comportamento do concreto ao longo do tempo
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CONCRETORetração e propriedades do
concreto endurecido
PCC 32222019
Objetivos da aula
• Entender o fenômeno da fluência e o processo deretração do concreto e os riscos de fissuração a elaassociados
→ Conhecer os parâmetros influenciam a retração e afluência do concreto
• Ter domínio do conceito de resistência e módulo deelasticidade do concreto
→ Conhecer os parâmetros que influenciam essaspropriedades
Por que as fissuras ocorrem?
Tensão acima da resistência do material
• Carregamento externo
• Recalques de fundação
• Reações expansivas • Alcali-agregado
• Corrosão de armaduras
• Retração restringida• secagem, carbonatação, resfriamento
• Gradientes
• Estruturas contiguas
• Gradientes térmicos (calor de hidratação)
Fissuras & & suas causas
Uma das principais causas de fissuras é a retração restringida
σ = E(ΔL/L0) = Eε ΔL
L0
Retração livre: gera apenas redução de volume
Retração restringida: gera tensões
σ = E(ΔL/L0) = Eε
Toda estrutura é restringida pelo contato com o solo.
Res
triç
ão e
xter
na
Retração restringida & tensões
• Gradientes de umidade• Para que a retração por secagem produza fissuras deve haver restrição
à deformação.
Restrição interna
Tipos de retração
Retração
Estado fresco
Estado endurecido
Assentamento plástico
Retração plástica
Retração autógena
Retração por secagem
Retração por carbonatação
Retração por origem térmica
Transição do concreto estado fresco → endurecido
• Sedimentação das partículas (movimentação da água)→ Água concentra-se na camada superficial (>> a/c local)→ Evaporação na superfície
• Redução no volume do concreto (retração química) → Vol. cimento hidratado = Vol. Cimento + 0,75 água combinada
• O concreto aquece e se resfria
• Concreto torna-se rígido (3h-7h), mas ainda pouco resistente
• Concreto torna-se poroso no estado endurecido e retrai durante a secagem
• Há riscos de fissuras!
Retração por assentamento plástico do concreto
• Partículas começam asedimentar deslocando aágua e o ar aprisionado.
• Diminuição de volumepor redução de altura depeça.
• Se houver restrições,pode ocorrer fissuras.
Fonte: Illston (2010)
Taxa de evaporação da água > Taxa de exsudação da água
Retração plástica
Retração plástica: solução é a cura
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Solução é a cura do concreto
advancedcivilengineering.blogspot.com www.structuremag.org
Processos de cura
MOLHAGEM CONSTANTE
Processos de cura
CURA COM MANTA GEOTÊXTIL
Processos de cura
CURA COM SACOS ÚMIDOS
Processos de cura
CURA QUÍMICA/PELÍCULA
Até quando curar?
NBR 14931: Execução de estruturas de concreto –Procedimento (2004)
→ Realizar cura até atingir fck ≥ 15 MPa
American Concrete Institute (ACI) Committee 301 recommendsa minimum curing period corresponding to concrete attaining70% of the specified compressive strength.
GANHO DE RESISTÊNCIA - NBR 6118/2014
IDADE (dias) CP III E IV CP II CPV - ARI
1 0,16 0,20 0,22
3 0,47 0,60 0,66
7 0,68 0,78 0,82
28 1,00 1,00 1,00
Por que devemos curar o concreto até endurecer?
Tensão capilar
• Quanto menor o poro, maior a tensão capilar e a retração
• A perda de água adsorvida (nos menores poros) é a principalresponsável pela retração por secagem do concreto endurecido
• Umidade relativa, vento, temperatura e radiação controlam a evaporação.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Fissuração
Retardando a secagem, diminui volume de poros capilares (responsáveis pela retração) e em consequência aumenta a resistencia.
Tensão da retração por secagem
σ
tempo
fissura
Resistência à tração do concreto
σ
tempo
Sem fissura
Retração (reversível e irreversível)
00
200
400
600
800
1000
10 20 30 40 50 60 70 80
Secagem Molhagem
Def
orm
ação
neg
ativ
a(x
10
-6)
Tempo (dias)
Retração reversível
Ret
raçã
oto
tal
Retração irreversível
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Quais parâmetros controlam a evaporação de água no concreto?
Evaporação da água
• Temperatura do ar
• Umidade relativa
• Temperatura do concreto
• Velocidade do vento
• Uso de ábacos
• Qual a quantidade
de água que evapora
em uma laje de
concreto (1 m x 1 m),
com espessura de 5
cm, em 1 dia?
