Materiais de Construção II

Aços para pré-esforço. Fabríco, propriedades e

métodos de aplicação.

Discentes:

Diogo Raposo/Nº 35696

Joana Cortesão/Nº 41681

Tiago Neves/Nº 36591

Docentes:

Engª Maria Dulce Henriques

Eng Pedro Miguel da Silva

Lisboa, 29 de Dezembro de 2014

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ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................. 3

ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................. 4

CAPÍTULO I ................................................................................................................ 5

1.1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 5

CAPÍTULO II ............................................................................................................... 6

2.1. PROPRIEDADES DOS AÇOS ............................................................................. 6

2.2. PROCESSOS DE FABRICO DOS AÇOS .......................................................... 10

CONCLUSÃO ............................................................................................................ 16

BIBLIOGRÁFIA ......................................................................................................... 17

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2. Gráficos de tensão-deformação do aço pré-esforçado ................................................. 8

Figura 3. Esquema de um alto forno ...................................................................................................... 11

Figura 4. Tipos de lingoteiras ................................................................................................................... 11

Figura 5. Laminação ..................................................................................................................................... 12

Figura 6. Exemplicação da Decapagem ................................................................................................ 12

Figura 7. Fieiras ............................................................................................................................................... 1

Figura 8. Exemplos de embalagem........................................................................................................... 1

Figura 9. Tensões a meio vão de três configurações de cabos diferentes .............................. 15

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Propriedades de um cordão de pré-esforço ................................................................... 7

Tabela 2- Propriedades dos cabos de pré-esforço com diâmetros de bainhas e forças

máximas associadas

Tabela 3- Propriedades do aço pré-esforçado ...................... 9Erro! Indicador não definido.

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CAPÍTULO I

1.1. INTRODUÇÃO

O pré-esforço é uma técnica que permite introduzir um estado de tensão e deformação numa

estrutura por meio de cabos de aço com uma resistência elevada possibilitando assim o

controlo da fendilhação e deformação do betão.

O betão que envolve as armaduras não acompanha a extensão das mesmas, surgindo fendas

inevitáveis, mas que podem ser controladas. Sendo assim devemos introduzir forças internas

de tal maneira que nas zonas traccionadas devido às cargas, se consiga obter compressão do

material, ou seja, teremos de pré-traccionar as armaduras para se criar uma carga que

comprima o betão. Esta compressão compensa depois parte da tracção que o betão realiza

quando carregado, aumentando assim a sua resistência.

A aplicação do aço pré-esforçado permite a construção de pavimentos e pontes com vãos mais

extensos, maiores esbeltezas para vãos equivalentes, diminuição do peso próprio, melhora o

comportamento em serviço e possibilita ainda o desenho de elementos estruturais com seções

transversais de menor dimensão.

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CAPÍTULO II

2.1. PROPRIEDADES DOS AÇOS

As propriedades do aço são de importância fundamental, pois é nelas que se baseia todo o projeto e execução. Ao submeter uma barra metálica a um esforço de tração crescente, esta irá apresentar uma deformação progressiva de extensão, ou seja, vai-se dar um aumento de comprimento, e é através da análise deste alongamento que podemos chegar aos conceitos e propriedades dos aços, são eles:

A plasticidade é a propriedade inversa à da elasticidade, ou seja, o material não é capaz de voltar à sua forma inicial após se retirar a carga externa, obtendo deformações permanentes. A deformação plástica altera a estrutura de um metal, aumentando sua dureza.

A elasticidade é, portanto, a propriedade que o metal tem de retornar à sua forma inicial, quando se retira a força exterior que actua sobre esse material.

A ductilidade é a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas antes de se romper, estas deformações constituem um aviso prévio à rotura final do material, e são de extrema importância para previnir acidentes.

A fluência é outra propriedade apresentada pelo aço e metais em geral, acontece em função de ajustes plásticos que podem ocorrer em pontos de tensão, ao longo dos contornos dos grãos do material. Estes pontos de tensão aparecem logo após o metal ser solicitado por uma carga constante, e sofrer a deformação elástica. Após esta fluência ocorre a deformação continua, levando a uma redução da área do perfil transversal da peça.

