SOLUES INDUSTRIALIZADAS PARA CASCAS DE BETO COM ELEMENTOS CERMICOS INCORPORADOS

P.B. LOURENO Prof. Associado EEUM Guimares

J.A.O. BARROS Prof. Auxiliar EEUM Guimares

J.T. OLIVEIRA Doutoranda EEUM Guimares

SUMRIO A presente comunicao apresenta resultados de um projecto em curso, tendo em vista definir uma soluo competitiva para cascas de beto armado com elementos cermicos incorporados. As solues tecnolgicas consideradas, que incluem pr-fabricao parcial e total so discutidas, os ensaios experimentais e os seus resultados analisados e os prottipos a serem construdos so apresentados. Os resultados j obtidos salientam as potencialidades da pr-fabricao parcial e do bom desempenho da soluo proposta. 1. INTRODUO Em Portugal, corrente a utilizao de lajes com vigotas pr-esforadas, aligeiradas com abobadilhas cermicas. Enquanto a regulamentao espanhola e italiana permite que se considere a resistncia das abobadilhas no dimensionamento desse tipo de laje, em Portugal, isso no recomendvel. A resistncia dos elementos cermicos disponveis no mercado, fabricados segundo padro de controlo de qualidade praticados pela melhor indstria, motivou o projecto de investigao no mbito da concepo e desenvolvimento de uma soluo industrializada para casca de beto armado com elementos cermicos resistentes incorporados para vos mdios, onde as propriedades de cada elemento constituinte so tidos em conta. O projecto conta com a colaborao de empresas e centros de investigao da Alemanha, Blgica, Espanha, Itlia e Portugal. Em seguida, discutem-se os aspectos tecnolgicos envolvidos e os resultados experimentais preliminares, incluindo ensaios de aderncia entre o elemento cermico e o beto / argamassa, ensaios de corte entre o elemento cermico e o beto, bem

como ensaios em rede de metal distendido que um dos componentes do sistema. Neste momento esto em curso ensaios sobre painis e faixas de laje. 2. ANTECEDENTES O presente projecto de trabalho tem como base o trabalho desenvolvido por Eladio Dieste [1], engenheiro do Uruguai (1917-2000), que possui ampla obra em cascas de beto com elementos cermicos incorporados. Para competir com as coberturas laminares macias de beto, Dieste introduziu um retculo de elementos cermicos que permite a colocao de armadura ortogonal, permite realizar formas inovadoras e permite reutilizar cofragens com velocidades de rotao elevada (12 a 16 horas). A arquitectura das suas coberturas possua elevada periodicidade pelo que a cofragem de uma fraco da rea a cobrir era utilizada vrias vezes, o que permitia reduzir significativamente os custos de construo. A utilizao de uma directriz catenria permitiu que as cascas de Dieste atingissem vos de 50 m com espessuras de apenas 12 cm! As coberturas de Eladio Dieste dividem-se essencialmente em dois grandes grupos: cascas de dupla curvatura atirantadas contnuas (Fig. 1a,b) e descontnuas (Fig. 1c) para um vo elevado, e cascas de curvatura simples no atirantadas para um vo modesto (Fig. 1d).

(a) (b)

(c) (d)

Figura 1: Exemplos das cascas de Eladio Dieste: (a) Igreja da Atlntida, Uruguai; (b) Silo da Cooperativa Agrcola de Young, Uruguai; (c) Armazm Julio Herrera y Obes,

