C LASSIFICAÇÃO ADOTADA

Quando se analisam diferentes resultados de ensaios laboratoriais, em geral pode-se notar a ausência de uma classificação dos testes devido à inexistência de um ensaio experimental

característico e normalizado. Na realidade, observa-se que os provetes utilizados para um mesmo tipo de ensaio varia consideravelmente em forma e tamanho, em função das condições e limitações de cada programa de investigação. Cairns e Plizzari [3.3] identificaram quatro fatores principais para apoiar a ideia de propor um método experimental normalizado ou então uma reclassificação dos testes experimentais de modo a facilitar e validar investigações futuras:

i) - A ausência de normas de ensaio Europeias;

ii) - A evolução das práticas de construção e das suas filosofias; iii) - A inovação e a diversidade de novos tipos de reforços do betão;

iv) - A grande variedade de ensaios e de métodos experimentais atualmente empregues na investigação deste fenómeno.

Em conformidade com as reflexões supracitadas, esses autores propuseram uma primeira classificação de testes em função dos objetivos de cada programa de investigação.

Por outro lado, para apresentar os diversos ensaios experimentais que serviram de base ao trabalho desenvolvido, propõem uma classificação cujo principal objetivo é clarificar as vantagens e inconvenientes de cada um, assim como a escala para o qual estes são válidos e as respectivas limitações. A seguinte classificação é então proposta:

a) Ensaio de arrancamento (“pullout ou push-in test”): 1. Teste de Rehm (1957) e Lutz et al. (1966) [3.4, 3.5]

2. Relatório “UCB/EERC-83/23”, de Eligehausen et al. (1983) [3.6] 3. Ensaio de Bordierie e Pijaudier-Cabot (1987) [3.7]

4. Programa de investigação de Gamborava, Rosati e colaboradores (1987-2002) [3.8] b) Tirantes submetido à tração

1. Programa de investigação de Goto (1971) [3.9] 2. Ensaio do varão de Clément (1987) [3.10] 3. Ensaio do varão de Daoud (2003) [3.11] c) Ensaio de viga (“beam and beam end test”)

2. Influência das condições de carga de Turk et al. (2005) [3.13] 3.2.2 ENSAIOS DE ARRANCAMENTO “PULLOUT TEST”

O ensaio de arrancamento simples consiste em colocar um varão, liso ou nervurado, no centro de um provete de betão (cilíndrico ou prismático) (ver Figura 3.2), e após a solidificação e cura do provete o varão de aço é sujeito à aplicação de uma carga crescente na sua extremidade livre, monotónica ou cíclica, até se atingir a rotura do conjunto. A rotura pode ocorrer tanto pela extração total do varão designado na literatura Inglesa por “pullout failure” como pela microfissuração longitudinal, transversal ou cónica no corpo de betão, “splitting,

tranverse & conic cracks”, ou com a plastificação do varão de aço e posterior rotura final. O

varão de aço pode ser carregado numa extremidade (“pullout test”), ou nas duas extremidades na mesma direção (“pull-push test”).

Figura 3.2 – Representação esquemática do ensaio [3.14].

Estes ensaios descritos previamente destinam-se principalmente à determinação do comportamento da interface, isto é ligação aço / betão. Estes são também os ensaios mais indicados para analisar e estudar a ancoragem dos varões de aço num elemento de betão. Este ensaio, simples do estudo do comportamento da ligação aço / betão, permite evitar efeitos associados a outros mecanismos (por ex. flexão, torção, etc.). Em geral, podem-se enquadrar estes ensaios à escala do varão, no entanto alguns estudos poderão ser enquadrados à escala da nervura (ver Figura 3.1).

Contudo, podem-se indicar três críticas principais a este tipo de ensaio [3.15]:

1. O tipo de carregamento é unicamente associado à compressão ou à tração, sem existir acoplamento de outras formas de deformação, como à flexão ou à torção, o que não corresponde a uma situação real.

2. Determinadas características geométricas e materiais do ensaio afastam-se da situação real. Por exemplo, o recobrimento de betão utilizado nos ensaios é sempre muito superior ao recobrimento mínimo recomendado pelos códigos de projeto, conduzindo à existência de um confinamento excessivo e irrealista.

3. A interpretação dos resultados experimentais não tem em consideração o comportamento da estrutura (efeito de escala, repartição não homogénea da tensões ao longo do varão).

