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PERSPECTIVAS DO CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS PARA TÚNEIS

Antonio Figueiredo – Escola Politécnica da USP

INTRODUÇÃO• A utilização de CRF em túneis é algo

consolidado no exterior e cada vez mais freqüente no Brasil:– Exemplo: o revestimento de túneis de desvio e

adução em barragens é normalmente feito com a utilização de fibras de aço.

• No entanto, ainda há claros tecnológicos:– Otimização do uso dos CRF em túneis– Ratificação desta aplicação como uma técnica

plenamente fiável do ponto de vista da engenharia.Resumindo: reduzir o empirismo

INTRODUÇÃO

• Por que da necessidade de ratificação da tecnologia?

Falta embasamento técnico de especificadores e aplicadores

Carência de referências normativas específicas.

INTRODUÇÃO• Objetivo: discutir as principais limitações

do uso dos CRF em túneis para o caso específico do Brasil e analisar as possibilidades de encaminhamento para a solução dos problemas.

O “tripé da engenharia de túneis”

Proj

eto

base

ado

em

mod

elo

conf

iáve

l

EMPREENDIMENTO Controle de produção e Controle de recebimento

O modelo de dimensionamento• Determinação dos esforços solicitantes e a definição da

capacidade resistente da estrutura de modo a garantir a sua estabilidade.

• Sem um modelo de dimensionamento adequado, não há como definir a engenharia de túneis como tal.

• Ao contrário das estruturas convencionais de concreto armado, não há normas brasileiras que tratem do assunto dimensionamento de túneis.

• Isto dificulta o estabelecimento de modelos de controle adequados.

O modelo de controle de execução• A execução de um túnel é uma obra sistêmica que

interage intensamente com seu entorno.• O maciço circundante participa na capacidade resistente

da estrutura da obra.• A interação entre o maciço e a estrutura,

principalmente durante a execução da obra, deve ser controlada através de instrumentação adequada.

• A análise dos resultados de instrumentação deve ser feita por um profissional experiente para verificar se as premissas estabelecidas no modelo de dimensionamento estão sendo respeitadas.

O modelo de controle do material estrutural

• Objetivos: verificar se o material atende às exigências de aplicação e se atende aos requisitos de projeto.

O modelo de controle do material estrutural

• Um concreto convencional é normalmente avaliado por:Abatimento de tronco de coneVerificação da resistência característica por meio de um estimador adequado.Verificação do módulo de elasticidade.

Consideração do Módulo de Elasticidade

05

101520253035404550

0 10 20 30 40 50 60

fck (MPa)

E (G

Pa)

E mE c

k

95

%5 %

E mE c

k

95

%5 %

E = 5600 fck

O modelo de controle do material estrutural

Tudo muito básico!• É exatamente isto o que está faltando para o

CRFA.• Perspectivas futuras:

Produção de referências técnicas normativasTransferência de tecnologia desenvolvida nas universidades e centros de pesquisa para a indústria.

Modelo de dimensionamento• Pode-se apontar esta área como a que mais se

deve investir em pesquisa e normalização.• Existe a necessidade de modelos públicos de

dimensionamento com CRF.• Isto vale para NATM e tuneladora.• Ajudaria muito na definição dos modelos de

controle

Modelo de dimensionamento• Exemplo: Linha Amarela do Metrô de São Paulo.• O dimensionamento do túnel ficou a cargo da Halcrow

Group Limited, que utilizou seus modelos particulares.• Para garantir a confiabilidade da obra e a retro-

alimentação do processo de dimensionamento, foram realizados ensaios em corpos-de-prova de grandes dimensões (homologação do material).

• Esta prática já vem sendo explorada no Brasil, inclusive em trabalhos acadêmicos (Fernandes, 2005).

Ensaios de grandes dimensões

FLEXÃO DE COMPONENTES

A fibra funciona?

