Concreto Protendido NBR 6118: Fundamentos, Histórico e Vantagens

CONCRETO PROTENDIDO NBR 6118 Projeto de estruturas de concreto Procedimentos FUNDAMENTOS BÁSICOS A palavra protensão ou prétensão expressa a ideia da instalação de um estado prévio de tensões em alguma coisa Para que se movimente um conjunto de livros de um local para outro é necessária a aplicação de um esforço horizontal que os comprima uns contra os outros A aplicação da força normal pode ser entendida como uma forma de protender um conjunto de elementos estruturais HISTÓRICO DO CONCRETO 1824 criação do Cimento Portland Inglaterra 1886 primeira proposta para prétensionamento do concreto Estados Unidos Final do século 19 primeiras patentes de métodos de protensão A protensão se perdia devidos à retração e fluência desconhecidas na época Patentes não tiveram êxito 1912 reconhecimento de que o efeito da protensão era perdido devido à retração e deformação lenta do concreto Morsch 1919 fabricação de painéis protendidos com cordas de aço para piano Alemanha 1923 estudos indicam que devem ser utilizados fios de alta resistência para superar as perdas de protensão 1928 apresentação do primeiro trabalho consistente sobre concreto protendido Reconhecese que só é possível assegurar um efeito duradouro da protensão através da utilização de elevadas tensões no aço Eugene FreyssinetFrança 1948 primeira obra em concreto protendido no Brasil Ponte do Galeão RJ 1953 publicação da primeira norma de concreto protendido DIN 4227 Alemanha 1978 publicação do Código Modelo para Estruturas de Concreto Armado e Concreto Protendido CEB Armadura destinada à produção das forças de protensão qualquer armadura não utilizada para produzir forças Qualquer armadura não utilizada para produzir forças de protensão VANTAGENS DA PROTENSÃO Projetar seções mais esbeltas menor peso próprio Controle da deformação Melhores condições de durabilidade com a diminuição da tração ocorre menos fissuração DESVANTAGENS DA PROTENSÃO Concreto exige melhor controle de execução Cuidados especiais de proteção dos aços contra corrosão Precisão na colocação dos cabos de protensão Operações exigem equipamento e pessoal especializado CONCRETO ARMADO x CONCRETO PROTENDIDO As armaduras são dispostas nas regiões tracionadas do concreto em função do material não apresentar resistência satisfatória a este tipo de solicitação A parte tracionada da seção não trabalha havendo desperdício de material A protensão consiste em introduzir esforços prévios na peça de concreto para reduzir ou anular as tensões de tração Peculiaridades Protendido foi englobado pela mesma normatização NBR 61182014 Análises detalhadas e específicas verificação em vazio Maneiras de dimensionamento ELU ELS ELS ELU Vasta gama de soluções utilização de armadura ativa e passiva Necessidade de verificação de tensões nas bordas superiores e inferiores CONCRETO PROTENDIDO COM ADERÊNCIA INICIAL aquele em que o estiramento da armadura é realizado utilizandose apoios independentes da peça antes do lançamento do concreto sendo a ligação da armadura de protensão com os referidos apoios desfeita após o endurecimento do concreto A ancoragem no concreto realizase só por aderência CONCRETO PROTENDIDO COM ADERÊNCIA POSTERIOR é aquele em que o estiramento da armadura de protensão é realizado após o endurecimento do concreto utilizandose como apoios partes da própria peça A aderência com o concreto é criada posteriormente CONCRETO PROTENDIDO SEM ADERÊNCIA obtido como no caso anterior mas após o estiramento da armadura não é criada a aderência com o concreto TIPO DE CONCRETO PROTENDIDO QUANTO À ADERÊNCIA MATERIAIS CONCRETO Adoção de rigorosos critérios de controle de qualidade Resistências superiores às praticadas nas peças de concreto armado Fatores que justificam resistências elevadas a força de protensão pode causar solicitações prévias muito elevadas o uso de concretos de alta resistência permite a redução das dimensões das peças concretos de alta resistência tem módulo de deformação mais elevado que acarreta