3.2.2.1 Os ensaios de Rehm (1957) e de Lutz et al. (1966) [3.4, 3.5]

O primeiro trabalho conhecido relativo ao ensaio de arrancamento foi efetuado por Rehm [3.4]. Neste trabalho, um varão de aço liso com um entalhe maquinado ao centro foi colocado num molde de forma a produzir um bloco de betão com o varão ao centro. Este bloco de betão foi submetido a uma carga monotónica crescente até ser atingida a rutura ao longo da interface varão / betão. Para evitar a rutura no corpo de betão por fissuração longitudinal ou transversal, o volume de betão em torno do varão foi aumentado, nomeadamente em termos de diâmetro. Posteriormente, Lutz et al. [3.5] repetiu o ensaio em que o varão possui uma única nervura, variando o ângulo interno da nervura numa amplitude compreendida entre os 30º e os 105º (ver Figura 3.3).

a) nervura b) varão de aço

Figura 3.3 – a) Teste de Rehm com um dente no varão, b) teste de Lutz et al. com nervura simples no varão [3.5].

Como principais contribuições destes ensaios podem ser apontadas:

1) Os varões que têm nervuras com um ângulo superior a 40º (ver Figura 3.3 b)) desenvolvem uma interação mecânica entre a armadura e o betão envolvente. Nos varões em que as nervuras têm um ângulo inferior a 40º o arrancamento é dominado pelo mecanismo de reforço de atrito dinâmico.

2) A resistência de rotura da ligação de varões nervurados é determinada pela resistência do betão à tração. O deslizamento inicial apenas ocorrerá se o betão existente na frente das nervuras for esmagado e / ou pulverizado previamente.

3) A região de betão danificado devido à degradação da ligação, estende-se por uma distância igual a 5 ou 7 vezes a altura da nervura, mas para varões com entalhes a camada de betão danificada tem uma espessura igual a 2 vezes a altura do entalhe. 4) Os três mecanismos que integram o fenómeno da ligação aço / betão identificados são:

aderência, atrito e interação entre as nervuras e o betão. A combinação destes mecanismos produz cessações bruscas nas faces das nervuras que dão a resistência à ligação necessária antes de ocorrer coalescência de microfissuras (picos de resistência máxima das ligações).

Por sua vez podem-se referir os seguintes inconvenientes:

1) Os ensaios foram realizados para carregamento monotónico e com varões com um único dente, ou uma nervura simples, o que não permite obter resultados próximos das situações reais.

2) O efeito do reforço passivo obtido com o aumento do volume de betão não é considerado, nem as características particulares do betão empregue.

3.2.2.2 O relatório “UCB/EERC-83/23” de Eligehausen, et al. (1983) [3.6]

O relatório UCB/EERC-83/23 realizado por Eligehausen et al. [3.6] é provavelmente um dos estudos sobre a ligação aço / betão mais célebre do mundo. Por este motivo é a este nível uma referência válida e fiável para novas investigações assim como para aplicações práticas. O relatório inclui informação da investigação experimental e analítica realizada. O comportamento local da interface aço / betão para armaduras nervuradas sujeitas a solicitações diversas é modelado analiticamente.

Neste programa experimental, 125 varões embebidos em provetes de betão foram testados ao arrancamento “pullout”. Cada um deles foi concebido para simular a região confinada de um nó de uma armadura. Apenas uma superfície de pequeno comprimento (5 vezes o diâmetro do varão) da armadura foi colocada em contacto com o betão. Os ensaios foram realizados em controlo de deslocamento, solicitando os varões numa extremidade com uma carga necessária para gerar o deslizamento desejado, as medições foram efectuadas na extremidade oposta à da aplicação da carga. A geometria do ensaio pode ser observada na Figura 3.4.

Nesta investigação, os autores estudaram a influência sobre o comportamento de aderência dos seguintes parâmetros: a história dos carregamentos; o efeito do confinamento do reforço;

o diâmetro das armaduras e a configuração das nervuras; a resistência à compressão do betão; o espaçamento entre varões; a precisão lateral velocidade do carregamento.

Com base nos resultados obtidos, foi desenvolvido um modelo analítico local para, prever a relação tensão / deslizamento da ligação (ver Figura 2.13). Este modelo tem em conta os parâmetros previamente enunciados e que condicionam experimentalmente o comportamento observado. O referido modelo já foi apresentado detalhadamente na secção 2.5.1.

