betoes com fibras em aplicacoes subterraneas

1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 15

STATE OF THE ART – BETÕES COM FIBRAS EM APLICAÇÕES SUBTERRÂNEAS

ERIK ULRIX Engº Civil-Arqº Biu Internacional Lisboa - Portugal

NUNO FERREIRA Engº Civil MSF Engenharia Lisboa - Portugal

SUMÁRIO O intento essencial desta comunicação é o de estabelecer um ponto de situação sobre os conhecimentos actuais em termos de betão reforçado com fibras para obras de engenharia civil que exijam características especiais de ductilidade como no caso das obras subterrâneas. Com efeito, serão tecidas recomendações qualitativas quanto à importância da interface fibra-matriz, à forma, secção, superfície e o tipo da fibra; sendo também apresentadas as descrições dos ensaios que avaliam convenientemente o desempenho do material. Assim sendo será efectuada a comparação experimental entre dois tipos de fibras de aço disponíveis no mercado.

1. INTRODUÇÃO O betão reforçado com fibras de aço (BFRA) pode substituir completamente o betão armado em estruturas de betão como lajes apoiadas no solo, fundações, paredes e em revestimento de túneis. Já em estruturas em que se exige capacidade de carga significativa, o BRFA pode ser usado em combinação com o reforço convencional, diminuindo assim a necessidade em utilizar armaduras convencionais ou de pré-esforço [1]. De facto, o BRFA em conjunto com o Betão Auto Compactável (BAC) oferece enormes possibilidades na mecanização e na industrialização dos processos de construção, que para além de reduzir o número de operários, faz aumentar qualidade final do produto [1, 2, 3]. É de assinalar, que os materiais compósitos reforçados com fibras têm sido desenvolvidos com o escopo de melhorar as propriedades mecânicas dos materiais de comportamento tradicionalmente frágil, pois quando sujeitos a esforços de tracção, as matrizes frágeis não reforçadas sofrem deformações, elasticamente, até determinado ponto. Após a resposta elástica,

16 JMC’2011

seguem-se as fases de micro-fissuração, macro-fissuração e fractura final. A introdução das fibras no betão conduz à alteração das propriedades no regime pós-elástico da deformação dos materiais. Estas alterações podem ser mais ou menos consideráveis, dependendo dos vários factores intervenientes, como é o caso da resistência da matriz, o tipo de fibra, o módulo de elasticidade da fibra, o factor de forma da fibra, resistência à tracção da fibra, as características de adesão relacionadas com a superfície da fibra, a quantidade e orientação das fibras, bem como com a dimensão máxima do agregado [4].

Figura 1: Curva tensão-extensão em BRF convencional. Tensão de fendilhação e tensão

máxima de pós fendilhação [5]. Da análise do diagrama de tensão-extensão (Figura 1) de um betão reforçado com fibras (BRF), resultam dois pontos de interesse [5]:

• σcc - tensão de fendilhação – praticamente influenciada pela resistência da matriz;

• σpc - tensão de pós-fendilhação – somente dependente das fibras e da tensão de adesão entre fibra e matriz.

Assim, maximizar os parâmetros dependentes das fibras é factor chave para melhorar o comportamento pós-fendilhação do compósito. 2. TIPO DE FIBRAS Considera-se a utilização das fibras como estrutural, se a junção das mesmas contribuir para a capacidade de suporte de carga de um elemento de betão [6]. Neste sentido, o novo enquadramento normativo europeu NP EN 14889, em vigor a partir de Maio de 2008, trata das fibras destinadas a serem utilizadas em todos os tipos de betão e argamassa incluindo betão projectado, betão para pavimentos, o betão para prefabricação, o betão fabricado no local e o betão para reparações. Deste modo, dependendo da natureza as fibras são classificadas em vários grupos (Figura 2.1).


Figura 2.1: Classificação das fibras segundo NP EN 14889.

Os vários tipos de fibras disponíveis no mercado radicam da necessária procura que existe e que tem o objectivo de encontrar a melhor forma de potenciar o aumento da ductilidade do BRF. A esta procura está subjacente o aumento da área de contacto entre fibra e matriz, que pode ser efectuada através dos seguintes processos [5, 7]:

aumentar a rugosidade da fibra torcer a fibra ao longo do seu comprimento deformar a fibra para obter amarração mecânica nas extremidades (zona de

ancoragem) deformar ao longo do comprimento (indentar, frisar, etc.) tratar micromecanicamente a superfície (cauterização química, tratamento por

plasma) Com efeito, as fibras não são todas iguais, deixando assim de fazer sentido a diferenciação apenas pelo comprimento e o diâmetro (forma transversal). No caso das fibras de aço, é ponto fundamental que existem várias formas finais para cada tipo e fabricante de fibra, valendo a pena referir que para estas, o método principal de melhoria da adesão, tem que ver com o reforço na extremidade através do ganho de amarração (Figura 2.2).

NP EN 14889

Parte 2: Fibras Poliméricas

Maioritariamente polipropileno

Classe II – Macro Fibras

Diâmetro > 0,3 mm

Classe I – Micro Fibras

Diâmetro < 0,3 mm Ia – mono filamento

Parte 1: Fibras de aço

Maioritariamente aço de carbono, mas incluí fibras revestidas (zinco por ex.)

Grupos I – fio estirado a frio II – cortado de chapa III – extraído a quente IV - fio estirado a frio por aplainamento

18 JMC’2011

Fibra de aço com amarração em gancho

l: 3~6 cm d: 0,3 ~1,5 mm

Fibras de aço de extremidades alargadas

Fibra de aço em forma de onda

l: 4~6 cm d: 0,5 ~1,3 mm

Figura 2.2: Formas das fibras de aço [8].

Contudo, e ainda que seja espectável considerar que as várias formas poderão interferir no cálculo, este tipo de abordagem não é considerado nos métodos de cálculo dos elementos de BRFA. Dado que o comportamento ao arrancamento da fibra à matriz cimentícia (pull-out) é factor que governa a resistência pós-fissuração, será efectuada seguidamente uma diferenciação entre os vários tipos de fibras tendo em conta ensaios ao arrancamento efectuados.

