Em geral, tirantes de betão são provetes de secção cilíndrica ou prismática no qual é embebido um varão de aço nervurado ou liso colocado normalmente ao centro do provete em
que é aplicado uma força de tração sobre as duas extremidades do varão. Estas forças produzirão esforços de tração que serão transferidos do varão de aço para o provete de betão por intermédio da ligação aço / betão.
Quando um tirante em betão armado é sujeito a um carregamento de tração, quando a tensão principal de tração no betão atinge o valor da resistência à tração, uma macro-fissura surgirá na secção onde a resistência à rotura é mais baixa ou onde existe uma imperfeição geométrica. Isto produzirá uma descarga imediata do betão na proximidade da fissura. Devido a esta descontinuidade, as tensões normais são redistribuídas pela superfície de betão contígua à superfície do varão. Quando a resistência à tração é atingida numa outra secção, uma segunda fissura será criada, espaçada da primeira de uma certa distância, que representa o “comprimento de transferência” (Jaccoud [3.18]). Se continuarmos a solicitar o elemento estrutural, poderão ser criadas diversas fissuras até que a força aplicada não seja capaz de danificar o betão (Figura. 3.10). O espaçamento entre fissuras é então determinado para os comprimentos de transferência máxima e mínima observada no tirante.
Estes ensaios têm o objectivo principal de estudar as características específicas da fissuração no betão armado obtido com a presença de varões de aço. Isto inclui a distribuição, o número, o espaçamento e a abertura das fissuras no elemento de betão. Devido à sua simplicidade, o ensaio do tirante permite observar em particular a influência da degradação da ligação aço / betão sobre a configuração final do padrão de fissuração. Adicionalmente, este tipo de ensaio permite também apreciar outros efeitos igualmente relacionados com a existência da ligação, tal como a distribuição das tensões, e a redução da tensão radial pela interferência da concentração das forças de tração em pontos localizados.
De forma similar ao ensaio de arrancamento, este ensaio situa-se à escala do varão de reforço, contudo pode-se subclassificar de forma a relacionar o tamanho do tirante, por isso poderá chamar-se “tirantes curtos” a provetes com comprimento inferior a 1 metro, e “tirantes compridos” a provetes com comprimento superior. Durante muito tempo o tirante foi utilizado como anologia de parte de uma viga solicitada à tração entre duas fissuras. Contudo, a caracteristica principal deste tipo de ensaio (e ao mesmo tempo o seu principal defeito) é que o betão e o aço ao serem colocados em tração simultaneamente, não representa o caso mais usual de carregaemnto em elementos estruturais lineares em que a solicitação é do tipo tração-flexão.
Figura 3.10 – Evolução da fissuração com diferentes espaçamentos de fissuras de um tirante de betão armado [3.18].
3.2.3.1 O programa de investigação de Goto (1971)
O estudo da fissuração em tirantes, efetuado por Goto [3.9], forneceu uma quantidade elevada de informação qualitativa relativa à forma como se dá a transfêrencia de esforços entre o varão de aço e o betão na zona da ligação com precensa de dano, dado que ele concentrou os seus estudos sobre a acção mecânica da nervura do varão de aço sobre o betão.
Os provetes utilizados por Goto no seu trabalho de investigação, apresentavam a forma prismatica com secção de 100 x 100 mm2 e 1 m de comprimento. Ao centro do provete, foi colocado um varão nervurado standard de 19 mm de diâmetro. Ambas as extremidades do varão de aço foram submetidas a forças de tração para um carregamento máximo cujo valor se aproximou do limiar da tensão de cedência do aço. Foram colocadas duas condutas paralelas ao eixo do varão de aço onde foi possível efetuar uma injeção de tinta nas fissuras. Após a
remoção da força a que o provete estava sujeito, este foi serrado longitudinalmente por forma a se poder examinar a distribuição das fissuras internas (Figura 3.11).
As contribuições destes ensaios:
1) A fissuração inicial apresenta um padrão de fissuras radiais que se propagam na direção da superfície externa do provete de betão com uma inclinação média de cerca de 60º. Na zona da interface danificada, existe um deslizamento mínimo, sendo contudo a interação mecânica entre as nervuras do varão de aço e o betão o mecanismo dominante.
2) No inicio do dano, a relação entre a força tangencial da ligação e a força radial transferida é igual a 1⁄√3 (efeito de engrenagem). A força radial produz tensões circunferenciais de tração em torno do varão de aço.