diminuição das deformações imediatas e as que ocorrem ao longo do tempo fluência Utilização da cura térmica a vapor que acelera o processo de maturação através da temperatura e umidade possibilitando atingir elevadas resistências em poucas horas Em algumas situações 70 da resistências aos 28 dias é alcançada em 20 horas MATERIAIS AÇO Caracterizados por sua elevada resistência e pela ausência de patamar de escoamento Apresenta resistência até 3 vezes maior que os aços para concreto armado Podem ser fornecidos em grandes comprimentos evitando problemas com emendas Em função do alongamento prévio são evitados os problemas de fissuração que existem no concreto armado quando as armaduras sofrem deformação excessiva Normas que regulamentam os aços para concreto protendido NBR 7482 Fios de aço para concreto protendido NBR 7483 Cordoalhas de aço para concreto protendido CONCRETO PROTENDIDO Tipos de aço Fios elementos de diâmetro nominal inferiores a 12 mm fornecidos em rolos Cordões grupo de 2 ou 3 fios enrolados com passo constante e eixo longitudinal comum Cordas ou cordoalhas grupo formado por pelo menos 6 fios enrolados em 1 ou mais camadas em torno de um fio cujo eixo coincida com o eixo longitudinal forma helicoidal Cabos grupo formado por várias cordoalhas revestidas por uma bainha CONCRETO PROTENDIDO Tipos de aço Quanto à modalidade de tratamento podem ser Aços aliviados ou de relaxação normal RN São aços retificados por um tratamento térmico que alivia as tensões internas de trefilação Aços estabilizados ou de relaxação baixa RB São aços que recebem um tratamento termomecânico que melhora as características elásticas e reduz as perdas de tensão por relaxação Módulo de deformação longitudinal E para fios 205 GPa para cordoalhas 195 GPa CONCRETO PROTENDIDO Nomenclatura do aço de protensão Concreto Protendido CP 190 RB Relaxação Normal Relaxação Baixa σrup em kgfmm² Produção brasileira CP145RB CP150RB CP170RN CP175RB CP175RN CP190RB CP210RB TABELAS DE FIOS Produto Diâmetro Nominal mm Área Aprox mm² Área Minima mm² Massa Aprox kgkm Carga Minima de Ruptura kN Carga Minima a 1 de deformação kN Along Apos Ruptura CP 145 RB L 90 636 629 500 912 821 60 CP 150 RB L 80 503 496 395 745 670 60 CP 170 RB E 70 385 379 302 645 580 50 CP 170 RB L 70 385 379 302 645 580 50 CP 170 RN E 70 385 379 302 645 548 50 CP 175 RB E 40 126 123 99 214 193 50 CP 175 RB E 50 196 192 154 337 303 50 CP 175 RB E 60 283 278 222 487 438 50 CP 175 RB L 50 196 192 154 337 303 50 CP 175 RB L 60 283 278 222 487 438 50 CP 175 RN E 40 126 123 99 214 182 50 CP 175 RN E 50 196 192 154 337 286 50 CP 175 RN E 60 283 278 222 487 414 50 E entalhado maior aderência L liso Acondicionamento Diâmetro Nominal do Fio mm Peso Nominal kg Diâmetro Interno cm Diâmetro Externo cm Largura do Rolo cm 4 700 150 180 18 5 6 7 8 9 700 180 210 18 TABELAS DE CORDOALHAS Produto Diâmetro Nominal mm Área Aprox mm² Área Minima mm² Massa Aprox kgkm Carga Minima de Ruptura kN Carga Minima a 1 de deformação kN Along Sob Carga em 610 mm Cord CP 190 RB 3x30 65 218 215 171 408 367 35 Cord CP 190 RB 3x35 76 303 300 238 570 513 35 Cord CP 190 RB 3x40 88 383 376 304 714 643 35 Cord CP 190 RB 3x45 96 465 462 366 877 789 35 Cord CP 190 RB 3x50 111 665 657 520 1248 1123 35 Cord CP 190 RB 95 555 548 441 1043 939 35 Cord CP 190 RB 127 127 1014 987 792 1873 1686 35 Cord CP 190 RB 152 152 1435 1400 1126 2658 2392 35 Acondicionamento Tipo de Cordoalha Peso Nominal kg Diâmetro Interno cm Diâmetro Externo cm Largura do Rolo cm Cordoalhas 3 e 7 Fios 3000 76 139 79 COBRIMENTOS MÍNIMOS DA ARMADURA DE PROTENSÃO Valores básicos para peças estruturais em geral Ambiente não agressivo 30 cm Ambiente pouco agressivo 40 cm Ambiente muito agressivo 50 cm Reduções permitidas em relação aos valores básicos Lajes e cascas 05 cm Concreto com fck 30 MPa 05 cm Préfabricação em usina 05 cm CONCRETO PROTENDIDO TIPOS DE CONCRETO PROTENDIDO CLASSIFICAÇÃO QUANTO À CONCRETAGEM Prétração protensão antes da concretagem Póstração protensão após a concretagem CLASSIFICAÇÃO QUANTO