Baixe Comparativo de Vigas de Concreto: Aço vs. Polímero Reforçado com Fibra de Basalto e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity!
UTILIZAÇÃO DE BARRAS EM FIBRA DE BASALTO EM CONSTRUÇÕES EM
AMBIENTES COSTEIROS E MARINHOS
Douglas Barbosa da Silva
Instituto Militar de Engenharia – IME Programa de Pós-graduação em Engenharia De Transportes
RESUMO As construções convencionais em concreto armado são amplamente utilizadas no Brasil, não raro são necessários recomposições e tratamentos ocasionados pela oxidação das armaduras, em obras costeiras existem os agentes deletérios causados pelos íons cloretos que tendem a acentuar o processo de oxidação e causam o seccionamento das armaduras por corrosão localizada, o que compromete sua vida útil, por isso, a utilização de barras e malhas de polímeros reforçados com fibra podem significar a redução no custo da obra ao longo prazo.
PALAVRA-CHAVE: COMPÓSITO DE FIBRAS; CONCRETO ARMADO; OBRAS MARÍTMAS; OXIDAÇÃO; FIBRA BASALTO.
ABSTRACT Conventional reinforced concrete constructions are widely used in Brazil. Often, repairs and treatments are necessary due to the oxidation of the reinforcements. In coastal structures, there are deleterious agents caused by chloride ions that tend to accentuate the oxidation process and cause the reinforcement to section due to localized corrosion, compromising its lifespan. Therefore, the use of fiber-reinforced polymer bars and meshes can mean a reduction in the long-term cost of the project.
KEYWORDS: FIBER COMPOSITE; REINFORCED CONCRETE; MARITIME STRUCTURES; OXIDATION; BASALT FIBER.
1. INTRODUÇÃO
Mesmo com o avanço tecnológico e novos métodos construtivos o concreto armado ainda é o
método construtivo mais utilizado no Brasil, principalmente pela questão cultural e falta de
mão de obra qualificada para execução de outros métodos mais sofisticados.
O funcionamento do concreto armado consiste em dois materiais completamente diferentes
trabalhando juntos para resistir aos esforços solicitantes, o concreto resiste bem à compressão
e o aço a flexão. Além disso, o concreto é um material alcalino e tem função de proteger a
armadura de agentes deletérios que podem comprometer o aço, chamamos essa camada de
camada passiva protetora.
Para o bom comportamento do material faz-se necessário que exista atrito suficiente, que é
garantido pelo transpasse e ranhuras das barras; proteção contra os agentes deletérios que são
garantidos pelo cobrimento da armadura e redução dos poros e aumento do FCK e redução do
fator água/cimento do concreto; dimensionamento e detalhamento adequado para garantia da
resistência aos esforços solicitantes; execução adequada seguindo os critérios das normas
vigentes e execução de cura para reduzir a possibilidade de fissuras e fragilidade do concreto.
Falhas durante o processo de projeto, concretagem ou cura do concreto podem ocasionar
redução significativa de sua resistência, além do surgimento de fissuras que reduzem
drasticamente a durabilidade da estrutura, pois facilita a entrada de agentes que podem gerar a
despassivação da camada protetora do aço e permitir o processo de oxidação.
Em ambientes mais agressivos o concreto armado é exposto a riscos mais elevados de
sofrerem degradações provenientes de agentes deletérios existentes na região, a oxidação
gerada pelo processo de carbonatação e por ataques de íons cloreto são exemplos dessa
situação.
Em ambientes marítimos, principalmente os que têm exposição a respingos de maré, as
estruturas em concreto armado sofrem com o risco de oxidação localizada gerada por ataques
de íons cloreto, esse tipo de oxidação pode gerar o seccionamento das barras e a inutilização
das mesmas, gerando riscos de colapsos.
O tratamento indicado para esse tipo de situação é dispendioso. Deve-se escorar a estrutura,
remover o concreto da região afetada, deixar a barra exposta, proceder com a limpeza e
escovação das barras, pintura com fundo óxido protetor, aplicação de ponte de aderência e
fechamento com argamassa estrutural. Quando existe perda de seção transversal das barras a
situação piora, sendo necessário lançar mão de complemento de armaduras. Em situações
onde o processo de oxidação encontra-se em estágio avançado, o custo para recuperação
torna-se muito alto, o que pode inviabilizar o tratamento, podendo ser necessária demolição e
construção de nova estrutura.
