Análise comparativa de resistência a impactos em pórticos de concreto armado por fios de aço de médio e alto teor de carbono

Existem dois tipos de carregamentos que podem ser aplicados a uma estrutura quanto a velocidade de carregamento, sendo eles estático ou dinâmico. O carregamento dinâmico acontece por meio de um impacto e se caracteriza pela variação do módulo de sua intensidade em função do tempo.

No carregamento estático este valor permanece constante ao longo do tempo. Para uma melhor compreensão do comportamento de uma estrutura submetida a uma carga dinâmica devem-se entender primeiramente os conceitos básicos dos esforços que atuam sobre a mesma.

Em pequenas estruturas em que a área de aço longitudinal é bem maior que a transversal, o cisalhamento é a principal força responsável pelo colapso e atua nas vigas, formando um ângulo de 45° em relação ao eixo longitudinal, partindo dos apoios e diminuindo sua intensidade à medida que vai se afastando das extremidades.

De forma contrária, a flexão apresenta-se mais acentuada no terço central da viga e diminui sua intensidade à medida que se aproxima dos apoios. Os esforços axiais são divididos em duas classes, sendo eles de tração e de compressão, que tendem a criar fissuras paralelas à seção da viga. Por fim, a torção que atua em estruturas provoca fissuras helicoidais ao longo de todo o comprimento da viga.

Os testes de resistência ao impacto (Crash Test) são bastante utilizados na indústria automobilística para avaliar e projetar automóveis cada vez mais seguros. Já na área da engenharia civil testes dessa mesma espécie geralmente não são realizados já que o produto com a qual a mesma trata é estático.

No entanto, existem raros casos em que se aplicam testes de resistência ao impacto, um exemplo bem conhecido se dá pela utilização do esclerômetro de Schmidt, onde, para avaliar a resistência à compressão de uma peça de concreto, um sistema com uma mola produz um impacto, medindo assim a resistência pontual na região de contato com o mesmo.

Para vários estudantes das escolas de engenharia espalhadas por todo Brasil, o Instituto Brasileiro de Concreto (IBRACON), promove anualmente uma competição cujo objetivo é produzir um pórtico de concreto armado que resista a sucessivos impactos para proteger um ovo, conhecido como Aparato de Proteção ao Ovo (APO). Existem diversos fatores que influenciam na resistência ao impacto, dentre elas: a resistência do concreto; a cura; a relação água/cimento (a/c) e o teor de carbono nos fios de aço da armadura, sendo este, o objetivo do atual estudo.

Para carregamentos que variam rapidamente com o tempo sobre a estrutura, denomina se o mesmo de carregamento dinâmico. Estes tiram a estrutura da sua condição de equilíbrio, ela se movimenta e seus componentes apresentam variações consideráveis de velocidade, estando sujeitos, portanto, a acelerações.

Como os elementos da estrutura têm massa, sobre os efeitos das acelerações presentes, surgirão forças de inercia nessas massas, de acordo com o princípio fundamental da dinâmica. A presença de forças elásticas e forças de inércia gera a presença do fenômeno das vibrações mecânicas, que tem grande repercussão na maioria dos projetos submetidos às cargas dinâmicas.

Quando um agente externo excitador, como um impacto gerado de forma periódica, fornece energia a um sistema. Caso a frequência de excitação coincidir com uma das frequências naturais do sistema estrutural, o correspondente, ao modo natural de vibração é excitado e amplificado. Portanto o sistema vibra com amplitudes cada vez maiores, podendo levar ao colapso da estrutura. Obviamente, é necessário que a energia fornecida nos impactos na prática deve ser maior que a energia perdida em cada ciclo decorrente da presença dos amortecimentos, a esse fenômeno se dá o nome de ressonância.

Para realizar uma análise comparativa foram produzidas duas estruturas que apresentavam como diferença o aço utilizado na confecção da armadura do pórtico, sendo a primeira composta por aço com alto teor de carbono e bitola de 1,2mm e a segunda composta por aço com médio teor de carbono e bitola de 1,65mm.

A configuração das armaduras foi modelada a partir do edital que regulamentava a competição, e seus posicionamentos foram idênticos para ambos os pórticos. Os pórticos foram concretados com a mesma dosagem de concreto, visto que o objetivo principal foi comparar as diferenças entre as características do aço das armaduras. Para isso foi realizado um traço único de concreto de alto desempenho (CAD).