A fadiga, é a ruptura de um material sob esforços repetidos ou cíclicos. A ruptura por fadiga é sempre uma ruptura frágil, mesmo para materiais dúcteis.

A dureza é a resistência ao risco ou abrasão, ou seja, a resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza.

O aço de pré-esforço pode ser usado como fios, cabos, varões e barras. Os cabos são constituídos por conjunto de cordões com elevada resistência

Os cordões são compostos por fios, sendo os mais correntes cordões de 7 fios obtidos por 6 fios enrolados em torno de um fio central recto.

As propriedades mecânicas do aço, como a deformabilidade, soldabilidade, resistência, a aptidão para a dobragem e para o tratamento térmico dependem essencialmente do teor em carbono.

Para as armaduras de pré-esforço, o teor em carbono toma valores entre 0,5 a 0,8%, enquanto que no caso das armaduras sem pré-esforço esse teor é da ordem de 0,15 a

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0,20%. Como podemos verificar as armaduras de pré-esforço apresentam uma taxa de carbono muito superior em relação às armaduras ordinárias (sem pré-esforço).

Quanto à soldabilidade, normalmente o teor em carbono nos aços com boas características é inferior a 0,20%, consequentemente em geral as armaduras ordinárias são soldáveis. O mesmo não acontece com as armaduras de pré-esforço, devido ao seu elevado teor de carbono ou seja não são soldáveis.

A seguir são apresentados tabelas e gráficos de propriedades do aço pré-esforçado.

Tabela1 – Propriedades de um cordão de pré-esforço

Tabela 2- Propriedades dos cabos de pré-esforço com diâmetros de bainhas e forças máximas associadas

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A composição e o processo do aço de pré-esforço penalizam a sua capacidade de deformar, verificando-se que a sua ductilidade é significativamente inferior à dos varões de aço laminados a quente.

Figura 1. Gráfico soobre a relação entre tensão e deformação (%) de varão, fio e cordão.

Visto que os aços de resistência elevada não apresentam um patamar de cedência, esta é então caracterizada pelo valor característico da tensão limite convencional de proporcionalidade de 0,1% fp0,1k

Figura 2. Gráficos de tensão-deformação do aço pré-esforçado

Os fios variam entre 2 a 8 mm. Os cordões tomam normalmente valores compreendidos entre 8 e 18mm. Para os valores apresentados abaixo foi utlizado A1860/1870 com cordões de 1,5cm2 área.

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Tabela 3- Propriedades do aço pré-esforçado

Para um aço com as características indicadas em cima, podemos calcular a força máxima que cada cordão é capaz de mobilizar:

Consultando a regulamentação, ficamos a saber que a força de pré-esforço a aplicar nos cabos deve ser limitada a 0,75fpk ou 0,85fp,0,1,k para que se tenha uma reserva em relação ao inicio da cedência do aço. Considerando perdas de tensão nos cabos na ordem dos 10% para perdas instantâneas e de 20% para perdas diferidas, podemos fazer o cálculo da tensão última a longo prazo para cada cordão.

Logo a força útil de um cordão é:

Este valor vai servir como base para avaliar as quantidades de pré-esforço e nomeadamente o número de cordões ou/e cabos.