Levando em conta esse cenário, é de grande importância que estudos voltados à redução da
necessidade de manutenção e aumento da vida útil das estruturas próximas a regiões costeiras
sejam realizados, uma possível solução seriam os compósitos de polímero reforçados com
fibras de basalto.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
As barras em polímeros reforçadas com fibra de Basalto já é uma tecnologia consolidada e
bastante utilizadas em países como Canadá, Estados Unidos, Rússia, Itália e França. Grandes
obras de engenharia já adotaram esse tipo de tecnologia. (Rochling, 2024)
As principais normas que baseiam a utilização das barras de polímero reforçadas com fibras
são a Prática Recomendada IBRACON/ABACE: Estrutura de concreto armado reforçadas
com Barras de Polímero Reforçada com Fibras (FRP) (2021); ACI 440; GOST31938:2012;
ISSO 10406-1:2015.
Segundo os estudos de Guo et al. (2018), as maiores partes dos polímeros apresentam
resistência a corrosão, e neutralidade eletromagnética, isso é uma grande vantagem sobre o
aço convencional, pois permite que o material seja utilizado em ambientes de maiores
agressividades com menos preocupações.
Conforme Pawłowski e Szumigała (2014, p. 48), as barras de polímeros reforçadas com fibra
de carbono possuem alta resistência a tração, alta resistência a fadiga, alta resistência a
corrosão, baixa condutividade elétrica e térmica, coeficiente de dilatação parecido com o do
concreto, são materiais leves, não tóxicos, e possuem elevada durabilidade. Fornecedores
como Haizer Building Solution (2024) afirmam que a utilização desse compósito reduz o
tempo de obra e pode reduzir o desperdício de material em até 25%.
Em contrapartida, é um material mais caro, possui baixo módulo de elasticidade, tendo que
5. MEMÓRIA DE CÁLCULO REDUZIDA
Dados:
Viga Biapoiada – Vão de 3m = 300 cm
Figura 1 – Viga para estudo
Fonte 1: Autor
Etapa 1: Dimensionamento Viga Concreto Armado com aço
1.1.1 Dados de Entrada:
- Resistência característica do concreto (fck): 30 MPa
- Carga (q): 20 kN
- Vão (L): 3,00 m
- Largura da viga (B): 15 cm
- Altura útil da viga (d): 26 cm
- Altura total da viga (h): 30 cm
- Cobrimento (d'): 4 cm
- Tipo de aço: CA 50
1..1.2 Propriedades dos Materiais
- Concreto: o Fck (classe de resistência à compressão): 30 MPa o fcd (resistência à compressão do concreto): 2,14 MPa o Módulo de elasticidade do concreto (Ec): 25 GPa o Peso específico do concreto (γc): 25 kN/m³
- Aço: o Fyk (classe de resistência à tração do aço): 43,48 MPa o Módulo de elasticidade do aço (Es): 200 GPa
1.1.3 Cálculo do Peso Próprio da Viga
O peso próprio da viga (G) é calculado da seguinte forma:
G = γc * V * L
Onde:
- γc = peso específico do concreto (25 kN/m³)
- V = área da seção transversal da viga (0,15 m * 0,30 m = 0,045 m²)
- L = vão da viga (3,0 m)
G = 25 kN/m³ * 0,045 m² * 3,0 m = 3,38 kN
1.1.4 Cálculo das Reações de Apoio
As reações de apoio (Ra e Rb) na viga biapoiada podem ser calculadas considerando a carga pontual central (P) e o peso próprio da viga (G):
Ra = Rb = (P + G) / 2
Ra = Rb = (20 kN + 3,38 kN) / 2 = 11,69 kN
1.1.5 Cálculo do Momento Fletor Máximo
O momento fletor máximo (Md) na viga biapoiada ocorre no centro do vão e pode ser calculado pela seguinte equação:
Md = (P * L^2) / 8 + (G * L^2) / 12
Md = (20 kN * (3,0 m)^2) / 8 + (3,38 kN * (3,0 m)^2) / 12 = 45,3125 kN.m
1.1.6 Cálculo da Altura Útil (d)
A altura útil (d) é definida como a distância entre o centro de gravidade da armadura de compressão e a face inferior da viga. Neste caso, a armadura de compressão é composta pelo concreto, e a altura útil é calculada como:
d = h - ccob
d = 30 cm - 4,0 cm = 26,0 cm
1.1.7 Cálculo da Resistência de Cálculo do Concreto (fcd)
A resistência de cálculo do concreto (fcd) é determinada com base na classe de resistência do concreto (Fck) e em um coeficiente de segurança (γc):
Etapa 2: Dimensionamento Viga Concreto Armado com barras de fibra de basalto
- Barras de Basalto: o Resistência à tração de projeto (ffu) = 720 MPa (considerando fator de redução CE = 0,9 para concreto não exposto à água e intempéries). o Módulo de elasticidade (Ef) = 45 GPa. o Deformação máxima de projeto (εfu) = 0,002. o Diâmetro da barra (φ) = 16 mm. o Área da seção transversal da barra (As_barra) = 201 mm².