3) A ação das nervuras sobre os ressaltos de betão traduz-se em deformações radiais em volta do varão de aço, que contribui para a criação de fissuras longitudinais devido ao dano em tração do betão, ou seja, o inicio de uma fissura longitudinal é condicionada pela resistência máxima à tração do betão.
4) Considerando um carregamento elástico uniformemente distribuido sobre a superficie da fissura longitudinal, pode-se obter uma relação de 0.2 a 0.4 entre a tensão normal (ou radial) e a tensão tangencial na interface quando se inicia a fissura. Contudo, se a resitência máxima à tração na fissura longitudinal é atingida, o seu valor situar-se-á entre 0.84 e 1.6, pode-se então dizer que a tensão normal passa a ser mais importante que a tensão de corte na interface.
Os inconvenientes:
1) Ter perfurado o provete para injecção de tinta poderá afetar quantativamente os resultados mas não impede a obtenção de dados para a realização do estudo qualitativamente.
2) A relação entre as tensões normais e tangenciais na ligação não tem em consideração os efeitos do confinamento, nem a pressão lateral, ou a verdadeira resposta depois dos carregamentos ciclícos.
a) b)
Figura 3.11 – Ensaio de Goto com um tirante em betão: a) Configuração do ensaio; b) fissures internes et distribuição das forças sobre a ligação [3.9].
3.2.3.2 O ensaio do tirante de Clément (1987)
Este ensaio foi realizado no Laboratoire de Mécanique et Technologie, Ecole Normale
Supérieure Cachan no âmbito da tese de Clément [3.10]. Consiste num tirante prismático
moldado em microbetão de dimensões 10x10x68 cm3 (Figura. 3.12) armado com um varão de aço de alta aderência de 10 mm de diâmetro (TOR H.A.10). As características do microbetão são: resistência à compressão, fc=32 MPa; resistência à tração, ft=2.8 MPa. Relativamente à
instrumentação, sete extensómetros foram colocados ao longo do varão de aço e cobertos com um produto de proteção (Figura 3.13). Depois da moldação, os extensómetros do betão foram posicionados no alinhamento dos extensómetros do aço. O tirante foi submetido à tração na posição horizontal sobre a estrutura de ensaio. Os ensaios foram efectuados em controlo de deslocamento monotónico crescente, de forma quase estática.
Nos sete ensaios realizados, uma condição essencial foi obter a rotura do provete por fissuração externa do betão, enquanto a armadura se encontrava na zona de resistência elástica. O autor também queria ter uma única fissura fora do plano de simetria do tirante (Figura 3.14). Clément obteve fissuras numa distância medida desde o topo do tirante compreendidas entre 21 e 31.5 cm.
Figura 3.13 – Distribuição dos extensómetros no tirante [3.10].
a) b)
Figura 3.14 – Resultados globais do ensaio: a) posicionamento da fissura; b) curva força-deslocamento dos diferentes ensaios [3.10].
As contribuições destes ensaios são:
1) Identificou-se quatro zonas com comportamento mecânico distinto. Uma primeira zona quase linear; uma segunda não linear, que traduz a perda de rigidez do tirante resultando da degradação local progressiva da ligação aço / betão; uma redução severa do esforço de aderência de um valor máximo a um valor residual mais fiável (correspondente ao aparecimento da macro-fissura desejada); e um comportamento quase linear do tirante fissurado aproximando-se do comportamento de um varão submetido apenas à tração.
2) Antes da leitura das deformações locais, observaram que o betão se encontrava sem degradação na zona central da ligação do tirante. Pelo contrário, a ligação estava danificada em mais de um quarto do comprimento do tirante, com um comportamento não linear (Figura 3.15).
Os inconvenientes:
1) O programa de investigação é limitado, dado que apenas 7 provetes foram ensaiados, por outro lado, as variáveis da resistência do betão e diversos diâmetros não foram estudadas.
2) Um grande inconveniente é o de ter de interromper o ensaio no início do surgimento da primeira fissura, pelo que não permite verificar o aparecimento de novas fissuras e, consequentemente, a distribuição e o espaçamento entre fissuras.
a) b)
Figura 3.15 – Curvas experimentais força-deslocamento: a) com o extensómetro do betão; b) com o extensómetro do aço [3.10].
3.2.3.3 O ensaio do tirante de Daoud (2003)
Entre os estudos do comportamento da ligação aço / betão efetuados recentemente, pode-se citar o trabalho de Daoud [3.11], no qual o objectivo principal é o de compreender o comportamento da interface aquando da utilização de betão auto-compactável (BAC) em substituição do betão vibrado (BV). O provete utilizado foi um tirante prismático de 10x10x100 cm3, com um varão de aço colocado no centro do provete, liso ou nervurado, de 12, 16 e 20 mm de diâmetro (Figura 3.16). O betão auto-compactável, tem uma resistência à compressão de fc=42 MPa, e o betão vibrado tem uma resistência à compressão de fc=45 MPa.
