Especificação frente à durabilidade para atender nível superior de desempenho em elementos estruturais enterrados

RESUMO

A ABNT NBR 15575-1:2013 [1] estabelece que, para atingir o nível de desempenho superior em termos de durabilidade, as estruturas de concreto armado enterradas devem atender a uma vida útil de projeto (VUP) mínima de 75 anos. Contudo, a norma ABNT NBR 6118:2014 [2] não apresenta recomendações de projeto para que esta VUP seja cumprida. O objetivo deste trabalho é determinar alguns parâmetros projetuais de durabilidade para estas estruturas, visando atender ao requisito de desempenho superior da norma. Para tanto, realizou-se uma pesquisa em normas nacionais e internacionais, além de publicações que remetam a especificações de projeto para vida útil de 75 anos para elementos estruturais enterrados. O trabalho dividiu-se em três partes: (1º) a análise do sistema normativo (nacional e internacional) e publicações referência da área; (2º) discussão de modelos teóricos de previsão de vida útil; e (3º) definição das especificações de projeto para elementos estruturais enterrados para o nível superior de desempenho.

Palavras-chave:
norma de desempenho; desempenho superior; vida útil de projeto; estruturas enterradas

ABSTRACT

The performance standard NBR 15575-1: 2013 [1] states that to achieve the higher level of performance for durability, buried concrete structures must achieve a minimum service life (VUP) of 75 years. However, the NBR 6118:2014 [2] does not specify the minimum project properties for the structure fulfill this VUP. The objective of this study is to provide recommendations for structural designers to meet higher performance requirements of NBR 15575:2013 [1] in durability. It was conducted a research of national and international standards and reference publications about the durability and VUP 75 years for structural elements buried. The paper was divided into three parts: (1°) the analysis of the Brazilian and international legal system, as well as reference publications in the area; (2°) discussion of service life prediction models; and (3°) specifications to meet the superior level of durability of structural elements buried.

Keywords:
performance standard; superior performance; service life; burried structures

1. Introdução

Segundo a norma de desempenho das edificações habitacionais, ABNT NBR 15575-1:2013 [¹], um sistema estrutural deve conservar sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente a sua vida útil. Os elementos constituintes deste sistema devem ser projetados e construídos de modo que, sob condições pré-estabelecidas de uso, mantenham sua capacidade funcional durante a vida útil do projeto, a qual, para o desempenho superior, deve ser de 75 anos.

A ABNT NBR 15575-1:2013 [¹] especifica que o método de avaliação da durabilidade de uma estrutura pode ser realizado através do atendimento aos requisitos estabelecidos em normas brasileiras que estejam relacionadas com o tema e, na inexistência destas, em normas estrangeiras e internacionais específicas e coerentes com o assunto.

O intento deste trabalho é fornecer recomendações de projeto em termos de durabilidade, as quais poderão ser adotadas no dimensionamento e verificação dos elementos em contato com solo - tais como os de fundação - que almejem atender o nível de desempenho superior da ABNT NBR 15575:2013 [¹]. Nestes ambientes os principais agentes agressivos são os íons cloretos, sulfatos e a umidade.

Contudo, as normas brasileiras relacionadas ao projeto estrutural e à durabilidade do sistema estrutural citadas na ABNT NBR 15575-1:2013 [¹], como a ABNT NBR 6118:2014 [²] e ABNT NBR 12655:2015 [³], não fornecem as recomendações necessárias para atender a este requisito de durabilidade dos

Tabela 1
VUP para os níveis mínimo, intermediário e superior para a estrutura da edificação residencial

• Fonte: ABNT NBR 15575-1:2013, editada pelos autores

Tabela 2
Classes de agressividade ambiental

• Fonte: ABNT NBR 6118:2014

elementos enterrados, principalmente para vida útil superior. Assim, deve-se buscar outras referências, normativas ou não, para atender o propósito.

