Utilization of hybrid systems

2.3.1 Considerações gerais

O comitê ACI 239:2012 propõe a definição de concreto de ultra-alto desempenho (CUAD), como aquele material de “[...] concreto que possui resistência à compressão mínima de 150 MPa, com requisitos mínimos de durabilidade, elasticidade, ductilidade e tenacidade”. Para alcançar os requisitos especificados, usualmente são adicionadas fibras nas matrizes cimentícias. De acordo com o relatório FHWA-HRT-13-060, fornecido pelo U.S. Department of Transportation – Federal Highway Administration (2013), FHWA, o concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) apresenta resistência à tração entre 20 a 50 MPa e resistência à compressão entre 150 a 250 MPa, superando a marca de 120 MPa do concreto de alto desempenho (CAD).

Conforme Perry, Parsekian e Shrive (2017), o CUAD é usualmente composto por areia muito fina (<400 m), pó de quartzo moído, cimento Portland, sílica ativa, aditivos e 2% de fibras, usualmente microfibras metálicas com comprimento de 12 mm e diâmetro de 0,2 mm. Devido à baixa porosidade e baixa permeabilidade, o material apresenta alta durabilidade e consequentemente resultando em estruturas com pouca manutenção. Sua alta resistência permite menor comprimento de traspasse da armadura. O CUAD, devido as características supracitadas, permite o seu uso em elementos leves e delgados, aplicado com mais frequência em elementos pré-moldados protendidos, em ligações com concretagem no local e na recomposição de estruturas deterioradas.

De acordo com Carnio (2017), as fibras utilizadas em elementos de concreto são divididas conforme a origem do material: metais, cerâmicos e polímeros sintéticos ou naturais. As fibras metálicas de aço carbono são as mais utilizadas em elementos de CUAD e contemplam grande variedade geométrica. As fibras cerâmicas mais comuns em elementos de concreto são as de vidro, carbono e asbesto, também conhecido como amianto. As fibras poliméricas sintéticas mais comuns são as de polipropileno (material termoplástico), polietileno e poliamida, também conhecido como náilon. O uso de fibras vegetais é comum em elementos de gesso, porém em materiais cimentícios não obteve sucesso, devido a rápida degradação dos compostos ocasionada pela elevada alcalinidade da água nos poros da matriz de cimento.

De acordo com o relatório FHWA-HRT-13-060 do FHWA (2013), a adição de fibras metálicas no concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) garante o seu comportamento dúctil, desta forma permite dispensar o uso de armadura passiva, especialmente em elementos protendidos sob flexão. Com o uso do CUAD também é permitido dispensar o uso de armadura transversal, desta forma o cisalhamento é resistido integralmente pelo CUAD. Em

elementos pré-moldados de CUAD com seção composta, para garantir a ligação entre o elemento pré-moldado com o moldado no local, a armadura transversal é utilizada apenas com função de conector de cisalhamento.

2.3.2 Aplicação

Conforme o relatório FHWA-HRT-13-060 do FHWA (2013), o custo inicial do CUAD excede em muito o custo do concreto convencional. Consequentemente as aplicações tem como objetivo otimizar o seu uso, por meio da modificação e da redução da seção transversal dos elementos de concreto. Conforme já explanado, o produto apresenta alta durabilidade, deste modo, é esperado que as estruturas apresentem maior vida útil e exijam menor manutenção, quando comparadas com as estruturas de concreto convencional.

Em 2000 nos Estados Unidos, o CUAD é disponibilizado por algumas empresas para o mercado consumidor, como por exemplo o Ductal®, desenvolvido e patenteado pela cimenteira LafargeHolcim. Desde 2001 o U.S. Department of Transportation – Federal Highway Administration trabalha com pesquisas sobre o uso de CUAD nas obras de infraestrutura rodoviária. Esse trabalho de pesquisa levou o uso de CUAD a várias aplicações em pontes, com destaque para vigas pré-moldadas protendidas, painel pré-moldado nervurado e como material de ligação entre elementos pré-moldados (FHWA, 2013).

