APOSTILA DE CONCRETO PROTENDIDO, Exercícios de Engenharia Civil

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APOSTILA

CONCRETO

PROTENDIDO

Prof.ª MSc. Gabriela Martins Souza Brisola

gabrielabrisola@gmail.com

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

Essa publicação tem como objetivo apresentar, aos estudantes de graduação em Engenharia

Civil, informações conceituais sobre projetar estruturas de concreto protendido. As diretrizes

abordadas seguem recomendações da Norma Brasileira ABNT NBR 6118:2014 – PROJETO DE

ESTRUTURAS DE CONCRETO – PROCEDIMENTO no que se refere ao cálculo, dimensionamento

e verificações do concreto protendido.

A protensão consiste em aplicar esforços prévios de compressão (ou aplicar um estado prévio

de tensões), para melhorar sua resistência ou seu comportamento, compensando as tensões de

tração provocadas sob ação de diversas solicitações.

Tecnicamente, o concreto protendido é um tipo de concreto armado no qual a armadura ativa

sofre um pré-alongamento, gerando um sistema auto equilibrado de esforços (tração no aço e

compressão no concreto).

Deste modo o elemento protendido apresenta melhor desempenho perante as cargas externas

de serviço.

1.1 Fatos Históricos

A origem da história do concreto estrutural está relacionada a partir do desenvolvimento do

cimento. Segundo Silva (2005), “Josef Aspdin, em 1824, desenvolveu na Inglaterra (Ilha de

Portland), o primeiro cimento, que hoje é conhecido como cimento Portland”.

O primeiro registro de peças de concreto armado tem data de 1861, quando um jardineiro

parisiense fabricou vasos de flores com argamassa de cimento utilizando malhas de fios de aço

como reforço. Em 1867, Monier recebe a primeira patente para construção de vasos de concreto

armado.

O primeiro registro que se tem conhecimento sobre utilização de protensão no concreto é do

ano de 1886, quando P. H. Jackson (de São Francisco, EUA) se propôs a reforçar os pisos

abobadados de concreto por meio de tensores (SILVA, 2005).

Em 1888 , W. Dohrung de Berlim apresentou uma patente referente ao aumento de resistência

de lajes e pequenas vigas com fios protendidos para reduzir o fissuramento do concreto. Esta

foi, provavelmente, a primeira proposta para a construção de peças em concreto pré-fabricadas

(SILVA, 2005).

Segundo Bizanha (2015), no final do século 19, muitas patentes sobre métodos de protensão e

ensaios foram realizados, porém sem êxito. A protensão não era bem realizada devido á retração

e fluência que ocorria no concreto, fenômenos estes que eram desconhecidos naquele período.

Foram diversas as tentativas para aplicar a protensão no concreto, incluindo inclusive o uso de

cordas de piano tensionadas na fabricação de pranchas de concreto, por K. Wettstein, em 1919.

Somente em 1928, surgiu o primeiro trabalho consistente sobre concreto protendido, com a

introdução do aço de alta resistência na execução de protensões, pelo engenheiro francês

Eugène Freyssinet. Antes disso, outras experiências com concreto protendido haviam sido feitas,

cujo resultado era insatisfatório ao se considerar as perdas lentas de protensão.

Porém, o resultado alcançado por Freyssinet foi uma verdadeira revolução, considerada inclusive

por muitos engenheiros como uma ideia não bem vista.

civil e educador belga, criou entre 1940 e 1942 um processo particular, utilizando o concreto

protendido sem aderência. Em 1948, escreveu o primeiro livro sobre concreto protendido.

A primeira obra oficialmente realizada com concreto protendido foi projetada por Freyssinet em

1941, a ponte sobre o rio Marne em Lucancy, cuja construção terminou em 1945, após o término

da guerra.

No Brasil, a primeira obra em concreto protendido foi a Ponte do Galeão, executada em 1948,

no Rio de Janeiro (ligando a Ilha do Governador à Ilha do Fundão), com 380 m de comprimento

• na época a mais extensa do mundo. Todos os materiais e equipamentos para a protensão do

concreto foram importados da França, na ocasião. Os cabos de protensão eram fios lisos

envolvidos por duas ou três camadas de papel Kraft. Os fios e o papel eram pintados com betume

e a técnica representava o que conhecemos atualmente como a protensão “sem aderência”.

Foram usados na obra cabos de 12 fios φ 5 mm, conhecidos como cabos de 20 t de força

BIZANHA, 2015).

A norma brasileira NBR-6118 na sua versão de 2003 englobou o concreto armado e o concreto

protendido.

Figura 1 – Eugéne Freyssinet

Fonte: https://structurae.net/persons/eugene-freyssinet

2. DEFINIÇÃO

A NBR 6118 :2014 define os concretos da seguinte forma:

CONCRETO SIMPLES

(CS)

CONCRETO SEM ARMADURA OU COM ARMADURA EM

QUANTIDADE INFERIOR AO MÍNIMO EXIGIDO PARA O

CONCRETO ARMADO.