Ensaios de grandes dimensões

FLEXÃO DE COMPONENTES (HOMOLOGAÇÃO L 4)

(King et al. 2003).

Ensaios de grandes dimensões

VERIFICAÇÃO DE JUNTAS (HOMOLOGAÇÃO L4)

(King et al. 2003).

Modelo de dimensionamento• Ensaios inviáveis para o

controle corriqueiro da obra.• Deve ocorrer análise em

paralelo com corpos-de-prova de pequenas dimensões para resistência à compressão, resistência à tração na flexão e tenacidade. (Telles e Figueiredo, 2006)

• Homologação (grandes dimensões)• Parametrização simultânea (pequenas

dimensões)• Controle corriqueiro de produção dos

segmentos (verificação das peças e ensaios de pequenas dimensões).

“Filosofia” do dimensionamento

“Filosofia” do dimensionamento• Nível de segurança muito interessante: só irão

para o túnel os segmentos pré-moldados já aprovados pelo sistema de controle da qualidade.

• Isto não acontece para o concreto moldado in loco ou projetado.

• Se houvesse modelos de dimensionamentos de túneis produzidos com tuneladoras normalizados:facilitaria o estabelecimento de modelos de controle específicos para a obradiminuiria a dispersão de enfoques que se pode ter de uma obra para outra.

“Filosofia” do dimensionamento

Situação do NATM• Muito pior!• “Receita” do consumo mínimo (máximo?)

ainda permanece.• Equivale a dimensionar um edifício com

um consumo mínimo de cimento.

Como avaliar o CPRF• Capacidade de reforço pós-fissuração

(tenacidade):• Ensaios em prismas• Ensaios em placas

“Filosofia” para o NATM• Homologação em placas• Controle em paralelo com prismas• Controle corriqueiro com prismas

Modelos de dimensionamento e controle

• Já existem modelos publicados (ACI, RILEM) mas não para túneis.

• Fundamental: vínculo do modelo de dimensionamento com o modelo de controle.

Modelo de controle do material

• Dificuldade: nascimento sem um modelo de dimensionamento.

• Problema 1: grande diversidade de métodos no mundo.

• Problema 2: sem norma brasileira específica.

Modelo de controle do material• Dificuldade: nascimento sem um modelo

de dimensionamento.• Solução 1: grande diversidade de

métodos no mundo.• Solução 2: sem norma brasileira

específica.• Podemos escolher!

Modelo de controle do material• O Brasil conta com a nova especificação de

fibras de aço para concreto NBR 15530:07.• Esta norma tem algum paralelo com a recente

normalização internacional, como também algumas inovações interessantes.

• Introduz uma nova classificação e um plano de controle da qualidade do produto.

A nova especificação brasileira das fibras de aço para concreto

NBR 15530:07 – Fibras de aço para concreto - Especificação

Escopo e abrangência da norma

• Estabelecer parâmetros de classificaçãopara as fibras de aço de baixo teor decarbono e dispor sobre os requisitosmínimos de:– forma geométrica,– tolerâncias dimensionais,– defeitos de fabricação e– resistência à tração e dobramento.

Escopo e abrangência da norma

• Com isto, procura-se garantir que as fibrasem conformidade com estes requisitostenham potencial para proporcionar umdesempenho adequado ao CRFA, desdeque sejam observados os cuidadoscom a dosagem e controle do material.

Escopo e abrangência da norma

• Cautela: o fato de que uma fibra que atenda a norma não terá garantido o desempenho final no CRFA

• (isto depende de fatores ligados às fibras e ao próprio concreto).