À ADERÊNCIA CONCRETOARMADURA Aderência inicial prétração Aderência posterior póstração Sem aderência póstração SISTEMA DE PROTENSÃO PROTENSÃO COM ADERÊNCIA INICIAL Muito empregada na fabricação de elementos prémoldados de concreto protendido Nas pistas de protensão a armadura ativa é posicionada ancorada em blocos de cabeceira e tracionada Em seguida o concreto é lançado e adensado e a peça passa pela fase de cura Após a cura as formas são retiradas os equipamentos que mantinham os cabos tracionados são liberados e os fios são cortados transferindo a força de protensão para o concreto pela aderência PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução a Preparação da forma e colocação da armadura APOIO RÍGIDO FIOS DE PROTENSÃO A princípio é feito a limpeza das formas e a aplicação do desmoldante Passagem e posicionamento dos cabos e fios armaduras ancoradas nas cabeceiras das extremidades PROTENSÃO COM ADERÊNCIA INICIAL ancoragem forma da peça cabeceira da pista bloco de reação Esquema de uma pista de protensão tipica PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução a Preparação da forma e colocação da armadura PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução a Preparação da forma e colocação da armadura PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução b Estiramento e ancoragem da armadura MACACO DE PROTENSÃO Com equipamento macaco hidráulico que reage contra as cabeceiras fazse o estiramento das armaduras até o valor especificado em projeto PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução b Estiramento e ancoragem da armadura PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução b Estiramento e ancoragem da armadura PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução Ancoragem das armaduras fios e cordoalhas nos apoios deve ser realizada através de cunhas e portacunhas Os apoios devem ser rígidos e indeslocáveis As armaduras ativas são posicionadas conforme descrito em projeto com suas determinações previamente confeccionadas pentes de protensão cone de ancoragem armadura a ancorar armadura ancorada PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução c Lançamento adensamento e cura do concreto CARRO QUE LANÇA ADENSA O CONCRETO E FORMA A SUPERFÍCIE DA PEÇA Deslizamento do carro lançando e vibrando o concreto que entra em contato com a armadura PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução c Lançamento adensamento e cura do concreto PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução c Lançamento adensamento e cura do concreto PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução c Lançamento adensamento e cura do concreto PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução c Lançamento adensamento e cura do concreto PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução d Corte da armadura e das peças Depois de curado e alcançado a resistência de projeto fazse o corte das armaduras ativas desprotensão e posteriormente o saque das peças PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução d Corte da armadura e das peças PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução d Corte da armadura e das peças PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL Sequência de execução d Corte da armadura e das peças PRÉTRAÇÃO ADERÊNCIA INICIAL EXEMPLOS PROTENSÃO COM ADERÊNCIA POSTERIOR A protensão é aplicada sobre uma peça de concreto já endurecido e a aderência se dá posteriormente através da injeção de uma calda de cimento no interior das bainhas com o auxilio de bombas injetoras Essa calda evita a movimentação da armadura e promove a aderência entre os materiais Esse processo deve ser realizado cuidadosamente para evitar a formação de bolhas de ar entupimentos e problemas na ancoragem das bainhas Geralmente os cabos são póstracionados por meio de macacos hidráulicos Quando a força de protensão atinge o valor especificado os cabos são ancorados por meio de dispositivos BAINHAS São os tubos dentro dos quais a armadura de protensão deve ser colocada onde possa