Tfc - Tópicos Sobre Materiais Conjugados à Base de Argamassa de Concreto e Fibras - Parte 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

FACULDADE DE ENGENHARIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

TÓPICOS SOBRE MATERIAIS CONJUGADOS À BASE DE ARGAMASSA DE

CONCRETO E FIBRAS

PAOLA MONTEIRO MAZZUCCHELLI

JUIZ DE FORA

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UFJF

2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL


CONCRETO E FIBRAS


JUIZ DE FORA

2014



CONCRETO E FIBRAS

Trabalho Final de Curso apresentado ao Colegiado

do Curso de Engenharia Civil da Universidade

Federal de Juiz de Fora, como requisito parcial à

obtenção do título de Engenheiro Civil.

Área de Conhecimento: Estruturas

Orientador: Cleber Maestri Gonçalves

Juiz de Fora

Faculdade de Engenharia da UFJF

2014


CONCRETO E FIBRAS


Trabalho Final de Curso submetido à banca examinadora constituída de acordo com

o Artigo 9o do Capítulo IV das Normas de Trabalho Final de Curso estabelecidas

pelo Colegiado do Curso de Engenharia Civil, como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.

Aprovado em: ____/________/_____

Por:

_____________________________________

Prof. M. Sc. Cleber Maestri Gonçalves

_____________________________________

Prof. D. Sc. Miguel Paollielo Pimenta

_____________________________________

Prof. D. Sc. Marcelo Miranda Barros

1 AGRADECIMENTOS

Primeiramente, gostaria de agradecer ao meu marido Gabriel, que de forma

especial e carinhosa me deu força e coragem, me apoiando nos momentos de

dificuldades. Obrigada por ser meu amor, minha segurança em todos os aspectos,

meu companheiro incondicional e por ter me dado o maior presente da minha vida,

nosso filho Arthur.

Dedico está conquista ao meu filho Arthur, que é a minha maior conquista e a

minha razão de viver.

À minha mãe, minha grande amiga, pelo amor e dedicação em todos os

momentos da minha vida. Sem você nada disso teria se tornado real. Obrigada por

essa vitória.

Ao meu pai, que mesmo com a distância, não mediu esforços para que eu

concluísse essa etapa da minha vida. Obrigada por estar sempre disposto a me

ajudar e orientar.

Agradeço aos meus irmãos e à minha irmã por estarem sempre torcendo por

mim e serem meus mais antigos amigos e companheiros. Agradeço, também, ao

meu padrasto Leo e à minha sogra Helena, por terem se tornado minha família e

pelo apoio constante até nos momentos mais difíceis dessa conquista.

Agradeço às minhas avós e à minha madrinha pelo amor, carinho e

dedicação e ao meu avô, que mesmo tendo partido ainda vive dentro de mim.

Agradeço a toda a minha família pelo apoio e por estarem sempre presentes

na minha vida e aos meus amigos pelos momentos compartilhados nesse longo

caminho.

Agradeço ao meu orientador Cleber, pela disponibilidade e paciência para me

auxiliar em todos os momentos rumo a essa conquista.

RESUMO

Neste trabalho é apresentada uma revisão bibliográfica sobre materiais

conjugados, fibras de aço e concreto reforçado com fibras. Foi abordado com maior

ênfase o concreto reforçado com fibras de aço. Uma seção de concreto armado

convencional e uma de concreto com fibras de aço, em quantidade equivalente às

barras de aço, foram verificadas na flexão. Foram estimados também os custos das

duas peças para dispor de elementos para a comparação econômica.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Distribuição percentual dos materiais conjugados .................................... 12

Figura 2 – Tipos de materiais conjugados: (a) particulados, (b) com fibras e (c)

laminados.. ................................................................................................................ 15

Figura 3 - Disposição das diversas camadas metálicas e compósitas individuais do

laminado Glare-5 ....................................................................................................... 18