Com este intento, o presente estudo foi desenvolvido em três etapas: (1º) análise do sistema normativo brasileiro e internacional, (2º) revisão de modelos teóricos de previsão de vida útil e (3º) na definição e proposição de recomendações de projeto para estruturas enterradas, visando atender uma vida útil de 75 anos. No primeiro item são apresentadas as normas brasileiras e internacionais sobre o tema, além de publicações técnicas da área, as quais abordam os requisitos mínimos de projeto para cumprir com o requisito. Na segunda parte realiza-se uma comprovação destes parâmetros projetuais normativos, através de modelos teóricos. No terceiro item recomenda-se especificações de projeto a serem seguidas, integrando as referências consultadas e os resultados dos modelos de previsão de vida útil.

2. Análise do sistema normativo brasileiro e internacional

2.1 Normas brasileiras

A ABNT NBR 15575-1:2013 [¹] estabelece que a VUP para elementos

Tabela 3
Correspondência entre classe de agressividade ambiental e cobrimento nominal da armadura

• Source: ABNT NBR 6118:2014

Tabela 4
Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do concreto, para estruturas em concreto armado

• Fonte: ABNT NBR 12655:2015

Tabela 5
Requisitos para concreto exposto a soluções contendo sulfatos

• *Baixa relação a/c ou elevada resistência podem ser necessárias para a obtenção de baixa permeabilidade do concreto ou proteção contra a corrosão da armadura ou proteção a processos de congelamento e degelo; **Água do mar; ***Para condições severa de agressividade, devem ser obrigatoriamente usados cimentos resistentes a sulfatos
• Fonte: ABNT NBR 12655:2015

estruturais de edificações residenciais deve ser de 50, 63 ou 75 anos para cumprir com os níveis mínimo, intermediário e superior de durabilidade, respectivamente, conforme a Tabela .

Nos projetos das estruturas de concreto armado, a agressividade ambiental deve ser classificada segundo os critérios admitidos pela ABNT NBR 6118:2014 [²], a qual especifica que as estruturas devem ser projetadas e construídas de modo que, sob as condições ambientais previstas na época do projeto, sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço seja preservada durante o período correspondente a vida útil especificada em projeto. A Tabela 2 mostra o critério de classificação da agressividade ambiental proposta por esta norma.

Em função da classe de agressividade ambiental definida, recomendações quanto à espessura de cobrimento das armaduras são apresentadas pela ABNT NBR 6118:2014 [²]. Esta espessura de cobrimento visa garantir uma proteção física, química e mecânica das armaduras durante a vida útil da estrutura, conforme destaca a Tabela .

Tabela 6
Recomendações para zona de agressividade com impacto muito severo

• Fonte: Indian Standard IS -456, traduzida e adaptada pelos autores

De acordo com a ABNT NBR 12655:2015 [³], quando atendidos os critérios estabelecidos pela ABNT NBR 6118:2014 [²], a durabilidade estrutural será função das características do concreto constituinte. Para tanto, esta norma define uma relação água/cimento máxima, uma resistência mínima à compressão e um consumo mínimo de cimento, conforme Tabela . A norma ainda apresenta a classificação de agressividade do solo em função da quantidade de sulfato solúvel em água (SO4) presente no terreno, tal como mostra a Tabela .

Tabela 7
Especificações para atender VUP de 100 anos em elementos de concreto armado ou protendido

• Fonte: adaptada da BS 8500-1:2006

Entende-se que as recomendações referenciadas nestas normas são para VUP de 50 anos. A ABNT NBR 8681:2004 [4] define que para as ações que apresentam variabilidade no tempo (ações variáveis) é estabelecido um período de referência para que estas sejam igualadas ou superadas. Estes valores foram definidos por consenso, com a probabilidade entre 25% e 35% de serem ultrapassados durante 50 anos.

2.2 Normas internacionais e bibliografias referência na área

Segundo ^{Tutikian, Isaía e Helene (2011}) [⁵], a durabilidade das estruturas de concreto depende tanto de fatores extrínsecos (presença de sais, maresias, chuvas ácidas), quanto de fatores intrínsecos (tipo de cimento, relação água/cimento, adições, aditivos, entre outros). Para este artigo, o interesse se concentra na avaliação dos fatores intrínsecos, necessários para atender a uma VUP de 75 anos. Os fatores intrínsecos que o sistema normativo nacional e internacional recomenda para o atendimento da durabilidade são (a) o consumo mínimo de cimento; (b) a espessura mínima do cobrimento das armaduras; e (c) a relação água/cimento máxima. A resistência à compressão do concreto também é citada, porém está relacionada à relação água/cimento, não necessitando de um detalhamento mais profundo. O tipo de cimento também pode exercer influência sobre a durabilidade destas estruturas frente a mecanismos de deterioração química, mas este não costuma ser detalhado pelas normas.