Juntamente com a produção dos pórticos, foram também moldados nove corpos de prova nas dimensões de 50mm x 100mm em que foi obtida a resistência do concreto a compressão axial. Nas idades de 7, 14 e 28 dias. O traço utilizado é apresentado na tabela a seguir.

Traço de concreto

O método de cura utilizado tanto para os copos de prova quanto para os pórticos, se deu através da cura térmica. Após o desmolde dos mesmos de suas respectivas formas, todos foram submersos na água em temperatura ambiente, em que por meio de um resistor a temperatura foi elevada ate 90°C e mantida constante até o dia dos ensaios de compressão axial e de impactos. Os pórticos foram submetidos ao ensaio de resistência aos impactos na idade de 28 dias.

As armaduras produzidas possuíam oito fios de aço na seção longitudinal da viga e seis fios de aço nas seções longitudinais de cada pilar, os estribos foram posicionados na viga formando um ângulo de 45º com a horizontal de forma a tentar combater o cisalhamento que atua na viga, sendo utilizados seis estribos para toda a viga e quatro estribos posicionados ao longo dos dois pilares, totalizando dez estribos.

Foram utilizadas também as armaduras de cavalete na viga do pórtico. A figura abaixo apresenta a vista frontal e lateral do pórtico,

Vista frontal e lateral do pórtico.

O projeto da armadura foi o mesmo para ambos os pórticos. Todas as dimensões foram feitas tomando como unidade de medida o milímetro.

Projeto estrutural da armadura

O material empregado foi o aço 304L, fornecido na forma de fios com diâmetro de 1,65 mm e composição com teor médio de carbono. Esse material apresenta resistência à tração de 1781 MPa, com desvio padrão de 2 MPa. A Tabela a seguir mostra a composição química do aço, conforme especificado pelo fabricante.

Composição química de aço de médio teor de carbono.

O arame utilizado com alto teor de carbono possui diâmetro de 1,20mm, com uma resistência a tração de 2385 MPa com um desvio padrão de 2 MPa, sua composição química é dada a seguir na tabela abaixo.

Composição química de aço de alto teor de carbono.

A seguir, são apresentadas as duas armaduras de médio e alto teor de carbono, após o processo de dobra realizado conforme o projeto.

Armaduras produzidas

A seguir, são apresentados os pórticos confeccionados com diferentes tipos de armaduras: à esquerda, o pórtico executado com armadura de alto teor de carbono; à direita, o pórtico executado com armadura de médio teor de carbono.

Pórticos de concreto armado

Os ensaios de compressão axial foram realizados segundo a norma NBR 5739:2007. Os corpos de prova foram rompidos nas idades de 7, 14 e 28 dias respectivamente após sua retirada da cura térmica. A tabela a seguir mostra à resistência a compressão em (MPa).

Resultado dos testes de resistência á compressão

Os testes de rompimento ao impacto foram divididos em três fases. Inicialmente um peso de 10kg de formato cilíndrico foi suspenso por um eletroímã a uma altura de 1,50m. Após ser suspenso, o eletroímã foi desligado, fazendo o peso despencar, gerando um impacto no pórtico. O mesmo processo foi realizado com as alturas de 2,25m e 3,00m respectivamente, em ambos os pórticos.

A estrutura foi posicionada sobre um gabarito de aço que possui seção vazada para seu preenchimento com as sapatas do pilar. Também foi feita a amarração do mesmo com o auxílio de anilhas que serviram como apoio para um cabo de forma a impedir a rotação com o impacto. A figura mostra a realização do ensaio momentos antes do peso colidir no pórtico.

Realização de ensaio de impacto.

O impacto pode ser classificado em duas subdivisões quanto à velocidade final que o mesmo atingira antes da colisão, sendo elas: baixa e alta velocidade. Considera-se baixa com velocidade de até 10m/s e alta com velocidade superior a esta.

Como o peso suspenso ficou no máximo a uma altura de 3,00m, fazendo uso da equação de Torricelli, (𝑉𝑓² = 𝑉𝑖² + 2𝑔𝑡). Obteve-se uma velocidade máxima de 7,66m/s, portanto o impacto em questão é considerado de baixa velocidade.

