Análise experimental de reforço de pilares em concreto armado, com chumbadores metálicos

Resumo

Este artigo apresenta um estudo experimental de reforço de pilares, com emprego de chumbadores metálicos e preenchimento com concreto autoadensável. Foram ensaiados cinco pilares de concreto armado submetidos à flexo-compressão: dois pilares foram usados como referência, sendo um com seção transversal igual a 120 x 250 mm; um monolítico com seção igual a 155 x 250 mm, mesma seção transversal dos pilares reforçados e três, que inicialmente foram moldados com seção de 120 x 250 mm e posteriormente receberam uma camada de 35 mm de espessura de concreto autoadensável na face comprimida. Apesar dos chumbadores não apresentarem ruptura, houve o desplacamento da camada do reforço. Os resultados obtidos indicam a possibilidade da utilização deste método de reforço na reabilitação estrutural de pilares de concreto armado, apresentando acréscimo na capacidade resistente em média igual a 403 % em relação ao pilar de referência.

Palavras-chave:
pilar; reforço; flexo-compressão; concreto armado; chumbadores

Abstract

This article presents a columns reinforcement experimental study, with the use of anchor steel bolts and fill with self-compacting concrete. Were tested five columns of reinforced concrete subjected to flexion-compression: two columns were used as reference, and a cross-section equal to 120 x 250 mm; with a monolithic section equal to 155 x 250 mm cross section of the same reinforced columns and three which were initially molded with a 120 x 250 mm section and subsequently received a layer of 35 mm thick self-compacting concrete in the compressed side. Despite the studs do not present break, there was peeling of the reinforcement layer. The results indicate the possibility of using this method in reinforcing structural rehabilitation of reinforced concrete columns, with increase in load capacity on average equal to 403% in relation to the column reference.

Keywords:
columms; reinforcement; flexo-compression; reiforced concrete; anchor bolts

1. Introdução

1.1 Considerações iniciais

Pilares são elementos lineares de eixo reto, usualmente dispostos na vertical, em que as forças normais de compressão são preponderantes, segundo a ABNT NBR 6118 ^[5]. São destinados a transmitir as ações externas às fundações, embora possam também transmitir para outros elementos de apoio, como no caso de pilares apoiados em vigas de transição. As ações atuantes nos pilares são provenientes geralmente das vigas e lajes. Os pilares são os elementos estruturais de maior importância nas estruturas, tanto do ponto de vista da capacidade resistente dos elementos estruturais e estabilidade da edificação, quanto no aspecto de segurança. De acordo com Bastos ^[6], além da transmissão das cargas verticais para os elementos de fundação, os pilares fazem parte do sistema de contraventamento responsável por garantir a estabilidade global da edificação.

A Universidade Federal de Goiás (UFG), em parceria com a Universidade de Brasília (UnB), vem desenvolvendo linhas de pesquisa sobre reforço estrutural e pilares em concreto armado iniciada por Adorno ^[10] seguida por Araújo ^[9] Omar ^[7], Sahb ^[1], Melo ^[12], Nascimento ^[8], Marques ^[3], Ferreira ^[4] e Virgens ^[2].

1.2 Justificativa

A área de reabilitação estrutural vem apresentando importância cada vez maior na indústria da construção civil, levando em consideração a necessidade de redução de tempo de obra, arquiteturas mais ousadas, com grandes vãos e edificações esbeltas, entre outros motivos. A necessidade do emprego do reforço pode ser aplicada às estruturas, corrigindo problemas patológicos ou aumentando sua capacidade resistente. Entretanto, mesmo com o desenvolvimento deste ramo, os profissionais da área de reabilitação estrutural ainda contam basicamente com modelos empíricos, pois não há norma brasileira específica para análise e dimensionamento de peças reabilitadas. Sendo assim, pretende-se aprofundar o conhecimento estrutural de pilares reforçados, especificamente com chumbadores metálicos.

1.3 Objetivo

O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento dos pilares reforçados após a ruptura, com intuito de verificar o desplacamento do reforço.

