ESTUDO DA UTILIZAÇÃO DE TUBOS DE CONCRETO COM BAIXOS
TEORES DE FIBRAS
Study of concrete pipes using low steel fibers consumption
Antonio Domingues de Figueiredo (1); Pedro Jorge Chama Neto (2)
(1) Professor Doutor, Departamento de Engenharia de Construção civil Escola Politécnica, Universidade de São Paulo
email: antonio.figueiredo@poli.usp.br
(2) Engenheiro Civil, Companhia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo (SABESP) email: pedrochama@ajato.com.br
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Construção Civil. PCC/USP. Caixa Postal 61.548, São Paulo, SP 05424-970
Resumo
Este trabalho apresenta a avaliação de tubos de concreto reforçados com fibras de aço (CRFA) para águas pluviais e esgoto. Neste estudo procurou-se verificar dois aspectos principais: a metodologia de avaliação de desempenho adequada para os tubos moldados com CRFA e a utilização de baixos consumos de fibras de aço para redução de perdas em tubos de concreto não armados. O estudo foi feito em cooperação com a indústria produtora de tubos tendo sido possível comprovar que o uso de fibras reduz as perdas durante o processo de produção e aplicação em condições reais de obra. Estes tubos também foram utilizados para a verificação da metodologia de controle de qualidade, que consiste no ensaio de compressão diametral dos mesmos. Os resultados mostram que a metodologia proposta, usando controle eletrônico das deformações diametrais fornece melhores condições de análise mesmo para situações difíceis como os tubos com baixo nível de reforço pós -fissuração.
Palavras-Chave: tubos de concreto; fibras de aço; desempenho; produção; perdas.
Abstract
This work presents a performance analysis of concrete pipes made with steel fiber reinforced concrete with a low content of fibers. There is two main aspects focused in this work: the methodology of performance evaluation of the tubes as a pre-cast component and the evaluation of the use of low content of fibers aiming to reduce losses during the entire production and application process. The experimental study was carried out with a cooperation of a concrete pipes producer, and it turns possible to observe a reduction in losses provoked by pipe partial or entire rupture in real conditions of production, transportation and application. Some of these tubes were used in order to verify the methodology of quality control using the radial compression test. The results show that the proposed methodology, where an electronic and continuous control of displacement is used, provides better conditions of pipes behavior analysis, even when low content of fibers was used.
1 Introdução
Este trabalho apresenta um estudo de avaliação de desempenho de tubos de concreto reforçados com fibras de aço (CRFA) para águas pluviais e esgoto. Neste estudo procurou-se verificar dois aspectos principais: a metodologia de avaliação de desempenho adequada para os tubos moldados com CRFA e a utilização de baixos consumos de fibras de aço para redução de perdas em tubos de concreto não armados. A motivação deste estudo ocorreu pelo fato de não se aplicar o CRFA para a produção de tubos de concreto no Brasil, apesar de ter uso bem disseminado e intenso em países europeus, indicando que esta é um campo promissor para a aplicação deste compósito. Assim, procurou-se principiar a análise de viabilidade abordando os dois aspectos citados por duas principais razões. A primeira razão reside no fato de que a utilização de fibra num tubo não armado não irá ser encarada como um substitutivo de armadura convencional, mas sim como uma alternativa de aumento de desempenho que não implicará em restrições à sua utilização. A sua analise de viabilidade irá depender da compatibilização de custos originados pela adição da fibra com o que se pode economizar com a redução de perdas de componentes. A segunda razão para esta análise é a necessidade de se empregar sistemas mais sofisticados de analise no ensaio de compressão radial, para que seja possível verificar com precisão o comportamento dos tubos produzidos com CRFA. Assim, para que seja possível uma futura análise da capacidade de reforço da fibra nos tubos, será necessário utilizar um ensaio de compressão radial um pouco mais sofisticado do que o proposto na normalização brasileira (NBR 8890:2003 - Tubo de concreto, de seção circular, para águas pluviais e esgotos sanitários). Nesta norma, especifica-se que o ensaio seja feito sem levantamento da curva de carga por deslocamento, fazendo-se apenas a determinação da carga de fissura, o que ocorre quando da possibilidade de inserção de um gabarito na primeira fissura que surgir no concreto durante o ensaio. Além disso, apenas a carga máxima é registrada, sendo então considerada a carga de ruptura do material. Estes dois únicos pontos são incapazes de descrever completamente o comportamento do material durante a sua solicitação.