Classificação das fibras de aço

TIPOS:

Tipo A: fibra de aço com ancoragens nas extremidades

Tipo C: fibra de aço corrugada

Tipo R: fibra de aço reta

Classificação das fibras de aço

CLASSES:Classe I: fibra oriunda de arame trefilado a frioClasse II: fibra oriunda de chapa laminada cortada a frioClasse III: fibra oriunda de arame trefilado e escarificado

DesignaçõesTipo

(geometria)Classe da

fibra

Fator de Forma

mínimo λ

Limite de resistência a tração do aço MPa

(*)fu

AI 40 1000

II 30 500

C

I 40 800

II 30 500

III 30 800

RI 40 1000

II 30 500(*)Esta determinação deve ser feita no aço, no diâmetro equivalente final

imediatamente antes do corte.

Comentários

• Os requisitos especificados podem ser considerados em conformidade com o mercado externo, sendo até mais exigentes.

• Uma fibra produzida no Brasil e que atenda aos requisitos desta especificação, estará em condições de ser aceita em qualquer mercado internacional.

Comentários• Esta é a norma base para a futura

normalização do CRFA.• Ela é o primeiro documento publicado,

mas não é suficiente para parametrizar o uso do CRFA.

• É necessária sua aplicação.

• É necessário qualificar o concreto reforçado com fibras de aço ou poliméricas com métodos normalizados:– Primas– Placas

Comentários

Ensaio de punção de placasRepresenta o esforço de um tirantePermite comparação entre fibras e telas metálicas

Levantamento das curvas de carga por deslocamento

Determinação das curvas de absorção de energia por deslocamento

Nível(EFNARC)

Energia absorvida (J)

A 500

B 700

C 1000

FIBRA vs. TELA

Alternativas para o ensaio em placa quadrada

Vista superior

CARGA

Apoios

Vista frontal

MORGAN (1999) →ASTMALMEIDA (1999)

Car

ga

Deslocamento

O ensaio em prismas

Car

ga

Deslocamento

O ensaio em prismas

ASTM C1018ASTM C1399JSCE SF4EFNARCRILEM

L/3 L/3 L/3

L

CA

RG

A

DESLOCAMENTO

Alternativas para o ensaio em prismas

Critério JSCE-SF4

Tb L

FT= ------* ------

δTb bh2

δTb

CARGA (kN)

DEFLEXÃO (mm)

Tb

Critério EFNARC

Método ASTM C 1399

Chapa de aço

Critério ASTM C 1399

225,100,175,050,0

h.bL

4PPPP

ARS ⋅+++

=

Método RILEM TC162

• Ensaio em prisma com entalhe

Entalhe

Critério RILEM TC162

feq.2= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.2.1 DfBZ.2.11

0,65 0,5L

bhsp2

(N/mm2)

feq.3= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.3.1 DfBZ.3.11

2,65 2,5L

bhsp2

(N/mm2)

feq.2= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.2.1 DfBZ.2.11

0,65 0,5L

bhsp2

(N/mm2)feq.2= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.2.1 DfBZ.2.11

0,65 0,5L

bhsp2

(N/mm2)

feq.3= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.3.1 DfBZ.3.11

2,65 2,5L

bhsp2

(N/mm2)feq.3= ---32

----------+---------- ----------Df

BZ.3.1 DfBZ.3.11

2,65 2,5L

bhsp2

(N/mm2)

Pontos importantes:• Outras possibilidades como o entalhe

lateral (Gava,2006).SimplicidadeRepetibilidadeReprodutibilidadeImplementação

Outros ensaios: determinação do teor de fibras

• Determinação do teor de fibra incorporado no concreto no estado fresco e no estado endurecido (fundamental para o concreto projetado).

• O desempenho depende do teor de fibra que consegue ser incorporado à estrutura.

• Hoje, quando muito, se faz a especificação do consumo de fibra que é adicionado à mistura que alimenta a bomba de concreto.

Outros ensaios: determinação do teor de fibras

• Determinação do teor de fibras do concreto recém misturado ou recém projetado (no estado ainda fresco): complemento da realização do ensaio de reconstituição de traço (NBR 13044).– A determinação é feita com a coleta com ímã

(aço) ou catação (pp) após a lavagem dos finos.