Uruguai, (d) Caminho dos Estudantes, Espanha

As cascas de dupla curvatura possuem geratrizes que descrevem uma sinuside continua na chave. No caso da Igreja da Atlntida, construda em 1960, a cobertura vence um vo entre 16 e 19 m com uma espessura de 19 cm, ver Fig. 1a. Os tirantes esto colocados no interior dos vales que resultam da forma ondulada da cobertura. No caso do silo horizontal da Fig. 1b, construdo em 1978, as fundaes resistem aos impulsos que resultam da forma da cobertura, com um vo de 28.5 m e uma espessura de 12 cm. As cascas descontnuas possuem geratrizes que descrevem uma sinuside descontnua na chave, permitindo criar janelas de iluminao. A forma em dente de serra obtida atirantada pela parte inferior (por exemplo no caso de armazns) ou pela parte superior (por exemplo no caso de pavilhes desportivos, em que os tirantes prejudicam a viso dos espectadores ou a prtica desportiva). Na Fig. 1c apresenta-se o aspecto da cobertura de um armazm com 50 m de vo e 12 cm de espessura. Os tirantes interiores foram amide utilizados para as instalaes elctricas, visveis na foto, e as tubagens de ar comprimido. Finalmente, as abbadas de bero catenrias de Dieste so geralmente justapostas em bateria, permitindo a cobertura de bombas de gasolina, estaes de camionagem, etc. Na Fig. 1d ilustra-se um mdulo tpico construdo em 1998. O projecto contempla 42 mdulos em , dispostos sobre o caminho que liga a Universidade de Alcal com a estao de comboios. A casca realiza duas vigas-consola pr-esforadas e simtricas com 15 m de comprimento. O vo da casca de 4.20 m, com uma espessura de 9 cm. A nova arquitectura internacional aparecida a partir dos anos 90 apresenta tendncias ao retorno dos tectos curvos e a uma formalizao de superfcies no convencionais. Por outro lado, em inmeros pases europeus, o valor plstico do tijolo face vista representa um valor acrescentado. Desta forma, existe mercado aprecivel para coberturas curvas e com tijolo face vista, uma vez resolvidos os problemas de industrializao. 3. INDUSTRIALIZAO As condies scio-econmicas dos pases desenvolvidos exigem tcnicas construtivas de maior industrializao, que sejam mais rpidas e utilizem menos recursos de mo de obra e de cofragem do que as propostas de Eladio Dieste. Nesse contexto, no mbito do projecto de investigao em curso esto a ser investigadas propostas de pr-fabricao parcial e de pr-fabricao total para abbadas de bero de curvatura simples, que incluem a optimizao de forma e de resistncia dos materiais a utilizar. 3.1 Pr-fabricao parcial Trabalho em curso na Universidade Politcnica da Catalunha A pr-fabricao parcial proposta para abbadas de bero de vo pequeno [2] consiste nas seguintes etapas, ver Fig. 2: (i) pr-fabricao de faixas de casca planas e flexveis; (ii) justaposio de vrias faixas em obra, arqueadas com a forma final pretendida e cofragem ligeira; (iii) betonagem no local pelo extradorso. As faixas pr-fabricadas so constitudas pelos elementos cermicos, por uma rede de metal flexvel que permite a amarrao dos elementos cermicos, por armadura longitudinal e por um filme aderente na face exterior. Este

filme de alta aderncia essencial para impedir o beto ou a argamassa de manchar a face visvel da casca.

(a)

(b) (c)

Figura 2: Pr-fabricao parcial: (a) faixas de casca semi pr-fabricadas planas e flexveis; (b) transporte das faixas; (c) escoramento ligeiro para dar forma casca.

3.2 Pr-fabricao total Trabalho em curso na Universidade do Minho e na Prgaia, SA A Universidade do Minho, em parceria com a Prgaia SA, est a desenvolver um modelo de casca de beto com elementos cermicos incorporados, com a preocupao de que o mtodo construtivo seja adequado s tcnicas de prfabricao. Dos dois modelos a serem estudados um est a ser construdo no Laboratrio do Departamento de Engenharia Civil da EEUM e o outro est a ser confeccionado na Prgaia SA. O primeiro ser executado tendo como forma um molde de madeira, com directriz catenria de 4m de corda, e 1m de flecha. Na confeco do modelo sero utilizados elementos cermicos com as mesmas caractersticas dos utilizados nos