deslizar sem atrito São utilizadas no caso de protensão com aderência posterior Geralmente são fabricadas com chapas de aço Apresenta ondulações transversais em hélice que conferem maior rigidez além de melhorar a aderência entre o concreto e a nata de injeção Nas protensões sem aderência são utilizadas bainhas plásticas lisas CALDA DE CIMENTO Também chamada de nata tem a função de proporcionar a aderência posterior da armadura de protensão com o concreto e também de proteger a armadura contra corrosão Deve apresentar boa fluidez e resistência a compressão de 30 MPa aos 28 dias Quantidade de água deve ser tão pequena quanto possível Podem ser utilizados aditivos para garantir a fluidez Não pode conter cloro em seus componentes para evitar a corrosão PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Sequência de execução Montagem das fôrmas e armaduras Escoramentos Armadura passiva Bainhas estanques Lançamento do concreto Neste ponto o concreto adere somente à bainha não tendo contato direto com a cordoalha PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Sequência de execução Protensão e ancoragem Após atingir a resistência Apoio do equipamento na face do concreto Ancoragem das cordoalhas idem sistema prétração Aderência Injeção da nata de cimento nas bainhas através de bomba de pressão até a saída de nata pelo expurgador PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Sequência de execução Acabamentos Acabamento das extremidades dos cabos Proteção do sistema de ancoragem Retirada do escoramento Cordoalhas e bainhas Detalhe da posição da cordoalha no interior da bainha e do nicho de protensão para apoio do macaco hidráulico PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Exemplos PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Exemplos PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Exemplos PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Exemplos PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Exemplos PÓSTRAÇÃO ADERÊNCIA POSTERIOR Dispositivo de ancoragem Ancoragem ativa Ancoragem passiva PROTENSÃO SEM ADERÊNCIA A protensão é aplicada sobre uma peça de concreto já endurecido não havendo aderência entre os cabos e o concreto O processo é análogo ao da protensão com aderência porém as cordoalhas são envolvidas por dutos plásticos preenchidos com graxa que é responsável por impedir a aderência Como o aço e o concreto não tem aderência toda a ancoragem é realizada nas extremidades das peças devendose tomar cuidado especial no dimensionamento dos esforços que serão aplicados nas regiões de ancoragem Esse método possui uma carga de ruptura menor que a aderente porém como não é necessário preencher o duto o método é mais simples e mais barato sendo utilizado em casos em que não são necessárias cargas muito grandes Os cabos podem também ser dispostos externamente a peça de concreto já moldada Esta solução é mais frequente em obras de reforço de estruturas préexistentes recuperação de pontes PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Sequência de execução Montagem das fôrmas e armaduras Lançamento do concreto não há aderência entre concreto e cordoalha Protensão da peça após o concreto atingir a resistência de projeto Ancoragem das armaduras ativas OBS note que neste sistema qualquer problema de ancoragem ou ruptura da armadura ativa o efeito de protensão desaparece por completo PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Esquema das cordoalhas engraxadas graxa para proteção cordoalha capa plástica Cabos PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Exemplos PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Cordoalha engraxada Graxa para proteção permanente contra corrosão Capa plástica Cordoalha PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Cordoalha engraxada PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Exemplos PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Dispositivo de ancoragem Ancoragem ativa Bloco de Ancoragem Luva Cordoalha engraxada plastificada PÓSTRAÇÃO SEM