2.1 Fibras metálicas

No que diz respeito à melhoria do comportamento de pós-fissuração através do tratamento da fibra, a amarração mecânica proporcionada pelo gancho é responsável por cerca de 90% da resposta ao arrancamento (pull-out) (Figura 2.3) de uma fibra para aberturas de fenda situadas entre 0,5 mm e 2 mm [34].


Pull-out 1/6 fibre length

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7

Displacement [mm]

Str

ess

[MPa

]

Mean value B35Mean value B65Mean value UHSC

Pull-out without end-hooks

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7

Displacement [mm]

Str

ess

[MP

a]

Mean value B35Mean value B65Mean value UHSC

Figura 2.3: Comportamento ao arrancamento de uma fibra metálica com gancho e sem gancho, respectivamente, para várias classes de resistência [34].

Dos ensaios de arrancamento realizados [34], verifica-se também que este tipo de comportamento é função da classe de resistência do betão. O estado de tensão nas fibras aumenta com a classe de resistência (Figura 2.2). Ou seja, é a relação de adesão entre a fibra e o betão que define a capacidade de amarração da fibra.

2.2 Fibras poliméricas

Vimos que uma das formas de aumentar a adesão entre a fibra e a matriz cimentícia passa pelo aumento da rugosidade na fibra polimérica, contribuindo assim para o aumento do atrito em fase de arrancamento.

Da Figura 2.4, resulta que o estado de tensão máximo é atingido para abertura de fenda na ordem dos 2 mm. Identifica-se, também, que para classes de resistência iguais ou superiores a 65 MPa, a fibra de poliolefina não consegue desempenhar a sua função de reforço pois atinge a rotura, deixando assim de contribuir para a resistência pós-fissuração que se pretende.

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DISPLACEMENT [mm]

STR

ESS

[MPa

]

Mean value B20Mean value B35Mean value B45Typical value B65 Mean value UHSC

Figura 2.4: Comportamento ao arrancamento de uma fibra polimérica para várias classes de resistência [34].

20 JMC’2011

Assim verifica-se que: • As fibras sintéticas alcançam cargas mais elevadas para deformações maiores

comparativamente às fibras metálicas. No entanto, a carga máxima é menor para as fibras sintéticas que para as fibras metálicas.

• O gancho constitui a maior contribuição à capacidade de arrancamento das fibras metálicas.

• O aumento da resistência do betão melhora a adesão fibra-matriz e consequentemente a capacidade de carga das fibras. Não obstante, para as fibras sintéticas tal aumento poderá ser desvantajoso pois conduz à rotura da fibra, eliminando assim a capacidade de resistência pós-fissuração.

3. DIMENSIONAMENTO DE BRF No presente, a utilização de betões reforçados com fibras em estruturas resistentes é muito limitada. Aproveitar a capacidade das fibras em suportar cargas em zonas fendilhadas do betão, no projecto estrutural é uma prática recente. A investigação tem estabelecido que através da inclusão de fibras se obtém melhorias significativas em:

ductilidade; resistência à fissuração; resistência ao corte; resistência ao impacto e resistência última.

De facto, as fibras descontínuas e distribuídas aleatoriamente na matriz cimenticia, embora não tão eficientes em resistir os esforços de tracção, tendem a controlar melhor a fendilhação, pois encontram-se mais próximas umas das outras. Há que saber distinguir que as armaduras convencionais são colocadas na estrutura em localizações apropriadas de modo a resistir aos esforços de tracção e corte. Por conseguinte, o reforço através da adição de fibras ao betão não é um substituto à armadura convencional, por outro lado, pode complementá-la. Existem aplicações em que as fibras são mais eficientes [10]:

Materiais/estruturas muito esbeltas (varão de aço não pode ser utilizado); Cargas locais e deformações locais muito elevadas (revestimentos em túneis,

estruturas resistentes a explosões, e estacas); Controlo da fendilhação induzida por humidade ou diferenças de temperatura (lajes ou

pavimentos). Assim, as fibras melhoram a ductilidade do material, em específico a sua capacidade de absorver energia. As propriedades de resistir ao impacto, fadiga e abrasão são também melhoradas. Tendo em conta a larga experiência da utilização das fibras, nomeadamente as de aço como armadura no betão, e por conseguinte da utilização do BRFA em variadas aplicações, existem hoje vários métodos de dimensionamento de estruturas resistentes de BRF, cuja substituição da armadura convencional pelas fibras de aço é total ou parcial [11]. De facto, o novo CEB-FIB Model Code 2010 na sua primeira versão provisória [12, 13], define o comportamento do material em compressão e em tracção, possibilitando assim traçar as leis constitutivas do


material e, por consequência, definir os estados limite último de utilização e estado limite de serviço. Contudo, para efeitos de dimensionamento de estruturas no âmbito do novo Model Code [12, 13], as fibras cujo módulo Young é afectado pelas acções do tempo (acção da fluência) e/ou por fenómenos termo-higrométricos, não são tidas em consideração. As situações relacionadas com controlo de fissuração a baixas idades e resistência ao fogo, são consideradas aplicações não estruturais do BRF, pelo que as mesmas se encontram fora do âmbito do novo CEB-FIB Model Code. Destarte, e dentro do âmbito das aplicações estruturais consideradas, que tomam em linha de conta a resistência residual pós-fissuração proporcionada pelo reforço da matriz cimentícia através adição de fibras, apresentam-se na Figura 3.1 e Figura 3.2, respectivamente, os diagramas de tensões e extensões do BRFA e do BRFA com armadura convencional.

Figura 3.1: Diagrama de Tensões e Extensões para BRFA.

Figura 3.2: Diagrama de Tensões e Extensões para BRFA com Armadura Convencional. É importante considerar que a obtenção dos parâmetros resistentes do BRFA, designadamente do valor fftd,res (razão equivalente de resistência à tracção) para inclusão nos diversos métodos de dimensionamento, resulta de ensaios destrutivos do betão através da NP EN 14651 Método de ensaio para betão reforçado com fibras metálicas – Tensão de rotura à tracção por flexão (Limite de proporcionalidade (LP), residual).