Figura 4 – Gráficos tensão-posição (consideradas tensões de tração iguais aos

limites de resistência à tração) para comprimentos de fibra: (a) igual ao comprimento

crítico; (b) maior que o comprimento crítico; (c) menor do que o comprimento crítico

.................................................................................................................................. 20

Figura 5 – Representações de materiais conjugados reforçados com fibras: (a)

contínuas e alinhadas; (b) descontínuas e alinhadas; (c) descontínuas e

aleatoriamente orientadas. ........................................................................................ 21

Figura 6 – Orientação das fibras na resistência à tração de materiais conjugados de

époxi reforçados com fibras de E-glass .................................................................... 22

Figura 7 – Fibras de aço ........................................................................................... 26

Figura 8 – Túnel Grota Funda, Rio de Janeiro. ......................................................... 30

Figura 9 – Fibra de carbono em comparação com um fio de cabelo humano ........... 31

Figura 10 – Manta de fibra de carbono ..................................................................... 32

Figura 11 – Aplicação da manta de fibra de carbono em uma obra residencial ........ 32

Figura 12 - Fibras de vidro cortadas .......................................................................... 33

Figura 13 - Ponte Neal, Pittsfield - Estados Unidos. .................................................. 35

Figura 14 - Fibra de monofilamento de polipropileno ................................................ 36

Figura 15 - Fibra fibrilada de polipropileno. ............................................................... 36

Figura 16 - Execução de piso em polipropileno ......................................................... 37

Figura 17 – Fibras de basalto cortadas ..................................................................... 38

Figura 18 – Plantação de sisal .................................................................................. 39

Figura 19 – Fibra de sisal. ......................................................................................... 40

Figura 20 – Placa de polímero reforçado com fibras de sisal .................................... 40

Figura 21 – Fibras de aramida em tecido. ................................................................. 41

Figura 22 – Aderência por adesão ............................................................................ 47

Figura 23 – Aderência mecânica em barras nervuradas ........................................... 48

Figura 24 – Concreto reforçado com fibras com compatibilidade dimensional entre

fibras e agregados ..................................................................................................... 49

Figura 25 – Concreto reforçado com fibras sem compatibilidade dimensional entre

fibras e agregados ..................................................................................................... 49

Figura 26 – Esquema da seção transversal adotada ................................................ 55

Figura 27 – Especificações técnicas da fibra de aço adotada. .................................. 56

Figura 28 – Seção transversal com as barras de aço longitudinais. ......................... 59

Figura 29 – Posição da linha neutra na seção transversal com barras de aço. ........ 60

Figura 30 – Seção transversal com fibras de aço. .................................................... 62

Figura 31 – Seção transversal adotada. .................................................................... 63

Figura 32 – Seção homogeneizada. .......................................................................... 64

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Tabela com os tipos de fibras naturais existentes e seus principais

exemplos ................................................................................................................... 24

Tabela 2 – Tipos de fibras e suas características geométricas ................................. 27

Tabela 3 – Classificações das fibras de aço ............................................................. 28

Tabela 4 – Limites de resistência à tração e fatores de forma mínimos para cada tipo

de fibra ...................................................................................................................... 29

Tabela 5 - Dosagem da fibra de vidro AR ................................................................. 34

Tabela 6 – Características e benefícios das fibras de aramida ................................. 42

Tabela 7 – Proporções típicas de materiais em dosagens de resistências diferentes

.................................................................................................................................. 45

Tabela 8 – Classes de agressividade ambiental ....................................................... 54

Tabela 9 – Cobrimento nominal para diferentes classes de agressividade ambiental

.................................................................................................................................. 54

Tabela 10 – Classes de concreto para diferentes classes de agressividade ambiental

.................................................................................................................................. 55

Tabela 11 – Custo da viga em concreto armado. ...................................................... 67

Tabela 12 – Custo da viga de concreto com fibras de aço. ....................................... 68

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 11

1.1 Considerações iniciais ............................................................................................................... 11

1.2 Objetivo do trabalho ................................................................................................................... 13