As contribuições destes ensaios: • Para carregamentos monotónicos:

1) A relação local tensão / deslizamento entre um varão de aço e o betão confinado apresentam sempre um comportamento característico para os ensaios do tipo “pullout”. A rigidez diminui desde o seu valor inicial até próximo de zero quando a resistência da ligação se aproximar da sua resistência máxima; depois do pico, a resistência vai diminuir até um valor residual que corresponde à força máxima de atrito. O deslizamento neste momento é aproximadamente igual à distância livre entre nervuras.

2) O surgimento de fissuras longitudinais produz uma redução imediata da resistência da ligação. Este tipo de fissuração pode ser evitada por inclusão de um reforço mínimo adicional, que não vai aumentar significativamente a resistência da ligação.

3) A influência da variação do diâmetro do varão não se mostrou relevante para o comportamento do fenómeno da ligação.

4) A resistência da ligação aumenta na razão ao quadrado da resistência à compressão do betão, enquanto o deslizamento na fase dinâmica diminui de forma quase inversamente proporcional para a mesma razão.

5) O aumento do espaçamento da armadura de 1 a 4 vezes do diâmetro favorece o aumento da resistência da ligação na ordem dos 20%.

6) O comportamento da ligação melhora com a pressão de confinamento: para uma pressão de 13.5 MPa, existe um aumento da resistência em aproximadamente 25%. 7) A velocidade do carregamento influencia diretamente a resistência da ligação, isto é, a

• Para carregamentos cíclicos:

1) Após o carregamento cíclico, a degradação da resistência e da rigidez da ligação depende em primeiro lugar do valor máximo do deslizamento anteriormente atingido. Outros parâmetros, tais como o número de ciclos e a diferença entre picos de deslizamentos alternados entre o varão e o betão também são significativos. Deve-se notar que a deterioração é mais importante para ciclos completos que para meios ciclos.

2) Se os ciclos de carregamento são aplicados para deslizamento limitado a 80% da tensão de aderência máxima obtida monotonicamente, a redução da resistência é moderada e não afeta significativamente o comportamento da ligação depois de grandes deslizamentos.

3) Por sua vez, se os deslizamentos durante os ciclos de carga são superiores a 80% da tensão de aderência máxima obtida monotonicamente, a resistência e a rigidez da ligação sofrerão deterioração mais prenunciadas e o comportamento depois do pico ou resultante de grandes deslizamentos sofrerá grande degradação.

4) Os parâmetros como o efeito do confinamento do reforço; o diâmetro das armaduras e a configuração das nervuras; a resistência à compressão do betão; o espaçamento entre varões e a precisão lateral velocidade do carregamento não têm uma influência ou um efeito diferente sobre a ligação para carregamentos cíclicos da obtida com carregamentos monotónicos.

Os inconvenientes:

Os próprios autores recomendam a realização de trabalhos relativos à investigação dos seguintes aspetos:

1) É importante realizar ensaios específicos para estudar a influência da configuração dos varões de aço, particularmente, para obter informação relativa à influência dos espaçamentos das nervuras, à sua forma assim como ao seu tamanho.

2) O comportamento elasto-plástico dos varões de aço e o efeito correspondente sobre a ligação não foram estudados.

3) A relação entre as tensões de aderência e a tensão de fissuração longitudinal não foram estudadas de forma aprofundada, e não foram considerados ensaios específicos para compreender o referido mecanismo de rotura. Os resultados poderão ser utilizados

com o objectivo de avaliar a quantidade de reforço adicional necessário para evitar este tipo de rotura.

4) Nem o comportamento da ligação em zonas não confinadas, nem a propagação das fissuras e o efeito sobre a resistência da ligação foram estudadas aprofundadamente, pelo que falta desenvolver novas abordagens para as analisar corretamente.

b)

Figura 3.5 – a) Provete protótipo, b) curvas experimentais tensão-deformação típicas [3.6].

3.2.2.3 O ensaio de Borderie e Pijaudier-Cabot (1987) [3.7]

Este trabalho experimental desenvolvido no Laboratoire de Mécanique et Technologie Ecole

Normale Supérieure de Cachan consistiu na realização de um conjunto de ensaios de

arrancamento efetuados com base em fibras discretas para o reforço de betão [3.7]. O objetivo destes ensaios foi o de estudar a influência do estado de tensão na matriz com base nas propriedades mecânicas da interface.