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2.2. PROCESSOS DE FABRICO DOS AÇOS

A fabricação pode ser definida como a arte e a ciência de transformar os materiais em produtos finais utilizáveis e num contexto de economia de mercado – vendáveis. Ao nível industrial a fabricação está evidentemente relacionada a diversas outras atividades técnicas. “Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos.” Sabe-se que a fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial. Basicamente, o aço é uma liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortemente associado ao oxigênio e à sílica. O minério de ferro é um óxido de ferro, misturado com areia fina. O carbono é também relativamente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas formas. Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal. O carvão exerce duplo papel na fabricação do aço. Como combustível, permite alcançar altas temperaturas (cerca de 1500º Celsius) necessárias à fusão do minério. 1. Mineração O ferro encontra-se na Natureza associado a outros elementos, exemplo disso são as magnetites, hematites, limonites, siderites e pirites, formando dessa forma os óxidos, carbonatos, sulfuretose silicatos. Antes de se levar ao alto forno, o minério e o carvão são previamente preparados para melhoria do rendimento e economia do processo. O minério é transformado em pelotas e o carvão é destilado, para obtenção do coque, dele se obtendo ainda subprodutos carboquímicos.

2. Redução O minério de ferro é aquecido em altos-fornos na presença de um redutor (carvão-coque) que combina com o oxigénio do minério e transforma-se em monóxido e dióxido de carbono, sob a forma de gasosa. Normalmente também se adiciona carbonato de cálcio, uma vez que este tem função de fundente, ou seja, substância que se adiciona ao minério e que reage com a ganga, possibilitando a formação de novos compostos. E são estes compostos que vão fundir a temperaturas mais baixas e possuem densidades inferiores à do ferro liquido, permitindo um escoamento e separação mais acessivel da escória.

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Figura 3. Esquema de um alto forno

3. Refinamento O ferro que sai de alto-forno chama-se gusa, o qual ainda não serve para construção, pois contém impurezas. Para se tornar um material de construção, há que purifica-la o que se consegue pela oxidação da gusa em fusão nos convertidores de aciaria. 4. Lingotamento Após a purificação o aço em fusão é colocado em grandes recipientes metálicos e destas segue para as lingoteiras, onde é moldada. A lingoteira consiste num molde de ferro fundido ou aço, provido de orelhas para o levantamento após a solidificação do aço.

Figura 4. Tipos de lingoteiras

5. Laminação Logo após a desmoldação os lingotes (aço moldado na lingoteira), são aquecidos e seguem para os laminadores, onde são estirados, esta operação vai transformar os lingotes em barras de secção, que pode ser retangular ou quadrada, e são denominados por biletes.

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Figura 5. Laminação

6. Decapagem A decapagem é um processo de tratamento de superficie onde ocorre a remoção de camadas de oxidos formadas sobre superficies metalicas decorrente da alta temperatura em etapas de fabricação como tratamentos térmicos, soldagem, laminação a quente, dos óxidos de ferro (ferrugem) formados por exposição do material a ações climáticas.

Figura 6. Exemplicação da Decapagem

7. Fosfatação Posteriormente dá-se a fosfatação, isto é, faz-se o tratamento superficial que assegura através da aplicação de um revestimento na superfície do Fio Laminado, uma eficaz lubrificação durante a trefilagem. 8. Trefilagem Segue-se a Trefilagem, trata-se de um tratamento efetuado em máquinas com várias fieiras consecutivas que reduzem o diâmetro do fio (estiragem), aumentando a sua resistência por sucessivas deformações a frio, o fio é alongado em fieira. Esta etapa tem de ser precedida de um tratamento térmico especial, a patentagem, que consiste em aquecer num forno o aço, acima da temperatura em que a ferrite e cementite se transforma em austenite, seguindo-se um arrefecimento brusco acerca de 500ºC.

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Figura 7. Fieiras

9. Estabilização Por fim ocorre o tratamento de Estabilização, trata-se de um processo termomecânico de envelhecimento que consiste em aplicar um esforço de tracção em simultâneo com um aquecimento a aproximadamente 400ºC. Este processo vai eliminar as tensões redisuais e reduz a relaxação (no forno) e após o arrefecimento, vamos obter um produto com maior tensão de rotura, maior relação Rp0.1/Rm e muito menor relaxação. Um produto que seja submetido ao tratamento de estabilização de forma apropriada, apresenta-se sem memória de enrolamento, ou seja, ao ser estentido livremente, este auto endireita-se, sem apresentar qualquer tipo de curvatura. 10. Embalagem O processo de embalagem visa conferir a proteção e preservação do produto, contra as intempéries e eventuais danos mecânicos. Este processo deve ter em consideração, o tipo de embalagem, o uso adequado de óleos de protecção, os auxiliares na estapagam bem como as condições de armazenamento e transporte, de modo a proporcionar maior segurança e homogeneidade na embalagem.