2 Metodologia experimental
Todo o estudo aqui apresentado foi desenvolvido em cooperação com uma fábrica de tubos de concreto, que produziu os componentes em condições normais de operação. Os tubos de CRFA foram produzidos utilizando os mesmos materiais e equipamentos utilizados para a produção de tubos convencionais de concreto sem fibras, sem alteração alguma no processo.
A avaliação da adequação do uso de fibras de aço em baixos consumos para redução das perdas foi feita com a simples adição de fibras num lote de tubos de concreto para águas pluviais, classe PS1, utilizando-se fibras de aço Dramix RC 80/60 como reforço. O objetivo foi verificar a capacidade da fibra para a redução de quebras de tubos durante a fabricação, manuseio, transporte e aplicação que, rotineiramente é da ordem de 3% para as condições da fábrica em questão. Foram moldados 150 tubos de diâmetro nominal de 600 mm, classe PS1, com consumo de fibra de 5 kg/m3 e 50 tubos de mesmo diâmetro nominal e classe, mas com um consumo de 10 kg/m3 da mesma fibra. Os tubos foram enviados às obras correntes e acompanhou-se a ocorrência de perdas por quebra e rejeição por fissuração ou qualquer outro tipo de dano. Os materiais utilizados neste estudo, bem como o seu consumo por peça moldada ou por metro cúbico de concreto se encontram apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 – Materiais e respectivos consumos utilizados na produção dos tubos de concreto para águas pluviais utilizados neste estudo experimental.
Material Consumo por metro
cúbico de concreto Areia natural (areia lavada do Rio Paraíba–Mineração Eugênio de Mello) 195kg Areia artificial (areia de pedra proveniente da pedreira Camargo Corrêa) 585kg Pedrisco Limpo (pedrisco limpo e lavado da pedreira Camargo Corrêa) 650kg Cimento (cimento Liz – Soeicom – CP III – 40 RS)* 166kg Água total (água que é indicada na usina para processamento do traço) 73Ls Água efetivamente introduzida no processo (água adicionada na usina) 55Ls
*houve também a utilização do cimento Votorantim CP III 40 RS.
O equipamento utilizado na produção destes tubos os fabrica por compressão radial com comprimento máximo de 1,50 metros e com diâmetro nominal interno que pode variar de 300 à 600 mm. Neste caso, foram produzidos tubos sem armadura convencional ou com os teores de fibras já citados e todos com o diâmetro nominal interno de 600mm. Todos os tubos foram submetidos aos mesmos procedimentos de produção, estocagem, transporte e aplicação dos tubos de concreto simples e não se constatou nenhuma perda no processo, isto é, não se observou nenhum dano em qualquer um dos tubos produzidos que dessem causa para sua rejeição, com ambos os consumos utilizados. Apenas dosou-se a quantidade de fibra necessária e adicionou-dosou-se esta quantidade diretamente na correia de alimentação dos agregados na planta da fábrica (Figura 1).
Figura 1 - Pesagem e adição de fibras ao concreto destinado à produção dos tubos do pilar.
Alguns dos tubos produzidos para a analise de perdas foram destinados ao ensaio de compressão radial, para verificação de seu comportamento e adequação da metodologia de análise do comportamento desse tipo de componente. A metodologia utilizada foi baseada no proposto por Chama Neto e Figueiredo (1993). Para tornar isto possível foi necessária a implantação de um sistema para realização de ensaios de compressão diametral em tubos de CRFA com deformação controlada na própria fábrica. O equipamento foi calibrado e se encontra em operação corrente na fábrica para realização dos ensaios de compressão diametral. Além da calibração do equipamento, o mesmo foi dotado de um sistema de aquisição de dados compatível com as necessidades de levantamento das curvas de carga por deslocamento, conforme o apresentado na Figura
para aquisição das deformações dos tubos através de LVDTs, posicionados nas extremidades dos tubos e apoiados na borda oposta conforme o apresentado na Figura 3. Na Figura 4 pode-se observar em detalhe o posicionamento do LVDT na parte superior interna do tubo que foi submetido ao ensaio de compressão diametral. Este posicionamento ocorre sobre uma pequena folha de acetato (Figura 4b) de modo a se evitar que o LVDT entre na fissura que se forma no tubo durante o ensaio, o que levaria á perda do resultado.