CONCRETO ARMADO

(CA)

CONCRETO COM ARMADURA ADERENTE SEM

ALONGAMENTOS INICIAIS.

CONCRETO

PROTENDIDO

(CP)

CONCRETO COM ARMADURA PREVIAMENTE ALONGADA

COM A CONDIÇÃO DE, EM SERVIÇO, IMPEDIR OU LIMITAR

A FISSURAÇÃO.

Definição de protensão segundo PFEIL (1984),

“A protensão é um artifício que consiste em introduzir numa estrutura, um

estado prévio de tensões capaz de melhorar sua resistência ou o seu

comportamento, sob condições de carga.”

3. COMPARATIVO ENTRE AS ESTRUTURAS DE CONCRETO

Características básicas das estruturas de Concreto Armado (CA):

VANTAGENS

• Menor exigência de mão de obra especializada;
• Menor custo em alguns casos.

DESVANTAGENS

• Perda da integridade estrutural no concreto devido à fissuração;
• As peças fletidas presentam maiores deformações;
• Exigência de peças de maiores seções.

BARRIL DE MADEIRA

O barril tem suas partes (gomos de madeira, tampa e

fundo de madeira) encaixadas e solidarizadas. O liquido

armazenado no interior do barril exerce pressão

hidrostática provocando esforços de tração, que

tenderiam a abrir as juntas entre os gomos.

As cintas metálicas são dispostas em uma posição que

corresponde a um diâmetro maior, ficando assim

tracionadas e comprimindo transversalmente os gomos de

madeira.

Figura 3 – Barril de madeira

RODA DE CARROÇA

Construída em madeira, a roda da carroça tem

suas partes montadas apenas por encaixes. O

aro externo tem função de proteger e

solidarizar o conjunto. Ao aquecê-lo, seu

diâmetro aumenta pela dilatação do aço. É

colocado então em torno da roda de madeira

pré-montada. Após o resfriamento, o aço

retorna ao tamanho normal, aplicando esforços

de protensão sobre a roda.

Figura 4 – Roda de carroça

4.2 Tipos de protensão

Segundo o item 3 da NBR 6118:2014, os tipos de protensão estão definidos como:

ITEM DEFINIÇÃO

CONCRETO COM ARMADURA ATIVA PRÉ-TRACIONADA

(Protensão com aderência inicial)

Concreto protendido em que o pré-alongamento da armadura ativa é feito

utilizando-se apoios independentes do elemento estrutural, antes do

lançamento do concreto, sendo a ligação da armadura de protensão com os

referidos apoios desfeita após o endurecimento do concreto; a ancoragem no

concreto realiza-se somente por aderência.

CONCRETO COM ARMADURA ATIVA PÓS-TRACIONADA

(Protensão com aderência posterior)

Concreto protendido em que o pré-alongamento da armadura ativa é realizado

após o endurecimento do concreto, sendo utilizadas, como apoios, partes do

próprio elemento estrutural, criando posteriormente aderência com o concreto,

de modo permanente, através da injeção das bainhas.

CONCRETO COM ARMADURA ATIVA PÓS-TRACIONADA SEM ADERÊNCIA

(Protensão sem aderência)

Concreto protendido em que o pré-alongamento da armadura ativa é realizado

após o endurecimento do concreto, sendo utilizadas, como apoios, partes do

próprio elemento estrutural, mas não sendo criada aderência com o concreto,

ficando a armadura ligada ao concreto apenas em pontos localizados.

4.2.1 Protensão com aderência inicial

Figura 5 – Esquema de protensão de elementos pré-fabricados

Figura 6 – Cabos de protensão posicionados

4.2.2 Protensão com aderência posterior

Figura 10 – Vigas protendidas

Figura 11 – Ponte de seção celular

Figura 12 – Bainhas presas na armadura frouxa

4.2.3 Protensão sem aderência

Figura 13 – Laje com protensão não aderente e detalhe do cabo.

Figura 14 – Reforço de Obra de Arte

portante da estrutura) e os estados-limites de serviços (ELS), correspondente à utilização das

estruturas, ou seja, são aqueles relacionados à durabilidade das estruturas, aparência, conforto

do usuário e a boa utilização funcional da mesma, seja em relação aos usuários, seja às máquinas

e aos equipamentos utilizados.

Os estados-limites são definidos na NBR-6118:2014 da seguinte forma:

5.1.1 Estados-limites últimos (ELU)

Estado-limite relacionado ao colapso ou a qualquer outra forma de ruína estrutural, que

determine a paralisação do uso da estrutura.

A segurança das estruturas de concreto deve sempre ser verificada em relação aos

seguintes estados-limites últimos:

a) Estado-limite último da perda do equilíbrio da estrutura, admitida como corpo rígido;

b) Estado-limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo

ou em parte, devido às solicitações normais e tangenciais, admitindo-se a redistribuição de

esforços internos, desde que seja respeitada a capacidade de adaptação plástica definida na

Seção 14 (da NBR 6118:2014), e admitindo-se, em geral, as verificações separadas das

solicitações normais e tangenciais; todavia, quando a interação entre elas for importante, ela

estará explicitamente indicada nesta Norma;

c) Estado-limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo

ou em parte, considerando os efeitos de segunda ordem;

d) Estado-limite último provocado por solicitações dinâmicas (ver Seção 23 da NBR

e) Estado-limite último de colapso progressivo;

f) Estado-limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo

ou em parte, considerando exposição ao fogo, conforme a ABNT NBR 15200;

g) Estado-limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura,

considerando ações sísmicas, de acordo com a ABNT NBR 15421;

h) Outros estados-limites últimos que eventualmente possam ocorrer em casos especiais.

O ELU é caracterizado quando a distribuição das deformações na seção transversal pertencer a

um dos DOMÍNIOS DE DIMENSIONAMENTOS definidos abaixo.

Figura 17 – Domínios de estado-limite último de uma seção transversal.

(Figura 17.1 da NBR 6118: 2014)

Uma seção de concreto armado pode atingir o estado-limite último das seguintes formas,

denominadas Modos de Ruptura, dentro dos domínios de dimensionamento:

a) ALONGAMENTO PLÁSTICO EXCESSIVO DA ARMADURA LONGITUDINAL

(escoamento da armadura longitudinal)

b) ESMAGAMENTO DO CONCRETO

A segurança das estruturas de concreto pode exigir a verificação de alguns estados-limites de

serviço abaixo definidos.

Estado limite de formação de fissuras (ELS-F) – CP

Estado em que se inicia a formação de fissuras. Admite-se que este estado-limite é atingido

quando a tensão de tração máxima na seção transversal for igual à f ct,f

(ver 13.4.2 e 17.3.4 da

NBR 6118:2014).

Estado limite de abertura de fissuras (ELS-W) – CA e CP

Estado em que as fissuras se apresentam com aberturas iguais aos máximos especificados em

13.4.2 (ver 17.3.3 da NBR 6118:2014).

Estado limite de deformações excessivas (ELS-DEF) – CA e CP

Estado em que as deformações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal, dados

em 13.3 (ver 17.3.2 da NBR 6118:2014).

Estado limite de descompressão (ELS-D) – CP

Estado no qual, em um ou mais pontos da seção transversal, a tensão normal é nula, não havendo

tração no restante da seção. Verificação usual no caso do concreto protendido (ver 13.4.2 da NBR

Estado limite de descompressão parcial (ELS-DP) – CP

Estado no qual garante-se a compressão na seção transversal, na região onde existem armaduras

ativas. Essa região deve se estender até uma distância a p da face mais próxima da cordoalha ou

da bainha de protensão (ver Figura 3.1 e Tabela 13.4 da NBR 6118:2014).

Estado limite de compressão excessiva (ELS-CE) – CP

Estado em que as tensões de compressão atingem o limite convencional estabelecido. Usual no

caso do concreto protendido na ocasião da aplicação da protensão (ver 17.2.4.3.2.a da NBR

Estado limite de vibrações excessivas (ELS-VE) – CA e CP

Estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da

construção.

5.2 Estádios de dimensionamento

A seção transversal de uma viga de concreto armado ou protendido e submetido ao momento

fletor crescente, passa por três níveis de deformação, denominados ESTÁDIOS, que determinam

o comportamento da peça até a sua ruína. Podem-se caracterizar os três estádios de deformação

de concreto na flexão normal simples:

ESTÁDIO I

Sob a ação de um momento fletor a tensão de tração no concreto não ultrapassa sua resistência

característica à tração (f tk

). Tem-se:

− Início do carregamento;

− As tensões atuantes são menores que a resistência à tração do concreto (Concreto

resistente à tração); Diagrama linear de tensões: Lei de Hooke.

− Não há fissuras visíveis.

− Limite entre estádio 1 e 2: Momento de fissuração.

ESTÁDIO II

Aumentando-se o valor do momento fletor, as tensões de tração em pontos abaixo da linha

neutra terão valores superiores ao da resistência característica à tração (f tk

). Tem-se:

− Sessão visivelmente fissurada, concreto não resiste mais à tração;

− Aumento de carregamento – aumento das fissuras;

− Concreto comprimido - Admite-se que o diagrama de tensão de compressão continue

linear: Lei de Hooke;

− Verificação de Estados Limites de Serviço (fissuração e flechas);