Exercício
Resolução
Temperatura ambiente = 20°C
UR = 80%
Volume/área do concreto = 0,05 m³ / 1 m² = 0,05 m
TCONCRETO = 20°C + 5°C = 25°C
Velocidade do vento = 16 km/h
Taxa de evaporação = 0,8 kg.m-².h-1
Período = 24 h
Quantidade de água = 0,8 x 24 = 19,2 kg/m²
Como combater o risco de fissuração devido à retração por secagem? Justifique.
Resposta
• Cura “prolongada”
• Aumentar a resistência à tração do concreto nasprimeiras idades
→ Concretos mais resistentes
→ Fibras
• Reduzir a deformação do concreto
• Aumentar o volume de agregados, que são maisrígidos que a pasta de cimento
Gradientes térmicos
“Retração” térmica
• O cimento gera calor durante sua hidratação
• O concreto é mau condutor e conserva o seu interior aquecido
• A parte externa perde calor para o ambiente
Lançamento do concreto
Aquecimentodo concreto
pelas reações de hidratação
Resfriamentodo concreto das
bordas para o centro (baixa
condutividade)
Retração da superfície com
restrição da parte interna gerando
fissuração
O problema não é a temperatura máxima, mas o gradiente em relação à temperatura de equilíbrio.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
= a . DT . E
Ccimento= 223 kg/m³
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Estimativa da elevação de temperatura do concreto
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Estimativa da elevação de temperatura do concreto
Exercício
Faça uma verificação simplificada do risco defissuração de um bloco de concreto com as seguintescondições:
• Temperatura de lançamento: 32oC
• Elevação da temperatura: 26oC
• Módulo de elasticidade do concreto: E = 19.000 MPa.m/m
• Coef. de dilatação térmica do concreto: a = 10-5 m/moC
• Resistência à tração do concreto: fct = 4 MPa
Exercício simplificado: resolução
• Cálculo da deformação específica:e = a . DT
e = 10-5.(26°C) e = 0,00026
• Cálculo da tensão devido ao aumento da temperatura: = e . E
= 0,00026 . 19000 = 4,94 MPa > fct = 4 MPa
Logo, risco significativo de fissura
• Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?
•Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?
Fonte: Maria João Henriques. Relatório 425/2013. LEVANTAMENTO TÉRMICO DE PARAMENTOS DE BARRAGENS DE BETÃO PARA APOIO AO ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DE PATOLOGIAS
Quais estratégias podem ser adotadas
para controlar a gradientes térmicos
do concreto?
Estratégias
• Reduzir o consumo de cimento na dosagem
• Cimento com < taxa de liberação de calor (adições)
• Concretagem em etapas (“juntas frias”)
• Reduzir a temperatura dosmatérias primas
→ Gelo moído substituindo a água
→ Refrigerar concreto com nitrogênio líquido
→ Refrigerar agregados
• Instalar bombas com sistemas trocadores de calor na estrutura
http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/190/artigo286974-2.aspx
Fluência
O concreto endurecido continuase deformando com o tempo
http://www.panoramio.com/photo/9236090
http://www.panoramio.com/photo/9236090
Deformação lenta ou fluência do concreto
• Ocorrem em peças submetidas a cargas de longa duração
• Causas:→ Devido à movimentação de água pelos poros do
concreto
→ Devido à acomodação dos cristais na pasta de cimento hidratada
• Tendem a se estabilizar com o tempo (esforços majoritários de compressão)
Deformação por fluência também é parcialmente reversível
e
200
600
400
800
1000
0 4020 60 80 100 120
Tempo após o carregamento (dias)
Fluência irreverssívelConcreto
descarregadoDeformaçãoelástica
Deformaçãopor fluência
Recuperação elástica
Recuperação da fluência
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Quais estratégias devem ser adotadas para controlar a fluência do concreto? Justifique.
Diminuindo a deformação por fluência
• Reduzir o volume de pasta e a quantidade de água ou aumentar o volume relativo de agregado;
• Usar agregados de maior módulo de elasticidade.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
a)1( gC
C
P
C −=
Onde:
→ CC: fluência do concreto
→ CP: fluência da pasta de cimento
→ g: teor de agregados
→ a: constante
Deformação por fluência
• Considerar adequadamente as condições ambientais locais.
Atividade: Indique como a geometria da estrutura e a taxa de armadura podem influenciar a deformação por fluência.
Propriedades mecânicas do concreto endurecido
Comportamento mecânico
• É a resposta obtida do concreto quando submetida a esforços
mecânicos (diagrama tensão x deformação).