2. Programa experimental, materiais e métodos

2.1 Características geométricas dos pilares

Para esta pesquisa foram construídos cinco pilares, sendo um de referência (P_ref), com seção transversal de 120 x 250 mm (seção original), um monolítico (P_mon) cuja seção transversal é a mesma dos pilares reforçados, 155 x 250 mm, porém executado em uma única moldagem e três pilares reforçados (P1, P2 e P3), conforme descrito na Tabela [1].

Tabela 1
Principais características dos pilares

Principais características e nomenclaturas dos pilares ensaiados
Nomenclatura		Seção (mm)	Nº chumbadores	eens (mm)	Ø chumb. (mm)	eref (mm)
Referência	(Pref)	120 x 250	-	60	-	-
Monolítico	(Pmon)	155 x 250	-	42,5	-	-
P6-150-34-AP150-SP	(P1)	155 x 250	34	42,5	8	35
P6-150-34-AP75-SP	(P2)	155 x 250	34	42,5	8	35
P6-150-34-AP75-CP	(P3)	155 x 250	34	42,5	8	35

• SP - chumbadores sem porca; CP - chumbadores com porca; e_ens - excentricidade de aplicação de carregamento na estrutura indeslocada; e_ref - espessura da camada de reforço

As características geométricas e a armadura do pilar de referência seguiram os padrões dimensionais dos pilares ensaiados por Sahb ^[1], conforme indicado nas Figuras [1], [2], [3] e [4]. O posicionamento e quantidade de chumbadores foram os mesmos considerados nos pilares P6-150-34 de Virgens ^[2], indicados nas Figuras [5], [6] e [7].

Figura 1
Forma do pilar de referência

Figura 2
Forma do pilar monolítico

Figura 3
Forma dos pilares reforçados P1, P2 e P3

Figura 4
Armação do pilar de referência (substrato)

Figura 5
Conectores e armação pilar reforçado (P1)

Figura 6
Conectores e armação pilar reforçado (P2)

Figura 7
Conectores e armação pilar reforçado (P3)

A superfície do pilar que recebeu o reforço foi preparada inicialmente recebendo uma escarificação por meio de uma hidrojateadora (hidrodemolidora) que projeta água em alta pressão (320 psi); em seguida os furos foram executados por meio de uma furadeira, controlando a profundidade dos mesmos, de forma que dentro do concreto do reforço, ficassem somente 15 mm da rosca do conector, Figuras [5], [6] e [7]. Por meio de marcação executada na forma dos pilares antes da moldagem destes, fez-se um gabarito, para que com o mesmo fosse possível marcar os furos sem atingir algum estribo. Após limpeza da superfície e dos furos com ar comprimido, os conectores foram posicionados e posteriormente, foram instaladas as forma nas laterais procedendo-se o umidecimento da superfície. Com as etapas anteriores cumpridas, a armação do reforço foi amarrada aos conectores. A moldagem do reforço foi executada com concreto autoadensável (CAA), na espessura de 35 mm, com resistência característica de 30 MPa.

2.2 Concreto substrato

Na moldagem dos pilares a serem reforçados (substrato) foi utilizado concreto usinado. Utilizou-se concreto auto-adensável (CAA), composto de cimento Portland (360 kg/ m³), areia natural fina (595 kg/ m³), areia natural grossa (175 kg/ m³), brita 0 (900 kgf/ m³), brita 1 (110 kg/ m³), água (180 l/ m³), aditivo polifuncional (2,7 l/ m³) e aditivos hiperplastificante (2 l/ m³), dosado para atingir uma resistência média à compressão de 30 MPa aos 28 dias.

A resistência à compressão do concreto foi obtida por meio de dois corpos de prova cilíndricos com dimensões igual a 150 mm de diâmetro e altura igual a 300 mm. Os valores da resistência à compressão do concreto na data do ensaio de cada pilar são apresentados na Tabela [2].