22 JMC’2011

Para além da introdução das propriedades dos materiais e dos aspectos de dimensionamento de estruturas de betão com fibras na versão provisória do novo CEB-FIB Model Code, sugerem-se ainda os seguintes métodos de dimensionamento:

- Norwegian preliminary guideline for steel fibre reinforced concrete (NPG for SFRC), Several contributors, Norway, 2006.

- Guidance for the Design of Steel-Fibre-Reinforced Concrete (GD of SFRC), Concrete Society, UK, 2007.

- Test and design methods for steel fibre reinforced concrete. σ-ε design method. Final Recommendation, RILEM TC 162-TDF, 2003.

4. CASOS DE ESTUDO DE APLICAÇÕES DAS FIBRAS EM BETÃO

Existem aplicações do BRFA que, de certo modo, são específicas a determinados métodos construtivos. Ou seja, concretizando, na maior parte das vezes é durante o processo construtivo que são desenvolvidas as maiores cargas e tensões em determinados membros da estrutura, ou inclusive em determinadas regiões desses mesmos membros. Assim:

regiões sujeitas a cargas concentradas (zonas de ancoragem de elementos pré-esforçados por pré-tensão ou pós-tensão);

revestimento para túneis e galerias em betão projectado e segmentos prefabricados para escavação automatizada em túneis;

São tudo exemplos de estruturas ou membros de uma estrutura que necessitam de ter em conta as características especiais que apenas um material como o BRFA oferece.

Seguidamente, faremos referência às aplicações para revestimentos em túneis e galerias recorrendo ao betão projectado com fibras.

4.1 Revestimento para túneis em betão projectado com fibras de aço Nos últimos 30 anos, a evolução do método Norueguês de construção de túneis (NTM – Norwegian Tunnelling Method), constitui um verdadeiro caso de sucesso, pois pode ser adoptado nas mais variadas condições rochosas. Os mais de 1260 registos provam a eficácia da abordagem através do NTM [14]. E ainda que se alerte para o facto que as condições do terreno sejam favoráveis à prática da construção de túneis na Noruega, o NMT tem-se mostrado também eficiente em terrenos menos favoráveis [15]. Torna-se importante referir que o sucesso do método está dependente do tipo de suporte aplicado: betão projectado com fibras de aço, por via húmida, através de robot e pregagens. Dentro do contexto da construção de túneis ferroviários e rodoviários, o NTM é um conjunto de práticas que resultam em túneis permanentemente revestidos, drenados, secos e a um custo de aproximadamente 4000-8000 Eur/m. O tipo de construção resulta em túneis com uma secção transversal entre os 45 e 110 m2 para 2 vias em estradas e 3 vias em vias rápidas [16].


Tabela 4.1: A construção de túneis na Noruega [15].

Tipo de túnel Número Extensão (km)

Ferroviário 700 316

Rodoviário 881 843

Produção de energia hidroeléctrica > 300 3500

Minas industriais 20 -

Outros fins 200 250

Total > 2100 ≈ 5000

Uma das bases do NMT é a selecção apropriada do suporte com base na classificação geomecânica. Este tipo de escolha está dependente da classificação do maciço rochoso tendo geralmente por base o Sistema Q, desenvolvido por Barton, Lien e Lunde [17], e actualizado por Barton e Grimstad em 1993, com uma última actualização por Barton [18]. Assim utilizando os valores do índice Q e da dimensão equivalente no ábaco da Figura 4.1, é possível determinar a categoria do suporte definitivo requerido. Importa, portanto, definir alguns parâmetros que permitem calcular o valor do índice Q (Eq.1) para classificação geomecânica:

SRFwJ

aJrJ

nJRQDQ ××= (1)

Os três quocientes apresentados na expressão podem ser entendidos da seguinte forma [19]:

RQD/Jn - Representa a compartimentação do maciço rochoso e é uma medida grosseira do tamanho dos blocos.

Jr/Ja - Representa a resistência ao corte das descontinuidades (e do maciço rochoso) Jw/SRF - Representa um factor empírico denominado por “tensão activa”.

24 JMC’2011

Figura 4.1: Ábaco para a determinação da categoria do suporte definitivo com classes de absorção de energia, retirado de [19].

Considerando que os sistemas de classificação geomecânica fornecem uma abordagem em que o tipo de suporte é função destes, existe a possibilidade da combinação com análise numérica – modelação da deformação da rocha, com ou sem suporte – tornando possível avaliar a deformação e os esforços a que o lining estará sujeito. Desta forma, no caso de deformações elevadas é necessário um revestimento com capacidade para resistir aos esforços, todavia suficientemente dúctil. O betão projectado com fibras (BPF) constitui-se como um exemplo de um material capaz de comportar tais níveis de deformação (Tabela 4.2).


Tabela 4.2: Características especiais do betão projectado com fibras [20].

Estabilização e comportamento estrutural:

Aspectos de durabilidade Acções térmicas e do fogo

Estabiliza o contorno da rocha e contribui para a estabilidade global mantendo esse mesmo contorno

Melhor rendimento no que diz respeito à ductilidade e durabilidade que a malhasol

Capacidade de se deformar; manter o nível de deformação continuando a suportar carga

Em maciços fracos, sugerem-se conteúdos elevados em fibras o que resultará em elevada capacidade de absorver energia e resistências residuais após grandes deformações.

Distribuição homogénea das fibras descontínuas (assegurada através de uma correcta composição) resultará numa protecção à corrosão, já no caso da malhasol, uma deficiente espessura de recobrimento pode comprometer a durabilidade.

As fibras na parte carbonatada do betão irão apresentar corrosão com o tempo, no entanto as fibras embebidas em betão são estão salvaguardadas

Baixa permeabilidade devido à razão agua-ligante reduzida

Em ambientes extremamente agressivos emprego de fibras de aço galvanizado ou aço inoxidável.

Acção do fogo provoca expansão das fibras provocando fissuração, no entanto atendendo às dimensões reduzidas da fibra, o efeito da expansão não é significativo.

Outras fibras (poliméricas) com a função de criar espaços para a circulação dos gases desenvolvidos durante a acção do fogo evitam destacamentos do betão.