- Vão (L): 3,00 m
- Largura da viga (B): 15 cm
- Altura útil da viga (d): 26 cm
- Altura total da viga (h): 30 cm
- Cobrimento (d'): 4 cm
Etapas do Cálculo:
1.2.1 Cálculo do Peso Próprio da Viga:
- Já realizado em etapas anteriores. o Carga distribuída uniforme devido ao peso próprio (q'): 93,6 kg/m o Momento fletor máximo devido ao peso próprio (Mu_p): 11,20 kNm o Momento fletor máximo total (Mu): 33,70 kNm
1.2.2 Cálculo da Altura Mínima da Viga (hmin):
- Já realizado em etapas anteriores. o Altura mínima da viga (hmin): 24,7 cm
1.2.3 Verificação da Altura da Viga (h):
- Já realizado em etapas anteriores. o Altura da viga atende à norma ACI 440.1R-2015 (h ≥ hmin).
1.2.4 Cálculo da Profundidade da Linha Neutra (a):
- Já realizado em etapas anteriores. o Profundidade da linha neutra (a): 5,4 cm
1.2.5 Cálculo da Posição da Camada de Compressão (c):
- Já realizado em etapas anteriores. o Posição da camada de compressão (c): 20,6 cm
1.2.6 Cálculo da Área de Aço Requerida (As_req):
Fórmula da Norma ACI 440.1R-2015:
As_req = (0,85 * β1 * f'c * Mn) / (ffu * (c - 0,5 * a))
Substituindo os valores na fórmula:
As_req = (0,85 * 0,78 * 30 MPa * Mn) / (720 MPa * (20,6 cm - 0,
1.2.7 Cálculo do Momento Fletor Nominal (Mn):
Fórmula da Norma ACI 440.1R-2015:
Mn = (φ * As_req * ffu * (d - 0,5 * a)) / (b * (c - 0,5 * a))
Substituindo os valores na fórmula:
Mn = (0,55 * As_req * 720 MPa * (26 cm - 0,5 * 5,4 cm)) / (0,15 m
- (20,6 cm - 0,5 * 5,4 cm))
8. Resolução da Equação para As_req:
Dados de Entrada Atualizados:
- Número de Barras de Basalto (N_barras): 6
- Diâmetro da Barra (φ): 16 mm
- Área da Seção Transversal da Barra (As_barra): 201 mm² (considerando φ = 16 mm)
Etapas do Recálculo:
1.2.8.1 Cálculo da Área Total de Aço (A_s):
- A_s = N_barras * As_barra
- A_s = 6 barras * 201 mm² = 1206 mm²
1.2.8.2 Cálculo da Profundidade da Linha Neutra (a):
Fórmula da Norma ACI 440.1R-2015:
a = (0,85 * β1 * f'c * As) / (ffu * b)
Substituindo os valores na fórmula:
a = (0,85 * 0,78 * 30 MPa * 1206 mm²) / (720 MPa * 0,15 m)
1.2.8.3 Cálculo da Posição da Camada de Compressão (c):
1.2.8.4 Cálculo do Momento Fletor Nominal (Mn):
Fórmula da Norma ACI 440.1R-2015:
máxima em cada situação ( δ max) para saber se é necessário mudar a seção transversal da viga
ou aumentar a quantidade de barras.