Tabela 2
Comparativo pilares e modos de ruptura

• Sub.: concreto do substrato (CAA); Ref.: concreto do reforço (CAA); f_c: resistência à compressão do concreto; P_{ult. leitura}: carga da última leitura do equipamento de coleta de dados; P_u.: carga última de ruptura; Desl. R3: deslocamento máximo lido no relógio R3; Desl. régua: deslocamento máximo lido na régua; ε_s,máx: deformação máxima lida no extensômetro da barra tracionada no substrato; ε_y: deformação de início de escoamento obtida para aço ensaiado; ε_c: deformação do concreto segundo ABNT NBR 6118:2014; EA: escoamento do aço; EC: esmagamento do concreto; DR: desplacamento do reforço

A resistência à tração do concreto foi determinada por meio do ensaio de dois cilindros de concreto, com as mesmas dimensões dos anteriores, utilizando-se o ensaio de compressão diametral. O módulo de elasticidade longitudinal também foi obtido por meio do ensaio de dois corpos de prova cilíndricos.

Escolheu-se um concreto de 30 MPa para obter a mesma resistência adotada por Omar ^[7] e Sahb ^[1]. O concreto foi produzido em central dosadora.

As resistências médias à compressão e à tração do concreto do substrato, na data dos ensaios, tiveram valores médios iguais a 44,2 MPa e 3,6 MPa, respectivamente, e o módulo de elasticidade longitudinal incial foi igual à 31,4 GPa.

Para determinação das propriedades do concreto do substrato, tanto no estado fresco, quanto no endurecido, foram seguidos os procedimentos prescritos nas seguintes normas: ABNT NBR 15823 ^[13], ABNT NBR 5738 ^[14], ABNT NBR 5739 ^[15], ABNT NBR 7222 ^[16], ABNT NBR 8522 ^[17].

2.3 Concreto do reforço

A moldagem do reforço dos pilares também foi feita empregando-se concreto autoadensável, com intuito de obter resultados semelhantes ao concreto do substrato (resistência à compressão e módulo de elasticidade). O mesmo foi moldado no laboratório de estruturas do CMEC (Curso de Mestrado em Engenharia Civil - UFG). Foi feito um estudo de dosagem, caracterizando os materiais e determinando o traço em massa do concreto utilizado na moldagem do reforço que foi igual a 1 : 2,05 ; 1,36 ; 1,14 ; 0,76 : 0,67 (cimento, areia natural, areia artificial, brita 0, brita 1 e relação água cimento - a/c). Para atingir a fluidez e coesão necessárias, ainda foram utilizados 0,6% de aditivo polifuncional, 0,4% de aditivo superplastificante e 6% de sílica ativa, ambos em relação ao consumo de cimento. Para obter as propriedades mecânicas do concreto utilizado, foram realizados os mesmos ensaios executados para o concreto do substrato.

As resistências médias à compressão e à tração do concreto do substrato, na data dos ensaios, tiveram valores médios iguais a 39,7 MPa e 3,8 MPa, respectivamente, e o módulo de elasticidade foi igual à 31,2 GPa.

2.4 Aço

Para obter as características dos aços empregados foram ensaiadas duas amostras para cada diâmetro (5,0 mm e 10,0 mm), utilizando-se o ensaio à tração simples de acordo com as orientações da ABNT NBR 6152 ^[11]. Foram determinadas pela média dos resultados das amostras o valor da tensão de escoamento e o valor de cada deformação específica relativa ao escoamento das barras de aço.

As barras de aço da armadura transversal e armadura do reforço com diâmetro igual a 5 mm não apresentaram patamar de escoamento bem definido, porém foi possível observar uma mudança de direção no gráfico tensão versus deformação, destes corpos de prova, determinando assim, a tensão de escoamento e a deformação específica dos mesmos, já as barras de aço da armadura longitudinal com diâmetro igual a 10 mm tiveram o patamar de escoamento bem definido, obtendo valores de tensão de escoamento e deformação específica igual a 575 MPa e 2,50 mm/m (‰) respectivamente. Para armadura de diâmetro igual a 5 mm, os resultados obtidos foram 720 MPa de tensão de escoamento e 3,5 mm/ m (‰) de deformação específica, respectivamente.

2.5 Chumbadores metálicos

Para solidarização do concreto do reforço com o substrato, foram utilizados parafusos chumbadores tipo PBA de 5/16" x 3 1/4" - C/P da ÂNCORA SISTEMAS DE FIXAÇÃO. Com diâmetro de 7,9 mm (5/16"), comprimento total de 82,55 mm (3 1/4"), carga de arrancamento média de 1430 kgf , considerando um furo com profundidade mínima de 40 mm e torque de aperto de 1,8 kgf.m, segundo catálogo técnico do fabricante.

2.6 Forma

A moldagem do substrato dos pilares de referência e monolítico foi executada com emprego de formas metálicas. O cobrimento 2,5 cm da armadura foi garantido com emprego de espaçadores plásticos, devidamente posicionados na armadura. Para concretagem do reforço, utilizou-se chapas de madeira compensada plastificada, espessura de 18 mm, posicionadas nas laterais dos pilares e fixadas por meio de grampos metálicos.

2.7 Instrumentação

Para medir as deformações das barras de aço da armadura longitudinal do substrato e da armadura do reforço, foram colados respectivamente oito e dez extensômetros elétricos de resistência (EER), do tipo PA-06-250BA-120-L, e também, quatro extensômetros na face mais comprimida do reforço do tipo PA-06-201BA-120-L, ambos da marca EXCEL. A leitura das deformações dos extensômetros foi realizada por meio do equipamento de coleta de dados AGILENT BenchLink Data Logger Modelo 34970ª, Figura [8].

Figura 8
Instrumentação empregada nos modelos

Para medição dos deslocamentos horizontais e verticais dos pilares, foram posicionados nove relógios comparadores, da marca Mitutoyo, com precisão de 0,01 mm, nomeados R1 à R9. Os relógios foram instalados com auxílio da base magnética, fixados em uma estrutura metálica de apoio e o cursor sobre chapas metálicas coladas no pilar conforme posições indicadas no projeto, Figura [8].

2.8 Análise experimental

Os pilares tinham dois metros de altura e dois consoles cuja finalidade foi permitir que a carga fosse aplicada excentricamente à seção central. A seção central representa a região de interesse da análise. O reforço dos consoles serviu apenas para garantir que a ruptura ocorresse na seção central. Os ensaios foram realizados no laboratório de estruturas da Universidade Federal de Goiás. O carregamento foi aplicado por meio de um atuador hidráulico, da marca Yelow Power, com capacidade nominal de 1500 kN, acionado por uma bomba hidráulica manual. O atuador hidráulico foi posicionado na parte inferior do pilar. Para controle do carragamento aplicado, foi posicionada uma célula de carga com capacidade de leitura de carga de 1500 kN (marca Kratos) na cabeça do pilar, como apresentado na Figura [9]. O carregamento foi aplicado considerando passos de carga de 100 kN, coincidindo simultaneamente com a leitura de todos os instrumentos.

Figura 9
Esquema geral do ensaio e pilar preparado para ensaiar

3, Resultados e discussões

Todos os pilares reforçados obtiveram força última maiores que o pilar de referência (P_ref) e próximas da carga do pilar monolítico (P_mon), mas ainda sendo menores.

A carga resistente esperada dos modelos estudados, foi definida com base em análise nas diversas pesquisas semelhantes já realizadas e também em função dos resultados da análise numérica dos mesmos.

Verificou-se que a utilização da armadura do reforço pouco influenciou, no comportamento dos modelos estudados e também não impediu o desplacamento do concreto do reforço. Todos os pilares apresentaram ruptura do tipo brusca, acarretada pelo desplacamento do reforço.

A diferença da resistência à compressão entre o concreto do substrato e o concreto do reforço, do pilar P1, foi de 5,9 MPa, do P2, 6,5 MPa e do P3, 18,9 MPa.

Os pilares reforçados apresentaram carga de ruptura superior como valores entre 3,96 a 4,28 vezes a carga do pilar de referência, como apresentado na Tabela [2]. Os pilares atingiram em média 94 % da carga do pilar monolítico.

Na Tabela [2] foi feita uma análise comparativa de todos os pilares, apresentando as características do concreto, forças últimas, maiores deslocamentos, maiores deformações e modos de ruptura.