Os provetes utilizados foram cubos com 80 mm de aresta, com uma fibra de aço colocada ao centro do cubo de betão (Figura 3.6). O tamanho das fibras e do provete de betão foram escolhidos em função do tamanho do Volume Elementar Representativo mais provável, de modo a que os resultados obtidos possam ser empregues na obtenção de uma lei local de dano da ligação aço-betão. Assim, os autores desejaram reduzir o dano prematuro do betão, o que influenciou a utilização da forma cúbica do provete. A resistência aquando do ensaio (três dias após a betonagem e com um tratamento térmico de quatro horas) foi de 14.5 MPa, um módulo de Young de 15.5 GPa e um coeficiente de Poisson igual a 0.17.

Algumas dimensões do provete (diâmetro do varão de 8 mm constituído por fibras de aço, com um comprimento embebido de 45 mm, mais 10 mm livres no bordo do betão) foram adotadas de forma a eliminar singularidades no campo das tensões do betão com a superfície de encastramento do cubo. Para assegurar que não existe perturbação em termos do campo de tensões devido às condições de fronteira, foi posicionada uma placa plana em forma de anel sobre a superfície do provete de betão, bem como dois tabuleiros adicionais nas paredes do provete para evitar uma má transmissão do confinamento. Os ensaios foram realizados em

controlo de deslocamento para quatro níveis de confinamento: 0, 5, 10 e 15 MPa, mantido constante durante cada ensaio.

As contribuições destes ensaios:

1) Até 5 MPa de confinamento, existe um aumento na resistência de aderência em aproximadamente 33 %. Os autores também confirmaram as observações de outras equipas sobre o aparecimento de fissuras radiais importantes (no caso de confinamento nulo sobre o provete) que se propagam em direção à superfície externa do bloco e originam um mecanismo de rotura. Adicionalmente foi evidenciado o aparecimento de três grandes fissuras que se desenvolvem aproximadamente com um ângulo de 120º entre elas, para uma rotura em modo I.

2) O mecanismo real de dano da ligação não se situa exatamente na zona de interface aço / betão, mas numa camada contínua de betão; a superfície final de deslizamento é foi um cilindro cujo diâmetro é equivalente ao diâmetro do varão mais a altura das nervuras; assim, a resistência final é determinada pelas propriedades internas de atrito do betão.

3) O modo de rotura em termos locais não corresponde necessariamente ao modo II, isto é, o deslizamento entre superfícies em contacto; os autores pensam que a propagação das fissuras em modo I e II depende muito mais dos defeitos internos do betão do que da resistência dos materiais ou das solicitações aplicadas.

4) Este conjunto de ensaios também permitiu constatar que durante o carregamento e o descarregamento do varão (para grandes deslizamentos), surgem laços de histerese muito pronunciados, o que indica um efeito de fricção entre as faces de ambos os materiais.

Os inconvenientes:

1) Infelizmente, a escala utilizada para medir os deslizamentos não permitiu observar o comportamento da ligação em termos de pequenas deformações, isto é, não foi possível identificar com exatidão o valor da aderência inicial.

2) Apenas foi utilizado um único diâmetro do varão de aço, pelo que não foi possível avaliar os efeitos de escala. De facto, os efeitos relacionados com a geometria do provete (espessura da camada do betão em torno do varão de aço, e variação das nervuras no varão) não foram estudados.

a) b)

Figura 3.6 – Ensaio de Borderie et Pijaudier-Cabot: a) Geometria e condições limites do provete (mm); Curva força-deslocamento para diferentes níveis de confinamento [3.7].

3.2.2.4 O programa de investigação de Gambarova e colaboradores (1987-2002)

[3.8]

Neste ponto tenta-se realizar um resumo de uma série de trabalhos efetuados por Gambarova e seus colaboradores, da Politécnico de Milão. Com base na realização de diversos ensaios de arrancamento, foram-se concentrando sobre o estudo da influência do confinamento e da pressão lateral sobre o comportamento mecânico da ligação (Gambarova e Rosati [3.8]), bem como o estudo dos efeitos da escala na resposta global das estruturas de betão armado (Coronelli et al. [3.16], Bamonte et al. [3.17]).