De acordo com Blais e Couture (1999), a primeira utilização CUAD foi em 1997 no Canadá, com a construção de uma passarela com vão de 60 m na cidade de Sherbrooke (Figura 2.16). A superestrutura da passarela é composta por tabuleiro com espessura de apenas 3 cm e por treliça espacial com altura de 3,00 m. A treliça espacial é formada por banzos de CUAD com resistência à compressão de 200 MPa e por diagonais em tubos de aço inoxidável (diâmetro de 15 cm) preenchidos sob pressão com CUAD de resistência à compressão de 350 MPa. A fabricação da estrutura foi segmentada em 6 módulos pré- moldados, com comprimento de 10 m e largura de 3,3 m. A solidarização dos elementos pré- moldados foi realizada mediante o uso da pós-tração.

Em 2006, no Condado de Wapello nos Estados Unidos, foi construída a primeira ponte rodoviária rural com uso de CUAD, a ponte Mars Hill com vão de 33 m, ilustrada na Figura 2.17. A superestrutura da ponte é composta por três vigas pré-fabricadas com CUAD, de seção transversal bulb-tee com altura de 115 cm, e tabuleiro moldado no local com concreto convencional, de espessura de 20 cm e largura total de 7,5 m. As longarinas foram produzidas com 49 cordoalhas de aço de protensão com diâmetro de 15,2 mm e com ausência de armadura passiva de flexão e de cisalhamento. Ao longo da face superior das longarinas pré- moldadas foram posicionados conectores de cisalhamento em forma de U para garantir a

ligação com o tabuleiro moldado no local. Anterior a fase de construção da ponte, vigas em escala real foram ensaiadas na Iowa State University para avaliar o comportamento ao cisalhamento e à flexão (ENDICOOT, 2007).

Figura 2.16: Passarela Sherbrooke com treliça espacial de CUAD

Fonte: Lafarge (2009)

Figura 2.17: Ponte Mars Hill com longarinas de CUAD

(a) ponte rodoviária em Iowa com vão de 33 m (b) transporte de viga isostática protendida

Fonte: Endicott (2007)

Em 2011, no Condado de Wapello em Iowa, foi construída a primeira ponte rodoviária com todo o tabuleiro em CUAD, a ponte Little Cedar Creek com vão de 18 m e largura de 10 m. A Figura 2.18 ilustra as diferentes fases de construção da ponte Litte Cedar Creek. A superestrutura da ponte é composta por 5 vigas protendidas espaçadas a cada 2,23 m e 14 painéis nervurados, ambos pré-fabricados com CUAD. A seção transversal da superestrutura da ponte é composta por dois painéis nervurados, conectados na linha central da ponte e apoiados sobre as 5 vigas. Cada painel nervurado foi produzido com 20 cm de espessura,

dimensões em planta de 2,40x4,60m² e com nichos de cisalhamento para concretagem no local. Todas as ligações entre painéis adjacentes e painéis com vigas foi utilizado o CUAD. O tabuleiro pré-moldado em CUAD é a própria pista de rolamento (FHWA, 2013).

Figura 2.18: Ponte Little Cedar Creek com tabuleiro de CUAD (a) vista superior do tabuleiro pré-moldado

durante a fase de construção

(b) vista inferior do tabuleiro nervurado após a fase de construção da ponte

Fonte: Lafarge (2016)

Devido às características de desempenho já apresentadas, o CUAD pode ser utilizado em diversas aplicações estruturais, tais como: pontes e viadutos; barragens; torres eólicas; túneis; pré-moldados; e reforço estrutural. Devido a granulometria utilizada, o CUAD permite reproduzir texturas com precisão e pode ser utilizado com pigmentação, para utilização em diversas aplicações arquitetônicas, como: painéis de fachada; fachadas perfuradas; brises; marquises; coberturas leves; e cobogós. O CUAD começa a se destacar mundialmente, através de sua aplicação em diversas obras, com destaque para as utilizações na América do Norte (Estados Unidos e Canadá), Japão e Europa (principalmente na França, Alemanha e Suiça). Em 2016, foi realizada a primeira obra no Brasil com a utilização de CUAD, fachada em painel arquitetônico do Ministério das Relações Exteriores em São Paulo (MULLER; KOELLE; ALMEIDA, 2017).