2 MATERIAIS CONJUGADOS ............................................................................. 14


2.2 Características do material conjugado .................................................................................... 14

2.3 Materiais conjugados reforçados por partículas .................................................................... 15

2.3.1 Materiais conjugados com partículas grandes .................................................................... 15

2.3.2 Materiais conjugados endurecidos por dispersão ............................................................... 17

2.4 Materiais conjugados laminados .............................................................................................. 17

2.5 Materiais conjugados reforçados com fibras .......................................................................... 18

2.5.1 Influência do comprimento e do diâmetro da fibra............................................................... 19

2.5.2 Influência da quantidade de fibras ....................................................................................... 21

2.5.3 Influência da orientação e distribuição das fibras ................................................................ 21

3 FIBRAS .............................................................................................................. 23


3.2 Fibras naturais ............................................................................................................................ 23

3.3 Fibras não naturais ..................................................................................................................... 25

3.3.1 Fibras artificiais .................................................................................................................... 25

3.3.2 Fibras sintéticas ................................................................................................................... 25

3.4 Fibras de aço ............................................................................................................................... 25

3.5 Outras fibras utilizadas na construção civil ............................................................................ 30

3.5.1 Fibras de carbono ................................................................................................................ 31

3.5.2 Fibras de vidro ..................................................................................................................... 33

3.5.3 Fibras de polipropileno ......................................................................................................... 35

3.5.4 Fibras de basalto.................................................................................................................. 37

3.5.5 Fibra de sisal ........................................................................................................................ 38

3.5.6 Fibra de aramida .................................................................................................................. 41

4 CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO ........................................ 43


4.2 Concreto ...................................................................................................................................... 43

4.2.1 Composição do concreto ..................................................................................................... 43

4.2.2 Concreto de Cimento Portland ............................................................................................. 44

4.2.3 Classificações do concreto .................................................................................................. 44

4.3 Concreto armado ........................................................................................................................ 45

4.3.1 Aderência entre aço e concreto ........................................................................................... 45

4.4 Concreto reforçado com fibras de aço ..................................................................................... 48

4.4.1 Propriedades do concreto reforçado com fibras de aço ...................................................... 48

4.4.2 Possibilidade de utilização das fibras sem armadura convencional.................................... 51

5 EXEMPLO: VERIFICAÇÃO NA FLEXÃO ......................................................... 52


5.2 Exemplo numérico ...................................................................................................................... 53

5.2.1 Dados adotados ................................................................................................................... 53

5.2.2 Desenvolvimento do exemplo numérico .............................................................................. 56

5.2.3 Análise dos resultados ......................................................................................................... 65

5.2.4 Comparativo de custos ........................................................................................................ 66

6 CONCLUSÃO .................................................................................................... 69

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 70

11

Capítulo 1

INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

O desenvolvimento tecnológico observado ao longo do século XX sofreu grande

influência dos avanços na ciência dos materiais [1]. As mais novas tecnologias

requerem materiais que individualmente não possuem as propriedades necessárias

para atendê-las [2].

A combinação de dois ou mais materiais ou fases pode ser utilizada para a

obtenção de novas propriedades requeridas pelas recentes tecnologias, que em

conjunto produzem o denominado conjugado ou compósito [3].

Os materiais conjugados originaram-se na Antiguidade, por volta do Período

Neolítico, com a utilização de barro, palha, madeira e, até mesmo, ossos e pele,

para a fabricação de tijolos, sarcófagos e arcos [4]. O uso dos conjugados nas

tecnologias aeroespaciais teve início nas décadas de 80 e 90, levando a um grande

crescimento e difusão destes materiais [5].

Verifica-se através de dados da atualidade que a aplicação dos conjugados tem

maior ênfase no setor de transportes, seguido pelas indústrias da construção civil,

marinha, equipamentos elétricos e eletrônicos, produtos de consumo, dentre outros

[5]. Os percentuais podem ser observados na Figura 1.