Figura8. Exemplos de embalagem

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2.3. MÉTODOS DE APLICAÇÃO O pré-esforço é uma tecnologia que consiste na aplicação de esforços em peças de betão, antes de estas serem utilizadas, com o objectivo de criar um estado de tensão interno de sinal contrário àquele que irá ser provocado pelas cargas a que vão estar sujeitas. Pode ser aplicado através de cabos, fios ou varões tensionados, sendo que a força aplicada no aço (força de pré-esforço) é calculada de modo a anular as tracções provocadas pela carga aplicada na peça. Esta tecnologia permite ter um controlo do comportamento das peças relativamente à fendilhação e à deformação. Existem diferentes tipos de pré-esforço, que se podem classificar de acordo com diferentes características. Relativamente ao modo de transmissão da força ao betão, o pré-esforço divide-se em dois tipos: Pré-tensão e pós-tensão. O sistema de pré-tensão consiste em tencionar as armaduras antes da colocação do betão. Neste sistema, a força é transferida para o betão por aderência, após a sua cura. É um sistema utilizado em fábrica para a pré-fabricação de vigotas, lajes alveoladas, vigas pré-esforçadas para pontes e asnas para edifícios industriais.

No sistema de pós-tensão, as armaduras são tensionadas depois da betonagem da peça, e depois do betão ter adquirido a resistência necessária. Neste caso, a transferência da força é realizada quer nas extremidades, através de ancoragens, quer ao longo das armaduras. Neste sistema, injecta-se calda de cimento nas bainhas dos cabos, com o intuito de tornar o cabo aderente à secção de betão. Quanto à aderência, o pré-esforço pode classificar-se também em dois tipos: Aderente e Não Aderente.

Considera-se aderente se o aço de pré-esforço estiver ligado ao betão ao longo do seu comprimento, e não aderente caso contrário. No primeiro caso garante-se um funcionamento conjunto dos materiais, sendo que a variação de extensão que se verifica no aço é igual à que se verifica no betão.

O pré-esforço pode dividir-se, também, em interior ou exterior, dependendo da posição dos cabos relativamente à secção de betão, considerando-se exterior se os cabos estiverem apenas em contacto com o betão em pontos localizados ao longo do vão. Logicamente trata-se de pré-esforço do tipo não aderente, o que trás desvantagens, tanto ao nível dos estados limites últimos como dos estados limites de utilização.

O pré-esforço pode também variar de acordo com o posicionamento do cabo de aço na secção da peça de betão, ou até de acordo com a sua geometria. Se estudarmos o caso de uma viga de betão, podemos verificar que tanto um como outro factor fazem variar o comportamento da viga. Na imagem abaixo, estão representadas três configurações diferentes do cabo, e as correspondentes tensões a meio vão provocadas pela carga q (carga actuante na viga) e pela força de pré-esforço P.

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Figura 9. Tensões a meio vão de três configurações de cabos diferentes