ADERÊNCIA Dispositivo de ancoragem Ancoragem passiva Fonte Manual para a boa execução de estruturas protendidas usando cordoalhas de aço engraxadas e plastificadas Eng Augusto Carlos Vasconcelos CONCRETO PROTENDIDO Quadro comparativo entre os tipos de protensão Tipo de protensão Quanto à concretagem Quanto à execução usual Tipo de armadura Transferência de esforços Traçado da armadura Prétração aderente APÓS estiramento da armadura Prémoldado em fábrica Cordoalha não revestida Aderência Retilíneo Póstração aderente ANTES do estiramento da armadura Inloco ou prémoldado em obra Cabo com múltiplas cordoalhas e injeção de nata de cimento Ancoragem aderência Curvilíneo Póstração sem aderência ANTES do estiramento da armadura Inloco ou prémoldado em obra Monocordoalha engraxada sem injeção de nata de cimento Ancoragem Curvilíneo CONCEITOS INICIAIS PARA O CÁLCULO DE PROTENDIDO Efeito da protensão é o oposto da deformação da peça criando uma situação de contraflecha que é benéfico e evitando a deformação excessiva CONCEITOS INICIAIS PARA O CÁLCULO DE PROTENDIDO BORDA SUPERIOR σs NpA Np eWs MWs BORDA INFERIOR σi NpA Np eWi MWi ONDE Wi Iyi Ws Iys TENSÃO DE COMPRESSÃO BOA PARA O CONCRETO TENSÃO DE TRAÇÃO RUIM PARA O CONCRETO TIPOS DE PROTENSÃO PROTENSÃO COMPLETA Não se admitem tensões normais de tração a não ser em casos excepcionais como o de combinações raras de ações que podem ocorrer no máximo por algumas horas durante a vida útil da peça Não existe limitação de ordem técnica que restrinja o emprego de protensão completa somente limitações de natureza econômica PROTENSÃO LIMITADA São admitidas tensões de tração porém sem ultrapassar o estado limite de formação de fissuras PROTENSÃO PARCIAL Admitese fissuração com abertura máxima de fissuras de até 02 mm Exemplo de aplicação Consideremos uma viga de concreto biapoiada com vão teórico de 7 m e seção transversal de dimensões b020 m e h075m A vigas está submetida aos seguintes carregamentos peso próprio b x h x gcon 02 x 075 x 25 375 kNm carga acidental de 15 kNm força de protensão de P600 kN aplicada com excentricidade ep0125m com relação ao eixo baricentrico da seção transversal conforme figura Cálculo das características geométricas Cálculo dos esforços solicitantes e tensões normais no meio do vão a tensões devidas ao peso próprio b tensões devidas à carga acidental c tensões devidas à força de protensão COMBINAÇÕES DE AÇÕES 1 estado em vazio sem ação das cargas variáveis 0 123 MPa 123 MPa 800 MPa 123 MPa 677 MPa P g P g CG 2 estado em serviço com ação das cargas variáveis 123 MPa 490 MPa 613 MPa 677 MPa 490 MPa 187 MPa P g q Pgq CG ANÁLISE DOS RESULTADOS para as duas combinações não ocorrem tensões de tração e as tensões de compressão são relativamente baixas podendo ser suportadas por um concreto de média resistência a viga poderia receber acréscimo de carga acidental pois a borda inferior é submetida à tensão de compressão no estado em vazio as tensões de compressão são maiores que no estado de serviço ou seja o acréscimo de carga não piora a situação REFORMULANDO O PROBLEMA alterar o posicionamento da força de protensão ep 30 cm aumento do valor da carga acidental q 40 kNm análise das tensões nas seções próximas aos apoios pois nelas não atuarão os efeitos dos momentos fletores Mg e Mq Tensões devidas à força de protensão e30 cm tensões devidas à carga acidental q40 kNm COMBINAÇÕES DE AÇÕES ep30 cm 1 estado em vazio sem ação das cargas variáveis 2 estado em serviço com ação das cargas variáveis 56 123 MPa 437 MPa 136 MPa 123 MPa 1237 MPa P g P g CG 437 1307 87 1237MPa 1307 MPa 07 MPa P g q Pgq CG COMBINAÇÕES DE AÇÕES q40 kNm e eP30 cm 1 estado em vazio sem ação das cargas variáveis 2 estado em serviço com ação das cargas variáveis 437 MPa 1307 MPa 870 MPa 1237 MPa 1307 MPa 07 MPa P g q Pgq CG 560 MPa 123 MPa 437 MPa 1360 MPa 123 MPa 1237 MPa P g P g CG 10 m FAZER A VERIFICAÇÃO PARA O ESTADO EM SERVIÇO FIG A y Ay 1 600 55 33000 2 1000 25 25000 S 1600 58000 𝑦 58000 1600 36 25𝑐𝑚 I A 36 25 2375 I A I1 I2 I I1I2 5508x103 m4