Figura 2 - Sistema de monitoração do ensaio de compressão diametral de tubos de concreto.
Figura 3 - Configuração inicial do sistema de posicionamento dos LVDTs para medida contínua de deformação dos tubos de concreto.
Figura 4 - (a) detalhe do suporte para posicionamento do LVDT para leitura da deformação do tubo de concreto durante o ensaio de compressão diametral e (b) da folha de acetato que evitava a entrada da
agulha em uma possível fissura.
Com este arranjo de ensaio procurou-se levantar a curva de carga por deformação diametral do tubo, de modo a tornar possível a avaliação do comportamento do mesmo de maneira mais precisa e, no futuro, verificar a relação de equivalência de desempenho entre fibras de aço e tela metálica atuando como reforço. Outro detalhe importante que deve ser chamada a atenção é o fato de se ter utilizado dois transdutores de deformação, um em cada extremidade do tubo, de modo a se minimizar o efeito de ganho de rigidez proporcionado pela bolsa em relação à ponta do tubo. Com isto, é possível levantar a curva de carga por deformação diametral média, avaliando-se o comportamento do componente de maneira mais uniforme.
3 Resultados e análise
Como a taxa de perdas histórica da fábrica é, historicamente, de 3%, era de se esperar que ao menos algo em torno de três a cinco tubos apresentassem alguma forma de dano dentre os 150 produzidos. Como não foi verificada nenhuma perda, pode-se concluir que as fibras contribuíram efetivamente para a redução de perdas durante o processo de produção transporte e armazenamento desses tubos. Como o volume produzido foi pequeno, devido às limitações de custos envolvidos num estudo experimental deste porte, não se pode afirmar que a amostragem foi absolutamente significativa para afirmar que a utilização das fibras elimina totalmente as perdas durante o manuseio dos tubos. No entanto, é seguro afirmar que a utilização de baixos teores de fibras reduz consideravelmente o numero de perdas, mesmo quando este teor é da ordem de 5 kg/m3. Isto pode ser creditado ao fato de as fibras atuarem como ponte de transferência de tensões pelas fissuras e, mesmo sendo baixo o teor de fibra empregado, representarem um acréscimo na resistência à fissuração do material. Como a margem de lucro associada à produção deste tipo de componente é muito reduzida, pode-se concluir pela
b a
de concreto para águas pluviais.
Como comentado anteriormente, alguns dos tubos produzidos com consumos de 5 kg/m3 e 10 kg/m3 foram submetidos ao ensaio de compressão diametral, o que também colaborou na otimização do arranjo de ensaio e possibilitou a confirmou o efeito da fibra no ganho de resistência residual pós-fissuração do componente. Constatou-se uma razoável capacidade de suporte pós-fissuração que praticamente removia o caráter de ruptura frágil do tubo de concreto simples. Pode-se observar pelas Figuras 5 e 6, que os tubos reforçados com estes baixos teores de fibras foram submetidos a níveis elevados de deslocamento e, conseqüentemente, a elevado nível de fissuração durante o ensaio. No entanto, como se pode observar pela Figura 6, os tubos não chegara a colapsar totalmente, mostrando uma razoável capacidade de suporte pós-fissuração. A título de ilustração, se encontram apresentados nos gráficos das Figuras 7 e 8, as curvas médias de carga por deformação diametral obtidas nos ensaios com os tubos reforçados com 5 e 10 kg/m3, respectivamente. Percebe-se que, mesmo sendo baixo o teor de fibras, houve um mensurável aumento da capacidade resistente pós-fissuração do material. As regiões sem pontos dos gráficos correspondem a regiões de instabilidade na ruptura do material que foram sucedidas por retomadas de capacidade de carga. Como os teores foram baixos, este comportamento é relativamente previsível e comparável ao comportamento observado pelo CRFA em ensaios de tração na flexão com deformação controlada (FIGUEIREDO, CECCATO e TORNERI, 1997). Caso a resistência do concreto fosse menor, ou mesmo com a utilização de um maior teor de fibras, esta região de instabilidade poderia vir a desaparecer. Até mesmo o típico comportamento de amolecimento, com perda de capacidade resistente pós-fissuração com o aumento do nível de deslocamento radial, é esperado nesta situação de baixos teores de fibras. Isto porque quando do aumento do nível de fissuração ocorre uma redução natural da capacidade de reforço pela diminuição do comprimento de ancoragem da fibra no concreto provocada por seu arrancamento durante a ampliação da abertura de fissura. No entanto, mesmo com a ocorrência de instabilidade, percebe-se uma capacidade de suporte pós-fissuração que, mesmo com baixos teores, reduz o comportamento marcadamente frágil dos tubos de concreto simples e, conseqüentemente, melhora a condição de segurança das redes que venham a ser executadas com estes tubos.