Tijolo 24 x 10 x 3.4 cm Armadura

Rede de metal distendido Amarrao do tijolo

ensaios de corte [3]. A alvenaria ser armada longitudinalmente e transversalmente com vares de 8mm e 6mm, respectivamente. As juntas de 25mm de espessura sero em beto de aproximadamente 30MPa de resistncia compresso. Na face superior dos blocos, ser posicionada uma rede de ao electrossoldada com fios de 3mm de dimetro, espaados de 5mm. Aps a colocao da rede proceder-se a betonagem da casca, de forma a assegurar uma camada de compresso de 30mm. A consistncia do beto ser adequada, no sentido de impedir o seu escoamento, motivado pela inclinao da casca. Para facilitar o posicionamento dos blocos e para garantir os espaamentos das juntas de beto, sero acoplados forma de madeira, alguns espaadores de madeira, cujas dimenses so iguais s dimenses das juntas de beto. Este sistema requer uma elevada homogeneidade nas dimenses dos blocos cermicos. A casca ser retirada da forma de madeira, ainda em estado fresco, apenas algumas horas aps a sua confeco, para eventuais reparos no acabamento da face vista. No modelo a ser confeccionado na Prgaia SA, ver Fig. 3a, o posicionamento dos elementos cermicos durante a montagem da casca assegurado por intermdio de um filme adesivo de grande resistncia, ver Fig. 3b. Esta soluo evita a utilizao dos espaadores de madeira e permite uma certa flexibilidade nas dimenses dos blocos. O micro-beto utilizado nesta soluo tem uma resistncia a compresso de 30MPa e a sua fluidez foi estudada para assegurar um bom acabamento. Para evitar uma significativa penetrao de beto nos furos dos elementos cermicos, foram inseridos alguns pedaos de poliestireno expandido em seu interior, antes do preenchimento das juntas. A Fig. 3c ilustra um modelo preliminar de uma parte da casca, aps descofragem.

(a)

(b) (c)

Figura 3: Modelo Prgaia:(a) detalhe da casca a ser construda; (b) fixao dos elementos cermicos no filme adesivo; (c) vista parcial da casca.

4. ENSAIOS EXPERIMENTAIS NA UNIVERSIDADE DO MINHO Na Universidade do Minho esto a ser realizados uma srie de ensaios tendo em vista caracterizar mecanicamente os componentes do produto final (j realizados) e caracterizar o comportamento das cascas sob esforos independentes de membrana e de flexo (em curso). Os ensaios em cascas sero realizados parcialmente na Universidade do Minho e parcialmente na Universidade Politcnica da Catalunha, ver tambm [2]. 4.1 Ensaios de traco O objectivo destes ensaios caracterizar os tijolos e a interface tijolo - argamassa / beto, para os tijolos portugueses e espanhis adoptados nos ensaios e para um leque de argamassas que possam vir a ser seleccionadas na soluo final. Em materiais quasi-frgeis, tal como o beto ou o tijolo, possvel obter as curvas tenso deslocamento, desde que o ensaios seja realizado sob controlo de deslocamento. Os ensaios foram realizados no Laboratrio do Departamento de Engenharia Civil da EEUM, utilizando o equipamento de corte CS 7400/S. O equipamento tem dois actuadores independentes, posicionados na direco vertical e horizontal, ver Fig. 4a.

(a) (b) (c)

(d)

Figura 4: Ensaios de traco directa: (a) equipamento de ensaio; (b) pormenor dos provetes de tijolo; (c) obteno dos provetes; (d) curvas tenso-deslocamento tpicas obtidas nos ensaios.

No total foram realizados cerca de 90 ensaios em provetes de tijolo, ver Fig. 4b,c, sem e com junta. A resposta tpica obtida nos ensaios est ilustrada na Fig. 4d, sendo possvel obter desta

0 10 20 40 50 60 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

u (mm x 10-3)

30

(N/mm2)

forma a resistncia traco e a energia de fractura dos materiais. Em [4] estes ensaios esto pormenorizadamente descritos e os resultados obtidos esto devidamente apresentados. 4.2 Ensaios de corte Os ensaios realizados para a caracterizao ao corte incluram apenas um tipo de elemento cermico perfurado (produzido na empresa J. Monteiro e Filhos, Lda). As juntas de 25mm de espessura foram realizadas com micro-beto com caractersticas prximas do beto a ser utilizado na pr-fabricao total em desenvolvimento com a empresa Prgaia, SA. Os ensaios realizados esto de acordo com a EN 1052-4, sendo os painis constitudos por trs fiadas de blocos, ligados por duas juntas verticais e duas juntas horizontais, ver Fig. 5a. Para se determinar os parmetros que definem a Lei de Coulomb, o sistema de ensaio foi concebido de forma a minimizar o efeito de flexo e o nvel de tenso de pr-compresso no deve exceder 2 MPa. Os painis foram submetidos a uma pr-compresso de 0.2, 0.6 e 1.0 MPa (3 ensaios para cada nvel de pr-compresso). Os ensaios foram instrumentados com 7 LVDTs e duas clulas de carga. Nas Figs. 5b,c ilustram-se os aspectos tpicos de um painel na rotura e a curva fora horizontal vs. deslizamento. A Fig. 5d apresenta a lei de Coulomb que caracteriza o comportamento das juntas.

(a) (b)

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6

PAINEL B4

PAINEL B5

PAINEL B6

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Painis Ensaiados

Mdia por srie

(c) (d)

Figura 5: Ensaio de corte: (a) esquema de ensaio e painel; (b) aspecto tpico da rotura do painis; (c) curva tenso-deslocamento tpica obtida nos ensaios; (d) lei de atrito de Coulomb.

u (mm ) (MPa )

FH (kN) (MPa )

4.3 Ensaios na rede de metal distendido Para caracterizar a rede de metal distendido, inicialmente prevista na soluo de pr-fabricao parcial para amarrao entre os elementos cermicos, foram realizados ensaios de traco directa em 4 sries de 3 provetes cada. Foram efectuados ensaios com 0, 30, 60 e 90 entre a direco de carga e a direco da rede. Borracha vulcanizada, de rigidez apropriada, foi aplicada nas extremidades da rede, de modo a evitar ocorrncia de concentrao de tenses nas zonas de sua fixao s amarras da prensa, e consequentemente a sua rotura precoce junto s amarras, ver Fig. 6a. Os ensaios foram realizados no Laboratrio do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade do Minho. Os ensaios permitiram verificar o comportamento diversificado da rede para as diferentes posies solicitadas, e verificar uma grande acomodao na geometria da rede, devido baixa relao rea de metal / vazios. Alm dos ensaios realizados com a rede de metal distendido trabalhando isoladamente, foram tambm realizados 9 ensaios de traco, em 3 direces, 0, 30 e 60, com as redes preenchidas com argamassa de composio 1 : 3.6 : 12 (gua : cimento : areia). Estes ensaios tiveram o objectivo de avaliar a capacidade de reforo que a rede pode proporcionar quando embebida num material de matriz cimentcia, ver Fig. 6b. Para evitar a ruptura precoce pelas extremidades dos provetes, nestas zonas foi adicionada uma armadura suplementar, grelha de vares de 100mm de dimetro. Os painis (rede + argamassa) apresentaram diferentes tipos de ruptura e resistncias diferentes, dependendo da direco do provete em relao direco da carga. O grfico da Fig. 6c ilustra os resultados dos ensaios da rede de metal distendido, submetida uma fora de traco aplicada a 30. Nota-se que a rede de metal no foi eficaz no sentido de reforar o painel, portanto decidiu-se utilizar, na sequncia do projecto, uma malha electrossoldada no lugar da rede de metal. Na Tabela 1 apresentam-se os resultados registados nos ensaios efectuados, donde se pode concluir que o comportamento da rede bastante afectado pela direco de actuao da carga, tanto para os ensaios com rede isolada como para os ensaios com rede preenchida.