As contribuições destes ensaios:
1) Os ensaios experimentais demonstraram que não há diferença na fissuração depois de se empregar o betão auto-compactável em vez do betão vibrado tradicional (Figura 3.17).
2) O programa de investigação foi muito completo, e muitos parâmetros tais como o efeito da rugosidade dos varões, as dimensões dos varões, a modelação, etc. foram estudas em detalhe.
Os inconvenientes:
1) Na realidade, os efeitos de escala não tiveram em consideração, que a variação do diâmetro tem influência na redução do volume de betão do provete e por consequência a resistência global do betão também se reduz.
2) Dados importantes tais como a velocidade de deformação e a área relativa das nervuras não foram disponibilizadas no estudo.
Figura 3.16 – Tirantes ensaiados por Daound com diferentes diametros e diferentes tipos de betão (BAC e BV): distribuição e espaçamento das macro-fissuras ( [3.11].
Figura 3.17 – Curvas tensão/deformação subre o aço [3.11]. 3.2.4 ENSAIOS DE VIGA
Estes ensaios têm por objetivo observar do ponto de vista estrutural o efeito da degradação da ligação em combinação com outros fenómenos mecânicos, tais como a flexão, corte ou
BCA-12 mm-HA BV-12 mm-HA
sobre o varão de aço, a fragmentação do betão, o ancoragem mecânico e a sobreposição das armaduras.
O ensaio é efetuado geralmente numa viga de betão armado sujeita a flexão em 3 ou 4 pontos, na qual o comportamento mecânico é expresso normalmente em termos de força aplicada/deslocamento vertical (flecha). Em alguns casos e em função dos objetivos da investigação, é colocada uma quantidade mínima de reforço longitudinal na zona de flexão sem reforço transversal, de forma a testar a capacidade da ligação em torno do varão de aço Figura 3.18 a).
Existe igualmente uma versão alternativa deste tipo de ensaios, chamada de “ensaio de extremidade da viga”, que tenta evitar os inconvenientes do ensaio de arrancamento. Neste ensaio, o comprimento de contacto entre o betão e o aço é em média 10 vezes o diâmetro do varão, e o recobrimento de betão é quase constante e a uma cota mínima do varão (em média 50 mm do centro do varão) Figura 3.18 b).
Sem dúvida, pode-se posicionar o ensaio da viga à escala do elemento estrutural. Pelo contrário, o ensaio de extremidade da viga surgiu como uma alternativa ao ensaio de arrancamento, pelo que é difícil de posicionar o na mesma escala do ensaio da viga. No entanto, pode considerar-se que ele se insere à escala do varão de aço, apesar das cargas e da implementação corresponderem mais ao ensaio de viga em flexão.
Os ensaios de viga respondem muito bem às necessidades imediatas dos engenheiros estruturais de projeto, que necessitam de soluções práticas para o problema da segurança estrutural, mas para caracterizar o comportamento local da ligação eles não são verdadeiramente eficazes. No primeiro estado de degradação da ligação, é quase impossível determinar o nível de dano da interface em torno das armaduras. No entanto, segundo alguns estudiosos, pode-se considerar que uma vez que se tenha ultrapassado a resistência máxima de aderência, a degradação desta é condicionada pela conjugação de outros mecanismos ligados à estrutura, podem-se tomar esses testes para avaliar a influência dos mecanismos estruturais na resposta da ligação.
Apenas será apresentado uma breve referência em relação a dois programas de investigação efetuados recentemente relativo a vigas em flexão, dos quais existe uma boa documentação e que estudam especificamente a degradação da ligação aço / betão.
a)
b)
Figura 3.18 – a) Ensaio clássico de vigas, b) ensaio de extremidade da viga (por Cairns et Plizzari) [3.3].
3.2.4.1 Avaliação da perda da ligação em vigas por Molina, et al. (2002)
Molina et al. [3.12] estudou a resposta de vigas em betão armado com distintas componentes de ligação de aço. Avaliou a influência direta no comportamento dos seguintes parâmetros: a resistência do betão, a percentagem de deterioração da ligação, a espessura do revestimento de confinamento para reforço passivo.