2.2.1 Consumo mínimo de cimento

O consumo de cimento é, com frequência, relacionado com parâmetros como resistência mecânica, durabilidade, fluidez, tempo de pega, entre outros. Segundo a BRE (2005) [6], a

Figura 1
Efeito da relação a/c na penetração de cloretos (Fonte: JAEGERMANN, 1990 apud POLITO, 2006)

Tabela 8
Classificação ACEC para solos naturais

• Fonte: adaptada de BRE Special Digest 1:2005

penetração dos íons sulfatos ocorre na solução alcalina porosa que resulta da hidratação do cimento, apresentando danos como expansão, fissuras, entre outros. Utilizando-se cimentos resistentes a sulfatos, o aluminato tricálcico mantém-se em índices mínimos, reduzindo o efeito desta reação na estrutura.

Em relação a estruturas inseridas em ambientes com sulfatos, convém destacar as prescrições referenciadas na IS 456:2000 [⁷]. Esta regulamentação apresenta uma classificação qualitativa, em zonas, dos ambientes potencialmente agressores às estruturas de concreto. Esta norma indiana faz alusão às estruturas enterradas, admitindo para estas a zona de agressividade número 4. Para as estruturas nestas circunstâncias, a norma especifica que o consumo mínimo de cimento deve ser de 370 kg/m³, como mostra a Tabela .

As recomendações da BS EN 206-1:2006 [⁸] em relação ao consumo de cimento são semelhantes às apresentadas pela IS 456:2000 [⁷]. Tal como as regulamentações brasileiras, estas normas não apresentam uma descrição sobre a vida útil de projeto praticada. Tanto para a ACI 318-11:2002 [⁹] quanto para a ABNT NBR 6118:2014 [²] se subentende que a VUP é de 50 anos, devido ao tempo de retorno das ações variáveis de projeto. Observa-se que estas recomendações são mais conservadoras do que as praticadas pela ABNT NBR 6118:2014 [²] para elementos estruturais enterrados.

2.2.2 Cobrimento nominal das armaduras

O objetivo do cobrimento de concreto é garantir uma proteção química e física às armaduras para que o nível de desempenho superior de durabilidade seja atendido, ou seja, uma vida

Tabela 9
Classe DC e número de APM para elementos de concreto situados em zonas onde o gradiente hidráulico menor ou igual a 5: concreto para uso geral in situ

• Fonte: adptada de BRE Special Digest 1:2005

Tabela 10
Qualidade do concreto para resistência ao ataque químico: concreto para uso geral in situ

• Fonte: adaptada de BRE Special Digest 1:2005

útil mínima de projeto maior ou igual a 75 anos. A Tabela , referenciada da ABNT NBR 6118:2014 [²], especifica os cobrimentos mínimos das armaduras para uma VUP de 50 anos, sendo necessário buscar informações adicionais para atender a critérios mais rígidos.

Segundo Neville e Brooks [¹⁰], é possível atingir VUP para estruturas de 100 anos, adotando um cobrimento nominal especificado conforme o tipo e condição de exposição da estrutura, além da classe de resistência do concreto. Este é o princípio praticado na ABNT NBR 6118:2014 [²] e ABNT NBR 12655:2015 [³]. Neste contexto, na Tabela constam as especificações da BS 8500-1:2006 [¹¹] para atender a uma VUP de 100 anos, destacando o ataque por íons cloretos.

Evidencia-se que, para condições úmidas e raramente secas em ambientes que apresentem potencial para desenvolver corrosão por cloretos, tem-se que o cobrimento das armaduras é de, no mínimo, 55 mm, com de 40MPa, máxima relação água/cimento de 0,40 e consumo mínimo de cimento de 380 kg/m3. Novamente observa-se que a BS 8500-1:2006 [¹¹] se baseia no cobrimento de concreto, na resistência à compressão, relação água/cimento e consumo de cimento para garantir a durabilidade das estruturas, tal como a ABNT NBR 6118:2014 [²], ABNT NBR 12655:2015 [³] e demais normas internacionais propõem.