Na primeira situação, o cabo de aço está situado no centro da secção da viga. Assim, a força de pré-esforço terá de ser bastante elevada para que consiga anular a tensão de tracção provocada pela carga q nas fibras inferiores da viga. Esta situação vai levar a que se estabeleçam tensões de compressão muito elevadas nas fibras superiores. No segundo exemplo vemos que o cabo está situado junto à face inferior da viga, o que faz com que as tensões de compressão na fibra superior sejam inferiores, e que seja preciso uma força de menor intensidade para contrariar as tensões de tracção provocadas pela carga q. No último caso, a própria geometria do cabo é diferente. O facto de ter esta configuração permite, além de equilibrar as tensões de tracção (como nas situações anteriores), contrariar o esforço transverso provocado pela carga q. Para que o pré-esforço tenha o efeito pretendido, deve ser feito o pré-dimensionamento do elemento pré-esforçado. Este processo tem várias fases: Pré-dimensionamento da secção, traçado do cabo e pré-dimensionamento da força de pré-esforço útil. O pré-dimensionamento da secção baseia-se na expressão h≈L/(15 a 20), que permite estimar a altura da viga em função do seu vão. Para escolher o traçado do cabo devemos ter em conta o diagrama de esforços das cargas permanentes, devendo este situar-se na zona traccionada das secções ao longo da viga. Além disso, deve optar-se por traçados simples, com troços rectos ou parabólicos. Por último, a força de pré-esforço útil deve ser estimada recorrendo ao Critério do balanceamento das cargas, ao Critério da limitação da deformação e ao Critério da limitação da fendilhação.

Os sistemas de pré-esforço mais correntes são: • VSL • Freyssinet • DSI – Dywidag • Tensacciai • BBRV • Stronghold • CCL • Macalloy

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CONCLUSÃO

“Pré-esforço é um artifício que consiste em introduzir, numa estrutura, um estado prévio de tensões, de modo a melhorar a sua resistência ou comportamento, sob acção de diversas condições de carga” [Pfeil, 1984]. De um modo geral, pode-se assumir que a variedade dos aços está relacionada com a quantidade em percentagem de carbono. Assim, os tipos de aço são, basicamente: − O aço macio, cuja percentagem de carbono está entre 0.2% e o 0.3%; − O aço duro, cujo teor de carbono vai até 1.5%; − O ferro fundido, com percentagens acima desse valor. Os aços usados no betão pré-esforçado caracterizam-se pela sua elevada resistência e ausência de patamar de cedência. E são relativamente mais económicos que os aços normalmente empregues na construção com betão armado, já que a sua resistência pode ser, até três vezes maior. Os aços de alta resistência podem ser fornecidos também na forma de fios e cabos, evitando-se assim os problemas relacionados com as emendas da armadura em peças estruturais de grandes vãos. Na construção com betão pré-esforçado o emprego dos aços de alta resistência é saconselhado, uma vez que se vai dar um alongamento prévio da armadura, evitando assim posteriores fendas. Segundo o REBAP, artigo 26º, a armadura de pré-esforço é constituída por fios ou varões, feixes (barras ou fios paralelos) ou cordões (fios enrolados), e destina-se à produção das forças de pré-esforço. Denomina-se cabo a unidade de armadura de pré-esforço considerada no projecto. A armadura de pré- esforço também é designada por armadura activa. O aço para pré-esforço é, portanto bastante aconselhavel na área da construção civil,

nomeadamente para Pontes, lajes, ou até mesmos reservatórios.

BIBLIOGRÁFIA

http://www.socitrel.com/pt/html/arame_pre_esforco.html

ISEL. Aços – Fabrico do Aço, Materiais de Construção II. - Lisboa

ISEL. Identificação de Aços para Pré-esforço. - Lisboa

ISEL. Aços. Fabrico do Aço. - Lisboa

Coutinho, Joana Sousa. Armaduras para pré-esforço. 2005- Porto

Ramos, A. Estruturas de Betão Armado II, Pré-esforço – Introdução. 2006 –

Porto

Appleton, Júlio e Costa, António. Estruturas de Betão I, Parte II – Materiais.

2002 – Instituto Superior Técnico de Lisboa

IST. Execução de Estruturas – Sistemas de pré-esforço. 2010 - Técnico de

Lisboa

Costa, António. Folhas de Apoio às Aulas – Estruturas de Betão II – Técnico

de Lisboa

IST. Tese sobre Dimensionamento e pormenorização de elementos

estruturais tipo parede com pré-esforço – Técnico de Lisboa

Normas:

E452-2002 Fios de Aço para Pré-esforço

NP ENV 13670-1 Documento Nacional de Aplicação

REBAP – Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforço