtico biarticulado sobre o rio Marne em Luzancy na França com 55 metros de vão Esta ponte só pôde ser concluída após o término da guerra em 1946 Posteriormente ele construiu mais cinco pontes similares sobre o Marne Seguiramse novas invenções e contribuições principalmente de engenheiros alemães Foram desenvolvidos os primeiros processos de protensão Inicialmente existia o processo Freyssinet com feixes constituídos de fios de 5 mm Em seguida surgiram o processo da empresa Dyckerhoff Widmann Dywidag com barras de 25 mm e o processo Leoba de Leonhardt e Baur com ancoragens especiais para os feixes e com cabos concentrados para o caso de forças de protensão elevadas Em 1934 F Dischinger desenvolveu a utilização de protensão externa sem aderência Logo em 1936 ocorreu a construção da primeira ponte utilizando a protensão sem aderência Dischinger O professor Gustave Magnel da Bélgica em 1940 desenvolveu o sistema Magnel de protensão no qual dois fios eram esticados simultaneamente e ancorados com uma única cunha de metal em cada ancoragem Com este sistema Magnel executou a primeira ponte em viga contínua sobre o rio Meuse em Sclayn na Bélgica com dois vãos de 62 metros cada em concreto protendido sem aderência Ele também escreveu o primeiro livro sobre concreto protendido em 1948 Le Béton Précontraint O Concreto Protendido Ghent Editions Fecheyr Apesar de que Freyssinet também tentou o esquema de prétracionamento onde o aço era ancorado ao concreto apenas por aderência sem ancoragens de extremidade a aplicação prática deste método foi feita inicialmente por E Hoyer de Hamburg Alemanha O sistema Hoyer consistia em se esticar fios de aço entre dois blocos de ancoragem separados dezenas de metros um do outro fazer a concretagem e cortar os fios após o endurecimento do concreto Este método permitia a concretagem de várias peças entre as duas ancoragens Com o desenvolvimento e fabricação de novos equipamentos e a criação de sistemas de ancoragens o uso do concreto protendido passou a ser utilizado com mais frequência nas obras Embora algumas estruturas com lajes protendidas tenham sido concebidas e executadas primeiramente por engenheiros europeus o real desenvolvimento dessas estruturas se deu nos EUA e Austrália que abraçaram a idéia e investiram forte neste seguimento Após a Segunda Guerra Mundial com a destruição arrasadora pelo qual a Europa passou era necessário reconstruir de maneira rápida as pontes destruídas então G Magnel of Ghent Bélgica e Y Guyon França desenvolveram métodos e conceitos de protensão para o projeto e construção de pontes na Europa Ocidental e Central A partir de 1949 o desenvolvimento do concreto protendido acelerouse por meio de inúmeras aplicações em pontes e grandes estruturas A competição entre engenheiros e empresas construtoras conduciu a uma grande quantidade de novos processos de protensão Devese salientar o processo ainda em utilização desenvolvido pelos engenheiros suiços Birkenmaier Brandestini Ros e Vogt processo BBRV com ancoragens em botão Em 1949 Leonhardt e Baur construíram a primeira grande obra em viga contínua na Alemanha com cabos concentrados constituídos por fios ponte Obere Badstrasse sobre o canal do Neckar em Heilbronn com um vão principal de 96 metros Construiram também a primeira ponte ferroviária sobre o canal do Neckar em Heilbronn ponte em laje vazada esconsa com cinco vãos Em 1950 U Finsterwalder executou a primeira ponte em balanços sucessivos com auxílio de protensão ponte sobre o Lahn em Balduinstein processo de construção que se espalhou rapidamente por todo o mundo Na Inglaterra o conceito de protensão parcial foi desenvolvido por PW Abeles entre as décadas de 30 e 60 F Leonhardt Alemanha V Mikhailov Rússia e TY Lin EUA contribuíram em muito para o desenvolvimento e aperfeiçoamento do concreto protendido Nesta mesma época foi executada a primeira obra em concreto protendido nas Américas a ponte do Galeão no Rio de Janeiro inaugurada em janeiro de 1949 utilizandose a protensão não aderente sendo na época a maior ponte em concreto protendido do mundo com 380 m de comprimento Foi uma das primeiras realizações da patente Freyssinet no mundo com o próprio Eugene Freyssinet orientando o projeto Vale ressaltar que houve a injeção de pasta de cimento nos cabos porém a sua finalidade era a de promover uma melhor proteção contra corrosão dos cabos Esta ponte contava com uma superestrutura inicialmente projetada em concreto armado e que foi modificada para um sistema de vigamento múltiplo empregando vigas préfabricadas de concreto protendido solidarizadas por uma laje de concreto também protendida transversalmente moldada no local Todos os materiais e equipamentos para a execução da protensão desta ponte pelo sistema Freyssinet foram importados da França aço ancoragens macacos hidráulicos e inclusive o projeto de modificação da superestrutura elaborado por Eugène Freyssinet Somente depois de 1952 é que o aço de alta resistência usado nos cabos de protensão começou a ser fabricado no Brasil pela então Companhia Siderúrgica BelgoMineira hoje ArcelorMittal Aços Longos O início da construção das lajes protendidas sem aderência ocorreu nos EUA em meados de 195657 com a construção de escolas em Nevada EUA As primeiras lajes protendidas foram erguidas nos EUA em 1955 já usando protensão não aderente Nos anos seguintes numerosas obras com lajes protendidas foram projetadas e executadas em conjunto com o método lift slab lajes elevadas que consiste em fundir diversas lajes umas sobre as outras apoiadas sobre o solo que depois são içadas e ancoradas nos pilares A protensão possibilitou a redução do peso a ser elevado no método lift slab e um melhor desempenho da laje com melhor controle de deformações e fissuração além de proporcionar maior velocidade de execução de edifícios Nos Estados Unidos o desenvolvimento do concreto protendido seguiu um caminho diferente Em vez de protensão linear vigas lajes e estacas protendidas a protensão circular especialmente aplicada em tanques e reservatórios tomou a dianteira Isto deveuse principalmente à Preload Company que desenvolveu equipamentos especiais para enrolamento de fios e que de 1935 a 1963 construiu cerca de 1000 reservatórios e tanques através do país e outras partes do mundo A protensão linear não começou nesse país até 1949 quando iniciou a construção da famosa Walnut Lane Memorial Bridge em Philadelphia Pennsylvania EUA Esta ponte rodoviária projetada pelo engenheiro belga Gustave Magnel e aberta ao tráfego em 1951 tinha uma superestrutura com três tramos em vigamento múltiplo cada um formado por vigas de concreto protendido com 49 metros de vão teórico Inúmeros engenheiros ainda devem ser mencionados pelas suas valiosas contribuições dentre os quais Yves Guyon o sucessor de Freyssinet na França cujo livro Béton Précontraint publicado em 1951 em muito contribuiu para a propagação do concreto protendido e ainda o engenheiro italiano R Morandi e em Londres P W Abeles Na Alemanha H Rüsch de München deve ser mencionado principalmente por seu trabalho de pesquisa e como chefe da comissão de trabalho que em 1953 publicou a norma alemã de concreto protendido a DIN 4227 Não se pode esquecer também os grandes engenheiros T Y Lin nos EUA e Fritz Leonhardt na Alemanha que com projetos e publicações notáveis foram responsáveis pela difusão da protensão no mundo O progresso do concreto protendido tanto em pesquisa como em desenvolvimento é talvez melhor indicado pelo aumento das sociedades técnicas e de suas publicações Em 1950 realizouse em Paris a primeira conferência sobre concreto protendido Em 1952 a Fédération Internationale de la Précontraint FIP foi inaugurada em um encontro internacional realizado em Cambridge Inglaterra Em Paris foi fundado o Comité EuroInternational du Béton CEB em 1953 Nos Estados Unidos foi formado em 1954 o Prestressed Concrete Institute PCI que em 1975 já contava com mais de 2100 associados Em 1998 o CEB juntouse ao FIP para formar a Fédération Internationale du Béton fib uma das mais importantes associações de grupos nacionais indivíduos e corporações cuja missão é desenvolver em um nível internacional o estudo de assuntos práticos e científicos capazes de promover o avanço do desempenho técnico econômico estético e ambiental da construção em concreto Na década de 60 foi quando houve o maior desenvolvimento na utilização de lajes protendidas como falado anteriormente devido às enormes contribuições de F Leonhardt Alemanha V Mikhailov Rússia e TY Lin EUA sendo que estes desmistificaram as dúvidas inerentes ao comportamento do concreto protendido realizaram melhorias e simplificações nos processos construtivos de protensão a utilização do método do balanceamento de cargas o qual simplificou bastante o cálculo de elementos protendidos e a utilização de materiais mais eficientes para a utilização da protensão Devemos ressaltar a utilização do concreto protendido no Brasil com a grande colaboração de José E Rufloff Manns e do Eng José Carlos de Figueiredo Ferraz que entre 195373 desenvolveu um sistema de protensão que dentre suas obras podemos destacar o Museu de Arte de São Paulo MASP a ponte da Cidade Universitária e o Viaduto da Beneficência Portuguesa Com o desenvolvimento computacional foi permitido associar a aplicação de métodos numéricos à informática promovendo assim uma facilidade maior em