0

4

8

12

16

20

0 5 10 15 20

MA1-30MA2-30MA3-30M1-30M2-30

(a) (b) (c)

Figura 6: Ensaios com a rede de metal distendido: (a) ensaios com a rede isolada; (b) ensaios

com a rede preenchida com argamassa; (c) grfico fora-deslocamento para a rede, sem e com preenchimento, posicionada a 30 da direco da aplicao da carga.

Provetes a 30

Deslocamento (mm)

Fora (kN)

Tabela 1 Resultados dos ensaios com a rede de metal distendido. Direco

Rede Isolada

Fmx (kN)

Deslocamento mdio (mm)

Direco Rede Preenchida

Fmx (kN)

Deslocamento mdio (mm)

0 13.67 48.90 0 32.00 0.70 \

30 12.45 16.85 30 17.00 0.80

60 3.43 249.93 60 12.05 0.08

90 4.43 335.27

4. PROTTIPOS O projecto prev a construo de dois prottipos em Itlia durante 2003. Um primeiro projecto uma pavilho aberto num parque verde, com uma cobertura de vo livre igual a 10 m e 20 m de comprimento, apoiada em pilares exteriores afastados de 10 m e com uma viga-pala rgida de contorno, ver Fig. 7a. O segundo projecto uma pavilho de apoio a um parque de exposies com um desenvolvimento de 11 m e vo de 8m, ver Fig. 7b.

(a)

(b)

Figura 7: Prottipos a construir em 2003, Itlia: (a) alado e corte do Pavilho em Agrate; (b) alado do Pavilho Eladio Dieste.

5. CONCLUSES Na presente comunicao descrito um trabalho de investigao associado a um projecto em curso cujo objectivo essencial desenvolver uma soluo industrializada para cascas de beto com elementos cermicos incorporados. Os resultados obtidos nesta fase permitem concluir que possvel adoptar um sistema de pr-fabricao parcial para obter uma soluo competitiva e com elevado valor esttico. Os ensaios de caracterizao mecnica em curso iro possibilitar o estabelecimento de disposies construtivas adequadas soluo e a sua homologao junto das entidades nacionais. 6. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi financiado parcialmente pelo projecto GROWTH GROW 1999 70420 ISO BRICK, da Comunidade Europeia. O terceiro autor agradece ainda o financiamento pela Fundao para a Cincia e a Tecnologia atravs da bolsa BD/7106/2001. Os autores agradecem tambm o valioso apoio do Dr. Lus Ferreira da J. Monteiro e Filhos, Lda, e do Eng. Carlos Sampaio da Prgaia, SA, ao projecto em curso. 7. REFERNCIAS [1] Dieste, E. Esttica y diseo en ingeniria. Vol. 7/8, 1988 [2] Sarrablo, V. Contribucin a la viabilidad de cubiertas laminares de cermica armada

mediante soluciones semiprefabricadas. Propuesta para lminas cilndricas de pequea luz. Tese de doutoramento, Universidade Politcnica da Catalunha, Barcelona, 2002, 200 p.

[3] Oliveira, J.T., Loureno, P.B., Barros, J.A. Painis de alvenaria cermica com juntas de concreto submetidos a ensaio de cisalhamento, Proc. 7th Int. Seminar on Structural Masonry, 2002, Belo Horizonte, Brasil, pp. 185-192.

[4] Almeida, J.C., Loureno, P.B., Barros, J.A. Characterization of brick and brickmortar interface under uniaxial tension, Proc. 7th Int. Seminar on Structural Masonry, 2002, Belo Horizonte, Brasil, pp. 67-76.