6. METODOLOGIA INDICADA PARA FUTURO EXPERIMENTO LABORAL
O supracitado ensaio laboral poderá ser realizado seguindo os procedimentos indicados
abaixo.
6.1 EXECUÇÃO DAS VIGAS
Essa etapa consiste em executar as vigas conforme dimensionamento e detalhamento
preliminar teórico, serão necessários montar as armaduras com as barras indicadas, fazer as
formas com as dimensões indicadas, misturar e lançar o concreto com traço para atingir as
resistências a compressão indicadas, cura do material por 28 dias para atingir resistência
esperada. É importante que sejam executados pelo menos 5 amostras, para ser possível
eliminar valores que não tenham representatividade (valores discrepantes), e para que seja
possível fazer uma média aritmética entre os valores restantes.
6.2 CARREGAMENTO DAS VIGAS
Essa etapa consiste em adicionar um carregamento pontual no centro da viga para analisar em
qual carga ocorrerá uma flecha maior do que a flecha máxima permitida em estudo teórico, ou
até ocorrer a ruptura da viga por outros fatores como ruptura do concreto por compressão,
ruptura dos estribos por cisalhamento, etc.
6.3 COMPARAÇÃO ENTRE TEORIA E PRÁTICA
Essa etapa consiste em fazer uma comparação entre a carga teórica máxima para atingir a
flecha máxima e a carga necessária na prática para chegar nessa flecha.
6.4 CALIBRAÇÃO DO ROTEIRO DE CÁLCULO
Essa etapa consiste em fazer uma calibragem no roteiro do cálculo levando em consideração
as cargas máximas que geraram uma flecha maior que a permitida. Poderá ser realizados
estudos sobre índices para permitir futuros dimensionamentos com mais assertividades, como
coeficientes de minoração da resistência, majoração de cargas, etc.
Agradecimentos
Agradeço ao IME pela oportunidade e apoio a essa pesquisa, ao professor Dr. Paulo Afonso
pelo incentivo e correções afetuosas e a minha querida esposa que me acompanhou e ajudou
nesse processo.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT (2002a) NBR 10520 – Informação e Documentação – Publicação Periódica Científica - Apresentação. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro.
AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. ACI 440.2R-08: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. ACI Committee 440. Detroit, USA, 2008.
Guo, F.; Al-Saadi, S.; Singh Raman, R.K.; Zhao, X.L. (2018) Durability of fiber reinforced polymer (FRP) in simulated seawater sea sand concrete (SWSCC) environment, Corrosion Science, 141:1-13.
Haizer Building Solution. Brasil. Junho 2024. https://www.haizergroup.com.br/haizerprodutos
IBRACON; ABACE. Estruturas de concreto armado com barras de polímero reforçado com fibras (FRP). São Paulo: IBRACON, 2021.
INTERSTATE COUNCIL FOR STANDARDIZATION, METROLOGY AND CERTIFICATION (ISC). GOST 31938-2012: Fibre-reinforced polymer bar for concrete reinforcement: General technical specifications. Moscou: Divisão Territorial de Propagação de Documentação Técnica Regulatória e Informações Científicas e de Engenharia, No 1, 2012.
International Organization for Standardization. (2015). ISO 10406-1:2015: Fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete — Test methods — Part 1: FRP bars and grids. Genebra: ISO.
Pawłowski D, Szumigała M. Use of FRP reinforcement in building constructions. Przegląd Budowlany 2014; 3:47-50 (in Polish).
Rochling. Brasil. Junho 2024. https://www.roechling.com/br/industrial/produtos/compositos/gfrp- cfrp/vergalhoes
Douglas Barbosa da Silva (douglas.barbosa@ime.eb.br) Departamento de Engenharia de Transportes, Instituto Militar de Engenharia - IME Praça Gen. Tibúrcio, 80 – Urca – Rio de Janeiro – RJ, CEP 22290-270.
