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FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
MOUNIR KHALIL EL DEBS
Departamento de Engenharia de Estruturas Escola de Engenharia de São Carlos
Universidade de São Paulo
Publicação EESC-USP São Carlos, SP
CONCRETO PRÉ-MOLDADO:
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
Publicação EESC-USP São Carlos, SP
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Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento da Informação do Serviço de Biblioteca — EESC/USP
El Debs, Mounir Khalil
E37c Concreto pré-moldado : fundamentos e aplicações / Mounir Khalil El Debs. -- São Carlos : EESC-USP, 2000.
[456] p. : il.
Inclui referências bibliográficas. Projeto REENGE_
ISBN 85-85205-35-0
1. Concreto pré-moldado. 2. Estruturas de concreto. 3. Projeto - diretrizes. 4. Sistemas construtivos (Engenharia civil). 5. Prémoldados -ligações. I. Título.
A denominação Concreto Pré-moldado corresponde ao emprego de elementos pré-moldados de concreto, ou seja, ao emprego de elementos de concreto moldados fora de sua posição definitiva de utilização na construção.
O emprego do concreto pré-moldado apresenta duas diretrizes. Uma aponta para a industrialização da construção, a outra para a racionalização da execução de estruturas de concreto. Neste livro, procurou-se tratar o concreto pré-moldado no contexto dessas duas diretrizes.
Embora o concreto pré-moldado tenha acompanhado a evolução da tecnologia do concreto do final do século XIX até o início da Segunda Guerra Mundial, seu desenvolvimento é geralmente relacionado com o grande impulso no quarto de século que se seguiu à Segunda Guerra Mundial.
Hoje em dia já não há a euforia daquele período, mas o concreto pré-moldado tem ainda avançado na Europa Ocidental e nos Estados Unidos, com o que pode ser chamado de "novo concreto pré-moldado". Com essa nova filosofia, procuram-se soluções personalizadas, a fim de fugir das criticadas mesmices arquitetônicas das construções feitas de concreto pré-moldado nas décadas passadas e maior flexibilidade de projeto e produção.
Apesar dos avanços no cenário mundial, o concreto pré-moldado no Brasil tem sido pouco explorado. As principais razões de o concreto pré-moldado ser subutilizado são: o sistema tributário que penaliza o emprego de elementos pré-moldados de fábricas, a instabilidade econômica que dificulta o planejamento e os investimentos a longo prazo, o conservadorismo dos agentes envolvidos Com a Construção Civil, a falta de conhecimento de alternativas em concreto pré-moldado, a escassez de oferta de equipamentos, a indisponibilidade comercial de dispositivos auxiliares para realizar as ligações e o manuseio de elementos. As duas primeiras razões são de natureza macroeconômica. As restantes são culturais ou conseqüência das primeiras.
Essa conjunção de fatores acarreta um círculo vicioso, responsável, em grande parte, pela não exploração da potencialidade do concreto pré-moldado, que é o de que não se constrói porque não se têm insumos tecnológicos (conhecimentos, experiência, equipamentos e dispositivos auxiliares) e não se têm os insumos tecnológicos porque não se constrói. Com este livró pretende-se contribuir para a quebra desse círculo, por meio do fornecimento de conhecimentos técnicos estruturados para profissionais da área da Construção Civil.
Neste livro procura-se motivar os leitores para a aplicação do concreto pré-moldado, sem deixar de alertar para as dificuldades inerentes ao processo. De fato, essas dificuldades fazem com que o concreto pré-moldado deva ser encarado com o "pé no chão". Mas, por outro lado, deve-se ter o "olho no futuro", pois, embora atualmente possam existir condições desfavoráveis, não se pode deixar de ter
VI Concreto Pré-moldado
em vista que, à medida que aumenta o desenvolvimento tecnológico e social do país, aumentam as chances de emprego do concreto pré-moldado.
Este livro é direcionado a alunos e profissionais de Engenharia Civil, com ênfase no projeto das estruturas formadas por elementos pré-moldados. Também alunos de Arquitetura e arquitetos podem fazer uso de uma boa parte do livro.
O livro nasceu de "notas de aulas" da disciplina de concreto pré-moldado do Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos, USP. Procurou-se abordar a maior parte dos assuntos relacionados com o concreto pré-moldado, mas devido a essa origem existem aprofun-damentos apenas em assuntos relacionados com o projeto estrutural.
Neste livro considera-se que o leitor tenha conhecimentos básicos de concreto armado e proten-dido e de análise estrutural, que são tratados nos cursos de Engenharia Civil.
Com a bibliografia fornecida em anexo, bem como as próprias referências bibliográficas, o leitor pode se aprofimdar nos assuntos de seu interesse.
A maioria das aplicações do concreto pré-moldado apresentadas neste livro foram realizadas nos Estados Unidos e na Europa. Embora a utilização do concreto pré-moldado no Brasil seja menor que nos Estados Unidos e na Europa, seguramente é maior do que pode transparecer da leitura deste livro. Esse fato é reflexo da falta de informações disponíveis na literatura técnica, que é a maior fonte de in-formações utilizada na elaboração do livro.
Cabe destacar que as informações sobre os produtos, aqui apresentadas, servem de referência, uma vez que os valores mudam em função do mercado, e, além disso, uma boa parte das informações é oriunda de referências estrangeiras. Portanto, recomenda-se consultar os fabricantes para informações atualizadas dos produtos disponíveis no mercado nacional ou internacional, se for o caso.
O livro está dividido em duas partes. Na primeira parte, englobando os seis primeiros capítulos, são apresentados os fundamentos do concreto pré-moldado. A segunda parte engloba as aplicações em edifícios, pontes e outras construções civis. Também há um capítulo específico para os elementos de produção especializada, de aplicação intensiva na Construção Civil.
Para o leitor que não deseja se aprofundar nos assuntos relacionados ao projeto estrutural, reco-menda-se não se prender às Seções: 3.8, 4.3, 4.4, 4.6, 5.3, 6.1, 6.2, 6.3 e 6.4.
Para o leitor interessado nas aplicações em edificações, indica-se não se prender aos Capítulos 11, 12 e 13 e às Seções 14.3, 14.4 e 14.5. Já o leitor interessado nas aplicações fora do âmbito das edi-ficações, não precisa se ater aos Capítulos 7, 8 e 9.
São Carlos, janeiro de 2000
Mounir Khalil El Debs Professor Associado Departamento de Engenharia de Estruturas Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo e-mail: mkdebs@sc.usp.br
PREFÁCIO
O presente livro abre um novo campo em nossa literatura técnica. Pela primeira vez, no Brasil, alguém se sente disposto a escrever algo sobre a maravilhosa técnica do pré-moldado.
A intenção não é introduzir o leitor no cálculo das estruturas pré-moldadas, que, na verdade, não é um cálculo diferente do que se faz para as estruturas de concreto moldadas no local. Os carregamentos são determinados do mesmo modo e os esforços solicitantes também. O dimensionamento é regido pelas mesmas regras, podendo ser usados os mesmos critérios e os mesmos softwares. Certas particularidades, entretanto, são acrescentadas. Os elementos pré-moldados são feitos em local diferente de sua utilização. Precisam, portanto, ser transportados até lá e depois montados em sua posição definitiva. Nessa fase, os elementos estão sujeitos a esforços não atuantes nas estruturas moldadas no local. Os cuidados e os controles de execução são, em geral, mais perfeitos do que nas estruturas tradicionais, porém a resistência deve ser admitida com seu valor prematuro, pois a execução em série, quer no canteiro de obra, quer na indústria, exige uma certa produtividade e reutilizações freqüentes dos equipamentos e fôrmas. São particularidades muito bem explicadas e desenvolvidas no texto. As normas brasileiras que regulamentam a utilização dos elementos pré-moldados são explicadas e comentadas em cada citação, permitindo ao leitor familiarizar-se com elas. Tudo isso é abordado de modo simples e espontâneo, uma vez que o autor domina totalmente a matéria.
São colecionados exemplos de estruturas executadas em todo o mundo, abrangendo os tipos mais variados, como edifícios de um pavimento (galpões), edifícios de múltiplos pavimentos, coberturas (em cascas, folhas poliédricas e similares), pontes, galerias, canais de drenagem, muros de arrimo, re-servatórios, arquibancadas e estádios, silos e tornes. O leitor deve usar este livro não com o objetivo de dimensionar e detalhar um projeto, mas de concebê-lo. O principal objetivo deste livro é fornecer ao leitor subsídios para que possa criar uma estrutura nova. Entre as diversas alternativas possíveis, o leitor deverá escolher a mais fácil de ser executada, a mais econômica, a mais atraente e a mais segura. O livro ensina os cuidados que devem ser tomados na execução e na escolha das ligações, mostrando que, em certos casos, o uso da protensão pode ser indispensável.
Não obstante todas as maravilhosas sugestões mostradas no decorrer das mais de 400 páginas, com pouco texto e muitas ilustrações, o leitor deve ter sempre em mente que a melhor maneira de aprender é fazer. Nem sempre aquilo que teve sucesso em outro país, com outra mentalidade, outro apoio industrial e outras estradas para transporte pesado, terá igual sucesso no Brasil. O contrário também é verdadeiro: soluções aqui realizadas e adotadas com vantagem não teriam a menor chance de sucesso em países como a Holanda ou os Estados Unidos. A época é outro fator a ser considerado: soluções adotadas há 50 anos podem não ser mais válidas em nossos dias. A decisão deverá ser exclusivamente do leitor e seu sucesso dependerá de sua capacidade de saber usar o que aqui se descreve com grande maestria.
VIII Concreto Pré-moldado
Além de tudo isso, o leitor encontrará em cada capítulo uma coletânea de referências que podem e devem ser consultadas, pois é impossível explicar tudo em detalhes em um livro tão abrangente como este.
Cumprimento o autor por esta iniciativa, em que ele tenta – com sucesso – colocar uma infinidade de idéias úteis na mente de qualquer engenheiro ainda não iniciado na técnica do pré-moldado e que ainda tem algum receio de não conseguir conceber algo exeqüível e seguro. Sugiro que o autor se esti-mule e continue a escrever esta obra, transformando cada capítulo em um livro especializado.
São Paulo, janeiro de 2000 Dr. Eng. Augusto Carlos de Vasconcelos
IX
SUMÁRIO
Parte
1 FundamentosCapítulo 1 — Introdução
3
1.1 Considerações iniciais 3 1.2 Definições 5 1.3 Industrialização da construção 131.4 Tipos de concreto pré-moldado 14
1.5 Materiais 18
1.6 Particularidades do projeto das estruturas de concreto pré-moldado 23
1.7 Vantagens e desvantagens 27
1.8 Aceno histórico, situação atual e perspectivas futuras 29
1.9 Principais fontes de informações 30
Referências bibliográficas 31
Capítulo 2 — Produção das estruturas de
concreto pré-moldado
33
2.1 Execução dos elementos 33
2.1.1 Atividades envolvidas 33
2.1.2 Processos de execução 34
2.1.3 Fôrmas 37
2.1.4 Trabalhos de armação e de protensão 40
2.1.4.1 Armadura não protendida 40
2.1.4.2 Armadura protendida 40
2.1.5 Adensamento 41
2.1.6 Aceleração do endurecimento e cura 44
2.1.7 Desmoldagem 45
2.1.8 Dispositivos auxiliares para o manuseio 47
2.1.9 Transporte interno 51
2.1.10 Armazenamento 51
2.1.11 Organização dos trabalhos de execução 52
2.1.11.1 Execução em fábricas 52 2.1.11.2 Execução em canteiro 53 2.2 Transporte 54 2.3 Montagem 55 2.3.1 Equipamentos 55 2.3.2 Dispositivos auxiliares 56 2.3.3 Procedimentos gerais 59 Referências bibliográficas : 62
Concreto Pré-moldado
Capítulo 3 — Projeto das estruturas de concreto pré-moldado
63
3.1 Princípios e recomendações gerais
63
3.2 Forma dos elementos pré-moldados
70
3.3 Projeto e análise estruturais
74
3.4 Tolerâncias e folgas
79
3.5 Cobrimento da armadura
86
3.6 Situações transitórias
87
3.7 Estabilidade global das estruturas de concreto pré-moldado de edifícios
98
Referências bibliográficas
105
Capítulo 4 — Ligações entre elementos pré-moldados
107
4.1 Considerações iniciais
107
4.2 Princípios e recomendações gerais para o projeto e a execução
110
4.3 Elementos para análise e projeto
114
4.3.1 Transferência de esforços localizados
_
114
4
.3.1.1 bloco parcialmente carregado
114
4.3.1.2 Punção
116
4.3.1.3 Efeito de pino
117
4.3.2 Modelos para análise da transferência
118
4.3.2.1 Modelo de biela e tirante
118
4.3.2.2 Modelo de atrito-cisalhamento
118
4.3.3 Ancoragens e emendas de barras
120
4.3.3.1 Ancoragens de barras
120
4.3.3.2 Emendas de barras
124
4.4 Componentes das ligações
127
4.4.1 Juntas de argamassa
127
4.4.2 Aparelhos de apoio de elastômero
130
4.4.3 Chumbadores sujeitos à força transversal
136
4.4.4 Consolos de concreto
137
4.4.5 Dentes de concreto
147
4.4.6 Consolos e dentes metálicos
153
4.5 Tipologia das ligações
159
4.5.1 Ligações em elementos tipo barra
159
4.5.1.1 Ligações pilar x fundação
159
4.5.1.2 Ligações pilar x pilar
162
4.5.1.3 Ligações viga x pilar e viga x viga junto ao pilar
163
4.5.1.4 Ligações viga x viga fora do pilar
163
4.5.1.5 Ligações viga principal x viga secundária
166
4.5.2 Ligações em elementos tipo folha
168
4.5.3 Ligações entre elementos não-estruturais com a estrutura principal
172
4.6 Análise de alguns tipos de ligações
173
4.6.1 Ligação pilar x fundação por meio de cálice de fundação
173
4.6.2 Ligação pilar x fundação por meio de chapa de base
182
4.6.3 Ligação viga x pilar por meio de elastômero e chumbadores
187
Referências bibliográficas
192
Capítulo 5 — Elementos compostos
:
195
5.1 Considerações iniciais
\
195
5.2 Comportamento estrutural
195
5.3 Cisalhamento na interface entre concreto pré-moldado e concreto moldado
no local em elementos fletidos
199
Surnsric
XI
5.3.2 Critérios de projeto 200
5.3.3 Tensões de cisalhamento na interface em elementos fletidos 204 5.3.4 Resistência ao cisalhamento na interface em elementos fletidos 206
5.3.4.1 Segundo a FIP 206
5.3.4.2 Segundo o PCI 209
5.3.4.3 Segundo a ABNT 210
5.4 Disposições construtivas e recomendações para execução 211
Referências bibliográficas 216
Capítulo 6 - Tópicos especiais
217
6.1 Colapso progressivo 217
6.1.1 Conceituação 217
6.1.2 Histórico 217
6.1.3 Ações excepcionais 218
6.1.4
Filosofia
do projetoo
uru c rlü;O r.o1;-1h',0hrngrm ,livO 2196.1.5 Caminhos alternativos de transferência de cargas 220
6.1.6 Recomendações para o projeto 222
6.2 Análise de estruturas com ligações deformáveis 222
6.2.1 Conceituação 222
6.2.2 Formas de considerar a deformabilidade 228
6.2.3 Avaliação da deformabilidade 229
6.2.4 Deformabilidade dos mecanismos básicos 231
6.3 Estabilidade lateral de elementos pré-moldados 233
6.3.1 Considerações iniciais 233
6.3.2 Situações definitivas 234
6.3.3 Situações transitórias 235
6.4 Efeito diafragma em sistema de pavimento 240
6.4.1 Formas de análise 241
6.4.2 Transferência de cisalhamento entre os elementos 241
6.4.3 Armadura no banzo tracionado 242
6.5 Outros tópicos de interesse 243
Referências bibliográficas 246
Parte II — Aplicações
247
Capítulo 7 - Componentes de edificações
249
7.1 Componentes de sistemas de esqueleto 249
7.2 Componentes de sistemas de pavimentos 254
7.3 Componentes de sistemas de paredes 259
7.4 Componentes de cobertura 260
7.5 Outros componentes 263
Referências bibliográficas 267
Capítulo 8 - Edifícios de um pavimento
269
8.1 Considerações iniciais 269
8.2 Sistemas estruturais de esqueleto 2,70
8.2.1 Sistemas estruturais com elementos de eixo reto 270 8.2.2 Sistemas estruturais com elementos compostos por
trechos de eixo reto ou curvo 275
8.2.3 Sistemas estruturais com elementos com abertura entre os banzos 277
8.3 Sistemas estruturais de parede portante 280
XII Concreto Pré-moldado
Capítulo 9 - Edifícios de múltiplos pavimentos
283
9.1 Considerações iniciais 283
9.2 Sistemas estruturais de esqueleto 284
9.2.1 Sistemas estruturais com elementos de eixo reto 284 9.2.2 Sistemas estruturais com elementos compostos por trechos de eixo reto 285
9.2.3 Sistemas estruturais em pavimentos sem vigas 289
9.2.4 Sistemas de pavimentos 292
9.2.5 Elementos dos sistemas de contraventamento 295
9.3 Sistemas estruturais de parede portante 296
9.3.1 Sistemas estruturais com grandes painéis de fachada 296 9.3.2 Sistemas estruturais com painéis da altura do andar 296 9.3.3 Sistemas estruturais com elementos tridimensionais 299
Referências bibliográficas 300
Capítulo 10 - Coberturas em cascas,
folhas poliédricas e similares
301
10.1 Considerações iniciais 301
10.2 Coberturas em casca 303
10.2.1 Cascas com curvatura simples 303
10.2.2 Cascas com dupla curvatura 304
10.2.2.1 Cascas de revolução 304
10.2.2.2 Cascas de translação e de superfícies regradas 308
10.3 Coberturas em folha poliédrica 309
10.4 Coberturas com elementos lineares em forma de casca ou de folha poliédrica 311
10.5 Coberturas em pórticos e arcos 313
10.6 Coberturas com cabos de aço e elementos pré-moldados 314
Referências biblio9ráficas 316
Capítulo 11 - Pontes
317
11.1 Considerações iniciais 317
11.2 Superestrutura 319
11.2.1 Tipos de elementos e arranjos na seção transversal 319 11.2.2 Particularidades relativas à direção transversal 324 11.2.3 Particularidades relativas à direção longitudinal 326
11.3 Infra-estrutura 328
11.4 Tópicos adicionais sobre o assunto 328
11.4.1 Pontes esconsas e pontes curvas 328
11.4.2 Pontes não-rodoviárias 329
11.4.3 Elementos de comprimento menor que o vão 329
11.4.4 Outras formas empregadas 332
Referências bibliográficas 335
Capítulo 12 - Galerias, canais, muros de arrimo e
reservatórios
337
12.1 Galerias 338 12.2 Canais de drenagem 347 12.3 Muros de arrimo 352 12.4 Reservatórios 355 Referências bibliográficas 361 kfSumário
XIII
Capítulo 13 — Aplicações diversas
363
13.1 Arquibancadas e estádios 363 13.2 Silos 367 13.3 Torres 370 13.4 Outras aplicações 374 13.4.1 Construções habitacionais 374 13.4.2 Mobiliário urbano 374 13.4.3 Construções rurais 375 13.4.4 Revestimento de túneis 375 13.4.5 Metrôs e similares 375 13.4.6 Obras hidráulicas 376 Referências bibliográficas 376
Capítulo 14 — Elementos de produção
especializada e suas aplicações
377
14.1 Lajes formadas por nervuras pré-moldadas 377
14.2 Painéis alveolares 384
14.3 Tubos circulares de concreto 388
14.4 Estacas 392
14.5 Postes 393
Referências bibliográficas x 396
Parte 111 — Anexos 399
Anexo A — Lista de símbolos e siglas
401
Anexo B — Princípios e valores da consideração da
segurança do PCI
409
Anexo C — Deformabilidade das ligações na análise de
pórticos planos pelo processo dos deslocamentos
413
Anexo D — Bibliografia geral e específica e sites da Internet
419
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
A Construção Civil tem sido considerada uma indústria atrasada quando comparada a outros ramos industriais. A razão disso está no fato de ela apresentar, de uma maneira geral, baixa produtividade. grande desperdício de materiais, morosidade e baixo controle de qualidade.
Uma das formas de buscar a redução desse atraso é com técnicas associadas à utilização de elementos moldados de concreto. O emprego dessas técnicas recebe a denominação de concreto
pré-moldado ou de pré-moldagem e as estruturas formadas pelos elementos pré-pré-moldados recebem a
denominação de estruturas de concreto pré-moldado.
Com a utilização do concreto pré-moldadopode-se atuar no sentido de reduzir o custo dos materiais das estruturas de concreto, basicamente o concreto e a armadura. Entretanto, é na parcela relativa às fôrmas e ao cimbramento, normalmente de maior peso no custo do concreto armado, que ela é mais significativa.
Em princípio, o emprego da pré-moldagem aumenta com o grau de desenvolvimento tecnológico
e
social do país, pois este acarreta maior oferta de equipamentos, valorização da mão-de-obra e exigências mais rigorosas em relação à qualidade dos produtos. Dessa forma, as perspectivas são de aumento do emprego do concreto pré-moldado em países em desenvolvimento como o Brasil.É preciso destacar ainda que, com a pré-moldagem, estariam sendo melhoradas as condições de trabalho na Construção Civil. Este aspecto afeta principalmente os países mais desenvolvidos social-mente, e tem sido associado a ele a chamada "Síndrome dos 3Ds", do inglês Dirty (sujo), Difficult (difícil) e Dangerous(perigoso).
No sentido de fornecer uma noção quantitativa do uso do concreto pré-moldado, estão mostrados na Figura 1.1 os índices de consumo de cimento referentes ao emprego em concreto pré-moldado e o consumo de concreto pré-moldado por habitante em diversos países, incluindo o Brasil, relativos ao início dos anos 90. Apesar das incertezas quanto à uniformidade nos critérios de sua obtenção, esses índices sinalizam que o emprego do concreto pré-moldado no Brasil é relativamente baixo, comparado ao de países mais desenvolvidos. Merece ser observado que a Finlândia e a Holanda se destacam como países de maior utilização do concreto pré-moldado. Também é interessante a comparação da parcela do emprego de concreto pré-moldado na Finlândia e na Inglaterra, mostrada na Figura 1.2, na qual pode ser observado que essa parcela pode ser bastante diferente, mesmo entre países socialmente desenvolvidos. Essa diferença indica que fatores regionais também afetam o consumo do concreto pré-moldado.
Conforme foi adiantado, a pré-moldagem consiste no emprego de elementos pré-moldados na construção. As denominações dos elementos pré-moldados de uso mais comum estão apresentadas na Tabela 1.1.
Concreto Pré-moldado Cap. 1 50 30 20 0 — + ' –+- i + + \a^ a^4a á`a tca aa ^ec\a acra ^`ao ?.Ç'ra ^`^ `moa
.z•° 5 ^e
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ESQ Ft,a^ao \^a\^a <0 ^aaa ^aS\
1 `+-^._ dia ó
Figura 1.1 Índices de consumo de concreto pré-moldado (fonte dos índices de aplicações estrangeiras: [1.26]).
o v
v
160 o E v L c ;n o .a '-v L c o O c V a -o o E E c 120 80 -40 aa c aa ca ca çs b. <g' ,24 \e^ p\acc ° ^aQ Madeira 43% Outros CML 3% 7% CPM 31%CML – concreto moldado no local CPM – concretCpré-moldado Aço 16% FINLÂNDIA INGLATERRA CPM 9%
Figura 1.2 Utilização do concreto pré-moldado na construção de edifícios novos na Finlândia e na Inglaterra
(fontes: [1.16] e [1.10]).
Cap. 1 Introdução
Tabela 1.1 Denominações dos elementos pré-moldados de uso mais comum.
Lajes e paredes Vigas e pilares
Painelalveolar Painel TT ou n Painel U faia I n,^`S5 f J t J I Seção retangular Seção 1 Seção T invertido
Seção quadrada vazada OOOOOOOOO 1 U
1J
^^ U iO campo de aplicação do concreto pré-moldado é bastante amplo. Ele abrange praticamente toda a Construção Civil: a) edificações; b) construção pesada; e c) diversas outras obras civis, como, por exemplo, as construções utilizadas em infra-estrutura urbana.
Nas edificações, a pré-moldagem pode ser empregada nas estruturas de edifícios industriais, comerciais e habitacionais, bem como em equipamentos urbanos de uso múltiplo, como hospitais, terminais rodoviários e ferroviários etc. Destaca-se que a aplicação da pré-moldagem não se restringe à estrutura principal. Ela pode ser também utilizada nos fechamentos. A título de ilustração estão apresentados nas Figuras 1.3 a 1.8 alguns sistemas estruturais com o uso do concreto pré-moldado em edificações.
Na construção pesada a pré-moldagem é correntemente utilizada nas pontes de grande porte e em túneis, como por exemplo nas situações ilustradas na Figura 1.9. Merece ainda ser citado seu emprego em componentes utilizados na construção de obras portuárias e de usinas destinadas à geração de energia elétrica.
Em relação a diversas outras obras civis, destaca-se a aplicação da pré-moldagem nos seguintes tipos de construção: pontes de pequeno e médio porte, canais, muros de arrimo, galerias e reservatórios de água. Esses tipos construtivos são bastante empregados na estrutura de estradas ou na infra-estrutura urbana. Na Figura 1.10 estão ilustradas duas aplicações do concreto pré-moldado nestes tipos de construção. Ainda em relação a outras obras civis, salienta-se o emprego usual da pré-moldagem na construção de estádios e silos.
1.2 DEFINIÇÕES
A pré-moldagem é caracterizada como um processo de construção em que a obra, ou parte dela, é moldada fora de seu local de utilização definitivo. Freqüentemente a pré-moldagem é relacionada a outros dois termos: a pré-fabricação e a industrialização da construção.
Entre as várias formas de definir a industrialização da construção reunidas no livro de Fernández Ordóíïez [1.13], destaca-se aqui aquela apresentada pelo Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento, segundo o qual a "... industrialização da construção é o emprego, de forma racional e
mecanizada, de materiais, meios de transporte e técnicas construtivas, para se conseguir uma maior produtividade". E preciso registrar que tem sido empregada a denominação Modernização da
Concreto Pré-moldado Cap. 1
Este tipo de edificação, correntemente denominado galpão, é normalmente utilizado para fins industriais ou comerciais. O sistema estrutural mostrado consiste em pilares engastados na fundação e vigas simplesmente apoiadas nos pilares, com ou sem auxílio de consolos. A cobertura mostrada é também em concreto pré-moldado. O fechamento pode ser também de painéis pré-moldados (desenho adaptado de [1.1]).
Figura 1.3 Aplicação do concreto pré-moldado em estrutura de esqueleto para edificação de um pavimento.
Estrutura de uma edificação de um pavimento com parte externa de parede portante e parte interna com estrutura de esqueleto (sistema com pilares e vigas). A utilização das paredes externas formadas com elementos pré-moldados com dupla finalidade, estrutural e fechamento, resulta em um melhor aproveitamento dos materiais, podendo, conseqüen-temente ser mais econômica (desenho adaptado de [1.22]).
Figura 1.4 Aplicação do concreto pré-moldado em estrutura de parede portante para edificação de um pavimento.
Cap. 1 Introdução
Sistema estrutural empregado em edifícios de pequena altura, com dois ou três pavimentos. Os pilares são contínuos e engastados na fundação, e as vigas articuladas nos pilares. Observar a possibilidade de pavimentos com vãos diferentes. (desenho adaptado de [I.11]).
Sistema estrutural similar ao anterior. Os pilares são çntínuos e as vigas podem ser simplesmente apoiadas, no caso de pequenas alturas, ou engastadas nos pilares, no caso de grandes alturas. Observar, neste caso, o grande espaçamento entre pilares, possibilitando seu emprego em edifícios para estacionamentos de veículos (desenho adaptado de [1.22)).
Figura 1.5 Aplicação do concreto pré-moldado em estrutura de esqueleto para edificação de múltiplos pavimentos de pequena altura.
Concreto Pré-moldado Cap. 1
Sistema estrutural de esqueleto utilizado em edifícios de grande altura. Os pilares são contínuos e as vigas engas-tadas nos pilares. Os pisos são de painéis alveolares (de-senho adaptado de [1.1 j).
Figura 1.6 Aplicação do concreto pré-moldado em estrutura de esqueleto para edificação de múltiplos pavimentos de grande altura.
Estrutura de parede portante para edifício de grande altura. As paredes estruturais formadas por elementos pré-moldados são utilizadas tanto para resistir às forças verticais como às horizontais (desenho adaptado de [1.22]).
Figura 1.7 Aplicação do concreto pré-moldado em estrutura de parede portante para edificação de múltiplos pavimentos de grande altura.
Esses dois desenhos ilustram o caso de sistema estrutural misto — sistema de esqueleto associado a paredes portastes. As paredes podem ser externas (desenho da esquerda) ou internas (desenho da direita), formando um núcleo. Tanto em um caso como no outro, as paredes fazem parte da estrutura de contraventamento (desenho adaptado de [1.22]).
Cap. 1 Introdução 47,5 m 47,5 m 47,5 m 47,5 m B C D D C B HII 95 m 600 tf
x/
\`
410a) Aplicação em ponte de grandes vãos — esquema de ponte construída na Holanda, em 1965, compreendendo 50 vãos
iguais de 95 m, totalmente feita em concreto pré-moldado
Graute injetado Material escavado
Segmento pré-moldado
Parafusos para ligação / na direção circunferencial 'Revestimento do túnel
b) Aplicação em revestimento de túneis — esquema de construção de túneis e do revestimento com segmentos de concreto pré-moldado, utilizado em dois dos principais túneis construídos recentemente: o túnel sob o Canal da Mancha (Eurotúnel) e Great Belt Tunnel sob o mar Báltico
o Concreto Pré-moldado Cap. 1
Base de concreto moldado no local ou de concreto pré-moldado
a) Aplicação em galeria — este tipo de aplicação abrange as galerias utilizadas como passagem inferior de serviços ou como sistema de drenagem em infra-estrutura urbana e em estradas
Ligação das paredes
r
b) Aplicação em reservatórios – esquema de aplicação de concreto pré-moldado em reservatório circular com protensão circunferencial para propiciar estanqueidade das paredes (desenho adaptado de [1.20])
Cap. 1 Introdução 11
Aproveitando ainda a reunião de definições apresentadas no livro de Fernández Ordófiez, para a
pré-fabricação é destacada aquela apresentada por T. Koncz. Segundo ele "... pré-fabricação é um método industrial de construção em que os elementos fabricados, em grandes séries, por métodos de produção em massa, são montados na obra, mediante equipamentos e dispositivos de elevação".
Como se depreende dessas definições, a industrialização das construções, a fabricação e a pré-moldagem são conceitos distintos, ainda que relacionados entre si. A grosso modo, pode-se dizer que a pré-moldagem aplicada à produção em grande escala resulta na pré-fabricação, que, por sua vez, é uma forma de buscar a industrialização da construção.
Cabe também destacar que a industrialização da construção se estende a todas as suas partes, e independe dos materiais empregados. Já a pré-fabricação e a pré-moldagem correspondem a estruturas, fechamentos ou elementos acessórios em concreto.
A ABNT por meio da NBR-9062/85 –Projeto e execução de estruturas de concreto pré-moldado [1.21, faz distinção entre elemento pré-fahriende c elemento pré-moldado diferente da apresentada anteriormente. Essa diferenciação é feita com base no controle de qualidade da execução do elemento. Segundo a NBR-9062/85, o elemento pré-fabricado é aquele "... executado industrialmente, mesmo em instalações temporárias em canteiro de obra, sob condições rigorosas de controle de qualidade",
controle este especificado no texto da referida norma. Já o elemento pré-moldado, segundo a mesma referência, é aquele "... executado fora do local de utilização definitiva na estrutura", com controle de qualidade menos rigoroso que o do elemento pré-fabricado.
A utilização da pré-moldagem pode ocorrer de forma a apresentar pouca diferença em relação a uma construção de concreto moldado no local, como, no exemplo mostrado na Figura 1.11. Esse exemplo foi escolhido com o intuito de ilustrar uma situação extrema em que o elemento pré-moldado, por suas características, nunca atingirá o nível de pré-fabricado, em termos de processo de produção.
a) Execução da torre b) Execução do reservatório no nível do solo e levantamento por tirantes
Içamento
c) Situação final
Seqüência de construção: a) execução da torre com concreto moldado no local, podendo ser empregadas fôrmas trepantes ou deslizantés; b) execução da parte principal do reservatório com o uso de fôrmas montadas no local, apoiadas em cimbrament óde pequena altura e posterior içamento desta parte com auxílio de tirantes; e c) situação final após a execução das ligações para fixação da parte principal do reservatório.
Figura 1.11 Exemplo de aplicação do concreto pré-moldado com pequena diferença em relação ao emprego de concreto moldado no local.
Uma situação que estaria se aproximando da situação extremamente oposta àquela do exemplo anterior é apresentada na Figura 1.12. Trata-se de um sistema construtivo empregado na Suécia, que é considerado o primeiro projeto sério de industrialização em obras públicas efetuado na Europa [1.13].
12 Concreto Pré-moldado Cap. 1
a) Viga central (1,0 m de largura. vão máximo de 9.0 m, peso máximo de 63 kN)
10kN~ 1 tf
b) Viga de borda
e) Elemento central da fundação
d) Elemento da parte central do encontro (1,0 m de largura, altura máxima de 5,75 m, peso de 40 kN) c) Muro de ala f) Elemento de borda da fundação ELEMENTOS PRÉ-MOLDADOS MONTAGEM
Figura 1.12 Exemplo de aplicação do concreto pré-moldado com elevado grau de industrialização para construção de pontes de pequeno porte [1.131.
a) Montagem de um dos encontros b) Término da montagem dos encontros
c) Colocação da última viga da superestrutura
Cap. 1 Introdução 13
Esse sistema foi desenvolvido no final da década de 60, a partir dos seguintes princípios, válidos em grande parte até os dias atuais:
a) os elementos pré-moldados deveriam ter dimensões e pesos que pudessem ser executados em fábricas já existentes e que pudessem ser transportados e montados com os meios disponíveis; b) o concreto moldado no local deveria ser limitado ao preenchimento de juntas com cimento de
alta resistência inicial (exceto nas fundações);
c) o número de tipos de elementos deveria ser reduzido e sua forma seria tal que permitisse fôrmas idênticas com dimensões diferentes para os vários elementos;
d) o concreto e a armadura deveriam ser de alta resistência;
e) as pontes poderiam ser construídas com ou sem encontros pré-moldados.
Nota-se que a pré-moldagem apresenta duas diretrizes. Em uma delas, a pré-moldagem é utilizada cuuio forma de buscar a industrialização da aoi»iuução, por meio da pré-fabricação. Na outra, a pre-moldagem é utilizada como uma forma de racionalizar a construção das estruturas de concreto. Neste texto é abordado o emprego da pré-moldagem englobando essas duas diretrizes.
Ainda em relação às definições, merece ser registrada a denominação de componente pré-moldado ou pré-fabricado para o que, aqui, está sendo chamado de elemento pré-moldado ou pré-fabricado.
1.3 INDUSTRIALIZAÇÃO DA CONSTRUÇÃO
Nesta seção são tecidas algumas considerações sobre a industrialização da construção, por se tratar de uma das diretrizes da pré-moldagem. Salienta-se, no entanto, que se trata de uma abordagem superficial, com o objetivo de fornecer uma idéia geral sobre o assunto.
Na Construção Civil, assim como em grande parte de outras atividades industriais, pode-se caracterizar três estágios de desenvolvimento: manufatura, mecanização e industrialização. As caracte-rísticas principais de cada um deles estão ilustradas na Tabela 1.2. Ressalta-se, no entanto, que nem sempre as situações reais se enquadram perfeitamente nesses estágios.
A industrialização apresenta viabilidade econômica quando o custo dos elementos, constituídos pela soma dos custos fixos e custos variáveis, resulta menor que o custo correspondente à produção com manufatura. Isso ocorre a partir de um determinado número de elementos, conforme mostrado na Figura 1.13, que caracterizaria uma produção mínima para viabilizar a produção industrial. Como conseqüência disso, a industrialização implica investimentos, que são função do grau que se deseja imprimir na produção.
Tabela 1.2 Estágios de desenvolvimento da Construção Civil (adaptado de [1.17]).
Manufatura Mecanização Industrialização
Planejamento Improvisação Projeto Planificação
Unidade produtiva Individual Empresa Fábrica
Produção Unitária Unitária com máquinas Massiva
Recursos/investimentos Ferramentas manuais Investimento em equipamentos Investimento em máquinas
Ao imaginar a implementação da industrialização na Construção Civil, inevitavelmente, procura-se estabelecer uma comparação com outros ramos da indústria, como, por exemplo, com a indústria automobilística. Embora existindo algumas semelhanças com outros ramos industriais, a produção industrializada da construção apresenta alguns aspectos peculiares que não podem ser desprezados, principalmente no caso da construção habitacional. Os principais aspectos em questão são: a maior ligação da construção com a natureza, a necessidade de fundação, que depende de fatores condicionantes locais;
14 Concreto Pré-moldado Cap. 1
o grande número de fornecedores, o porte etc. Estes aspectos conferem à indústria da Construção Civil uma particular complexidade, distinguindo-a dos demais ramos industriais.
Custos - -.- - -.--- Produção manufaturada Produção industrial v n Custo fixo Custo variável v Número de elementos Viabilidade de produção industrial Figura 1.13 Composição de custos na produção industrial c na produção manufaturada.
A pré-fabricação envolve sempre atividades no local, mesmo que seja só a montagem. Em função disso, pode-se definir alguns índices de pré-fabricação. Esses índices podem ser definidos em função de custos, que seria a relação entre o custo dos elementos pré-moldados e o custo da construção, ou de tempos, que seria a relação entre o tempo consumido em fábrica e o tempo total (fábrica + obra). Com esses índices pode-se quantificar o grau de industrialização; quanto maiores forem esses índices, maior será o grau de industrialização de um determinado sistema construtivo.
Quando a industrialização se realiza com base em elementos disponíveis no mercado diz-se que se trata de industrialização de ciclo aberto. E o caso, por exemplo, de construção com painéis de laje do fabricante A, painéis de fechamento do fabricante B etc. Caso contrário, quando um determinado sistema construtivo não permite a intercambialidade dos elementos, ou seja, não é possível utilizar outros elementos além daqueles do sistema construtivo, diz-se que se trata de industrialização de ciclo fechado. Cabe destacar ainda que o emprego do concreto pré-moldado, principalmente em se tratando de industrialização de ciclo aberto, acarreta importantes implicações em relação à responsabilidade sobre a construção. Embora não seja voltada para a situação nacional, indicações sobre o assunto podem ser vistas no manual do PCI [1.22], na seção "Recomendações sobre a responsabilidade para o projeto e construção de estruturas de concreto pré-moldado".
1.4 TIPOS DE CONCRETO PRÉ-MOLDADO
Os elementos pré-moldados podem ser classificados de diversas formas, como por exemplo, quanto à seção transversal, quanto ao processo de execução, e quanto a sua função estrutural. Uma classificação de grande interesse é em relação à concepção, em nível geral, do concreto pré-moldado, originando ao que está sendo aqui denominado de "tipos de concreto pré-moldado", conforme mostrado na Tabela 1.3.
Cap. 1 Introdução
15
Tabela 1.3 Tipos de concreto pré-moldado.
Tipos de concreto pré-moldado • Quanto ao local de produção dos
elementos pré-moldado de fábrica Pré-moldado de canteiro
• Quanto à incorporação de material para ampliar a seção resistente no local de utilização definitivo
Pré-moldado de seção completa Pré-moldado de seção parcial
• Quanto à categoria do peso dos
elementos Pré-moldado "pesado" Pré-moldado "leve" • Quanto ao papel desempenhado
pela aparência Pré-moldado normal Pré-moldado arquitetônico
O pré-moldadodefabrica é aquele executado em instalações permanentes distantes da obra. Esse tipo de pré-moldado pode ou não atingir o nível de pré-fabricado, segundo o critério da NBR-9062/85. A capacidade de produção da fábrica e a produtividade do processo, que dependem principalmente dos investimentos em fôrmas e equipamentos, podem ser pequenas ou grandes, com tendência maior ao último caso. Nesse caso, deve-se considerar a questão do transporte da fábrica até a obra, tanto no que se refere ao custo dessa atividade como no que diz respeito à obediência aos gabaritos de transporte e às facilidades de transporte.
Em contrapartida ao tipo anterior, o pré-moldado de canteiro é executado em instalações temporárias nas proximidades da obra. Essas instalações podem ser mais ou menos sofisticadas, dependendo da produção e da produtividade que se deseja. Em geral, há uma certa propensão a ter baixa capacidade de produção e, consequentemente, pequena produtividade. Para este tipo de elemento não se tem o transporte a longa distância e, portanto, as facilidades de transporte e a obediência a gabaritos de transporte não são condicionantes para seu emprego. Além disso, esse tipo de elemento não está sujeito a impostos referentes à produção industrial e à circulação de mercadorias.
Quanto ao gênero da seção utilizada, tem-se primeiramente o pré-moldado de seção completa, que é aquele executado de forma que sua seção resistente é formada fora do local de utilização definitivo. Eventualmente, na aplicação deste tipo de pré-moldado pode ocorrer o emprego de concreto moldado no local, em ligações ou como regularização, mas não visando ampliar a seção resistente.
Já o pré-moldado de seção parcial é aquele inicialmente moldado apenas com parte da seção resistente final, que é posteriormente completada na posição de utilização definitiva com concreto moldado no local (Figura 1.14a). Com esse tipo de elemento, tem-se o elemento composto, e a estrutura resultante deste tipo de pré-moldado também tem sido chamada de estrutura composta. Na Figura 1.14b estão mostradas algumas situações típicas do emprego desse tipo de elemento. Com o emprego de elementos pré-moldados de seção parcial há maior facilidade na realização das ligações, além da concretagem no local propiciar um certo monolitismo à estrutura.
Em relação ao peso do elemento, a distinção entre pré-moldado "pesado" e pré-moldado "leve" é subjetiva e circunstancial. Entretanto, ela é importante no desenvolvimento de projetos em que se emprega a pré-moldagem, uma vez que está diretamente relacionada aos equipamentos de transporte e montagem.
No sentido de fornecer uma ordem de grandeza para o peso dos elementos, pode-se citar os seguintes valores encontrados na referência [1.141:a) elementos leves – até 0,3 kN (30 kgf); b) elementos de peso médio – entre 0,3 e 5 kN (30 a 500 kgf); e c) elementos pesados – acima de 5 kN (500 kgf). Na verdade, os valores em si não são importantes, mas, sim, a filosofia de projeto.
A grosso modo, pode-se considerar que o elemento é um pré-moldado "pesado" quando neces-sitar de equipamentos especiais para o transporte e a montagem.
16 Concreto Pré-moldado Cap. 1 (CPM) Concreto moldado / no local Montagem > Após o endurecimento do concreto moldado no local \
L
Seção parcial Seção ampliada
a) Princípio básico de aplicação de elemento pré-moldado de seção parcial
Concreto moldado no local (CML)
/ (CML) Concreto pré-moldado (CPM) (CPM) (CML) (CML) (CPM)
---b) Situações típicas de aplicação Figura 1.14 Elementos pré-moldados de seção parcial.
Já o pré-moldado "leve" é aquele que não necessita de equipamentos especiais para transporte e montagem, podendo-se improvisar os equipamentos ou até mesmo atingir a situação em que a montagem possa ser manual. Assim, por exemplo, as nervuras pré-moldadas (vigotas pré-moldadas), largamente utilizadas para execução de lajes, podem ser consideradas como pré-moldado leve.
Quanto ao papel desempenhado pela aparência, os elementos pré-moldados podem ser divididos em normal e arquitetônico. O pré-moldado normal seria aquele em que não há preocupação alguma em relação à aparência do elemento. Por outro lado, o pré-moldado arquitetônico refere-se a qualquer elemento de forma especial ou padronizada que mediante acabamento, forma, cor ou textura contribui na forma arquitetônica ou em efeito de acabamento da construção. Esses elementos podem ou não ter finalidade estrutural.
A preocupação com a aparência geralmente existe no concreto pré-moldado e pode ser em maior ou menor grau. Em menor grau seria basicamente por meio de dosagem adequada para evitar falhas superfi-ciais e eventual maquiagem posterior. Em geral, as faces em contato com a fôrma apresentam boa aparência. Em maior grau seria com o emprego, combinado ou não, dos recursos citados, como, por exemplo, acabamentos com agregado exposto, polimento, tijolo cerâmico, pedra, bem como o emprego de relevos.
O concreto arquitetônico corresponde a uma fatia bastante grande do mercado de pré-moldados nos EUA e na Europa, mas no Brasil, até o momento, ele é muito pouco explorado.
O emprego do concreto arquitetônico é normalmente utilizado nas fachadas, mediante painéis estruturais ou não estruturais. Destaca-se também sua aplicação como fôrma permanente, na restauração de edifícios antigos e em esculturas. Na Figura 1.15 estão mostrados alguns casos típicos de aplicação do concreto arquitetônico.
Cap. 1 Introdução 17
a) Emprego em elementos de fachada [1.121
o
0
N
7
Elemento Concreto moldado
pré-moldado no local
Sistema de fixação
Seção transversal
Parede moldada
no local Fôrma de madeira
Elevação
b) Aplicação como fôrma para pilar [1.28] c) Emprego como fôrma incorporada ao elemento estrutural [1.21J
18 Concreto Pré-moldado Cap. 1
1.5 MATERIAIS
As qualidades desejáveis que os materiais usados na Construção Civil deveriam apresentar seriam as seguintes:
a) grande durabilidade;
b) não necessitar de grandes cuidados de manutenção; c) isolante térmico e hidrófugo;
d) resistência ao fogo; e) estabilidade volumétrica; f) resistência mecânica elevada.
Tendo em vista a industrialização das construções, seria interessante que os materiais apre-sentassem ainda as seguintes características:
g) facilidade de ser executado por meios mecânicos; h) possibilitar ligações de forma fácil e simples;
i) desempenhar simultaneamente as funções de estrutura e de fechamento.
Apesar de o concreto armado, incluindo suas variações, não apresentar algumas das características apropriadas para a industrialização (características g e h), ele apresenta grande parte das qualidades desejáveis para materiais de construção. Essas qualidades, combinadas com o custo, tornam-no um material bastante viável para a industrialização.
As técnicas de pré-moldagem estão vinculadas ao emprego do concreto, conforme já mencionado. Entretanto, pode-se estender essa denominação para todos os materiais oriundos da associação de um aglomerado cimentício e um reforço (armadura). Estão mostrados na Tabela 1.4 os tipos de aglomerados cimentícios e os tipos de reforços que têm sido empregados, ou pelo menos pesquisados, na Construção Civil. A partir da Tabela 1.4, nota-se que há um grande número de possibilidades de associações. As mais conhecidas e mais empregadas em concreto pré-moldado são o concreto armado e o concreto protendido. Tabela 1.4 Tipos de aglomerados cimentícios e tipos de reforço para o concreto armado e suas variações.
TIPOS DE AGLOMERADO CIMENTÍCIO E SUAS VARIAÇÕES
Tipo Resistência Densidade
Pasta Argamassa
concreto de granulometria fina concreto Baixa Normal Alta Alta Normal Baixa
TIPOS DE REFORÇO (ARMADURA) E SUAS VARIAÇÕES
Tipo Material Arranjo Introdução de
força prévia Resistência
Contínua Aço Não-metálica Fios Barras Telas Perfis Cordoalhas Passiva Ativa Normal Elevada Descontínua (fibras)
aço — aço comum, aço inoxidável
poliméricas — polipropileno (PP), polietileno (PE), álcool de polivinila (PVA), etc. minerais — vidro, amianto
vegetais — coco, sisal, piaçava, etc. outros — carbono
As fibras de um mesmo material podem apresentar variações de características ou de geometria. Por exemplo, as fibras de aço podem ser retas, deformadas, com ganchos na extremidade; as fibras de polipropileno podem ser fibriladas, monofilamento, multifilamentos, torcidas, etc.
Cap. 1 Introdução 19
Tomando como referência a Tabela 1.4, o concreto armado é a associação de concreto com armadura passiva de aço em forma de fios, barras ou telas e o concreto protendido é a associação de concreto com armadura ativa, de elevada resistência, combinada ou não com armadura passiva.
Outra associação é a elemento misto ou estrutura mista que consiste na associação de concreto com perfis de aço. Sua aplicação em pré-moldados é bem mais limitada.
Ainda com o emprego de armadura contínua tem-se a argamassa armada ou ferrocement, que, em uma primeira aproximação, corresponde à associação de argamassa com armadura de aço passiva, em forma de tela, empregada em elementos de pequena espessura.
Esse tipo de associação tem as seguintes particularidades em relação ao concreto armado: pequena espessura das peças - máxima espessura convencional de 40 mm; pequenos valores de cobrimento da armadura - de 4 a 8 mm; qualidade da argamassa - máximo fator água/cimento de 0,45; diâmetro máximo do agregado - em geral, de 4,8 mm; emprego de telas de aço soldadas, tecidas ou de metal expandido, com aberturas limitadas: e controle de execução mais rigoroso, principalmente, em relação às espessuras
e ao cobrimento da armadura.
Como os elementos resultantes do emprego da argamassa armada têm peso relativamente pequeno em relação aos similares de concreto armado, esse tipo de associação tem grande interesse para o emprego de pré-moldados leves. A título de ilustração estão mostrados na Figura 1.16 exemplos de aplicação. Uma apresentação detalhada da argamassa armada, em que se pode notar sua vocação para aplicação em pré-moldados, pode ser vista na referência [1.15].
O concreto armado, o concreto protendido e a argamassa armada têm um forte grau de parentesco, em relação ao comportamento mecânico, à resistência e à forma de execução. Por essa razão, pode-se pensar em utilizar associações com características intermediárias àquelas caracterizadas por esses tipos de materiais. Uma discussão a esse respeito pode ser vista na referência [1.9].
Os aglomerados cimentícios associados à armadura descontínua, denominados genericamente de
concreto com fibras, concreto reforçado com fibras ou concreto armado com fibras, podem ser
agrupados em três categorias [1.3]:
a) baixa taxa volumétrica de fibras, menos de 1%, utilizada tipicamente em grandes volumes de concreto;
b) moderada taxa volumétrica de fibras, de 1% a 5%, utilizada tipicamente em concretos de granulometria fina e argamassa, como, por exemplo em painéis de GRC - Glass Reinforced Concrete (concreto com fibra de vidro);
c) elevada taxa volumétrica de fibras, de 5% a 15%, utilizado em elementos de pequenas espessuras, com pastas ou argamassas, como por exemplo cimento amianto e o chamado SIFCON. i Geralmente, a aplicação dos concretos com fibras em pré-moldados tem sido feita, ou estudada, para elementos com pouca ou nenhuma responsabilidade estrutural. Esse tipo de associação é bastante apropriado para ser utilizado em elementos delgados de forma complexa, como cascas de dupla curvatura e células tridimensionais.
Um dos tipos de associação que tem sido bastante empregado nos Estados Unidos e Europa é o de painéis de concreto com fibras de vidro, usado principalmente em fachadas. Merecem registro ainda aplicações com fibras de polipropileno, em diversos tipos de pequenos elementos, com fibras de aço e com fibras de carbono. Na Figura 1.17 estão mostradas três aplicações de concreto com fibras, a última das quais corresponde a uma notável aplicação realizada na Alemanha, em 1977.
1. O SIFCON — Slurrry infiltraded fiber reinforced concrete, é um tipo particular de concreto com fibras, em que são inicialmente colocadas as fibras na fôrma e posteriormente procede-se à infiltração de nata ou argamassa de cimento.
20 Concreto Pré-moldado Cap. 1 9,84 m 400 mm 40 320 Chapa ondulada /– de fibrocimento Forro
a) Viga de cobertura de pavilhão — uma das primeiras aplicações da argamassa armada no Brasil, em 1961 nas obras
de ampliação do Campus de São Carlos da Universidade de São Paulo
12,00 m 23,00 m 23,00m 12,00m
Elevação longitudinal
Seção longitudinal da viga pré-moldada
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS Armadura: 3 telas de aço soldadas
O 3mmc/50mm fyk — 600 MPa barras de aço ti —5/16" e 0 — 1/4" fyk — 500 MPa Argamassa: fck — 25 MPa
Moldagem: moldagem com equipamento de projeção
Seção transversal da viga
b) Viga de cobertura de terminal rodoviário — esta aplicação atípica da argamassa armada foi justificada por razões circunstanciais, com a redução do peso de 750 kN, da alternativa originalmente prevista, para 250 kN da viga de 35 m de comprimento
Cap. 1 Introdução 21
Concreto moldado no local
Espaço para iluminação GRC Forro iÌI Espaço para serviço
a) Painel pré-moldado com poliestireno expandido b) Painel pré-moldado de GRC servindo como
revestido com GRC projetado fôrma perdida
Elevação
Detalhe da ligação entre os elementos pré-moldados N.
Planta da cobertura
c) Cobertura em casca com 31 m de diâmetro, composta de 8 parabolóides hiperbólicos pré-moldados, de 15,5 m de comprimento, 10 m de largura e 5 m de altura, com espessura, em geral de 10 mm, pesando 25 kN cada
22 Concreto Pré-moldado Cap. 1
Cabe registrar ainda a possibilidade de associar armadura contínua e fibras. Desde o início da década de 60 já se estudava o uso de fibras poliméricas em concreto armado com bar ras ou telas soldadas. Nesses casos, as fibras são utilizadas como armadura complementar em elementos de concreto armado, podendo inibir a fissuração e melhorar a resistência à deterioração em relação à fadiga, impacto, retração e efeitos térmicos. O uso desse tipo de associação (armadura contínua e descontínua) na pré-moldagem, tanto para execução de elementos como para ligações, já vem sendo estudado há um certo tempo. Alguns desses estudos compreendem o uso de fibras de aço em painéis sanduíche com núcleo de poliestireno com o processo "tilt-up", com ou sem armadura contínua, o uso do SIFCON para ligações entre elementos moldados para estruturas sujeitas a sismos, o uso de fibras para ligações de painéis pré-moldados e o uso de fibras em consolos curtos para aumentar a ductilidade.
O estudo, principalmente, e as aplicações de armaduras não-metálicas (FRP – fiber reinforced plastics) têm merecido grande atenção atualmente na tecnologia do concreto armado, devido ao fato de esse tipo de armadura não estar sujeito à corrosão como as armaduras usuais de aço. Os principais materiais que têm sido estudados são os com fibras de carbono (CFRP), fibras de vidro (GFRP) r fibras deararnid(AFRP). Para se ter uma noção da resistência desses materiais, estão apresentados na Figura 1.18a os diagramas tensão x deformação típicos desses materiais, comparados com as dos aços de protensão e os não destinados à protensão. Observa-se que esses materiais apresentam elevada resistência, mas com ausência de patamares de escoamento, o que acarreta problemas de falta de ductilidade das seções resistentes. Os estudos neste assunto têm objetivado não só o emprego de cabos de protensão, mas também o emprego na forma de barras e estribos. Salienta-se ainda que a armadura não-metálica pode ser em forma de telas (2D) e em forma espacial (3D). No que se refere à pré-moldagem destacam-se estudos de aplicação em pontes no Japão (Figura 1.18b) e também estudos de aplicações em elementos delgados. Neste último caso tem sido estudadas telas de polipropileno, telas com fibra de vidro, telas com fibras de carbono, telas com fibras de ararnide telas de polietileno de alta resistência.
Conforme indicado na Tabela 1.4, uma das alternativas para o aglomerado cimentício é o concreto de alta resistência. Como valor de referência pode-se admitir nessa categoria os concretos com resistência característica à compressão superior a 50 MPa.
O aumento da resistência à compressão é acompanhado por melhorias de algumas propriedades, como a durabilidade e a capacidade de proteção da armadura em relação à corrosão, o que leva a denominar esse tipo de concreto de concreto de alto desempenho ou concreto de elevado desempenho. Por outro lado, o aumento da resistência acar reta fragilidade do material, com conseqüentes problemas de falta de ductilidade.
O estudo e a aplicação do concreto de alto desempenho têm sido feitos já há um certo tempo, no entanto, se intensificou a partir da última década. O concreto de alto desempenho tem grande interesse para a pré-moldagem pelo fato de possibilitar a redução das seções transversais dos elementos. No caso de elementos fletidos, o benefício da redução das dimensões pode ser melhor aproveitado no concreto pré-moldado pelo emprego usual da protensão na produção de elementos pré-moldados.
A título de ilustração, está mostrado na Figura 1.19 um estudo comparativo de custos para superestrutura de ponte de 11 m de largura e 35 m de vão, quando se passa de resistência à compressão das vigas de 42 MPa para 69 MPa. Os resultados indicam uma significativa redução de custos, devida principalmente à mão-de-obra, serviços de protensão, transporte e montagem das vigas.
De fato, há uma tendência atual de utilizar, nas fábricas, concreto com resistência à compressão de 40 a 70 MPa. Tem-se conhecimento de que existe 4alicação comercial de resistência de 100 MPa em certos componentes fabricados na Finlândia.
Ainda em relação aos materiais merece ser destacado o emprego de aglomerado de baixa den-sidade (concreto leve ou argamassa leve). Sua utilização em concreto pré-moldado tem grande interesse por propiciar a redução do peso dos elementos. Destacam-se nas aplicações desse tipo de aglomerado
Cap. 1 Introdução 23
o emprego em elementos estruturais de concreto com agregado leve, com peso específico da ordem de 15 a 18 kN/m3, e o emprego em painéis de fechamento de concreto celular com peso específico da ordem de 10 kN/m3. Fibra de Fibra de carbono aram/c] 3000– Fi vbraiddero / 0 2000 Armadura de protensão i i 1 2 3 4 5 6 Deformação (%)
a) Curvas tensão x deformação típicas de alguns tipos de armadura não-metálica Cordoalha de fibra .■'- de carbono 4)=7,5mm 640 mm E E M o My
Estribo com armadura 200 mm revestida de epóxi
-a-Cordoalha de fibra de carbono Q = 12,5 mm
700 mm
320 mm Ponte com 7,30 m de comprimento e
Ponte com 6,10 m de comprimento e 4,30 m de largura (1992) 7,00 m de largura (1988)
b) Exemplos de aplicação de armadura não-metálica em vigas de pontes – seção transversal dos elementos pré-moldados [1.25]
Figura 1.18 Armadura não-metálica: curvas tensão x deformação e exemplos de aplicação.
1.6 PARTICULARIDADES DO PROJETO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO PRÉ-MOLDADO
O projeto das estruturas de concreto pré-moldado diferencia-se do projeto das estruturas de concreto moldado no local quanto à análise estrutural, basicamente, pelas seguintes razões: a) necessi-dade de considerar outras situações de cálculo além da situação final da estrutura; e b) necessinecessi-dade de considerar as particularidades das ligações entre os elementos pré-moldados que formam a estrutura.
Para o elemento pré-moldado devem ser consideradas, além da situação final, situações transitórias correspondentes às fases de desmoldagem, transporte, armazenamento e montagem, que podem apresentar solicitações mais desfavoráveis que aquelas correspondentes à situação definitiva. Também a estrutura antes da efetivação das ligações definitivas deve ser objeto de verificações dessa situações transitórias.
As ligações entre os elementos pré-moldados se constituem em uma das principais diferenças entre as estruturas formadas por elementos pré-moldados e as estruturas de concreto moldado no local. A consideração das ligações no projeto das estruturas envolve sua análise e sua implicação no comportamento estrutural.
24 Concreto Pré-moldado Cap. 1
As ligações mais simples, normalmente articulações, acarretam elementos mais solicitados à flexão comparados com similares de concreto moldado no local, bem como estrutura com pouca capacidade de redistribuição de esforços. Já as ligações que possibilitam a transmissão de momentos fletores, chamadas de ligações rígidas, tendem a produzir estruturas com comportamento próximo ao das estruturas de concreto moldado no local. Elas são, via de regra, mais difíceis de executar, ou então mais caras, ou reduzem uma das principais vantagens da pré-moldagem que é a rapidez da construção.
CML Camada de asfalto CML Camada de asfalto
Vi
\ i L 9 L 2 i
1
178 mm 9CPM
Ls 1203 mm
CPM
a) Concreto 42 MPa — 9 longarinas espaçadas de 1,2 m, armadas com 30 cordoalhas por longarina
b) Concreto 69 MPa — 4 longarinas espaçadas de 2,7 m, armadas com 58 cordoalhas por longarina
Item Custo por metro
Alternativa comfek= 42 MPa Alternativa comffk= 69 MPa
Tabuleiro US$ 63,5 por m2 x 10,97 m
de largura = 697
US$ 80,3 por m2 x 10,97 m de largura = 881
Cordoalhas 9 x 30 x I JS$ 1,31 por metro de cordoalha = 354
4 x 58 x US$ 1,31 por metro de cordoalha = 304 Concreto das
longarinas-- 9 x 0,510 m3 x US$ 52/m'= 239 4 x 0,510 m' x US$ 1 1 l/m3= 226 Outros custos das longarinas 3 9 x US$ 153 = 1.377 4 x US$ 153 = 612
Total (US$/m) 2.667 2.023
Total (US$/m2) 243 184
1. Esse custo inclui o material, serviço de colocação e perdas.
2. Essa diferença de custos do m3 do concreto é relativamente grande. A tendência hoje é que esta diferença não seja tão grande (nota do autor).
3. Neste item estão englobados os custos com os serviços de protensão na fábrica, bem como os serviços de transporte e montagem.
Figura 1.19 Análise comparativa do emprego de concreto de elevado desempenho (adaptado de [1.8]).
Os sistemas estruturais devem ser concebidos tendo em vista os aspectos construtivos e os aspectos estruturais. No caso das estruturas de concreto pré-moldado, muitas vezes, os aspectos construtivos preponderam sobre os aspectos estruturais. Por essa razão, nos sistemas estruturais de concreto moldado, muitas vezes, são privilegiadas as facilidades de manuseio e transporte dos elementos pré-moldados e as facilidades de montagem e execução das ligações destes elementos para formar a estrutura.
Como conseqüência da importância dos aspectos construtivos, os sistemas estruturais empregados em estruturas de concreto moldado no local nem sempre são os mais adequados para ser empregados em estruturas de concreto prémoldado.
-Um exemplo ilustrativo dessa afirmação é o caso de vigas contínuas, normalmente empregadas em estruturas de concreto moldado no local. No entanto, quando se utiliza o concreto pré-moldado, emprega-se muitas vezes uma sucessão de tramos simplesmente apoiados, com prejuízos em relação à distribuição dos momentos fletores, conforme mostrado na Figura 1.20. A primeira vista, poderia-se pensar que a distribuição dos momentos fletores mais desfavorável da alternativa em concreto pré-moldado levaria a um maior consumo de materiais e, portanto, seria economicamente desfavorável. No entanto, essa análise não seria correta, pois não ocorre uma correspondência direta entre a distribuição dos momentos fletores
Cap. 1 Introdução 25
dos momentos fletores e o consumo de materiais, pelo fato de, em geral, existirem importantes diferenças entre as duas alternativas, como as resistências dos materiais e a forma da seção transversal. E, prin-cipalmente, também não ocorre uma correspondência direta entre o consumo de materiais e o custo da estrutura, pois no concreto pré-moldado existem, por um lado, outras parcelas de custo, como o transporte e a montagem, mas, por outro lado, há uma grande redução da parcela de custo relativa às fôrmas e ao cimbramento.
(-p
1 1 1 1 1 1 1 1 1 i' 1 f 1'1 1 V f 5' '.
a) Viga contínua — alternativa usual em conc reto moldado no local
0,125 p
0,I0pP2
0,10 pz
1111
0,08pez 0,025p.e (,08 .p,e
2
b) Sucessão de tramos — alternativa usual em concreto pré-moldado
Figura 1.20 Comparação de momentos fletores entre sucessão de tramos simplesmente apoiados e viga contínua.
A execução de ligação para estabelecer a continuidade poderia ser utilizada. No entanto, é ne-cessário verificar se os benefícios dessa continuidade compensariam sua realização. Tem-se observado que na maioria das vezes não se faz esse tipo de ligação, embora isso possa acarretar certos incon-venientes em alguns tipos de construções, como no caso de tabuleiros de pontes, nos quais resulta um
número excessivo de juntas.
Na Figura 1.21 é apresentado um exemplo de construção de passarela em arco com emprego do concreto pré-moldado. Esse sistema estrutural tem sido atualmente cada vez menos empregado em estrutura de concreto moldado no local, mas a utilização da pré-moldagem pode torná-lo viável economicamente. Ao contrário do caso anterior, em que a pré-moldagem é empregada em um sistema estrutural desfavorável em relação à distribuição dos momentos fletores, neste caso tem-se a utilização da pré-moldagem em sistema estrutural que apresenta menores solicitações por flexão, em relação à estrutura principal em viga ou em pórtico.
Observa-se, assim, que o emprego da pré-moldagem em sistemas estruturais mais pobres, em relação à distribuição de momentos fletores, é bastante-comum, no entanto, não deve ser visto como alternativa exclusiva deste processo de construção.
Cabe destacar ainda que nos projetos de estruturas de concreto pré-moldado devem ser levadas em conta as tolerâncias e folgas, inerentes a toda construção por montagem.
Outro aspecto importante que deve ser levado em conta no projeto de estruturas de concreto pré-moldado é a necessidade do conhecimento de todas as etapas envolvidas na produção. De certa forma, essa particularidade na elaboração do projeto de estruturas de concreto pré-moldado foi evidenciada quando foi dito que na análise estrutural devem ser feitas verificações para as situações transitórias.