Diminuição do potencial para fissuração resultante dos agregados com coeficiente de expansibilidade térmica elevada, e.g. rochas ricas em quartzo.

O ábaco da Figura 4.1. relaciona o índice geomecânico Q, as dimensões da escavação, recomenda comprimentos de pregagens, o seu espaçamento e a espessura de betão projectado (com ou sem fibras de aço). Ábacos deste tipo podem ainda indicar a constituição das costelas, bem como o seu espaçamento. Um dos aspectos fulcrais, relaciona-se com o facto que não é a espessura do lining de betão projectado com fibras que é suficiente para garantir os requisitos em ductilidade, ou a capacidade para continuar a suster carga para deformações cada vez maiores. É, sim, a capacidade em absorver energia que deve ser avaliada. Com efeito, num maciço excepcionalmente fraco, onde grandes deformações são de esperar, os requisitos de ductilidade e absorção de energia do betão projectado devem ser tidos em consideração, no ábaco de Barton melhorado (Figura 4.1). Em maciços rochosos fracos, é de esperar a existência de deformações logo após a escavação da abertura subterrânea. Deformações entre os 2-10cm ou maiores podem ocorrer em aberturas com vão de 10 m, pelo que, por sequela, um suporte primário e flexível combinado com pregagens é necessário para controlar deformações da massa rochosa para evitar o colapso [21]. Assim, é importante aplicar betão projectado com fibras de elevada qualidade, que possa comportar grandes níveis de deformação e possua ainda resistência residual. Existe uma conexão entre deformação e variação do índice Q, bem como entre deformação e o vão ou altura da abertura subterrânea (Figura 4.2). Deste modo, deformações elevadas sugerem valores

26 JMC’2011

baixos para o índice Q. Devido a esta evidência, o suporte temporário, e até em alguma extensão o suporte definitivo deve ser dimensionado de forma a tolerar os níveis de deformação esperados.

Figura 4.2: (a) Q/vão ou Q/altura vs. deformação radial e convergências para túneis e galerias;

(b) registos de convergências de varias obras subterrâneas na República da China [18]

Uma forma de avaliar o modo como o lining de betão projectado sustem a deformação é o ensaio de absorção de energia, que pode ser efectuado segundo dois ensaios (Figura 4.3). Tem existido a noção errada que todas as fibras exibem desempenho semelhante no regime pós-fendilhação em que o parâmetro determinante é a dosagem em fibras. Portanto, partir da premissa da dosagem, ou volume de fibras, é falacioso. As aplicações estruturais do BPF são agora baseadas na performance do produto final, sobretudo em estado fendilhado, fazendo uso de ensaios sobre provetes em prisma ou em placa (Figura 4.3); os ensaios realizados em placa quadrada, no caso de revestimento em túneis, são mais representativos que os ensaios de ductilidade efectuados em vigas ou mesmo em placa redonda, pois traduzem mais fielmente a realidade. De facto, o ensaio realizado em placa quadrada é mais representativo pois:

1. O painel faz a correspondência com um revestimento de betão projectado em túnel; a base de assentamento em 4 fronteiras simula a continuidade do revestimento em betão projectado;

2. As fibras actuam pelo menos em duas direcções e não apenas numa única (caso do ensaio do prisma); o efeito de reforço das fibras no ensaio de placa é muito semelhante ao comportamento do revestimento real em betão projectado;

3. Revela a capacidade de redistribuição da fissuração; o ensaio em placa redonda sendo isostático tem a sua capacidade de redistribuição limitada;

4. Simula o comportamento estrutural do sistema pregagem/betão projectado nas resistências à flexão e corte;

5. Existência da correlação entre as classes de absorção de energia tendo em conta os ensaios em placa quadrada.


Figura 4.3: (a) configuração do ensaio de absorção de energia segundo a NP EN 14488-5 [22]; (b) esquema de rotura em ensaio de absorção de energia em placa redonda ASTM C-1550 [23].

Deste modo, e ainda que ambas as configurações para ensaio de absorção de energia gerem uma curva carga vs. deslocamento, cuja área sob a curva é a capacidade de absorção de energia do material, é mais correcto para quantificar a performance do BPF, a utilização do ensaio de placa quadrada. De facto a aplicação de uma carga sobre um ponto central pode igualmente ser considerado como uma simulação da ancoragem na rocha [26].

Figura 4.4: Curva carga-deformação - ensaio de absorção de energia em placa quadrada [24].

A Figura 4.4 ilustra uma curva típica do ensaio de absorção de energia segundo a NP EN 14488-5:2008 [22], onde é possível retirar pontos característicos da curva [24]:

AO – região elástica linear AB – fendilhação da matriz BC – comportamento de endurecimento (strain hardening) CD – fase de desligamento (debonding), seguida de arrancamento das fibras (pull-out)

Em linha com as recomendações da EFNARC [25], a EN 14487-1:2005 [26] define classes de absorção de energia – Tabela 4.3 – segundo o valor da energia absorvida até uma deformação de 25 mm.

área sob a curva = absorção de energia (energia de fractura) (J)

Deslocamento (mm)

Carga (kN)

28 JMC’2011

Tabela 4.3: Classes de energia de absorção para ensaios em placa quadrada.

Classes de energia de absorção EFNARC (1996) EN 14487-1:2005 (CEN,

2005)

Energia absorvida até uma deformação de 25 mm

Condição do maciço

a E500 500 Joules Bom b E700 700 Joules Médio c E1000 1000 Joules Difícil

Recorde-se que estas classes de absorção de energia estão indicadas no ábaco de Barton (Figura 4.1), devendo ser cumpridas para maciços fracos ou excepcionalmente fracos. No entanto, este procedimento de determinação da capacidade de absorção de energia em placas de betão projectado com fibras deve também ser estendido a controlo de qualidade, consistindo numa ferramenta útil, pois avalia correctamente a natureza do material colocado (em termos de ductilidade, resistências residuais etc). Refira-se que o controlo após projecção deve incluir a avaliação de parâmetros como:

Resistência à compressão no betão projectado jovem (NP EN 14488-2) Determinação das resistências à flexão (máxima, última e residual) em prismas de

betão projectado (NP EN 14488-3) Avaliação da aderência ao substrato (NP EN 14488-4) Determinação da capacidade de absorção de energia em provetes de lajes reforçadas

com fibras (NP EN 14488-5) Avaliação da espessura do betão projectado (NP EN 14488-6) Avaliação da dosagem de fibras no betão projectado (NP EN 14488-7)

Presentemente [43], a EFNARC propõe uma alternativa ao ensaio à flexão em viga (NP EN 1448-3) em vigor, já que este tipo de ensaio é difícil de executar devido às complexidades técnicas relacionadas com a elevada exigência dos equipamentos de ensaio. Na realidade, os ensaios de placa (NP EN 14488-5) e ensaios de flexão em prismas (NP EN 14488-3) servem propósitos diferentes, isto é:

Ensaio de placa – avaliação da capacidade de absorção de energia durante a fase de deformação do maciço rochoso (especialmente para o caso de aplicações de betão projectado em suporte primário)

Ensaio de flexão – para determinação das resistências residual à flexão para inclusão no modelo de dimensionamento estrutural

A obtenção dos parâmetros de resistências residuais tem por base o corte de prismas dos painéis projectados (NP EN 14488-3). O método de avaliação das resistências residuais agora proposto pela EFNARC [43] (Figura 4.5) tem por base o mesmo princípio de um ensaio à flexão em 3 pontos. Contudo, será utilizada a mesma placa do ensaio de absorção de energia (600x600x100 mm) com um entalhe segundo uma direcção, para desta forma registar a capacidade de carga em aberturas de fenda especificas (0,5mm; 1,5mm; 2,5mm; 3,5mm).


Figura. 4.5: Avaliação da capacidade residual à flexão – Método Alternativo (a) set-up do

ensaio; curva força-deslocamento ou força-abertura de fenda [32].

4.1.1 Evidência do revestimento de betão projectado com fibras (BPFA) 4.1.1.1 Vantagens BPFA/armadura electrosoldada Viu-se que para efeitos de revestimento em túneis ou galerias importa a capacidade em resistir a cargas pontuais, estabilizar o contorno da rocha e, sobretudo, ter a capacidade de se deformar, sustendo carga. Especialmente em obras subterrâneas, tem sido comum a aplicação de BPFA – Betão projectado com fibras de aço - ao invés de malha electrosoldada (malhasol) colocada à mão, que constitui um processo difícil, lento, perigoso e dispendioso, onde nem sempre a adesão entre substrato e o revestimento é alcançada (zonas sombra por detrás da malha, etc.) – Figura 4.6.

a) b)

Figura 4.6: Comparação de revestimento a betão projectado e malha electrosoldada (a) vs. revestimento de betão projectado com fibras (b); retirado e adaptado de Vandewalle [27].

30 JMC’2011

Figura 4.7: Risco de zonas de sombra originando vazios no betão [9]. Por outro lado, as fibras eliminam a necessidade de armadura convencional em betão proporcionando, desta forma, uma facilidade na colocação do betão. Torna-se então útil comparar o comportamento do BPFA e o betão armado convencional (malhasol), mais ainda quando é requerido um efeito estabilizador rápido – especialmente na frente – já que muitas vezes esse revestimento irá estar sujeito a explosões (drill and blast) e ao processo de furação para colocação de pregagens [28]. 4.1.1.2 Comportamento do Betão com Fibras de Aço e Betão com Fibras de Poliméricas Tendo em conta o surgimento de novos materiais no domínio do BPF, como as fibras sintéticas, importa também incluir o comportamento deste material – betão projectado/reforçado com fibras de polipropileno/sintéticas (BPFS) – em termos de absorção de energia e ductilidade (Figura 4.8 e Figura 4.9).

64

36 38

6357

6266 64

48

58

48

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Dramix

65/35

50 kg

/m3

Fiberm

esh 8

kg/m

3

Fiberm

esh 10

kg/m

3

STRUX 85/50

10 kg

/m3

Barchip

7100 8

kg/m

3

Barchip

7100 1

0 kg/m

3

Barchip

4350 8

kg/m

3

Barchip

4350 1

0 kg/m

3

Synmix

8 kg/m

3

Synmix

10 kg/m

3

Malha e

lectro

solda

da

Ene

rgia

de

Abs

orçã

o (J

)

0

10

20

30

40

50

60

70

Fmáx

(kN

)

Figura 4.8: Carga máxima e absorção de energia – Painéis EFNARC. Cada barra corresponde

ao valor médio de um mínimo de 3 placas; retirado de [29].

polipropileno


Figura 4.9: Curvas carga/deslocamento – ensaios à flexão sobre prismas, retirado de [29].

As curvas carga vs. deformação, segundo a configuração disposta pela EFNARC [25] para o ensaio sobre prismas de betão projectado, revelam maior carga máxima para as fibras de aço, no entanto esta capacidade decresce mais rapidamente para deslocamentos maiores, comparativamente aos prismas armados convencionalmente (malhasol) ou reforçados com fibras de polipropileno. Não obstante, são admitidos dois critérios de deformação de Papworth [30]:

Baixa deformação – em aplicações estruturais (a abertura de fenda é muito considerável – aproximadamente 4 mm) onde fissuração é aspecto a ter em conta pois daí depende a maior ou menor facilidade da entrada de água, da corrosão das fibras, ou apenas por considerações estéticas; as fibras metálicas oferecem melhores desempenhos.

Alta deformação – em aplicações estruturais onde altas deformações sejam permitidas; as fibras de polipropileno oferecem melhores desempenhos, sem desenvolvimento de corrosão e a menor custo.

No entanto, é bom não esquecer que num túnel a sobre-escavação, a irregularidade da superfície e a deformação do terreno tornam impossível prever a localização dos esforços de tracção; adicionalmente, a dificuldade em posicionar a malha e de a manter no local durante o impacto do betão projectado faz com que dificilmente a malhasol esteja no sítio onde é necessária a sua contribuição. Comparativamente as fibras distribuem-se em toda a massa de betão logo em qualquer ponto a sua presença garantirá a resistência a esforços de tracção. Deve-se alertar que, mesmo considerando estes dois critérios de deformação, o revestimento tem de oferecer capacidade de suporte contínua à pressão do terreno. Assim, o fenómeno da fluência torna-se importante.

