PEDRO NAOITI INOUE
Aplicação de concreto de alto desempenho armado em perfil U
Lorena 2016
Aplicação de concreto de alto desempenho armado em perfil U
Trabalho de Graduação apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientadora: Profª. Drª. Rosa Ana Conte
Co-orientador: Prof. Drº. Daltro Garcia Pinatti
Lorena 2016
PROIBIDA A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, POIS SEU CONTEÚDO ESTÁ SENDO PATENTEADO.
Ficha Catalográfica
Elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena, com os dados fornecidos pelo autor
À Deus, primeiramente, por nos ter dado saúde e nos guardado até aqui. Além de ter me abençoado grandemente durante toda minha vida, não só a mim, mas a toda minha família e amigos.
Aos meus pais Mauro e Marcia por todo amor, educação e criação, pelos inúmeros conselhos e incentivos para que eu pudesse chegar até aqui. Ao meu irmão Ivan pelo eterno companheirismo e bons momentos. A toda minha família por me apoiarem e acreditarem em mim.
Aos professores Daltro Pinatti e Rosa Conte pela orientação e pelos valiosos ensinamentos e correções durante esse ano, e também aos amigos que fiz ao trabalhar com eles, Heron, Vitor e Carolina, obrigado pela ajuda e compreensão diária.
Aos meus amigos de Tietê, que para mim são como irmãos, obrigado por tudo. Aos amigos de Lorena, que sempre me apoiaram nos momentos difíceis. Aos amigos de Adelaide - Austrália, que tenho guardado no peito, que saudade de vocês, que falta me fazem. Também, às pessoas que felizmente encontramos e que tornam nossos dias mais radiantes, obrigado por todo carinho, conselhos e momentos.
Aos servidores da Escola de Engenharia de Lorena, principalmente aos que participaram diretamente deste trabalho, Carlos Roberto Dainesi pela fabricação das fôrmas, professor Sebastião Ribeiro pelos diversos ensinamentos e por me ajudar na retificação dos corpos de prova, e ao aluno Vitor Chacon pelo auxílio na utilização do microscópio óptico estéreo.
À Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, pela generosa contribuição ao ceder o Laboratório de Estruturas para que os ensaios mecânicos pudessem ser feitos. Ao técnico do laboratório Flávio da Silva pelo auxílio nos testes.
À Mineração e Moagem São João Batista Ltda., Queluz, SP por ter cedido todos os recursos para que as análises granulométricas pudessem ser realizadas.
2016. 85 p. Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2016.
A construção civil do País vem se desenvolvendo lentamente ao longo dos anos, sendo ainda dominada pelo sistema de construção em alvenaria tradicional. Sistemas construtivos pré moldados, que utilizam painéis pré fabricados, aparecem como alternativa. O presente trabalho apresenta como solução um novo produto, caracterizado por utilizar o concreto de alto desempenho armado com tela de aço em um perfil U estrutural, denominado perfil U multiuso (PUMU), que terá diferentes modulações e reforços dependendo da aplicação. A combinação destes dois materiais atribui ao perfil U qualidades únicas de resistência. Cálculos preliminares de resistência mecânica do PUMU demonstraram capacidade de suportar pressões laterais de 19 e 62 MPa. Foi realizado teste de campo para moldar um PUMU feito em concreto de alto desempenho, visando à adaptação do traço do concreto laboratorial para uma escala de produção em série, para que os corpos de prova a serem ensaiados reproduzissem o mais fielmente possível um perfil. Corpos de provas cilíndricos socados foram submetidos a ensaios de compressão, que seguiram a Norma técnica NBR 5739, e resultaram em uma resistência à compressão de 40,3 MPa; ensaios de resistência à flexão a três pontos em corpos de prova vibrados, segundo a NBR 15498, apresentaram resistência à flexão de 74,2 MPa. Além disso, foi realizada uma análise da superfície de fratura utilizando um estereoscópio, que mostrou quais elementos do material tiveram participação na fratura observada nos corpos de prova do ensaio à flexão. Este trabalho mostrou que o PUMU pode competir em aplicações estruturais com placas e perfis pré fabricadas.
Palavras chaves: Concreto de alto desempenho. Perfil U multiuso. Ensaio de flexão a três pontos. Ensaio de compressão.
ABSTRACT
INOUE, P. N. Application of reinforced high performance concrete to U profile 2016.85 p. Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2016.
Throughout the years, the Brazilian civil construction has slowly developed being still dominated by the construction system of traditional masonry. Pre-shaped building systems, which use prefabricated panels, come up as a possible alternative. This study presents a new product concept made of steel screen reinforced high performance concrete: the so-called multiuse U profile (PUMU). Sizes and reinforcements depend on the application. Theoretical calculations of material’s mechanical resistance from PUMU were done and presented a capacity to support lateral pressure of 19 and 62 MPa. It was conducted a field test to shape a PUMU made of high performance concrete, aiming to adjust the concrete laboratorial mix to a serial production scale to guarantee that all specimens to be tested represent the product. Then, the specimens were tested under compression conditions, which was regulated by the Technical Norm NBR 5739, resulting in a compression resistance of 40.3 MPa, and tested under flexion conditions, regulated by NBR 15498, resulting in a flexion resistance of 74.2 MPa. Furthermore, it was conducted a surface’s fracture analysis using a stereo optical microscopic that showed which material’s elements participated in the fracture of the specimen tested under flexion conditions. This work demonstrated that the PUMU is able to compete for structural applications with profiles and panels.
Figura 1. Fotografias de obras em CAD – Petronas Towers, Malásia (à esquerda)
e ponte em Seonyu, Seoul (à direita) ...17
Figura 2. Reações de hidratação de concreto simples e concretos de alto desempenho ...18
Figura 3. Residência projetada em ‘light steel framing’ ...26
Figura 4. Distribuição do consumo de alumínio por setor de aplicação em 2014 ...30
Figura 5. Configuração e componentes de uma parede ‘wood frame’ ...31
Figura 6. Ilustração do PUMU Pesado ...33
Figura 7. Ilustração do PUMU Leve ...34
Figura 8. Ilustração dos PUMU Parede ...34
Figura 9. Ilustração do corte do PUMU Pesado ...36
Figura 10. Vista em corte do pilar vertical do PUMU horizontal. (a) Corte superior, (b) Corte lateral ...38
Figura 11. Ilustração do corte do PUMU Leve ...40
Figura 12. Análise granulométrica da brita 0 modificada ...47
Figura 13. Análise granulométrica da areia média ...48
Figura 14. Molde de aço cilíndrico: Ø 50 mm x L 100 mm ...50
Figura 15. Corpos de prova cilíndricos retificados ...52
Figura 16. Prensa hidráulica para ensaio de compressão ...52
Figura 17. Molde do ensaio de flexão, vista superior e corte transversal ...54
Figura 18. Corpos de prova paralelepipédicos ...55
Figura 19. Equipamento de ensaio de flexão à três pontos e as forças atuantes durante o ensaio ...56
Figura 20. Microscópio estéreo ZEISS – Modelo DISCOVERY V12 ...57
Figura 22. Fotografia das laterais do corpo de prova ...64 Figura 23. Fratura frágil por mecanismos de clivagem ...64 Figura 24. Superfície e perfis de fratura do corpo de prova IV ensaiado em flexão ...65 Figura 25. Microtrincas nas regiões próximas ao aço ...66 Figura 26. Sequência da propagação da trinca secundária na região central da peça, nucleando-se em (a) e sua propagação pela espessura (b), (c) e (d) ...67 Figura 27. Interface matriz/agregados sem zona de transição ...68
Tabela 1. Componentes principais do cimento Portland ...19
Tabela 2. Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil ...19
Tabela 3. Composição química da sílica da casca de arroz obtida em leito fluidizado (SCAFZ), em % m/m ...22
Tabela 4. Traço de CAD BRPI 1101915-8 A2 com sílica da casca de arroz SCAFZ ...23
Tabela 5. Sequência do desenvolvimento do concreto de alto desempenho com argila calcinada (CADAC) ...23
Tabela 6. Propriedades mecânicas de diferentes aços utilizados para produção de perfis ...27
Tabela 7. Características, aplicações e propriedades mecânicas de várias ligas comerciais de alumínio ...29
Tabela 8. Resistência específica dos perfis estruturais ...35
Tabela 9. Massa específica dos materiais e altura admissível suportada pelo PUMU Pesado ...39
Tabela 10. Massa específica dos materiais e altura admissível suportada pelo PUMU Leve ...42
Tabela 11. Sequência de cálculos mecânicos dos PUMU Parede ...44
Tabela 12. Traço modificado do concreto de alto desempenho ...45
Tabela 13. Análise volumétrica da brita 0 modificada ...47
Tabela 14. Análise granulométrica da brita 0 modificada ...47
Tabela 15. Análise volumétrica da areia média ...48
Tabela 16. Análise granulométrica da areia média ...48
Tabela 17. Traço teórico e traço adaptado ...49
Tabela 18. Formas e dimensões possíveis dos corpos de prova para ensaio de flexão ...53
Tabela 20. Resultado dos ensaios de compressão ...57 Tabela 21. Resistência à compressão dos corpos de provas cilíndricos ...58 Tabela 22. Medidas das espessuras dos corpos de prova ensaiados em flexão ...59 Tabela 23. Resultados dos ensaios de flexão a três pontos ...60 Tabela 24. Resistência à tração na flexão dos corpos de prova paralelepipédicos ...61
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CAD Concreto de alto desempenho
CADAC Concreto de alto desempenho com argila caulinítica calcinada EEL Escola de Engenharia de Lorena
FEG Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá MDF Medium Density Fiberboard
OSB Oriented Strand Board PUMU Perfil U Multiuso
SCAFZ Sílica da casca de arroz obtida em leito fluidizado
Lista de Símbolos
I Momento de Inércia [kg.m2]
σ Tensão ou resistência à tensão [MPa] σmáx Tensão máxima [MPa]
M Momento admissível [N.m]
q Carga distribuída admissível [N/m] P Pressão admissível [Pa]
ρ Massa específica [kg/m3]
g Aceleração da gravidade [m/s2]
Pc Carga crítica de flambagem [N] E Módulo de elasticidade [MPa] Ø Diâmetro [mm]
fc Resistência à compressão [MPa] Rf Resistência à flexão [MPa]
2. OBJETIVOS ... 16
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
3.1. Concreto de Alto Desempenho (CAD) ... 17
3.1.1. Componentes... 18
3.1.2. Preparação do Concreto de Alto Desempenho... 24
3.2. Perfis estruturais ... 26
3.2.1. Perfis de aço ... 26
3.2.2. Perfis de alumínio ... 28
3.2.3. Placas de madeira ... 30
3.3. Placas de vedação ... 32
3.4. Perfis U Multiuso de concreto de alto desempenho (PUMU) ... 32
4. METODOLOGIA ... 36
4.1. Cálculos de resistência dos materiais dos perfis U multiuso ... 36
4.1.1. PUMU Pesado (320 x 220 x 20mm) ... 36
4.1.2. PUMU Leve (420 x 120 x 20mm) ... 40
4.1.3. PUMU Parede ... 43
4.2. Adaptação do traço do CAD ... 45
4.3. Preparação do concreto de alto desempenho ... 46
4.4. Ensaio de resistência à compressão ... 50
4.5. Ensaio de resistência à tração na flexão ... 53
4.6. Avaliação da superfície de fratura... 56
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 57
5.1. Ensaio de resistência à compressão ... 57
5.2. Ensaio de resistência à tração na flexão ... 59
5.3. Avaliação da superfície de fratura... 63
6. CONCLUSÃO ... 68 REFERÊNCIAS ... 70 Anexo I ... 73 Anexo II ... 74 Apêndice A ... 75 Apêndice B ... 77 Apêndice C ... 78 Apêndice D ... 79
1. INTRODUÇÃO
A construção civil no País apresenta uma alta defasagem em relação aos sistemas construtivos dos países desenvolvidos. O Brasil ainda é dominado pelo modelo de construção em alvenaria tradicional, na qual o canteiro de obras se faz presente e as estruturas (pilares, vigas, lajes, etc.) são moldadas no local e o fechamento é feito utilizando lajotas cerâmicas ou blocos de concreto. Esse tipo de construção tem como características tempo elevado para se construir uma obra, alto desperdício de material e energia (geração de muito resíduo sólido) e alto custo de manufatura devido aos materiais, maquinaria e mão de obra.
Como alternativa para essa situação, foi desenvolvido um novo modelo de construção denominado construção a seco, na qual se dispensa o canteiro de obras e se utiliza uma construção planejada pré-moldada. Os métodos mais conhecidos de construção a seco são o Wood Frame, que utiliza perfis de madeira em sua estrutura e o Steel Frame, que apresenta uma estrutura de perfis metálicos. Além disso, o sistema de vedação pode ser feito utilizando placas de gesso acartonado, conhecido como Drywall, ou com placas de fibrocimento.
Entretanto, a construção civil não é restrita apenas à manufatura de edifícios e casas. Ela ainda não apresenta solução satisfatória para obras em que se exige elevada resistência, como em contenção de encostas ou barreiras. Ainda mais, as peças pré-fabricadas em concreto, utilizadas nessas e outras aplicações, são excessivamente massivas devido à baixa resistência apresentada pelo concreto simples. Por esse motivo, a tecnologia do concreto de alto desempenho (CAD) vem sendo cada vez mais necessária para garantir peças de menor volume, sendo mais simples e fáceis de serem transportadas, movimentadas e instaladas e, principalmente, elevar a resistência mecânica dos produtos, proporcionando assim uma melhor qualidade e segurança nessas aplicações.
O presente trabalho visa a aplicação da tecnologia do concreto de alto desempenho armado em perfil U multiuso (PUMU), como perfil estrutural. O perfil U é uma configuração econômica que possibilita maximizar o aproveitamento do concreto de alto desempenho e da tela de aço. O desenvolvimento dos perfis U é justificável pela alta resistência do concreto de alto desempenho e pelas diversas aplicações que este perfil pode ter. É uma solução inteligente e eficaz como perfil
estrutural para as obras pré-moldadas que, além de diminuir o tempo de obra e apresentar um baixa geração de resíduos, ainda é composto por matérias-primas economicamente viáveis e relativamente simples. É também uma ótima opção para a preservação do meio ambiente, pela preservação da mata nativa, em substituição ao wood frame, e pela imensurável diminuição do consumo de energia na produção de perfis de alumínio e aço, empregados no modelo de construção steel frame.
Os PUMUs de CAD fazem parte de um projeto maior, no qual já foram bem desenvolvidos um traço de concreto de alto desempenho com sílica ativa e outro com argila caulinítica calcinada, ambos produzidos e testados em laboratório (90 MPa). Assim, o PUMU é uma aplicação do CAD, que foi gerado em estudos anteriores. Paralelamente aos PUMUs, estão sendo desenvolvidos outros produtos de CAD, como o coletor solar parabólico (CPTS) e o vasos de alta pressão (VAP), que visam a geração de energia renovável e limpa, viabilizados pela alta resistência à compressão do CAD (PINATTI, 2016).
Em suma, os PUMUs de CAD parecem ser uma ótima solução para a evolução da construção civil no País, uma vez que cumprem todos os requisitos necessários aos propósitos a que se destinam devido às suas propriedades mecânicas (que serão verificadas) e sua ampla variedade de aplicações.
2. OBJETIVOS
O objetivo principal deste trabalho é aplicação do concreto de alto desempenho armado com tela de aço em perfil U, e posterior determinação de suas propriedades mecânicas referentes à resistência à compressão e à flexão.
Os objetivos específicos que se seguem a este estudo são, primeiramente, a aprendizagem sobre a dosagem de insumos para formulação do traço do concreto de alto desempenho para moldagem do perfil U. A seguir, a realização dos cálculos estruturais baseados em resistência dos materiais; a confecção de corpos de prova para cada tipo de ensaio; a realização dos ensaios de compressão e flexão a três pontos e, por fim, a avaliação da superfície de fratura do material.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Concreto de Alto Desempenho (CAD)
O concreto de alto desempenho apresenta um significativo avanço em relação ao concreto simples utilizado ao longo dos anos. O concreto simples tem sido produzido para a obtenção de resistência à compressão aos 28 dias de cura na faixa entre 20 MPa e 30 MPa. Essa resistência característica do concreto simples se apresenta muitas vezes pouco eficiente, sendo necessárias peças de grande volume para atingir uma resistência apreciável. Por outro lado, o concreto de alta desempenho alcança resistências à compressão entre 90 MPa e 100 MPa, possibilitando peças mais compactas, e é atualmente empregado na construção de pontes e edifícios muito altos (AMARAL FILHO, 1989). Exemplos de construções que utilizam o CAD são ilustradas na Figura 1.
Figura 1. Fotografias de obras em CAD – Petronas Towers, Malásia (à esquerda) e ponte em Seonyu, Seoul (à direita). FONTE: www.ebah.com.br/estruturas CAD O concreto de alto desempenho tem como características o uso preciso de um material cimentício suplementar, a sílica ativa e de aditivos superplastificantes. Ele requer um rígido controle na seleção dos materiais e nas etapas de dosagem, mistura, adensamento e cura (AMARAL FILHO, 1989).
O aumento da resistência à compressão ocorre principalmente devido à adição de sílica ativa (SiO2). A composição do concreto simples tem deficiência no teor de
sílica (SiO2) e o excesso de cálcio (CaO) que, durante a reação hidráulica, resulta
em hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), da ordem de 20% (m/m), na forma de um pó
distribuído, de baixa resistência mecânica. A sílica ativa é adicionada com a função de reagir com o Ca(OH)2 formando assim um silicato de cálcio (fase
C3S2H3), um gel pobremente cristalino e não estequiométrico, que também está
item 2 da Fig. 2. Assim, a adição da sílica ativa promove a eliminação do Ca(OH)2, fase de baixa resistência no concreto simples e, consequentemente,
aumenta a resistência à compressão do concreto. Resistências maiores são alcançadas com misturas complexas além da simples adição de sílica ativa, na qual se alcança a estabilização da fase C5S6H5, tobermorite, totalmente cristalina
e estequiométrica de alta resistência mecânica (reações indicadas no item 3 Fig. 2). A Figura 2 fornece as reações hidráulicas na cura de diversos concretos.
Figura 2. Reações de hidratação na cura de concreto simples e concretos de alto desempenho. FONTE: Pinatti, 2012a
Ainda assim, para que altas resistências sejam alcançadas pelo concreto de alto desempenho, os agregados devem ter granulometria máxima menor que a do concreto simples, geralmente de 10 a 14mm, para se evitar as tensões diferenciais na interface agregado-matriz, que poderiam resultar em microfissuração. Também, o uso do superplastificante deve ser compatível com o cimento a ser utilizado, para melhorar o seu rendimento e conferir trabalhabilidade à mistura (EVANGELISTA, 1996).
3.1.1. Componentes
Apenas uma breve apresentação dos materiais que constituem o concreto de alto desempenho.
Cimento Portland
O cimento Portland é um material em forma de pó, aglomerante hidráulico, composto basicamente de silicatos de cálcio e aluminatos de cálcio que misturados à água, chamada reação de hidratação, formam uma massa firme e resistente que, após endurecido, não se decompõe mais mesmo sob a ação da água. A Tabela 1 apresenta os principais compostos do cimento Portland.
Tabela 1. Componentes principais do cimento Portland
FONTE: Neville, 1997
O cimento Portland pode ser definido em classes e tipos de acordo com suas propriedades mecânicas e componentes, respectivamente, segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). As classes do cimento variam de acordo com a sua resistência mínima potencial após o tempo de cura (28 dias), sendo distribuídas em três níveis: 25 MPa, 32 MPa e 40 MPa. Os principais tipos de cimentos comercializados no Brasil são apresentados na Tabela 2.
Tabela 2. Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil
*Material pozolânico: materiais silicosos ou sílicoaluminosos que, por si sós, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas que, quando finamente divididos e na presença da água, reagem com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente para formar compostos com propriedades aglomerantes. (NBR12653,1992). *Material carbonático: são minerais moídos e calcinados. Devido ao seu tamanho e formato, conferem maior compacidade, melhor trabalhabilidade e menor tendência à fissuração em argamassas e concretos.
A escolha do cimento se torna um item crítico à medida que a resistência desejada do concreto aumenta. Existem cimentos que devido a sua composição favorecem o aumento da trabalhabilidade do CAD, enquanto outros apresentam uma maior contribuição no aumento da resistência. Assim, o desempenho final do cimento na produção do CAD dependerá da maneira pela qual o comportamento reológico e o desenvolvimento da resistência podem ser simultaneamente otimizados (AÏTCIN, 2000).
Agregado Graúdo
Os agregados graúdos podem ser definidos como as partículas com tamanho maiores que 4,8 mm, e no concreto de alto desempenho, assim como no concreto simples, se faz uso da pedra britada como componente. A pedra britada equivale a uma fração considerável do volume do concreto, por isso suas propriedades físicas, químicas e mineralógicas são de grande importância à qualidade esperada do concreto.
Segundo AÏTCIN (2000), os agregados graúdos apresentam algumas características principais que são de suma importância para o desenvolvimento do CAD, podendo ser citadas:
Resistência mecânica à compressão;
Resistência à abrasão;
Massa específica compactada;
Composição granulométrica;
Forma das partículas.
AÏTCIN (2000) também destaca que os agregados graúdos menores são comumente mais resistentes que os agregados graúdos maiores, o que reforça o severo controle da granulometria da matéria-prima para a produção do concreto de alto desempenho.
Agregado Miúdo
Os agregados miúdos são aqueles cujos grãos são menores que 4,8 mm e maiores que 0,075 mm, segundo a ABNT (1983). Além disso, eles são classificados em quatro zonas de acordo com sua composição granulométrica, sendo em ordem crescente de granulometria:
Muito fina;
Fina;
Média;
Grossa.
Utiliza-se como agregado miúdo na composição do concreto de alto desempenho a areia natural. CORDEIRO (2001) destaca que o fator imprescindível à escolha do agregado miúdo é a relação água/aglomerante ser a mais baixa possível.
Além disso, CORDEIRO (2001) afirma que deve haver um minucioso controle de qualidade em relação à granulometria e ao teor de umidade da areia, pois essas características físicas afetam diretamente a capacidade de resistência do concreto.
VIERA et al. (1997) declaram que o agregado miúdo desempenha maior influência na mistura que o agregado graúdo, uma vez que o miúdo possui maior superfície específica e, assim, precisa de maior volume de pasta para circundar seus grãos. Ainda mais, deve haver um comprometimento em relação à quantidade de agregado miúdo utilizado, pois alta quantidade produzirá um concreto mais plástico, entretanto mais caro, devido ao grande teor de pasta necessária.
Desse modo, é necessário otimizar a proporção de agregado graúdo e miúdo, segundo as características físicas de cada um, com a finalidade de se obter uma mistura mais compacta, de menor custo possível e com alta resistência.
Superplastificante
Os superplastificantes são também conhecidos como redutores de água de alta eficiência ou superfluidificantes. São utilizados com a motivação de se obter um concreto com maior fluidez e sem alterar outras características importantes, aumentando a trabalhabilidade do concreto. Além disso, o uso de um superplastificante permite a redução da relação água/aglomerante, o que leva a um concreto com maior resistência e durabilidade (CORDEIRO, 2001).
Os superplastificantes são aditivos químicos constituídos de tensoativos aniônicos de alta massa molar entre 20.000 e 30.000 g/mol, e de cadeia longa. Eles atuam da seguinte forma: quando são adsorvidos pelas partículas do cimento o
tensoativo proporciona uma forte carga negativa, que reduz significativamente a tensão superficial da água circundante e aumenta consideravelmente a fluidez do concreto (MEHTA E MONTEIRO, 1994).
Água
As mesmas condições de qualidade exigidas para a água de concretos convencionais devem ser cumpridas para o concreto de alto desempenho (CORDEIRO, 2001). A água tem duas funções primordiais para o desenvolvimento do concreto. Primeiramente, ela contribui significativamente para garantir uma trabalhabilidade adequada, denominada água de amassamento. A outra função é permitir as reações químicas no concreto, como a de hidratação do cimento e reações pozolânicas (CORDEIRO, 2001).
Sílica Ativa
A sílica ativa é um subproduto da fabricação do silício elementar, das ligas de ferro-silício e de outras ligas de silício. É geralmente obtida na forma de partículas finas, que são condensadas durante a redução da sílica, proveniente do óxido de silício (SiO2) na parte superior da carga em fornos de arco elétrico (AÏTCIN, 2000).
A sílica ativa tem como principal função reagir com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), presente no concreto em forma de pó distribuído de baixa resistência
mecânica, para formar uma fase de baixa cristalinidade de silicato de cálcio, aumentando a resistência à compressão do concreto.
Recentemente, PINATTI (2012) e colaboradores desenvolveram uma fonte alternativa de sílica ativa a partir da casca de arroz, utilizando o processo de combustão controlada em caldeira de leito fluidizado (SCAFZ). A Tabela 3 apresenta a composição química da SCAFZ.
Tabela 3. Composição química da sílica da casca de arroz obtida em leito fluidizado SCAFZ, em % m/m
SiO2 K2O P2O5 CaO MgO MnO SO3 Fe2O3 Al2O3 Na2O TiO2
Perda
ao fogo Total
92,17 1,65 0,45 0,38 0,33 0,35 0,12 0,04 0,02 0,02 0,004 4,37 99,80
FONTE: Pinatti, 2012
Por possuir características singulares como teor alto de SiO2, ser amorfa à
temperatura ambiente, e ser extremamente fina, a sílica ativa representa um material pozolânico muito reativo (AÏTCIN, 2000).
Além da reação pozolânica e da reação química com o Ca(OH)2, a sílica ativa
também produz efeitos benéficos na microestrutura e nas propriedades mecânicas do concreto devido ao efeito físico de suas partículas. As partículas da sílica ativa podem preencher os vazios entre as partículas maiores do cimento, acarretando em uma mistura mais compacta e resistente, conhecido como efeito fíler (AÏTCIN, 2000).
Em estudo realizado por TOLEDO (2015), foi reportada a substituição da sílica da casca de arroz (SCAFZ) pela argila caulinítica calcinada (AC), subproduto da mineração da areia quartzítica da Mineradora São João Batista (MSJB), no traço de CAD 90 BRPI 1101915-8 A2, desenvolvido por PINATTI et al. (2012), apresentado na Tabela 4.
Tabela 4. Traço de CAD BRPI 1101915-8 A2 com sílica da casca de arroz SCAFZ TRAÇO CIMENTO (c) SCAFZ (S) AREIA AGREGADO GROSSO ÁGUA (A) SUPERPLAS-TIFICANTE⁽3⁾ A/C+S⁽4⁾ MASSA TOTAL σc (MPa) (ECONOMIA DE C)/SCAFZ Nº1 Nº0 CAD90 435 95 620 800 200 173 7,5 0,327 2330,5 84,9 165/95 = 1,74 (1) CAD- Concreto de Alto Desempenho; (2) SCAFZ-Sílica da Casca de Arroz; (3) Policarboxilato; (4) água/(cimento+sílica) FONTE: Pinatti, 2012
A Tabela 5 apresenta o desenvolvimento do concreto de alto desempenho com argila caulinítica calcinada (CADAC) em substituição à sílica da casca de arroz (SCAFZ). Nas amostras A, B e C foi usado o traço padrão (Tabela 4) substituindo a SCAFZ pela AC. A calcinação da AC foi feita a 550oC em A, e alcançou um
mínimo de σc = 69,9 MPa; em B, a AC foi calcinada a 650oC, alcançando σc =
79,9MPa e a calcinação a 750oC em C alcançou σc = 89,9 MPa.
Tabela 5. Sequência do desenvolvimento do concreto de alto desempenho com argila calcinada (CADAC)
Identificação das
amostras Traço utilizado
Tempo de cura (dias) Resistência à compressão (MPa) A Padrão - AC calcinada a 550ºC 68 69,9 A 84,9 B Padrão - AC calcinada a 650ºC 67 79,9 B 79,9 C Padrão - AC calcinada a 750ºC 67 89,9 C 89,9 FONTE: Toledo, 2015
Os resultados mostram que a argila caulinítica calcinada é uma fonte importante de sílica ativa e que pode ser adicionada ao traço de CAD sem que haja significativa alteração na sua resistência à compressão.
3.1.2. Preparação do Concreto de Alto Desempenho
A preparação do concreto de alta resistência utiliza as mesmas etapas empregadas na preparação do concreto simples. Entretanto, como já discutido anteriormente, a escolha dos materiais e, principalmente, o controle granulométrico e umidade destes serão elementos fundamentais para a obtenção de um concreto resistente.
Dosagem
A dosagem é a maneira utilizada para se estabelecer as proporções dos materiais constituintes do concreto, necessários para que este venha adquirir as características desejadas, como resistência mecânica, trabalhabilidade e durabilidade (CORDEIRO, 2001).
A dosagem varia de acordo com diversos fatores como:
Materiais selecionados;
Características físicas desses materiais vulneráveis a fatores externos;
Aplicação a que se destina o concreto;
Geometria e complexidade da peça;
Máquinas e ferramentas utilizadas, entre outros. Mistura e Homogeneização
A mistura e homogeneização podem ser entendidas como o processo em que as matérias-primas são adicionadas uma a cada vez em um misturador até que se forme uma massa homogênea e com propriedades uniformes em toda sua extensão (AÏTCIN, 2000).
A escolha do misturador dependerá da quantidade necessária de concreto a ser produzida: por exemplo, para pequena escala pode ser usado um misturador planetário, e para grande escala uma betoneira com capacidade maior.
Outro parâmetro importante a ser observado é o tempo de mistura. Este usualmente é maior para o concreto de alto desempenho do que para o concreto simples, segundo CORDEIRO (2001). Devido aos diferentes traços possíveis do
concreto de alto desempenho, é difícil formular regras para uma boa mistura. Entretanto, para cada traço se deve determinar um tempo de mistura ideal que garanta a uniformidade e trabalhabilidade da massa.
Adensamento
O adensamento é o método utilizado para se alcançar a maior compactação possível da massa de concreto. AÏTCIN (2000) recomenda o uso de vibração mecânica interna para o processo em concreto de alto desempenho. Como este apresenta um grau de compactação alta, não é necessária uma vibração intensa.
A vibração mecânica atua na eliminação de bolhas de ar que ficam aprisionadas na matriz, compactando a mistura (AÏTCIN 2000). Além disso, METHA E MONTEIRO (1994) afirmam que a vibração faz com que o excesso de água do sistema seja guiado à superfície, onde é evaporada posteriormente.
Cura
A cura é o processo em que o concreto é deixado para “descansar” por um determinado período de tempo, sob uma atmosfera controlada ou não, que é definida pele escolha do tipo de cura.
Esse processo tem como função principal manter a umidade da mistura durante o processo de hidratação dos materiais cimentícios. É extremamente indicado para a produção do concreto de alto desempenho, sendo essencial para desenvolver sua resistência mecânica, assegurar a estabilidade das superfícies expostas e controlar a retração e fluência (AÏTCIN 2000).
Um estudo para verificar a eficácia dos tipos de cura foi realizado por RAMEZANIANPOUR E MALHOTRA (1995) apud CORDEIRO (2001). O estudo baseou-se em verificar o comportamento de um determinado concreto de alto desempenho sob quatro condições de cura:
Cura à temperatura ambiente;
Cura à temperatura ambiente após 2 dias em cura úmida;
Cura úmida após a desmoldagem;
Após 30 dias verificou-se que os concretos com cura úmida apresentaram maiores resistência mecânica à compressão, e melhores resultados à permeabilidade e penetração de cloretos.
O tempo de cura é outro fator importante a ser considerado. Normalmente, a cura do concreto de alto desempenho segue o princípio do concreto simples e é feita em 28 dias (AÏTCIN, 2000).
3.2. Perfis estruturais
Serão citados alguns perfis que têm como função principal a estruturação das construções pré-moldadas.
3.2.1. Perfis de aço
Os perfis estruturais de aço são comumente empregados na indústria, na estrutura de suporte de máquinas e equipamentos e na construção civil, em pontes, viadutos e passarelas, fundações e contenções, e no sistema denominado light steel framing. O light steel framing pode ser definido como um sistema industrializado construtivo no qual, com o uso de perfis de aço, se faz a conformação do esqueleto estrutural da residência, ou seja, todo o sistema de perfis de aço é projetado para suportar todas as cargas da edificação (DOMARASCKI E FAGIANI, 2009).
A Figura 3 representa uma residência projetada utilizando a tecnologia steel framing.
Figura 3. Residência projetada em light steel framing FONTE: www.universojatoba.com.br
Os perfis de aço são produzidos por meio do processo de laminação a frio. Eles podem ser fabricados em diversas geometrias, dentre as mais comuns são I, T e U. Apresentam altíssima uniformidade de composição química e propriedades mecânicas. Os aços geralmente utilizados para a fabricação desses perfis são: ASTM A572, ASTM A36, ASTM A992, ASTM A131, Aço COR 500 ou ASTM A588 (GERDAU, 2016).
A fabricação dos perfis deve seguir as especificações das Normas ABNT NBR 15980:2011 e ASTM A6/A6M (GERDAU, 2016).
Propriedades mecânicas
Algumas propriedades mecânicas importantes dos aços utilizados na confecção de perfis são representadas na Tabela 6.
Tabela 6. Propriedades mecânicas de diferentes aços utilizados para produção de perfis Aço Limite de escoameto (MPa) Limite de resistência (MPa) Alongamento após ruptura (%) ASTM 572 Grau 50 345 450 18 ASTM A 572 Grau 60 415 520 16 ASTM A 992 345 a 450 450 18 AÇO COR 50 370 500 18 ASTM A 131 AH32 315 440 a 590 19 ASTM A 131 AH36 355 490 a 620 19 FONTE: www.gerdau.com Modulação
Os dimensionamentos dos perfis de aço mais comuns são apresentados nas tabelas do Apêndice A.
Mercado
De acordo com a pesquisa “Perfil dos fabricantes de Estruturas de aço 2015”, a participação da construção em aço no Brasil vem crescendo cada vez mais. Sugere-se o fato de que os empreendedores, após usarem o sistema construtivo de aço pela primeira vez, voltam a aplicá-los devido às suas vantagens e qualidades, o que revela que no ano de 2014, 36% do aço utilizado na construção civil foram destinados ao sistema construtivo light steel framing (CENTRO BRASILEIRO DA CONSTRUÇÃO EM AÇO, 2016).
Além disso, a pesquisa dos “Fabricantes de Perfis Galvanizados para Light Steel Frame e Drywall 2015” acusou um aumento na produção de perfis em relação ao ano anterior, chegando a valores de 45.360 toneladas de aço galvanizado implementados na estrutura Light Steel Frame e 97.860 toneladas para Drywall (CENTRO BRASILEIRO DA CONSTRUÇÃO EM AÇO, 2016).
3.2.2. Perfis de alumínio
Os perfis estruturais de alumínio são geralmente utilizados para o mercado industrial, como indústria de transporte, máquinas e equipamentos, entre outros, e também na construção civil. Os perfis de alumínio são uma opção de concorrência aos perfis de aço, podendo ser empregados na conformação de estruturas residenciais.
Propriedades do alumínio, como baixa densidade, resistência à corrosão, resistência mecânica e conformabilidade fazem desse metal uma ótima opção para o mercado. O perfil de alumínio é ideal para atender a diversas demandas, em função de sua grande versatilidade de geometrias, ligas e têmperas (ALCOA, 2016).
Propriedades
A Tabela 7 apresenta as ligas e têmperas disponíveis para a produção de perfis extrudados, assim como suas aplicações indicadas, características do produto e propriedades mecânicas.
Designação
Alcoa Características Aplicações Típicas
Propriedades Mecânicas (Valores Mínimos) Têmperas Limite de Escoamento à Tração (MPa) Limite de Resistência à Tração (MPa) 7004
Excelente resistência mecânica, fácil soldagem, recuperação das propriedades mecânicas
naturalmente após solda.
Estruturas soldadas e suspensão de
motocicletas. T5 315 370
7012 Elevada resistência mecânica e
média soldabilidade.
Aro de motocicleta e equipamentos industriais.
T6 520 560
T73 410 470
7075
Elevada resistência mecânica, média resistência à corrosão, boa forjabilidade e boa usinabilidade
Peças submetidas a altos esforços, indústria aeronáutica, moldes para injeção de plásticos e borrachas, componentes de máquinas usinadas.
T6 485 540
T73 400 470
6463
Média resistência mecânica, excelente resistência à corrosão, boa conformabilidade e excelente resposta à anodização brilhante.
Painéis e frisos brilhantes para eletrodomésticos, automóveis, eletrônicos e móveis. T4 75 125 T5 110 150 T6 170 205 6351
Alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e boa conformabilidade
Estruturas, carrocerias e embarcações. T4 130 220
T6 255 290
2014
Alta resistência mecânica, elevada ductilidade, boa usinabilidade e média resistência à corrosão.
Indústria aeronáutica, transporte, máquinas e equipamentos.
O 125 205
T4 240 345
T6 365 415
2024
Alta ductilidade, elevada resistência mecânica, média resistência a corrosão, média conformabilidade e fácil soldagem.
Peças usinadas e forjadas, indústria aeronáutica, transporte, máquinas e equipamentos
O 130 240
T4 260 395
Modulação
Os principais tipos de geometria para perfis estruturais de alumínio são U e I, e suas dimensões são apresentados nas tabelas do Apêndice B.
Mercado
De acordo com Associação Brasileira de Alumínio (ABAL) (2016), a fabricação de produtos transformados de alumínio no País apresenta uma ampla gama de tipos de produtos. As chapas (planas e bobinas) são os tipos mais produzidos no Brasil, cerca de 585.900 toneladas em 2014, seguido dos extrudados (318.700 toneladas) e logo após os fundidos e forjados (165.200 toneladas).
3.2.3. Placas de madeira
As placas de madeira são utilizadas em sistemas de construção que possuem como característica o uso de madeira estrutural para a sustentação do sistema, conhecido como sistema wood frame. A madeira utilizada na estrutura do frame é o pinus. Essa madeira passa por tratamento de dupla secagem e tratamento com preservante químico em autoclave para garantir imunização contra o ataque de cupins e assim uma durabilidade superior a 50 anos (TECVERDE, 2016).
As placas utilizadas são denominadas OSB (Oriented Strand Board). São constituídas por camadas de partículas ou fibras com resinas fenólicas, que são orientadas em uma mesma direção, e então prensadas sob alta temperatura para garantir sua consolidação, aumentando sua rigidez e resistência mecânica (TORQUATO, 2010). Cada painel de OSB pode possuir de três a cinco camadas, dispostas em uma configuração que forme um ângulo de orientação entre as fibras de 90° em camadas adjacentes. Trata-se de um material que possui alta resistência mecânica, qualidade uniforme e estabilidade e por essas propriedades pode ser considerado um painel estrutural (TORQUATO, 2010).
A ilustração a seguir demonstra a característica e os componentes do sistema de fechamento e vedação do wood frame (Fig. 5).
1. Estrutura de madeira tratada 2. Isolante térmico e acústico 3. OSB 4. Membrana hidrófuga 5. Placa cimentícia 6. Gesso acartonado 7. Acabamento FONTE: www.tecverde.com.br
Figura 5. Configuração e componentes de uma parede wood frame
É possível comentar a ineficácia da placa de OBS em relação aos seguintes quesitos, o que mostrou a necessidade de utilização de outros materiais presentes no mercado para que esse sistema pudesse ser implementado.
Impermeabilização e estanqueidade, realizado pelo uso da membrana hidrófuga;
Proteção e requisitos arquitetônicos, realizado pela placa cimentícias;
Isolamento térmico e acústico, atingido pelo uso da placa de gesso acartonado.
Propriedades mecânicas
Foram realizados ensaios mecânicos em placas OSB manufaturados em madeira cipreste (Cupressus glauca Lam), pela ANCOVA apud OKINO et al. (2008). Os ensaios foram feitos seguindo os requerimentos da norma canadense CSA O437.0, classe O-2, para painéis de OSB. As placas ensaiadas foram manufaturadas em quatro configurações usando dois tipos de resina: ureia-formaldeído e fenol-ureia-formaldeído e utilizadas em quantidades relativas de 5% e 8%. As placas foram compostas por três camadas prensadas, nas quais as fibras orientadas formaram um ângulo de 90° entre as camadas adjacentes. Foram, então, retirados de cada chapa seis corpos de prova para o ensaio de flexão estática na direção paralela e mais seis na direção perpendicular. O módulo de
ruptura variou entre 2,4 e 3,4 MPa (direção paralela) e entre 2,6 e 5,2 MPa (direção perpendicular). Os resultados completos dos testes estão mostrados na tabela do Apêndice C (OKINO, 2008).
Modulação
As dimensões dos painéis OSB fabricados pela Global Wood são apresentados no Apêndice C.
Mercado
Por falta de estatísticas oficiais, de acordo com VIDAL E DA HORA (2014), é possível afirmar que existe um iniciante consumo de OSB no Brasil. Como a única planta do Brasil iniciou suas operações ao fim de 2002, com capacidade de 350.000m3/ano, nos últimos anos o consumo deve ter oscilado entre
120.000 m3/ano e 300.00 m3/ano (caso a planta tenha reduzido suas operações
pela metade). Ainda mais, a Associação Brasileira de Indústrias de Painéis de Madeira (ABIPA) divulgara há algum tempo alguns dados sobre os usos de OSB no País, que indicavam que a construção civil respondia por 40% das vendas internas. Ao contrário do crescimento registrado na Europa e América do Norte, o consumo de OSB no Brasil segue patamares bastante reduzidos (VIDAL E DA HORA, 2014).
3.3. Placas de vedação
Embora não seja objetivo desse trabalho usar o PUMU de CAD como substituto de placas de vedação, essa também poderá vir a ser uma aplicação dependendo de seu custo de produção e instalação. No Apêndice D foram coletadas informações sobre placas de gesso acartonado, placas de fibrocimento e placas de madeira MDF.
3.4. Perfis U Multiuso de concreto de alto desempenho (PUMU)
O Perfil U Multiuso (PUMU) pode ser entendido como um avanço na indústria de perfis estruturais. Ele foi projetado para substituir os perfis existentes no mercado, por razões econômicas e, principalmente, pela alta resistência mecânica deste perfil (PINATTI, 2016).
O PUMU tem como matéria prima base o concreto de alto desempenho, que tem a função de fornecer resistência à compressão, e uma tela de aço Gerdau CA60 (σe= 600MPa) disposta no centro do perfil para proporcionar resistência à tração.
O perfil U foi adotado por ser econômico e possibilitar a maximização do aproveitamento do CAD e da tela de aço (PINATTI, 2016).
O PUMU de CAD cobre várias áreas de aplicação, como por exemplo, para suportar cargas e pressões de estocagem de biomassa, grãos, água, solo/lama, além de canaletas de escoamento de água, trilhas para subidas de morros, contenção de curvas de nível, de encostas e de canais de córregos, além de pilares, paredes, vigas aberta e caixão, lajes, piscinas, tanque para piscicultura, entre outras (PINATTI, 2016).
Modulação
O PUMU está modulado em três classes distintas para melhor atender a cada aplicação, e foram denominados de acordo com elas. Todos têm um comprimento de 3 m, variando apenas as dimensões da largura e altura. A configuração geométrica do perfil também pode ser alterada, dependendo da demanda de resistência da aplicação, sendo o PUMU então reforçado por vergalhões (PINATTI, 2016).
PUMU Pesado (Fig. 6)
Figura 6. Ilustração do PUMU Pesado FONTE: Pinatti, 2016
Possui as maiores abas (220 mm) e pequena base (320 mm), o que garante uma maior resistência. Sua aplicação principal é destinada à contenção de grandes cargas, como encostas e taludes, essencialmente em áreas de risco.
PUMU Leve (Fig. 7)
Figura 7. Ilustração do PUMU Leve FONTE: Pinatti, 2016
Possui uma base mais larga (420 mm) e abas curtas (120mm). É aplicado quando o PUMU pesado apresenta resistência muito superior à requerida pela aplicação, possibilitando uma opção de menor custo, devido ao menor uso de material. Este perfil pode ser aplicado, por exemplo, em laterais de córregos e galerias para o escoamento de água, piscina ou tanque para piscicultura.
PUMU Parede (Fig. 8)
Figura 8. Ilustração dos PUMU Parede FONTE: Pinatti, 2016
A aplicação do PUMU parede se dá nas construções civis residenciais com vários pavimentos. Sua principal função é estrutural, entretanto, por ser acessível economicamente, é também uma opção para substituir as placas de vedação com
maior qualidade e resistência. Sua grande variedade de dimensões se faz necessária para o encaixe perfeito dos perfis U nas diferentes medidas dos cômodos das residências. Contudo o PUMU parede 620 x 120 mm será o mais utilizado uma vez que ele apresenta maior compatibilidade com as aplicações construtivas demandadas pelo mercado.
Algumas características essenciais são descritas a seguir:
A espessura de 20 mm é a menor possível, devido à necessidade de se proteger a armação de aço contra corrosão. Para que a proteção seja eficiente, o concreto deve cobrir a armação em um mínimo de 10 mm de cada lado.
O volume de concreto dos perfis são de aproximadamente: PUMU Pesado= 0,046 m3, PUMU Leve= 0,040 m3 e PUMU Parede (620 mm) =
0,051 m3 resultando em pesos respectivos de 115 kg, 100 kg e 127,5 kg. A zona de compressão ficará nas abas, pois o CAD 90 MPa demanda
pequenas seções.
A zona de tração ficará na base, porque as armações demandam o máximo de seção para seus alojamentos.
Então, é possível se comparar a resistência específica dos perfis estruturais presentes no mercado, ilustrado a viabilidade do PUMU, na Tabela 8.
Tabela 8. Resistência específica dos perfis estruturais Perfil estrutural Resistência mecânica típica (MPa) Massa específica (kg/m³) Resistência específica (N.m/kg) Aço 315 7850 0,040 Alumínio 220 2700 0,081 Madeira - OSB 48 1640 0,029 PUMU (CAD) 90 2500 0,036 FONTE: Própria
Este trabalho visa a calcular a resistência de suporte de carga dos PUMU, bem como analisar a resistência mecânica de corpos de prova representativos por ensaio de compressão e flexão a três pontos.
4. METODOLOGIA
4.1. Cálculos de resistência dos materiais dos perfis U multiuso
Para realização dos cálculos estruturais dos PUMUs considerou-se, a princípio, que todos teriam a mesma geometria, sem reforços.
4.1.1. PUMU Pesado (320 x 220 x 20mm)
A Figura 9 representa o corte do perfil U Pesado.
Figura 9. Ilustração do corte do PUMU Pesado. FONTE: Pinatti, 2016
Cálculo dos momentos de inércia
a. A origem “O” das coordenadas y2 é colocada no centroide da área da seção
transversal e, portanto, o eixo z se torna a linha neutra da seção transversal.
b. Seção das áreas: Área 1: y1 = t 2 = 10 mm A1 = (b – 2 t) x t = (280 mm) x (20 mm) (Eq. 1) A1 = 5.600 mm2 Área 2: y2 = h 2 = 110 mm A2 = h x t = (220 mm) x (20 mm) (Eq. 2) A2 = 4.400 mm2 Área 3: y3 = y2 = h/2 A3 = A2
c. Distância C1 do centroide: C1 = ∑ yi Ai ∑ Ai = y1 A1+ 2 x y2 A2 A1 + 2 A2 (Eq. 3) C1 = 10 mm x 5.600 mm² + 2 x 110mm x 4.400 mm² (5.600 + 8.800) mm² = (5.6000 + 968.000) mm3 14.400 C1 = 71,11 mm C2 = h - C1 = (220 - 71,11) mm (Eq. 4) C2 = 148,89 mm d1 = C1 – t/2 = 71,11 – 10 (Eq. 5) d1 = 61,4 mm
d. Momentos de inércia em relação à linha neutra (uso do teorema de eixos paralelos). Área A1: (Iz)1 = (Ic)1 +A1d12 (Eq. 6) (Iz)1 = (b - 2t)t3 12 + A1d12 (Eq. 7) (Iz)1 = (280)(20)3 12 + 5.600 (71,11 – 10)2 = 186.667 + 20.912.820 (Iz)1 = 21,099x10-6 m4 Área A2: (Iz)2 = (Ic) 2 + A2 d22 (Iz)2 = t(h)3 12 + A2 (y2 – C1)2 (Eq. 8) (Iz)2 = 20(220)3 12 + 4.400 (110 - 71,11)2= 17.746.667 + 6.654.701 (Iz)2 = 24,401x10-6 m4
Área A3: (Iz)3 = (Iz)2
Portanto,
Iz = (Iz)1+ 2 (Iz)2 = 21,099x10-6 m4+ 2 x (24,401x10-6) m4 (Eq. 9)
Iz = 69,901x10-6 m4
e. Momento de inércia em relação ao eixo y. Uso de subtração de momento de inércia de retângulos. Este momento de inércia é usado nas aplicações do PUMU de CAD como pilar ou muro de arrimo.
Iy = hb³ 12 – (h−t) x (b−2t)³ 12
(Eq. 10) Iy = 220 x (320)³ 12 – 200 x (280)³ 12 = 600.747.667 – 365.866.667 Iy = 233,881x10-6 m4
Cálculo da capacidade de suporte do PUMU de CAD horizontal de 3 m de comprimento apoiado em pilares ou muro de arrimo vertical (σad CAD = 45 MPa) (Figura 10).
(a)
(b) Figura 10. Vista em corte do pilar vertical do PUMU horizontal. (a) Corte superior,
(b) Corte lateral. FONTE: Pinatti, 2016
a. σc = tensão no CAD, yc = C2 = 148,89 mm M = momento admissível σc = M x yc Iz portanto, M = σc x Iz yc = 45 MPa x 69,901 x 10-6 m4 0,1489 m (Eq. 11) M = 21.125,22 N.m b. q = carga distribuída admissível (L = 2,9 m)
M = q L 2 8 , portanto q = 8 x M L2 = 8 x 21.125,22 N.m (2,9 m)² (Eq. 12) q = 20.095 N/m
c. P = Pressão admissível q = P.b portanto, P = q b = 20.095 N/m 0,32 m (Eq. 13) P = 62.797,9 Pa
d. H= altura do material gerador de pressão “P” P = ρ.g.H , portanto
H = P
ρ.g (Eq. 14)
Assim, é possível ilustrar a ampla gama de mercado de aplicações do PUMU exemplificando sua utilização em silos de estocagem de biomassa, grãos, em caixas d’água e como contenção de encostas. Para isso calculou-se a altura máxima admissível suportada pelo PUMU Pesado para essas aplicações conhecendo-se sua massa específica. A Tabela 9 apresenta alguns materiais e suas alturas atingidas.
Tabela 9. Massa específica dos materiais e altura admissível suportada pelo PUMU Pesado
Material Biomassa Grãos Água Solo/Lama
ρ (kg/m3) 250 500 1000 2500
H (m) 25,61 12,80 6,43 2,56
FONTE: Pinatti, 2016
Cálculo da armação da zona de tração (base do perfil) do PUMU de CAD de 3m de comprimento
a. Resistência do vergalhão de aço ARBL σa = 521,7 MPa
ya = C1 – y1 = (71,11 – 10,0) mm (Eq. 15) ya = 61,11 mm = 0,0611 m Ma = σa Sa ya, portanto (Eq. 16) Sa = Ma σaya = 21.125,22 N.m 521,7 MPa x 0,0611 m Sa = 662,73 mm2
A tela nervurada atua apenas como estribo porque suas seções de aço são muito pequenas. A decisão é usar tela de aço Gerdau CA60, com espaçamento entre fios 10 cm x 10 cm e diâmetro 4,2 mm - Sa = 55,4 mm2 e 2 vergalhões de 3/4 ”-
Sa = 566,77 mm2 totalizando 622,17 mm2. Os vergalhões ficam protegidos por um
triângulo de concreto na junção das abas da base.
b. A parede de contenção é formada colocando uma placa sobre a outra apoiada no pilar. O momento de inércia dos perfis diminui linearmente com a altura.
Iz = M yc σc =
(
q L2 8)
x yc σc =(
(Pb) L2 8)
x yc σc =(
(ρgHb) L2 8)
x yc σc(Eq. 17)
Substituindo as Eq. 7 e Eq. 8, na Eq. 9, tem-se:
Iz = (b – 2t) t 3 12 + A1 d12 + 2t(h)3 12 + 2 A2 (y2 – C1)2 (Eq. 18) Iz = (b – 2t) t 3 12 + (b – 2t) t d12 + 2t(h)3 12 + 2 h t (y2 – C1)2 Iz = (b – 2 t) t ( t 2 12 + d12) + 2 h t [ h2 12 +(y2 – C1)2]
As abas contribuem com 80% do valor de Iz e a diminuição de h (altura das abas) deve ser acompanhada pelo aumento de b (largura da base) resultante. A
diminuição de h tem um limite devido a sua influência cúbica em Iz.
4.1.2. PUMU Leve (420 x 120 x 20mm) (Fig. 11)
A sequência de cálculo é a mesma utilizada no item anterior e, para este perfil, serão apresentados apenas os resultados.
y1 = t 2 = 10 mm; t = 20 mm A1 = (b - 2 t) t = 380 mm x 20 m = 7.600 mm2 (Eq. 20) y1 – y3 = h 2 = 60 mm A2 = A3 = h x t = 120 mm x 20 mm (Eq. 21) A2 = A3 = 2.400 mm2 a. Distância C1 do centroide: C1 = (10 mm x 7.600 mm²) +(2 x 60 mm x 2.400 mm2) 7.600 +(2 x 2.400) mm² = 364000 mm² 12400 mm² (Eq. 22) C1 = 29,35 mm C2 = h – C1 = 120 – 29,35 = 70,65 mm (Eq. 23) d1 = C1 – t 2 = 29,35 mm -10 mm = 19,35 mm (Eq. 24)
b. Momento de inércia em relação à linha neutra: Área A1: (Iz)1 = (b - 2 t) t3 12 + A1 d12 (Eq. 25) (Iz)1 = (420 - 40)(20)3 12 + 7.600 mm2 (19,35mm)2 (Iz)1 = 253.333 mm4 + 2.845.611 mm4 (Iz)1 = 3.098.944 mm4 = 3,099x10-6 m4 Área A2: (Iz)2 = t (h)3 12 + A2 (y2 – C1)2 (Eq. 26) (Iz)2 = 20 (120)3 12 + 2.400 (60 – 29,35)2 (Iz)2 = 2.880.000 + 2.254.614 (Iz)2 = 5.134.614 mm4
Área A3: (Iz)3 = (Iz)2
Portanto,
(Iz) = (Iz)1 + 2 (Iz)2 (Eq. 27)
(Iz) = [3,099 + (2 x 5,135)]x10-6 m4
c. Momento de inércia em relação ao eixo y: Iy = h (b) 3 12 – (9 h - t)(b - 2 t)3 12 (Eq. 28) Iy = 740.880.000 - 457.266.667 Iy = 283.613.333 mm4 = 283,613x10-6 m4
d. Cálculo da capacidade do CAD do PUMU horizontal de 3 m de comprimento apoiado em pilares verticais (yc = C2)= 70,65 mm.
σc = M x yc Iz , portanto (Eq. 29) M = σc x Iz yc = 45 MPa x 13,369 x 10-6 m4 70,65x10-3 m M = 8.513,3 N.m M = q L 2 8 , portanto (Eq. 30) q = 8 x M L2 = 8 x 8513,6 N.m (2,9 m)² q = 8.100,2 N/m q = P b, portanto (Eq. 31) P = q b = 8100,2 N/m 0,42 m P = 19.286,1 Pa P = ρ g H, portanto (Eq. 32) H = P ρ.g
Como descrito na Tabela 9, também foi calculado a altura admissível de cada material em sua aplicação requerida, utilizando o PUMU Leve para suportar a pressão de carga.
Tabela 10. Massa específica dos materiais e altura admissível suportada pelo PUMU Leve
Material Biomassa Grãos Água Solo/Lama
ρ (kg/m3) 250 500 1000 2500
H (m) 7,86 3,93 1,97 0,89
Obs: O PUMU Leve com a menor tela soldada nervurada da Gerdau CA 60 atende aos mercados de silos de estocagem de biomassa com até 8 m de pé-direito, silos lineares de grãos na lavoura, substituindo silos bolsas, que sofrem perfurações de ratos e não possibilitam secagem, tanques para piscicultura com profundidade de até 2,0 m e contenção em curvas de nível em morros com possibilidade de contenção da água da chuva com ou sem hidrogéis, irrigação distribuída subterrânea sem necessidade de bombeamento e utilizando água retida da chuva.
e. Cálculo da armação na zona de tração (base do perfil), ya = d1 = 19,35 mm
Ma = σa Sa ya, portanto (Eq. 33) Sa = Ma σa ya = 8.513,3 N.m 521,7 MPa x 0,01935 m Sa = 843,5 x 10-6 m2 = 843,5 mm2
A tela nervurada atua apenas como estribo porque suas seções de aço são de espaçamento de 10 cm x 10 cm e diâmetro de 4,2mm - Sa = 55,4 mm2 e 2
vergalhões de = 7/8” - Sa = 775,5 mm2. Os vergalhões serão protegidos por
concretagem de dois triângulos na função de base com as abas.
4.1.3. PUMU Parede
A Tabela 11 mostra a sequência de cálculos dos perfis Parede seguindo o mesmo procedimento, completado com o cálculo da carga crítica de flambagem para pé direito de l = 3 m admitindo apoio simples nas extremidades (n=1, Ec=21 GPa). Pc = n² π² Ec.Iz
l²
=
1² π² 21 GPa . Iz
3²
=
23,0 GN/m4 x Iz (Eq. 34)sendo,
Pc a carga crítica de flambagem;
Ec o módulo de elasticidade do material; Iz o momento de inércia da seção transversal; l o comprimento da coluna sem apoio
Tabela11. Sequência de cálculos do PUMU Parede FONTE: Pinatti, 2016 Parâmetros Perfis b (mm) 120 220 320 420 520 620 h (mm) 120 120 120 120 120 120 t (mm) 20 20 20 20 20 20 y1 = t/2 (mm) 10 10 10 10 10 10 y2 = y3 = h/2 (mm) 60 60 60 60 60 60 A1= (b-2t)t (mm²) 1600 3600 5600 7600 9600 11600 A2= A3= h.t (mm²) 2400 2400 2400 2400 2400 2400 C1= y1A1+2y2A2 A1+2A2 (mm) 47,50 38,57 33,08 29,35 26,67 24,63 C2= h - C1 (mm) 72,50 81,43 86,92 90,65 93,33 95,57 d1 = C1 - t/2 (mm) 37,50 28,57 23,08 19,35 16,67 14,63 d2 = y2 - C1 (mm) 12,50 21,43 26,92 30,65 33,33 35,57 A1:(Iz)1= Ic1+A1d1² = (b-2t)t³/12 + A1d1² (mm4) 2303333 3058482 3169711 3098944 2987733 2869495 A2,3: (Iz)2=(Iz)3= Ic2 + A2d2² = th³/12 + A2d2² (mm4) 3255000 3982188 4619247 5134614 5546133 5916540 Iz = (Iz)1+2(Iz)2 (mm4) 8765333 11022858 12408205 13368172 14079999 14982575 Iy = bh³/12 – (h-t)x(b-2t)³/12 (mm4) 13013333 57880000 144746667 283613333 484480000 757346667 Flambagem (kN) Pc = π² E. Iz /12 113,95 253,53 285,38 307,46 323,84 344,61
4.2. Adaptação do traço do CAD
O traço tomado como base para a dosagem dos insumos na confecção do concreto de alto desempenho, utilizado para produção dos corpos de prova, foi o traço modificado da patente BRPI 1101915-8 A2 (Tabela 4), conforme apresentado na Tabela 12.
Tabela 12. Traço modificado do concreto de alto desempenho Insumos [kg/m3]
Cimento Sílica ativa
Brita
0 Água Plastificante Areia
água/ cimento+sílica agregado/ aglomerante Total 435 95 1000 173 7,5 620 0,326 3,06 2330,5 FONTE: Pinatti (2016)
Este traço foi desenvolvido ao longo de vários anos de pesquisa e experimentação e representa uma otimização significativa em relação ao concreto simples, mantendo o mesmo custo de fabricação deste popular. Isso foi possível pela substituição de 95 kg de cimento pela mesma quantidade em sílica ativa, preservando assim a relação agregado/aglomerante (brita+areia/cimento+sílica) igual a 3, como no concreto simples, e triplicando a resistência do concreto à compressão, proporcionando uma redução de 2/3 de volume de concreto na sua utilização para uma aplicação de mesma resistência requerida (ACOSTA, 2013).
Entretanto, este traço é bem definido experimentalmente para escala laboratorial na qual há um controle mais rígido das matérias-primas e dos processos de fabricação, mas para a confecção em escala industrial, o traço necessita de adaptações.
Isso ocorre principalmente devido aos problemas de homogeneização do concreto que a transição da escala laboratorial para a industrial acarreta. Basicamente, no laboratório, o misturador planetário propicia uma homogeneização praticamente total do material, enquanto que a betoneira de um eixo apresenta uma ineficiência devido à grande quantidade de material utilizado. Além disso, o controle das matérias-primas é fundamental ao processo. Para escala industrial é complicado o controle da umidade uma vez que as matérias-primas são secas ao sol. Também pode ocorrer a aglomeração das partículas do cimento, devido ao seu “envelhecimento”. Ou então, a granulometria da areia ou da brita 0, que pode
conter uma porcentagem muito grande de finos, alterando a consistência da massa final.
Assim, o controle de todos esses parâmetros em escala laboratorial, fica dificultado na prática, em que se deseja a produção do concreto em larga escala. Todos estes fatos explicam a necessidade da adaptação do traço, que é feita a critério da percepção e experiência do operador.
Uma análise que pode ser feita para facilitar a adaptação do traço é a análise volumétrica de vazios entre as pedras britadas. Assim, é possível calcular exatamente a quantidade de areia necessária para preencher esse vazio, aumentando a compactação do material. Também se pode adquirir uma estimativa da quantidade de massa (cimento + sílica) ideal para envolver toda a superfície específica, aumentando a compactação e evitando desperdício.
4.3. Preparação do concreto de alto desempenho
A preparação do concreto de alto desempenho, para moldagem dos corpos de prova para os ensaios de compressão e tração na flexão a três pontos, foi realizada no Sítio Tecnológico (SITEC), situado no Bairro Santa Lucrécia, Lorena, SP, baseada no traço do item 4.2. Foram realizadas duas concretagens (concretagens I e II) em dias distintos, diferença de sete dias entre elas, para melhor entendimento do processamento e verificação das etapas de preparação, além de viabilizar a duplicata dos ensaios.
Cada concretagem produziu três corpos de prova cilíndricos, para o ensaio de compressão, e quatro corpos de prova paralelepipédicos, para o ensaio de flexão. Os moldes cilíndricos e paralelepipédicos foram preenchidos com o mesmo concreto de alto desempenho produzido em cada concretagem.
As matérias-primas utilizadas neste processo são especificadas a seguir: Cimento Portland CP-II
Sílica micronizada (‘silica fume’) Concrefiber (especificada no Anexo II) Água potável
Superplastificante (ρ= 1,2 kg/L)
Brita 0 (ρ= 2694,0 kg/m3), proveniente de Serra da Lapa
Caracterização da brita 0 proveniente de Serra da Lapa
A análise volumétrica (Tabela 13) e granulométrica (Tabela 14) e (Figura 12) da brita 0 foram realizadas na Mineração e Moagem São João Batista Ltda. A análise granulométrica mostrou que a brita, está um pouco fora da faixa granulométrica característica da brita 0, assim foi chamada de brita 0 modificada
Tabela 13. Análise volumétrica da brita 0 modificada
Tabela 14. Análise granulométrica da brita 0 modificada
Figura 12. Análise granulométrica da brita 0 modificada. FONTE: Própria Peso da amostra [g] 500,310 Volume da Amostra [mL] 185,00 Massa específica [g/mL] 2,694 Massa específica [kg/m³] 2694 Tamanho Médio [~80% Retida] Peneira [mm] Peso Retido [g] Retido [%] Acumulado retido [%] Acumulado passante [%] 9,750 22,520 4,52 4,52 95,48 83,49 7,300 219,078 43,95 48,47 51,53 4,750 197,067 39,54 88,01 11,99 3,350 53,856 10,81 98,82 1,18 2,000 1,476 0,30 99,12 0,88 1,700 0,168 0,03 99,15 0,85 1,190 0,259 0,05 99,20 0,80 0,850 0,181 0,04 99,24 0,76 0,600 0,224 0,04 99,28 0,72 0,000 3,590 0,72 100 0 Total [g] 498,419 99,62 Perda [g] 1,891 0,38 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Reti do /Pa s s a nte [% ]
Tamanho das partículas [mm]
An á l i s e g r a n u l o m é t r i c a - B r i t a 0 m o d i f i c a d a
Caracterização da areia média proveniente de Cava Lorena
A análise volumétrica (Tabela 15) e granulométrica (Tabela 16) e (Figura 13) da areia média foram realizadas na Mineração e Moagem São João Batista Ltda.
Tabela 15. Análise volumétrica da areia média
Tabela 16. Análise granulométrica da areia média
Figura 13. Análise granulométrica da areia média FONTE: Própria Peso da Amostra Úmida [g] 150,418
Peso da Amostra Seca [g] 142,725
Umidade [%] 5,14 Volume da Amostra [mL] 57 Massa específica [g/mL] 2,503 Massa específica [kg/m³] 2503 Tamanho Médio [~80% Retida] Peneira [mm] Peso Retido [g] Retido [%] Acumulado retido [%] Acumulado passante [%] 1,700 1,749 1,23 1,23 1,190 2,468 1,73 2,96 0,850 5,191 3,64 6,60 0,600 18,775 13,16 19,76 80,25 0,420 24,955 17,49 37,25 0,300 23,094 16,19 53,44 0,000 66,445 46,57 100 Total [g] 142,677 99,97 Perda [g] 0,048 0,03 0 20 40 60 80 100 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 1 , 2 1 , 4 1 , 6 1 , 8 Retido/P a s s a nt e [% ]
Tamanho das partículas [mm] An á l i s e g r a n u l o m é t r i c a - Ar e i a m é d i a