2.2.3 Relação água/cimento

Assim como a espessura do cobrimento das armaduras, a especificação da relação água/cimento máxima é consequência da agressividade ambiental. Para determinar esta relação para uma VUP de 75 anos para estruturas enterradas, deve-se atentar para o ataque por cloretos e por sulfatos, além da umidade presente no solo.

Segundo CCAA (2009) [¹²] e ^{Figueiredo (2011}) [¹³], a resistência do concreto quanto ao ataque por cloretos depende da porosidade do material, fundamentalmente do tamanho, distribuição e interconectividade dos poros da pasta. Sendo esta variável diretamente proporcional à relação água/cimento. A Figura apresenta o efeito desta variável na penetração dos íons cloretos (^{POLITO, 2006} [¹⁴]). A Tabela expressa a especificação da BS 8500-1:2006 [¹¹] da relação água/cimento máxima a ser admitida nos projetos

Tabela 11
Classificação da resistência dos concretos frente ao risco de corrosão das armaduras

• Fonte: ^{Medeiros, Andrade e Helene, 2011}

feitos em regiões com este tipo de agressividade ambiental.

A ACI 318-11:2002 [⁹], tal como as normas brasileiras, não faz diferenciação da VUP almejada através da adoção dos parâmetros projetuais (pressupõe-se que seja 50 anos, conforme ASCE 7-05 (2005) [¹⁵]. No entanto, a exemplo da norma brasileira, a ACI 318-11:2002 [⁹] classifica os ambientes em diferentes classes de agressividade. Considerando a estrutura exposta a umidade e a fontes externas de cloretos (classe C2), tem-se a recomendação de uma relação água/cimento máxima de 0,4, valor condizente com a recomendação da BS 8500-1:2006 [¹¹].

Outra hipótese a ser levantada quando é feita uma análise sobre a durabilidade das estruturas enterradas é o ataque por sulfatos presentes no solo, principalmente em zonas industriais. Destacam ^{Mehta e Monteiro (2014}) [¹⁶] que concentrações de sulfatos de magnésio, sódio e potássio é corriqueiro nas águas subterrâneas.

Segundo ^{Isaia (2011}) [¹⁷], o ataque por sulfatos ocorre através da reação química do íon de sulfato com os componentes de aluminatos do concreto no endurecido. ^{Mehta e Monteiro (2014}) [¹⁶] destacam que degradação do concreto pode se manifestar por expansão e por fissuração. A expansão do concreto pode ocasionar a fissuração, que, por sua vez, aumenta a permeabilidade do concreto, o que facilita a penetração de outros agentes agressivos no interior do elemento estrutural.

O BRE (2005) [⁶] estabelece uma metodologia para a escolha de concreto resistente ao ataque de sulfatos. A primeira etapa é a definição da classe ACEC (Agressive Chemical Enviroment for Concrete) do solo, como mostra a Tabela . Essa classificação depende do potencial total de sulfato e do pH da água subterrânea. Com a classificação definida, é possível determinar a classe DC (Design Chemical) do concreto para uma vida útil de 100 anos (Tabela Erro! A origem da referência não foi encontrada.). Com a classe, se determinam os valores de máxima relação água/cimento, consumo e tipo de cimento (Tabela ).

Para efeito comparativo com as recomendações de relação água/cimento encontradas devido ao ataque por cloretos, considera-se a classe de agressividade em que o solo está inserido como a AC-5, a mais severa condição de exposição aos sulfatos. Para essa classe, para uma vida útil de 100 anos, a classe do concreto é a DC-4. Com isso, recomenda-se uma relação água/cimento de 0,35; 0,4 ou 0,45 (valores associados a outras características do concreto).

2.2.4 Tipo de cimento

A ABNT NBR 5736:1999 [¹⁸] permite a mistura de até 50% de pozolana com o clínquer, sulfato de cálcio e material carbonático para formar o CPIV. O cimento pozolânico, devido à reação da pozolana com o hidróxido de cálcio formado na hidratação do cimento, possui uma durabilidade maior, pois o hidróxido de cálcio, que é altamente solúvel e lixiviável, encontra-se combinado na forma de silicato de cálcio hidratado, componente com maior resistência frente a agentes agressivos. O mesmo ocorre com CPIII, que segundo ABNT NBR 5735:1991 [¹⁹], é a mistura de clínquer, sulfato de cálcio e material carbonático com 30 a 70% de escória alto-forno.