analisar resultados cada vez mais precisos Atualmente a utilização de protensão não aderente vem sendo feita de uma maneira modesta talvez devido ao conceito do concreto protendido ter custo mais elevado o que é um conceito falho pois a protensão com monocordoalha engraxada protensão nãoaderente constitui um sistema altamente competitivo para com o concreto armado convencional Foram feitos vários estudos teóricos e experimentais em placas protendidas para ampliar o conhecimento a respeito destas objetivando assim seu uso em maior escala O esforço comum de pesquisadores engenheiros projetistas e construtores resultaram em recomendações e padronizações que ajudaram a promover e difundir o uso desta forma de construção As lajes protendidas com cordoalhas não aderentes têm sido empregadas nos Estados Unidos desde a década de 50 inicialmente com cabos engraxados e envolvidos em papel Posteriormente desenvolveuse uma tecnologia de proteção anticorrosiva formada por um tubo de polietileno ou polipropileno e uma proteção secundária constituída por uma graxa especial que envolve a cordoalha cordoalhas engraxadas e plastificadas A maior utilização deste sistema se dá por enquanto no Nordeste onde o seu emprego se estende desde a construção de pavimentos protendidos até a construção de fundações tipo radier tanto para casas quanto para edifícios de médio ou grande porte No Brasil a utilização das cordoalhas engraxadas e plastificadas só se tornou viável a partir de 1997 com a fabricação destas pela Companhia Siderúrgica BelgoMineira em Belo HorizonteMG que atualmente é controlada pela Arcellor Mittal Desde então esta nova tecnologia vem tendo grande utilização principalmente em lajes planas lisas possibilitando um controle adequado às flechas e praticamente eliminando o efeito da fissuração obtendose uma estrutura de excelente qualidade As lajes lisas protendidas apresentam altura resistência e por não possuírem vigas permitem uma total flexibilidade quer na distribuição de tubulações e dutos quer na disposição das paredes divisórias sendo portanto indicadas tanto nos edifícios de escritórios como nos de apartamentos O concreto protendido vem sendo utilizado em larga escala na execução dos mais diversos tipos de construções desde edificações residenciais comerciais e industriais estacas postes e tubulações até grandes estruturas offshore tanques e reservatórios estruturas de usinas termonucleares pontes viadutos e barragens Nas últimas décadas o avanço caracterizouse pelo aumento de capacidade das unidades de tracionamento macacos hidráulicos pela racionalização dos métodos de execução principalmente na prémoldagem e préfabricação de elementos estruturais de médio e grande porte e pelo aumento das resistências do aço e do concreto A idéia da protensão é um produto do século XX e anunciou a nova direção mais significativa na engenharia estrutural em qualquer período da história Colocou nas mãos do projetista a capacidade de controlar o comportamento estrutural ao mesmo tempo em que o capacitava ou o forçava a pensar mais profundamente sobre a construção Além disso o concreto protendido abriu novas possibilidades de forma e estética A protensão teve ampla aplicação em todos os tipos de edificações e outras estruturas mas a idéia do concreto protendido surgiu a partir do projeto de pontes As formas mais impressionantes de protensão de um ponto de vista puramente de engenharia aparecem nas pontes PROTENSÃO NÃO ADERENTE x ADERENTE Com relação aos sistemas de protensão distinguemse basicamente três tipos protensão com aderência inicial protensão com aderência posterior e protensão não aderente O primeiro tipo protensão com aderência inicial normalmente é executado em fábrica donde se tem a armadura de protensão previamente tensionada e após a concretagem e cura da peça as cordoalhas são cortadas e a força de protensão é transferida ao concreto Normalmente sua utilização se dá em peças préfabricadas de concreto O segundo e terceiro tipo tanto a protensão por aderência posterior quanto a protensão não aderente são realizadas no próprio local da obra após o concreto ter adquirido resistência suficiente especificada em projeto O início da construção de lajes protendidas utilizando monocordoalhas engraxadas data de meados de 195657 quando foi construída a primeira estrutura uma escola no EUA utilizando este sistema O sistema recebe o nome de monocordoalha devido à presença de uma única cordoalha por cabo A presença da graxa entre a cordoalha e a bainha plástica permite ao cabo deslizar sem problemas no ato da protensão reduzindo substancialmente as perdas por atrito A protensão não aderente segue os mesmos processos de cálculo da protensão convencional com a particularidade que os cabos já vêm isolados com uma capa plástica de polietileno que serve de bainha Esta bainha possui em seu interior uma camada de graxa que se interpõe entre ela e o cabo propiciando uma proteção permanente contra corrosão As deformações por flexão em peças com protensão não aderente submetido a ações são desiguais para o concreto e para o cabo este que assume uma deformação uniforme As deformações no concreto devido às tensões impostas pelo carregamento no nível do cabo variam de acordo com o diagrama de momento A compatibilidade de deformações requer um alongamento da cordoalha igual à deformação no concreto na extensão da cordoalha resultando no aumento da deformação do cabo e este incremento será uniforme sobre toda a extensão da cordoalha desde que não haja atrito entre o cabo e a bainha Segundo NAAMAN 1991 o comportamento da protensão não aderente pouco difere da protensão aderente porém para o Estado Limite Último da peça essa afirmativa não é verdadeira Entretanto ensaios realizados por LEONHARDT 1983 provam que a influência da aderência é de grande importância no comportamento resistente tanto para o Estado Limite Último quanto com relação à fissuração em serviço De acordo com LEONHARDT 1983 em ensaios de vigas com protensão com aderência e sem aderência a viga com aderência sofreu menores deslocamentos para grandes cargas de ruptura 900 kN enquanto a viga protendida sem aderência rompeu na zona comprimida sobre uma carga de 600kN Podese ver com isso que a falta de aderência provoca uma diminuição da carga limite em 30 Logo para o caso de protensão sem aderência que é objeto de nosso estudo devese promover um acréscimo de armadura passiva que seja o suficiente para dar segurança à estrutura impedindo a progressão das fissuras uma vez que não existe a parcela de deformação conjunta da armadura protendida com o concreto A crescente utilização de estruturas com monocordoalhas engraxadas devese à simplicidade de operação e ao seu baixo custo unitário se comparado ao sistema de protensão aderente e a sua pequena dimensão O sistema de protensão não aderente é muito útil para protensão de grande e de baixa intensidade sendo muito utilizado em construções de prédios pontes centros comerciais silos e fundações A protensão aderente consiste na utilização de cabos em bainhas metálicas que podem ser lisas ou onduladas nas quais se faz a injeção de calda de cimento a fim de permitir a aderência necessária ao sistema O sistema de protensão por aderência posterior consiste no alongamento dos cabos já posicionados na forma da peça concretada in loco As cordoalhas devem ser lavadas e em seguida essa água de lavagem deve ser expulsa por ar comprimido Após o ato da protensão os cabos são preenchidos com nata de cimento para garantir a aderência entre a armadura e o concreto e também para prevenir a corrosão Além das etapas trabalhosas de injeção de nata nos cabos os equipamentos de protensão são bastante pesados e portanto difíceis de serem manuseados em canteiro Este tipo é indicado quando necessitamos de formar um conjunto com alta densidade de cabos metálicos como no caso de pontes por exemplo As bainhas possuem tubos acoplados que espaçados adequadamente permitem que se injete a calda de cimento e outros que funcionam como purgadores que tem a finalidade de permitir a saída de ar e controlar o perfeito preenchimento dos espaços vazios entre o cabo e a bainha internamente Cada sistema de protensão tem seus campos de aplicações em que resultam mais vantajosos No entanto pelas facilidades e rapidez de execução a protensão não aderente tem ganhado bastante mercado nos últimos anos em relação a protensão com aderência posterior Contudo a protensão com aderência ainda é mais recomendada em casos de obras de maior vulto como pontes e viadutos A aderência entre o concreto e a armadura de protensão propicia um aumento da capacidade portante além de uma melhor distribuição da fissuração A nata de cimento tem uma proteção maior contra a corrosão Além disso as cordoalhas podem ser colocadas antes ou depois da concretagem permitindo que elementos prémoldados sejam solidarizados por meio da protensão Elementos protendidos sem aderência por outro lado são mais fáceis de serem executados em canteiro possuem um coeficiente de atrito menor e com isso menos perdas além de permitirem maiores excentricidades no perfil de protensão No entanto a eventual perda de um cabo de protensão refletese na perda total da contribuição do mesmo à capacidade resistente do elemento uma vez que a falta de aderência nos demais trechos não contribui para a resistência aos esforços solicitantes