Figura 6 - Tubo de CRFA com 5kg/m3 após ter sido submetido a grandes deformações durante o ensaio de compressão diametral.
Figura 7 - Curva média de carga por deformação diametral obtida no ensaio de compressão radial de tubos reforçados com consumo de fibras de 5kg/m3.
Tubo de CRFA 5kg/m3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 2 4 6 8 10 Deformação diametral (mm) Carga (kN)
Figura 8 - Curva média de carga por deformação diametral obtida no ensaio de compressão radial de tubos reforçados com consumo de fibras de 10kg/m3.
A redução do nível de perdas pode ser então explicado pelo aumento da capacidade de absorção de energia apresentado pelo tubo de CRFA. Com este aumento do consumo de energia, existe uma natural redução da ocorrência de dano, pois isto depende diretamente da energia associada ao fenômeno (BITTENCOURT, 2000).
4 Conclusões
Através dos resultados obtidos foi possível concluir que a utilização das fibras de aço no reforço de concreto destinados a produção de tubos é uma ótima alternativa para a redução de perdas em tubos de concreto simples para águas pluviais, mesmo quando o consumo de fibra é de 5kg/m3. Isto ocorreu pelo fato da fibra atuar como ponte de transferência de tensão ao longo das fissuras, garantindo uma capacidade resistente residual pós-fissuração aumenta a energia de fratura do material. Este aumento de energia de ruptura provoca uma redução de danos por impactos sofridos pelos tubos durante sua manipulação e, com isto, reduz-se sensivelmente o nível de perda de componentes por parte do fabricante. A viabilidade dessa tecnologia dependerá, obviamente, dos custos associados a estas perdas que, se forem elevados o suficiente para igualar os custos diretos da incorporação de fibras, irão conduzir à viabilização da tecnologia apenas pelo fato de se produzir tubos mais seguros e se eliminar o inconveniente de reposição de componentes na obra.
A metodologia adotada neste estudo como referência para a avaliação de desempenho dos tubos reforçados com fibras ou tela metálica foi a do ensaio de compressão diametral com controle simultâneo de carga por deformação diametral da peça. A adequação dos procedimentos pôde ser constatada inclusive pela possibilidade de geração das curvas de carga por deslocamento mesmo quando baixos teores de fibras foram utilizados, o que permite verificar com mais precisão o real comportamento do material.
Tubo de CRFA 10kg/m3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 Deformação diametral (mm) Carga (kN)
5 Referências
BITTENCOURT, T. N.. Estudo experimental do fraturamento do concreto estrutural por meio de corpos de prova cilíndricos. Boletim Técnico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2000.
CHAMA NETO, P. J.; FIGUEIREDO, A. D. de. Avaliação de desempenho de tubos de
concreto reforçados com fibras de aço. In: V SIMPÓSIO EPUSP SOBRE
ESTRUTURAS DE CONCRETO, 2003, São Paulo. 2003.
FIGUEIREDO, A. D. de; CECCATO, M. R.; TORNERI, P.. Influência do comprimento da
fibra no desempenho do concreto reforçado com fibras de aço. In: 39a REUNIÃO DO
IBRACON - INSTITUTO BRASILEIRO DO CONCRETO, 1997, São Paulo. 1997. v. 1, p. 347-356.