Estes tipos de cimento, portanto, são indicados em obras expostas à ação de água corrente e ambientes agressivos. O concreto feito com este produto se torna menos permeável, mais durável, apresentando resistência mecânica à compressão em longas idades superior à do concreto feito com cimentos Portland com menores teores de adições. Apresentam menor geração de calor de hidratação durante a pega do concreto, já que suas reações são mais lentas, o que favorece sua aplicação em peças com grande volume, o que pode ocorrer em blocos de fundação, por exemplo.

Ainda, a reação álcali-agregado, reação expansiva que pode ocorrer em estruturas acabadas, é mitigada com a inserção de pozolanas, de acordo com a ABNT NBR 15577:2008 [²⁰]. ^{Nagesh (2012}) [²¹] afirma que é recomendável a aplicação de cimentos deste tipo para a produção de elementos estruturais potencialmente propensos a este ataque, como os em contato com o solo.

Tabela 12
Classificação da resistência dos concretos frente ao risco de deterioração por lixiviação ou por formação de compostos expansivos

• Fonte: ^{Medeiros, Andrade e Helene, 2011}

É sabido que a ABNT NBR 6118:2014 [²] define o gás carbônico e os íons cloretos como os agentes agressivos mais importantes para a estrutura de concreto, devendo ser previstos e evitados na fase de projeto e uso da edificação. A norma ainda refere o ataque por lixiviação e reações expansivas, como a provocada pela álcali-agregado e por sulfatos. Na ausência de valores de ensaios experimentais, ^{Medeiros, Andrade e Helene (2011}) [²²] recomendam a adoção de uma especificação orientativa, conforme apresentado na Tabela 11 e Tabela 12, com uso de adições pozolânicas.

Portanto, para a análise da durabilidade das estruturas enterradas, em termos de projeto, avalia-se a composição química (tipo) e consumo mínimo de cimento, entre outros fatores.

2.3 Modelos de previsão de vida útil

Os modelos teóricos de previsão de vida útil ajudam a entender a taxa de propagação de agentes agressivos ao interior do concreto e determinar o cobrimento das armaduras necessário e outros meios de proteção, como redução da relação água/cimento, destacam Bolina e Tutikian [²³]. A interpretação destes modelos teóricos, que normalmente são desenvolvidos com base em ensaios experimentais, auxilia na compreensão da velocidade de deterioração química dos constituintes do concreto.

Para a determinação da durabilidade das estruturas de concreto deve-se analisar modelos de previsão de vida útil de penetração de íons cloretos, que dependem, basicamente, da porosidade do material e cobrimento das armaduras, na pior situação, por ser uma rápida penetração. Os modelos teóricos mais apropriados são o de ^{Helene (1993}) [²⁴] e ^{Bob (1996}) [²⁵].

2.3.1 ^{Helene (1993}) [²⁴]

O modelo determina a profundidade de penetração (yc) dos íons cloretos de acordo com a equação 1.

Tabela 13
Modelo de previsão de vida útil para elementos submetidos a severa agressividade por cloretos, segundo (a) ^{Helene (1993}) [²⁴] e (b) ^{Bob (1996}) [²⁵]

Sendo t o tempo, em anos, e k o coeficiente de difusão dos íons cloretos. ^{Helene (1993}) [²⁴] sugere que a concentração de cloretos em um elemento estrutural seja expressa em relação à massa de cimento (), diretamente influenciada pela concentração

Tabela 14
Recomendações para especificação dos concretos para atender VUP de 75 anos para estruturas enterradas

de cloretos no ambiente. A expressão que correlaciona estas variáveis segue a equação 2.

Onde é o consumo de cimento, em kg/m³, Ab é a absorção máxima de água no concreto, expressa em %, e ɣ a massa específica do concreto, em kg/m³.

2.3.2 ^{Bob (1996}) [²⁵]

Após verificações baseadas em dados de experimentos de longa duração, ^{Bob (1996}) [²⁶] observou que a modelagem da penetração de cloretos pode ser expressa através da equação 3.