(0-4mm): intervalo

resistências residuais

Deslocamento (mm)

Car

ga (k

N)

(0-20mm): intervalo energia absorvida

32 JMC’2011

Figura 4.10: Comportamento em fluência de fibras macro sintéticas e de aço, resultados

e configuração de ensaio [31]. Sendo característica do revestimento de betão projectado com macro fibras sintéticas ou de polipropileno de baixo módulo de elasticidade proporcionar capacidade de suporte considerável a deformações elevadas, esta pode ser agravada ao longo do tempo, isto é, o comportamento em fluência é factor de agravamento do aparecimento de patologias como fendas e deformações anormais. Assim, contextualizando este comportamento com a curva de reacção de um solo (CRS) e com a curva característica do suporte (CCS) a betão projectado, pode-se referir, simplificadamente, que para coeficientes de fluência elevados, existirá uma diminuição do módulo de elasticidade do betão projectado, o que por consequência resultará numa diminuição da rigidez do lining, podendo resultar em última instância em colapso – Figura 4.11.

Fibras

sintéticas

Fibras de

aço

Fluê

ncia

(1/1

00 m

m)

dias


CRS (a longo prazo)

CCS 1) Ks1

CCS 2) Ks2

Modulo de elasticidade: Ef=E/(1+φ);

Fluência: φ=εc(t)Ec,28/σc;

Rigidez do suporte: Ks=Es/(1-υs2)

Figura 4.11:Curva de reacção do solo e curva característica do suporte sem fluência

significativa (1) e com fluência (2). Sem entrar em controvérsias, remete-se para Vandewalle [27] e Lambrechts [31] as considerações relativas à fluência dos revestimentos de betão projectado com fibras sintéticas ou de polipropileno, pois segundo os mesmos autores:

As fibras de aço desempenham um papel importante na durabilidade das construções, nas situações em que estas actuam como solução única ou solução híbrida (fibras de aço e armadura convencional);

A corrosão das fibras não é uma questão relevante, pois quando estão em jogo aspectos estéticos ou quando se permitem grandes deformações, as fibras de aço galvanizadas oferecem a protecção à corrosão requerida nessas aplicações.

Em termos de comportamento ao fogo, as macro fibras sintéticas são consumidas sob a acção de pequenos incêndios (140 ºC);

Contrariamente às fibras de aço, as macro fibras sintéticas não garantem a estabilidade estrutural em maciços rochosos e terrenos altamente convergentes.

De referir, ainda, que em termos de comportamento a longo prazo, a utilização de fibras macro sintéticas deverá ter em conta o comportamento à fluência quando existem temperaturas elevadas. De facto, segundo as experiências de Burati et. al [33], deverá ser atendido ao aumento do coeficiente de fluência para temperaturas acima dos 20ºC (Figura 4.12), já que após 25 dias as vigas atingiram a rotura.

Figura 4.12: Desenvolvimento da abertura de fenda, comparação fibras metálicas (SF) e macro

fibras sintéticas (MS), com alteração do regime de temperatura em +10ºC após 5 dias [33].

34 JMC’2011

Resulta assim que no caso da utilização das fibras macro sintéticas em aplicações subterrâneas, é possível identificar os factores que mais influenciam o comportamento à fluência e que importam ser analisados e tidos em consideração caso se pretenda utilizar este tipo de fibra:

• Tipo de fibra utilizada • Ordem de grandeza das cargas aplicadas • Duração das cargas • Temperatura • Tipo de construção (provisório ou definitivo)

5. ENSAIOS EM BETÃO COM FIBRAS O comportamento do betão endurecido reforçado com fibras pode ser estudado a dois níveis. Num primeiro nível, podemos admitir que o arrancamento da fibra à matriz de base cimentícia representa um dos processos que determina o comportamento mecânico do betão com fibras, já que a interacção entre a fibra e a matriz é responsável pela capacidade em absorver energia e na ductilidade proporcionada. O nível seguinte já entra em considerações acerca do desempenho em elementos e.g. vigas ou lajes, isto é, em que o comportamento mecânico do betão com fibras é influenciado pela quantidade, orientação e distribuição destas [3]. O trabalho experimental (Tabela 5.1) aqui apresentado actuou fundamentalmente sobre uma vertente: a caracterização segundo a normalização CEN no que diz respeito à capacidade de absorção de energia de placas reforçadas com fibras de aço. Os ensaios efectuados no Laboratório de Materiais de Construção (LMC) e no Laboratório de Ensaio de Materiais de Construção (LEMC) da Faculdade de Engenharia U.P. permitem comparar as capacidades de absorção de energia em placas quadradas com 2 tipos de fibras, supostamente iguais de acordo com informação técnica prestada pelos fornecedores, especialmente no que se refere ao diâmetro e comprimento. Deste modo, pretende-se quantificar as diferenças a nível das fibras actuando na globalidade. Adoptou-se uma única composição de betão com dosagem constante de fibras, sendo as variáveis as seguintes:

Método de colocação em obra do betão: convencional e projecção Tipo de fibra de aço: Fibras E e Fibras D - Dramix – todas elas com a mesma

designação comercial 65/35 (o primeiro numero representa a esbelteza e o segundo o comprimento da fibra)

Tabela 5.1: Programa experimental para os ensaios em betão com fibras – capacidade de absorção de energia.

Tipo Fibra de aço E Fibra de aço D Dramix RC-65/35-BN

Lf [mm] 35 35 D [mm] 0,55 0,55 Dosagem [Kg/m3] 30 Kg/m3 30 Kg/m3 Ensaios de Abs. Energia: Betão Cofrado (BC) Betão Projectado (BP)

2 3

2 2


5.1 Características das fibras

Tendo em conta que foram utilizados 2 tipos de fibras de aço com a designação comercial 65/35, apresentam-se as características mais relevantes na Tabela 5.2.

Figura 5.1: Fibras de aço estirado a frio utilizadas no trabalho experimental.

Tabela 5.2: Características das fibras E e D.