• Depende dos tipos de esforços
mecânicos:a) Traçãob) Compressãoc) Flexãod) Torçãoe) Flambagemf) Cisalhamento
• O concreto trabalha bem à
compressão e este tipo de esforço
é priorizado para a concepção
estrutural
Deformação específica
Ten
são
aatgE =
Δε
Δσ
Módulo de elasticidade
0
)/(L
Lmmmm
D=e
Aresistente
F
ΔL
L0
e
D
D=E
Medida da curvaTensão x deformação
extensômetros fixos no concreto
σ
ε
Comportamento não linear
extensômetros fixos nos pratos da prensa
cria erro de acomodação
Módulo de elasticidade ou módulo de deformação do concreto
Relógio comparador Clip gage
Metrologia é difícil e depende muito do equipamento.Exige medir deformações com precisão de 1/1000mm
Deformações do concreto e seus constituintes
O concreto apresenta comportamentoelástico linear?
Processo de propagação das fissuras
Determinação do módulo é uma convenção
E = (2 - 1)(e2 - e1)
Deformação específica = DL/L0
Ten
são
(M
Pa)
2 = 0,3.fc
1 = 0,5MPa
e1 e2
2 = 0,3 fc para Etang
2 = 0,4 fc para Esec
Ciclos de carregamento previstos pela norma brasileira (ABNT NBR 8522:2008)
Previsão do módulo de elasticidade segundo a norma ABNT NBR 6118:2014
Exercício
• Um corpo-de-prova de 10 cm de diâmetro e 20 cmde altura, foi destinado à determinação do módulode elasticidade. Carregaram o corpo de prova até40% da carga máxima anterior (500.000 N) emediram uma deformação de 0,07 mm com umextensômetro com base inicial de medida de100mm. Estime o módulo de elasticidade desseconcreto (GPa).
Área = .102 = 78,54 cm2 = 7854 mm2
4
Carga = 0,40x500.000 N = 200.000 N
Tensão = 200.000 N ÷ 7854 mm2 = 25,4 MPa
Deformação específica = 0,07 ÷ 100 = 0,0007 mm/mm
Módulo de elasticidade = 25,4÷ 0,0007 = 36.268 MPaMódulo de elasticidade = 36,3 GPa
Resolução
Pontos importantes
• Quanto maior o módulo de elasticidade, maior é arigidez do concreto
• Menor é a deformação de uma estrutura para umadada geometria
• Menor é a deformação por retração
• Maiores são as tensões para o mesmo nível dedeformação imposta
• Menor é a deformação lenta
Comportamento estrutural
• Fundamental: parametrização do comportamentodo material para prever comportamento estrutural
• Combinação de esforços
• Combinação de comportamentos (concreto e aço)
• Modelos de dimensionamento devem garantirsegurança do conjunto
Comportamento mecânico do concreto e a segurança da estrutura
• Em um pilar a resistência do concreto define a capacidade resistente do elemento estrutural.
→ Esforço principal de compressão.
• Em uma viga ou laje o vergalhão de aço tem papel mais relevante para segurança da estrutura.
→ Esforço de tração resistido pelo aço.
• Num pavimento de concreto simples a resistência à tração do concreto é o parâmetro mais importante.
• Segue ensaios padrão
• Parametriza o material e se utiliza em conjunto com modelos de dimensionamento validados:
Determinação da resistência
Medida da resistência à compressão do concreto no Brasil
• Moldagem e cura segundo
NBR5738
• Ensaio segundo NBR5739
• Corpos-de-prova cilíndricos:
• Dimensões F15cm x 30cm
ou F10 x 20 cm;
→ Proporção h/d = 2
• Adensamento padrão
manual ou mecânico;
• Desforma com 24 h;
• Cura → câmara úmida
▪ Temperatura e HR controlada
→ Imersão;
• Acabamento superficial
• Ruptura → velocidade controlada
As faces paralelas no carregamento são garantidas pelo capeamento ou polimento das superfícies
Resistência à compressão e o corpo de prova
Corpo de prova padrão Mercosul/Europeu
http://buildingresearch.com.np/services/mt/mt1.php
Corpo de prova padrão Brasil
Correlações
cilindrocubo fcfc 2,1
Por que?