Sendo a profundidade média de penetração de cloretos, em milímetros, fc a resistência à compressão característica do concreto, em MPa, c a capacidade de fixação de cloretos, k1 a influência da temperatura no modelo, k2 a influência da umidade e d a relação entre a concentração crítica e a concentração superficial de cloretos na estrutura.

3. Resultados e discussões

Com base nas normas internacionais e trabalhos referência da área foram propostos parâmetros mínimos para garantir a VUP de estruturas enterradas de 75 anos, atingindo o nível superior da Norma de Desempenho. Os parâmetros especificados avançam nas recomendações de normas que apresentam especificações para este tipo de estruturas, tal como a ACI 318-1:2002 [⁹], EN 206-1:2000 [⁸], IS 456:2000 [⁷], ABNT NBR 15577-1 [²⁶] e BS 8500-1:2006 [¹¹]. Estes parâmetros de durabilidade, a exemplo do que propõe a ABNT NBR 6118:2014 [²], são a resistência à compressão mínima, relação água/cimento máxima, consumo de cimento mínimo, tipo de cimento e cobrimento nominal das armaduras.

Através dos modelos de previsão descritos, se obteve os parâmetros de projeto, para atender a VUP de 75 anos para estruturas enterradas com agressividade fraca, moderada e forte, como mostra a Tabela 13. Foram avaliados os modelos de ^{Helene (1993}) [²⁴] e ^{Bob (1996}) [²⁵] para usar um valor médio entre estes. Como os modelos representam ataque de íons cloretos à estrutura, se obteve o valor crítico para elementos enterrados.

Na Tabela 14 estão determinadas as propriedades de projeto para atender a esta expectativa, com todos os parâmetros numericamente embasados e alinhados com as referências nacionais e internacionais.

As especificações da relação a/c seguiram as da BS 8500-1:2006 [¹¹]. Esta norma ainda prevê variações de relação a/c e cobrimento, o que não foi seguido neste artigo.

Se adotou a classificação da agressividade das normas nacionais, como a ABNT NBR 12655:2015 [³], e internacionais, como a ACI 318-11:2002 [⁹], EN 206-1:2000 [⁸] e IS 456:2000 [⁷], com a divisão entre agressividade fraca, moderada e severa. Observa-se que, para uma classe de agressividade fraca é especificado um cobrimento nominal de 45mm, que, segundo os modelos de previsão de vida útil, protegerá a estrutura por 75 anos. Se a estrutura estiver locada em uma agressividade moderada, o cobrimento nominal deve ser especificado em 55mm. E, em ambientes de agressividade severa o cobrimento nominal será de 70mm. Recomenda-se o uso de fibras ou armação do cobrimento quando este for superior a 50mm (IS 456:2000 [⁷]).

4. Conclusões

A ABNT NBR 15575-2:2013 [¹] estabelece parâmetros inéditos de durabilidade dos sistemas, até então não abordados no país. Por ser uma norma de desempenho, apoia-se em normas prescritivas do sistema normativo brasileiro, porém não há indicativo de como cumprir a exigência de durabilidade superior. O atendimento ao desempenho superior para estruturas de concreto armado enterradas, tal como os blocos de fundação e as estacas, são exemplos desta lacuna. Para cumprir com este propósito, um levantamento das normatizações existentes no mundo, bem como uma análise dos demais referenciais bibliográficos existentes, foi necessário para fundamentar a tomada de decisão. Uma comprovação através de modelos teóricos de vida útil foi necessária para validar este comparativo. Concluiu-se que, para atestar uma VUP de 75 anos, a estrutura de concreto enterrada pode ser elaborada com um cimento com adições, o que proporciona uma maior durabilidade quando em contato com regiões ou materiais contaminados, evitando a propagação de uma potencial reação álcali-agregado. Ainda foram definidos parâmetros de dosagem dos concretos, em relação à resistência à compressão, relação água/cimento e consumo de cimento, além do cobrimento nominal das barras de aço, para garantir a VUP de 75 anos, nível superior da Norma de Desempenho.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  Abr 2016

Histórico

• Recebido
  09 Maio 2015
• Aceito
  27 Jan 2016