A colisão entre dois corpos pode ser classificada em três tipos em relação a sua energia cinética. A primeira é a colisão parcialmente elástica, quando uma parte da energia cinética se conserva imediatamente após a colisão, em que a velocidade de afastamento dos corpos é inferior a velocidade de aproximação em módulo, tendo assim uma perda de energia cinética durante a colisão que é dissipada por meio de deformação, ruído, vibração, dentre outras formas de dissipação de energia.

No caso de colisões perfeitamente inelásticas, ocorre que imediatamente após a colisão, existe a total perda da energia cinética durante a colisão, fazendo com que a velocidade de afastamento entre os corpos envolvidos seja vetorialmente nula.

Por fim, existe a colisão perfeitamente elástica, em que existe a conservação da energia cinética total, e a velocidade de aproximação entre os corpos é igual a velocidade de afastamento em módulo segundo.

No presente estudo, o caso em que existe a colisão inelástica se aplica perfeitamente ao impacto do peso cilíndrico sobre o pórtico, devido à velocidade de ambos os corpos serem zero imediatamente após a colisão. Por meio da teoria da conservação da quantidade de movimento tem-se que;

No primeiro impacto realizado no pórtico com fios de aço com alto teor de carbono ocorreu à ruptura parcial do concreto na fibra superior e a fissuração por esmagamento do concreto na fibra inferior, além do desprendimento do concreto na parte superior da viga, deixando a armadura negativa exposta.

No segundo impacto, houve ruptura por flexão na fibra superior, mediante o impacto do peso cilíndrico na região superior. No último impacto, toda a estrutura já estava comprometida devido às avarias sofridas nos impactos anteriores.

Com o impacto de 3,00m o pórtico veio a colapso total pelos esforços de flexão e cisalhamento. O teste realizado no pórtico de médio teor de carbono, em seu primeiro ensaio ao impacto, teve ruptura superficial do concreto na fibra superior. Ocorreu também a fissuração em um de seus consolos devido ao cisalhamento gerado no impacto. No segundo impacto, a tensão de cisalhamento ocasionou o rompimento do pilar e associado com a flexão causou o rompimento da viga, deixando a armadura exposta.

No terceiro impacto, a estrutura também colapsou, no entanto, de forma mais brusca, rompendo em diversos pontos: por cisalhamento no pilar, torção no consolo e flexão e cisalhamento na viga. As figuras na sequência mostram o resultado da ação dos esforços após cada impacto, em ambos os pórticos com alto e médio teor de carbono respectivamente.

Como resultado dos testes ao impacto, foi notório que a armação com fios de aço de alto teor de carbono em relação à armação produzida com aço de médio teor de carbono teve uma maior resistência.

A estrutura com a armadura de menor diâmetro suportou os impactos com menores avarias ao longo de todos os testes, além de não ter rompimentos pontuais como foi sofrido pelo outro pórtico na viga, pilar e nos consolos. As áreas de aço longitudinais nas duas estruturas foram de 1,13 × 10−6m² para os fios com alto teor de carbono 2,13 × 10−6m² para os fios com médio teor de carbono.

Foi considerado que mesmo com a diferença de diâmetro, que representa uma área de aço de 88,49% a mais no pórtico de médio teor de carbono em relação ao aço de alto teor de carbono. No entanto o pórtico de armadura com alto teor de carbono teve um melhor desempenho.

A elevada dureza dos fios de aço com alto teor de carbono, mesmo sendo levado em consideração o seu diâmetro como sendo inferior ao outro, foi significativamente mais resistente do que a armadura produzida com fios de aço de médio teor de carbono, visto que uma estrutura mais rígida permite menores deformações, resistindo melhor a todos os impactos aplicados a ela.

Isso se deve principalmente às propriedades que os dois tipos de aço possuem. Enquanto o aço de médio teor de carbono tem maior ductilidade e fácil manuseio, o aço de alto teor de carbono possui maior dureza e resistência. Isso ocorre devido não só às ligações a mais entre o ferro e o carbono, mas também devido ao tratamento que é dado ao mesmo no processo de tempera e no endurecimento que afeta o exterior, criando uma superfície mais dura.

No entanto, a porcentagem a mais de carbono na produção do aço, faz com que o mesmo se torne mais frágil, fazendo com que o escoamento ao atingir o limite de resistência tenha pouca ou nenhuma redução de área imediatamente antes de sua ruptura. Enquanto que o aço com menor teor de carbono, tem a propriedade de ser mais dúctil, sendo capaz de absorver choques e grande transferência de energia quando sobrecarregado, já que possui grande deformação antes de seu rompimento.