Relação altura/diâmetro do corpo de prova
Altura/Diâmetro (mm/mm)2
Incremento de Resistência(MPa/MPa)
1
0,5
2
Variação da velocidade de carregamento
OZBOLT,RAH, MESTROVI. Influence of loading rate on concrete cone failure. International Journal of Fracture (2006) 139:239–252
Baixa velocidade de carregamento
Dinâmica do efeito Rüsch(fadiga estática ou ruptura por carga mantida)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Rel
ação
res
istê
nci
a im
edia
ta/r
esis
tên
cia
de
carg
a d
e lo
nga
du
raçã
o
Tempo
Variabilidade da resistência do concreto
• Há uma variabilidade naturalmente esperada para a resistência do concreto
• Vários fatores interferem:
→Variação da relação a/c (Exemplo: erros de pesagem)
→Defeitos (Exemplo: falhas de compactação)
→Variabilidade das matérias primas
• Deve-se controlar o nível de variação para garantir a segurança da estrutura (a corrente rompe no elo mais fraco).
htt
p:/
/ww
w.a
lto
qi.c
om
.br/
gale
ria-
de-
pro
jeto
s/ga
leri
a/ed
ific
io-m
ult
ifam
iliar
-2/
Resistência Característica do Concreto
Camacho (2006) - UNESP
• fcm = resistência média à compressão (dosagem)
• fck= resistência característica à compressão
• sd = desvio-padrão da produção (dosagem)
• Importantíssimo: amostragem deve ser confiável para o controle (aula de controle de qualidade)
Resistência é parâmetro estatístico
Resistência x desvio de produção do concreto
Origem primordial da dispersão dos valores de resistência:
• Alterações:
→Nos materiais constituintes
→No proporcionamento:
▪ Consumo de cimento
▪ Relação água/cimento
fck fcm1 fcm2
sd sd
sd sd
Qual é o principal parâmetro tecnológico que define a resistência do concreto?
Controle da resistência do concreto
Para agregados convencionais, a relação água/cimento (em massa) e a idade definem a porosidade e a resistência do concreto.
Considerações de projeto• Trabalha-se com fck
• Considera-se para o projeto fcd = fck÷ gc
• gc: coef. de segurança minorador de resistência → gc = 1,4
• Minora-se a capacidade resistente utilizando 0,85.fcd
• 0,85 = α1. α2 .α3
→ α1: ganho de resistência após 28 dias (~1,2)
→ α2: relacionado ao efeito Rüsch (~0,8)
→ α3: relacionada ao fator de correção geométrica (~0,9)
O controle da resistência do concreto é intrinsecamente ligado à garantia da segurança da estrutura.
Por que materiais frágeis resistem menos à tração do que à compressão?
Concentração de tensões
• A ocorrência de singularidades ou falhas internas ou externas irão impor uma concentração de tensões
• Isto ocorre principalmente para tensões de tração
m = 0[1+2(a/e)½]
• m = tensão na extremidade da fissura
• 0 = tensão de tração aplicada no material
• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial
• e = raio de curvatura da extremidade da fissura
• Quando a >>>> e tem-se nova situação:
m = 20(a/e)½
• m = tensão na extremidade da fissura
• 0 = tensão de tração aplicada no material
• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial
• e = raio de curvatura da extremidade da fissura
• Ke = m/0 = 2(a/e)½
• Ke = fator de concentração de tensões
a2a
m
0
Concentração de tensões
O que acontece com o concreto?
Resistência à tração do concreto
• A resistência à tração é bem inferior à resistência àcompressão do concreto
• Aproximadamente 10%
• A relação depende do método de determinação daresistência à tração
• No dimensionamento de estruturas de concretoarmado despreza-se a resistência à tração do concreto
• Estruturas de concreto simples (pavimentos, porexemplo) considera-se e controla-se a resistência àtração (fctk)
Resistência à tração na flexão 4 pontos
Momentos
Cortante
2be
PL
W
MMOR ==
M = Momento no vão centralW = momento de inérciaP = cargaL = vãob = largura da vigae = altura de viga
Resistência à tração (compressão diametral)
petcivilufjf.wordpress.com
Finalizando:• Quanto menor o volume de pasta:
→ Menor é o calor de hidratação liberado
→ Menor é a retração
→ Menor é a deformação lenta
→ Menor é o volume de material susceptível à entrada
de agentes agressivos
→ Menor é o custo
→ Menor é o impacto ambiental
• Melhor o concreto garantidas as exigências de
trabalhabilidade e comportamento mecânico.
Leitura recomendada
• Capítulo 3 – Resistência em Mehta; Monteiro.IBRACON. P.49-84
• Capítulo 4 – Estabilidade dimensional em Mehta;Monteiro. IBRACON. P.85-120