Características E D Dramix RC-65/35-BN

Tipo de Fibra Material Aço estirado a frio, deformadas, coladas

Resistência à tracção [MPa] 1300 1345

Comprimento/Diâmetro [mm] 35/0,55 35/0,55

Esbelteza 65 64

Modulo de Elasticidade [GPa] n.d. 185

TIPO D TIPO E

TIPO E TIPO D Dramix RC-65/35-BN

TIPO E TIPO D Dramix RC-65/35-BN

36 JMC’2011

A Figura 5.1 fornece um aspecto visual das fibras de aço utilizadas. No entanto, importa que se atente nos seguintes aspectos:

as diferenças entre o ângulo do gancho de cada fibra; e diferenças, especialmente na fibra tipo E, entre os comprimentos do gancho da mesma; bem como diferenças significativas de assimetria.

a deformação no agrupamento por existência de tensões residuais – diferença entre tipo E e tipo D leva a deduzir a existência de tensões residuais que não foram eliminadas durante o processo de fabrico – Figura 5.1.

5.2 Caracterização do Betão De forma a investigar as capacidades de absorção de energia em placas quadradas de betão projectado e cofrado (autocompactável), apresenta-se a caracterização da composição utilizada bem como os dados obtidos em estado fresco (Figura 5.2 e Tabela 5.3) e em estado endurecido (Tabela 5.3).

Tabela 5.3: Características das composições. Betão Projectado Betão Cofrado (BAC)

Classe de Resistência C40/50

água/cimento água/(cimento + cinzas)

0,40 0,28

Tipo de cimento CEM I 42,5 R

dmáx [mm] 10

Fibras de aço [kg/m3] 30

Adjuvante superplastificante superplastificante

Acelerador Alkali-free líquido -

A quantidade de fibras inserida foi sempre a conducente a uma dosagem de 30 kg/m3, tanto no caso do Betão Projectado (BP) e Betão moldado (BAC).

Figura 5.2: Ensaio de espalhamento EN 12350-5.

Fibras E Fibras DRAMIX


Tabela 5.3: Dados do betão em estado fresco e estado endurecido. Betão Projectado Betão Cofrado (BAC)

Tipo de Fibra E D E D Propriedade 54BP 55BP 113BC 111BC

Espalhamento (mm) Classe de Espalhamento EN 206

610 F5

630 F6

640 F6

660 F6

Quantidade de água (l/m3) 170 170 168 170 Teor em ar do betão fresco (%) 2,7 3,8 2,8 3,8

7d 51,7 52,3 51,5 52,6 Resistência em cubos (antes da projecção) fc, médio [MPa] 28d 61,4 60 62,2 61,9

7d 40,5 41,5 Resistência em carotes de betão projectado (H/D=1), fc, medio [MPa]

28d 52,9 53,0

- -

5.3 Resultados 5.3.1 Betão Projectado Segundo a NP EN 14488-5 foi determinada a capacidade de absorção de energia dos provetes de betão projectado (via húmida) com fibras de aço, em que a quantidade introduzida foi de 30 Kg/m3. Tenta-se analisar a influência da fibra - tipo E e tipo D - na ductilidade final do material. Os valores finais encontram-se dispostos na Tabela 5.4 e representações gráficas na Figura 5.3.

Tabela 5.4: Absorção de energia em placas de betão projectado com fibras de aço (NP EN 14488-5).

54BP 55BP Designação 15 16 17 13 14

Tipo e quantidade de fibra [Kg/m3] 30 Kg/m3 – Tipo E 30 Kg/m3

Dramix RC-65/35-BN

Carga máxima [kN] 83,99 75,67 88,09 66,9 75,22

Carga de fendilhação [kN] 50,11 33,64 46,44 36,7 41,31

Absorção de energia [J] aos 25 mm 750 550 810 1020 1050

Classe de Absorção de Energia (EN 14487-1) E700 E1000

Carga de pós-fendilhação aos 25 mm [kN] 12,47 6,25 11,76 23,18 17,16

38 JMC’2011

Força/deslocamento - 54BP - Tipo E - 30Kg/m3

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Deslocamento (mm)

Forç

a (k

N)

Força/deslocamento 55BP - Fibras tipo D - 30 Kg/m3

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Deslocamento (mm)

Forç

a (k

N)

Figura 5.3: Curvas Força Deslocamento (a) 30kg/m3 Fibras Tipo E e (b) 30 kg/m3 Fibras D –

Dramix RC-65/35-BN. Foi visto anteriormente que um dos efeitos que as fibras introduzem numa matriz de base cimenticia é o de distribuir favoravelmente a fendilhação. Todavia, não é possível afirmar com base nos ensaios de absorção de energia levados a cabo, que a uma maior fracturação da peça corresponderá uma maior energia de absorção. É necessário ter em conta a variabilidade introduzida pelo assentamento diferencial da placa, pois poderá existir uma contribuição (não quantificável) favorável do mau assentamento da placa para efeitos de absorção de energia. Contudo, a obtenção de maior fendilhação, ou por outra, de uma fracturação em mais pedaços da placa, para um mesmo betão, estará certamente depende da capacidade de ancoragem das fibras. 5.3.1 Betão Cofrado (Autocompactável) Segundo a NP EN 14488-5, foi determinada a capacidade de absorção de energia dos provetes moldados in situ com fibras de aço, em que a quantidade foi de 30 Kg/m3. Tenta-se analisar a influência da fibra - tipo E e tipo D - na ductilidade final do material. Os valores finais encontram-se dispostos no Tabela 5.5 e representações gráficas na Figura 5.4.