O programa de investigação consistiu em ensaiar vigas submetidas à flexão, sendo os provetes agrupados em quatro séries função do parâmetro estudado (Figura 3.19). Na série A, as vigas têm um comprimento de 3000 mm com elevado grau de confinamento, e 3 espessuras diferentes de recobrimento: 0, 10 e 20 mm. As vigas da série B têm um grau de confinamento baixo e as espessuras de recobrimento: 0, 10 e 20 mm. A degradação parcial da ligação foi estudada nos ensaios da série de provetes C: nestas vigas, o comprimento de ligação foi alterado pela colocação de tubos plásticos em volta do varão em certas zonas do reforço. As percentagens de deterioração da ligação controladas foram 30, 55 e 73%. Finalmente na série D, o betão tinha uma resistência à compressão fc=51 MPa (para as restantes vigas ensaiadas,
as da série B, foram carregadas em dois pontos (flexão em 4 pontos), com um carregamento monotónico crescente, Figura 3.20 a).
As contribuições destes ensaios:
1) De acordo com os resultados experimentais, para as mesmas condições geométricas e de carregamento, a flecha ao centro da viga aumentou com a diminuição do comprimento de ligação do varão. Para alcançar a rotura da viga, em todos os casos a carga necessária foi significativamente inferior com a degradação da ligação.
2) Em conformidade com a Figura 3.20 b), no caso do betão mais resistente (fc=51 MPa),
uma degradação significativa da ligação conduz à rotura do elemento estrutural para as cargas consideravelmente mais baixas.
3) Mesmo para níveis de degradação da ligação muito elevados, a existência do reforço transversal aumenta a resistência da viga.
Figura 3.19 – Geometria e distribuição do reforço nas vigas [3.12].
a) b)
Figura 3.20 – a) Vista geral do ensaio, b) relação entre a perda da ligação e a carga final [3.12].
3.2.4.2 Influência das condições de carregamento na resistência da ligação por Turk et al. (2005)
No trabalho desenvolvido mais recentemente por Turk et al. [3.13] é abordado o estudo da resistência da ligação em vigas com um betão de baixo teor em água e armaduras de aço com recobrimento, situações normalmente encontradas nas estruturas reais em betão armado.
Foram ensaiados três diâmetros diferentes (12, 16 e 22 mm), empalando os varões nas zonas de momento constante, com o objetivo de obter tração em dois varões do mesmo tamanho. Para cada diâmetro, foram ensaiadas nove vigas, com a aplicação de uma força axial adicional em 6 provetes, de maneira a ter uma flexão induzida por bambeamento (Figura 3.21). A resistência à compressão do betão utilizado foi fc=30 MPa; o comprimento do recobrimento
dos varões foi escolhido de forma a que os varões de aço produzissem uma fissura longitudinal no revestimento do betão sem alcançar o limite elástico do aço.
As contribuições destes ensaios:
1) Como esperado, a carga máxima de rotura é reduzida com a utilização de varões de diâmetro inferior, e a flecha máxima ao centro da viga cresce (Figura 3.22 b) e c)). Os autores constataram igualmente que a abertura das fissuras diminui progressivamente à medida que reduzem os diâmetros dos varões de aço. Contudo, o número das fissuras aumenta no caso das vigas que são sujeitas uma flexão adicional induzida. 2) Ao examinar a fissuração nas faces inferiores e laterais da viga, foi possível observar
nitidamente que as fissuras se desenvolveram maioritariamente na zona de sobreposição dos varões de aço (Figura 3.22 a)). Segundo os autores, isto indica que a ligação entre os varões é atingiu a sua capacidade máxima.
3) Quando se introduz uma flexão induzida por aplicação de uma força axial, a resistência global da viga aumentou independentemente do diâmetro dos varões de aço das vigas.
4) O ponto de maior interesse desta investigação está associado à tentativa de compreensão dos mecanismos reais que ocorrem durante a recuperação dos varões de aço, que são procedimentos clássicos na construção de elementos estruturais em betão armado.
Os inconvenientes:
1) A aproximação experimental é insuficiente para avaliar quantitativamente a resistência da ligação aço-betão; a diferença da resistência da ligação entre os varões de aço (recuperação) e a ligação aço / betão também não é bem definida.
2) Ao introduzir-se uma força axial está a dificultar a apreciação dos mecanismos que atuam na resposta global das vigas.
Figura 3.21 – Implementação do ensaio e geometria do provete [3.13].
b)
a) c)
Figura 3.22 – Ensaio de vigas. a) distribuição das fissuras a meio vão da viga, b) relação entre a carga máxima e o diâmetro dos varões, c) relação entre a resistência da ligação e o diâmetro do varão [3.13].