Os trabalhos sobre a influência do confinamento e de pressão lateral:

Os ensaios de arrancamento foram efetuados com provetes conhecidos como “short anchor”, que consiste em colocar um varão de aço de pequeno comprimento no interior de um bloco prismático de betão cuja cofragem tenha separadores especiais para criar um entalhe longitudinal (ver Figura 3.7). Três varões de aço com diferentes diâmetros foram estudados: db = 14, 18 e 24 mm. O comprimento de ancoragem da armadura foi de 1,4 a 3 vezes o

diâmetro do varão. Na maioria dos ensaios (24 dos 28 provetes), a abertura do entalhe foi mantida constante; ao contrario dos quatro ensaios restantes, onde a tensão normal foi mantida constante, fazendo variar a abertura da fissura pré-fabricada. Em todos os casos, foi monotonicamente tracionado o varão de aço. Em cada ensaio, quatro parâmetros fundamentais foram monitorizados e medidos, designadamente duas forças (a força de tração T e a força de confinamento N), e dois deslocamentos (o deslizamento do varão δt e a abertura

As principais contribuições destes ensaios são:

1) Quando ocorre uma fissura longitudinal, os dois blocos de betão criados irão funcionar como uma pseudo braçadeira em torno do varão, que evitará a sua extração imediata do centro do bloco. Os investigadores demonstraram que a existência do confinamento assim como do reforço poderão melhorar significativamente a performance da ligação, apesar do surgimento das fissuras longitudinais.

2) A coesão inicial e o mecanismo de fricção entre as superfícies não são afetados pelo surgimento de fissuras nem pela sua abertura durante o ensaio. Pelo contrário, a resistência da ligação por iteração mecânica é fortemente dependente do confinamento ou da pressão lateral. (de acordo com La Borderie e Pijaudier-Cabot [3.7].

3) O diâmetro do varão não tem uma influência negligenciável sobre o comportamento da ligação. Portanto, varões com um diâmetro menor apresentam valores equivalentes para certas características (resistência, rigidez inicial e coeficiente de atrito da ligação inicial), que são superiores às dos varões com diâmetros maiores.

Os inconvenientes:

1) Este tipo de ensaio é utilizado para estudar exclusivamente os casos de fissuras longitudinais, portanto a relação “força aplicada/confinamento”, não pode ser considerada representativa de outro tipo de fissuração.

2) Existe uma crítica importante efetuada a este trabalho, que foi exposta por Lowes [3.2]. Entre estes resultados e os resultados de outros investigadores, existe uma discordância fundamental devido à forma de aplicar a pressão em torno do varão de aço. De facto, neste sistema a pressão aplicada na direção perpendicular à superfície lateral do varão de aço não é constante, pelo que se distância de uma situação real.

a) b)

Figura 3.7 – Geometria e condições de fronteira do provete com confinamento: a) com abertura constante da fissura; b) com força de confinamento constante (Gambarova e Rosati 1996).

• O estudo dos efeitos de escala

Em alguns dos seus trabalhos, Gambarova e seus colaboradores concentraram-se no estudo dos efeitos de escala no comportamento da ligação aço-betão, utilizando betão normal e betão de alta performance. Em (Coronelli et al. [3.16]), podem ser analisados os resultados dos ensaios de arrancamento com varões lisos, enquanto que em (Bamonte et al. [3.17]), as experiências foram repetidas com varões nervurados, com algumas pequenas modificações. O provete em betão foi confinado com uma camisa em aço, e um varão, liso ou nervurado, foi colocado no centro do provete. Separadamente, dois tipos de carregamentos foram aplicados na extremidade do varão: um carregamento em tração (“pullout test”) e um carregamento em compressão (“push-in test”). Foram preparados e ensaiados 27 provetes com varões lisos, enquanto os provetes ensaiados com varões nervurados foram 48. Para os dois tipos de varões, foram utilizados quatro diâmetros diferentes: db = 5, 12, 18 e 26 mm. Com o objetivo

de conservar uma relação de escala coerente, foi mantida constante a relação entre a superfície de contacto de dois provetes consecutivos igual a 5. O diâmetro db = 18 mm foi escolhido

como sendo representativo dos varões usuais (ver Figura 3.8). Por outro lado, o comprimento de amarração entre o betão e o varão de aço foi escolhido de forma a obter-se o máximo efeito de escala na resposta, e ao mesmo tempo reduzir as heterogeneidades relacionadas com a

N _N N N t _t t ̅ , _,

geometria dos varões. Assim, para os varões lisos, foi adotada uma relação L/db=10, e para

varões nervurados L/db=10 para o betão de alta performance, e L/db=5.35 e 4.65 para o betão

ordinário. Em todos os casos, a espessura de recobrimento de betão foi 4xdb.

Na Tabela 3.1 apresentam-se a resistência dos betões utilizados nos ensaios. Em todos os ensaios, os varões foram maquinados com o objectivo de controlar a superfície de contacto. No caso dos varões nervurados, uma área relativa de nervuras αsR=0.086 foram medidas e