Observou-se que houve surgimento de várias fissuras nos pilares reforçados, mas não foi possível verificar uma fissura crítica que pudesse provocar a ruptura, conforme aumento da carga, pois um dos pilares apresentou ruptura na região superior, um na região central e um na região inferior da superfície estudada, ocorrendo logo após o desplacamento do reforço.

Antes do desplacamento da camada de reforço, os pilares tiveram um comportamento semelhante ao pilar monolítico, tanto nos deslocamentos, como apresentado na Figura [10], quanto nas deformações. Os mesmos apresentaram uma tendência de escoamento do aço e esmagamento do concreto, Figuras [11] e [12], característica de ruptura dúctil, mas o desplacamento do reforço provocou uma ruptura brusca nos modelos. Já os pilares de referência e monolítico, tiveram uma ruptura mais suave, caracterizando uma ruptura relativamente dúctil e gradual.

Figura 10
Diagrama de carga versus deslocamento do relógio R3 de todos os pilares

Figura 11
Diagrama de carga versus deformação da barra mais tracionada

Figura 12
Diagrama de carga versus deformação da face mais comprimida

Os relógios comparadores foram removidos antes da ruptura dos pilares para não serem danificados; após a retirada dos relógios comparadores a leitura dos deslocamentos na posição do relógio R3, continuou sendo efetuada pelo monitoramento, à olho nu, através do deslocamento de uma trena, com escala milimétrica, devidamente fixada ao pilar. Os maiores deslocamentos foram verificados pela trena e pelo relógio comparador R3, posicionados na região central da face T dos pilares.

A Figura [11] apresenta as maiores deformações das armaduras tracionadas (face T). A Figura [13] apresenta a deformação das barras da armadura do reforço, na região mais comprimida (face C). As barras de aço com diâmetro igual a 10 mm (armadura longitudinal do substrato) e 5 mm (armadura do reforço), foram devidamente caracterizadas e obtiveram uma deformação de início de escoamento (εy) de 2,5 ‰ e 3,5 ‰, respectivamente.

Figura 13
Diagrama de carga versus deformação da "armadura de pele"

O limite para o esmagamento do concreto foi adotado, conforme indicado na ABNT NBR 6118 ^[5], 3,5 ‰, considerando o caso de flexo-compressão.

4. Conclusões

As forças últimas dos pilares P1, P2 e P3 foram em média 3,96 a 4,28 vezes maiores que a força última do pilar de referência e em média 94% da carga do pilar monolítico, confirmando a eficiência do reforço empregado e ressaltando a possibilidade do emprego deste tipo de reforço na reabilitação estrutural, considerando certo coeficiente de segurança, com objetivo de evitar o desplacamento da camada do reforço.

Os deslocamentos e as deformações verificadas nos pilares P1, P2 e P3 foram próximos ao do pilar monolítico, mas houve desplacamento da camada do reforço, acarretando uma ruptura brusca. A variação no espaçamento da armadura do reforço, pouco influenciou, nas cargas de ruptura e nos deslocamentos dos pilares estudados.

Em nenhum dos pilares estudados ocorreu ruptura dos parafusos chumbadores.

Portanto, a técnica de reforço empregada poderá ser utilizada em situações reais, contudo, faz-se necessário a utilização de coeficientes de segurança e uma análise minuciosa dos esforços da peça à ser reabilitada, para ser apresentado um modelo de dimensionamento adequado, que evitará o desplacamento e que atentada as recomendações normativas.

5. Agradecimentos

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES pelo apoio financeiro em forma de bolsa de mestrado ao primeiro autor. À Concreto Redimix do Brasil S.A. pelo fornecimento dos materiais para moldagem do concreto utilizado. Ao Sr. Divino Pedro Rocha pelo transporte dos materiais para caracterização. Ao Laboratório Carlos Campos Consultoria e Projetos Ltda pela caracterização dos materiais, o estudo de dosagem do concreto e disponibilização do equipamento e mão-de-obra para operação da hidrodemolidora. À PUC-GO pelos ensaios de tração das barras de aço.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  Out 2016

Histórico

• Recebido
  22 Out 2015
• Aceito
  06 Maio 2016