– Tal procedimento já foi utilizado em estudos anteriores com sucesso (Figueiredo, 1997).

Outros ensaios: determinação do teor de fibras

• A determinação do teor de fibra incorporado ao concreto projetado endurecido: feita em conjunto com a realização do ensaio de determinação da massa específica e da absorção (NBR 9778)– Deve-se apenas realizar a ruptura do corpo-de-

prova ensaiado e a coleta da fibra com o uso de ímã (aço) ou catação (pp).

Pontos fundamentais:• A especificação dos requisitos de

desempenho por parte dos projetistas.

• A verificação dos requisitos no controle corriqueiro

Recomendação EFNARCTipo de ensaio de controle Reduzido Normal RigorosoResistência à compressão 500 250 100Resistência à tração na flexão 500 250Tenacidade na flexão 1000 500Absorção de energia em placas 1000 500Aderência 500 250Conteúdo incorporado de fibra 250 100Espessura da camada projetada 50 25 10

Volume em m3 de concreto produzido entre testes

Métodos de controle da estrutura• Com o uso de fibras, espera-se o melhor

controle da fissuração geral da estrutura.• Diminuição da entrada de água – controle

da estanqueidade.• Há dificuldade de parametrização

confiável dessa característica e de quantificá-la de maneira confiável.

Métodos de controle da estrutura• Uma das possibilidades futuras: utilização

de permeâmetros portáteis.• Estes permeâmetros levariam em conta o

valor do coeficiente de permeabilidade Darcyniano (k1) e o não-Darcyniano (k2) que permite verificar o nível de perda de carga associado à descontinuidade e rugosidade dos poros (Innocentini et al. 1998; Innocentini et al. 2003).

Métodos de controle da estrutura

• Este sistema poderia detectar o grau de influência de uma fissura no nível de permeabilidade da estrutura.

• Com isto, seria possível estabelecer parâmetros claros de desempenho para a estanqueidade do túnel, bem como uma forma de controle da mesma.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

5 10 15 20 25 30 35 40 45

Teor de Fibras (kg/m3)

Tens

ão R

esid

ual (

MPa

)

NaturalReciclado 2,2 - 2,5 g/cm3Reciclado 1,9 - 2,2 g/cm3

Dosagem da fibra• Já foram propostos métodos para o CRFA

tanto projetado (Figueiredo, 1997) como convencional (Figueiredo et al., 2000).

• Só falta utilizar.

Desagem da fibra de pp

• Objetivo: controle do lascamento explosivo da estruturas submetida a incêndio.

• Normalmente: adoção de consumos mínimos empíricos não se levando em conta a maior ou menor susceptibilidade da estrutura à ocorrência do fenômeno (0,6kg/m3 para qualquer situação).

• Já foi comprovada a maior susceptibilidade dos concretos de maior resistência principalmente quando saturados.

Risco do concreto de menor a/c e maior nível de saturação (Nince, 2007).

22502000175015001000750500

Teor (a/c = 0,25)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

% V

olum

e La

scad

o

Desagem da fibra de pp• Concretos de maior resistência e saturados demandam

um maior teor de fibras de polipropileno para evitar que o spalling ocorra.

Desagem da fibra de pp• Vale ressaltar que os estudos

desenvolvidos neste sentido até agora focaram quase que exclusivamente o concreto convencional, e muito ainda deve ser desenvolvido em termos de pesquisa sobre o concreto projetado.

Conclusões• As perspectivas para o uso dos concretos

com fibras em túneis no Brasil são muito promissoras:– Deve-se procurar a transferência dos

resultados de pesquisas desenvolvidas nas universidades e outros centros para a prática.

– Forma mais nobre de transferência de tecnologia: normalização.

Conclusões• Perspectiva futura:• Criação da comissão de estudos para a

especificação do concreto com fibras no CBT.

• Muito trabalho pela frente.• Quem quiser cooperar será muito bem

vindo.

Obrigado!