(a)

(b)


Tabela 5.5: Absorção de energia em placas de betão moldado com fibras de aço (EN 14488-5). 113BC 111BC Designação

113BC1 113BC2 111BC1 111BC2 Tipo e quantidade de fibra [Kg/m3] 30 Kg/m3 – Tipo E 30 Kg/m3

Dramix RC-65/35-BN Carga máxima [kN] 92,95 103,07 101,84 84

Carga de fendilhação [kN] 39,02 40,92 48,56 32,68 Absorção de energia [J] aos 25 mm 610 1090 1100 1130 Classe Abs.Energia EN 14487-1) E500 E1000

Carga de pós fendilhação [kN], 25mm 3,32 15,24 14,5 26,09

Carga/deslocamento - 113BC - Tipo E - 30 Kg/m3

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Deslocamento (mm)

Car

ga (k

N)

Carga/deslocamento - 111BC - Tipo D - 30 Kg/m3

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Deslocamento (mm)

Car

ga (k

N)

Figura 5.4: Curvas Força Deslocamento (a) 30kg/m3 Fibras Tipo E e (b) 30 kg/m3 Fibras D – Dramix RC-65/35-BN.

Verifica-se, assim, que apesar da semelhança das fibras, ambas metálicas e ambas com a razão l/d=65, permitem indicar as seguintes diferenças para uma mesma dosagem:

• As fibras Dramix RC-65-BN apresentam classe de Absorção de Energia conducentes a um valor mínimo de 1000 Joules – Classe E1000, apropriadas para maciços rochosos difíceis

(a)

(b)

40 JMC’2011

• As fibras do tipo E, apresentaram classe de Absorção de Energia segundo a NP EN 14487-1 de 500 Joules, no caso dos provetes de betão projectado. Já para o betão moldado a classe indicou 700 Joules como valor mínimo. Em ambos os casos foi verificada elevada dispersão dos resultados.

6. CONCLUSÕES O betão simples pode atingir o colapso através de uma única fenda. Ao contrário, o betão reforçado com fibras, mesmo com pequena fracção volumétrica, mantém capacidade de carga pós-fissuração. Adicionalmente, este material proporciona mais valias em termos de aplicação e sistematização dos vários processos de construção, constituindo-se também como exemplo para a qualidade na construção, pela redução de diversas anomalias. Com efeito, as fibras para betão encontram-se hoje bem presentes na indústria da construção civil e das obras públicas. Para isso contribuíram os vários intervenientes desde os produtores de fibras com as suas actividades de I&D, os prescritores de soluções como os projectistas e consultores contribuindo também com métodos de dimensionamento, e os construtores que têm utilizado com sucesso o conceito do betão reforçado com fibras (BRF), maximizando rendimentos e tirando o maior partido das estruturas. Também o novo enquadramento normativo europeu contribuiu para a continuidade na utilização das fibras de aço e das fibras poliméricas no betão, estando hoje o mercado mais disciplinado. Hoje em dia, existem métodos de dimensionamento aceites pela comunidade técnica em que o BRF, mais especificamente o BRFA, pode ser utilizado unicamente ou em combinação com armadura convencional, em estruturas de betão armado. No que diz respeito à durabilidade e desempenho em serviço o uso de fibras não metálicas retira as preocupações relacionadas com a durabilidade das estruturas, mas introduz uma nova preocupação: a fluência. Na verdade, e recuperando o caso de aplicação de projectado com fibras poliméricas em túneis, este demonstra ter aproximadamente 2 vezes o coeficiente de fluência que o betão projectado com fibras de aço. Assim sendo, acreditamos que o crescimento da utilização de um compósito cimentício com fibras, como sendo o BRFA, continuará a aumentar, por ser aquele que historicamente tem revelado mais experiência e melhores desempenhos nas diversas soluções, como sendo o revestimento de túneis através de betão projectado com fibras metálicas ou a produção de segmentos de betão pré-fabricado reforçado com fibras de aço para escavação com tuneladoras. Em conclusão, dos exemplos apresentados neste artigo é possível indicar resumidamente o seguinte:

• Ensaios de arrancamento o As fibras sintéticas alcançam cargas mais elevadas para deformações maiores

comparativamente às fibras metálicas. No entanto a carga máxima é menor para as fibras sintéticas que para as fibras metálicas.

o O gancho constitui a maior contribuição à capacidade de arrancamento das fibras metálicas.


o O aumento da resistência do betão melhora a adesão fibra-matriz e consequentemente a capacidade de carga das fibras. No entanto para as fibras sintéticas tal aumento poderá ser desvantajoso pois conduz à rotura da fibra, eliminando assim a capacidade de resistência pós-fissuração.

• Ensaios de Absorção de Energia Verifica-se assim que apesar da semelhança das fibras, ambas metálicas e ambas com a razão l/d=65, permitem indicar as seguintes diferenças para uma mesma dosagem:

o As fibras Dramix RC-65-BN apresentam classe de Absorção de Energia conducentes a um valor mínimo de 1000 Joules – Classe E1000, apropriadas para maciços rochosos difíceis;

o As fibras do tipo E, apresentaram classe de Absorção de Energia segundo a NP EN 14487-1 de 500 Joules, no caso dos provetes de betão projectado. Já para o betão moldado a classe indicou 700 Joules como valor mínimo. Em ambos os casos foi verificada elevada dispersão dos resultados.

No entanto, julgamos que devemos continuar e orientar a pesquisa para os seguintes aspectos:

Avaliação dos efeitos da fluência no betão reforçado com fibras através de ensaios representativos a várias cargas, temperaturas e condições de humidade para as fibras metálicas e poliméricas, tendo em vista o domínio de aplicabilidade destes materiais;

Determinação das resistências residuais através do ensaio de determinação das resistências residuais e da abertura de fenda em painéis de betão projectado (nova metodologia da EFNARC);

Avaliação da adequabilidade do tipo de fibra ao betão através de ensaios de arrancamento (pull-out).

AGRADECIMENTOS E OBSERVAÇÕES Especial referência para o Consórcio MSF/OPWAY Engenharia S.A. pela disponibilização dos resultados dos ensaios de betão projectado decorrentes de projecções realizadas na Empreitada Geral de construção do Reforço da Potência da Barragem de Picote. Uma das bases do artigo é a Tese de Mestrado em Materiais e Processos de Construção do co-autor. Agradece-se também à Bekaert N.V. SA pela disponibilização da informação associada aos novos desenvolvimentos sobre o comportamento à fluência. REFERÊNCIAS [1] Kanstad, T. (2004). Nordic miniseminar: design rules for steel fibre reinforced concrete

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44 JMC’2011

betoes com fibras em aplicacoes subterraneas

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