Atualmente, estes materiais têm grande participação no mercado em diversos

seguimentos industriais, entretanto neste trabalho será abordado o uso das fibras de

aço nos materiais conjugados.

Desde a Antiguidade, quando as palhas eram utilizadas para o reforço de tijolos

de barro, as fibras vêm sendo aplicadas para fortalecer matrizes frágeis. Sua

utilização em conjugados com o intuito de reforçá

melhorar as propriedade

Deve-se destacar que o principal intuito da utilização das fibras de aço em

conjugados, como o concreto, é sua adição em conjunto com a armadura tradicional.

Entretanto, estas podem ser utilizadas individualmente em

radiers sobre o solo, revestimento de taludes e tubos pré

estruturas com capacidade de redistribuição dos esforços. [7]

Figura 1 - Distribuição percentual dos materiais conjugados.



aço nos materiais conjugados.

Antiguidade, quando as palhas eram utilizadas para o reforço de tijolos


utilização em conjugados com o intuito de reforçá-los se iniciou com a intenção de

as propriedades de resinas, metais e cerâmicas [6].

se destacar que o principal intuito da utilização das fibras de aço em


Entretanto, estas podem ser utilizadas individualmente em pisos, pavimentos e

radiers sobre o solo, revestimento de taludes e tubos pré-fabricados, que são

estruturas com capacidade de redistribuição dos esforços. [7]

Distribuição percentual dos materiais conjugados.

12



Antiguidade, quando as palhas eram utilizadas para o reforço de tijolos


los se iniciou com a intenção de

se destacar que o principal intuito da utilização das fibras de aço em


pisos, pavimentos e

fabricados, que são

Distribuição percentual dos materiais conjugados.

13

Será apresentada no capítulo 2, uma descrição dos materiais conjugados. No

capítulo 3, serão descritas as diversas fibras existentes no mercado da construção

civil. A utilização do concreto reforçado com fibras de aço é tratada no capítulo 4. O

exemplo numérico consta de uma verificação na flexão de duas seções transversais

distintas e será visto no capítulo 5. O capítulo 6 mostra a conclusão do trabalho.

1.2 Objetivo do trabalho

O objetivo deste trabalho é verificar se a utilização das fibras de aço como

reforço a materiais conjugados pode ser encarada como uma alternativa exequível,

do ponto de vista técnico e até mesmo econômico, gerando aperfeiçoamento de

suas propriedades.

14

Capítulo 2

2 MATERIAIS CONJUGADOS

2.1 Considerações iniciais

Os materiais conjugados podem ser definidos como a combinação de dois ou

mais materiais que apresentem uma parcela representativa da propriedade de cada

um de seus constituintes, de forma a adquirir propriedades otimizadas em função do

percentual de cada fase. Esse ajuste da melhor propriedade final de interesse

recebe o nome de Princípio da ação combinada [2].

2.2 Características do material conjugado

Os materiais conjugados possuem duas fases que são denominadas matriz e

dispersa, que normalmente representa a fase de reforço, como a fibra de aço na

argamassa de cimento e areia ou o agregado graúdo no concreto. A matriz é uma

fase contínua que circunda a fase dispersa. As matrizes podem ser poliméricas,

cerâmicas ou metálicas. As quantidades pertinentes, a geometria (orientação, forma,

tamanho e distribuição) da fase dispersa e as propriedades respectivas de cada fase

são fatores que determinam as propriedades dos materiais conjugados [2][3]. Assim,

verifica-se que a afinidade entre os materiais é fator determinante para a formação

deste material.

Esses materiais podem ser classificados, em primeira instância, por

reforçados por partículas (particulados), reforçados por fibras ou estruturais

(laminados). Os particulados são fases dispersas equiaxiais (as dimensões são

aproximadamente as mesmas em todas as direções). O concreto e o asfalto são

alguns exemplos dos particulados, em que a areia (agregado miúdo) e a brita

(agregado graúdo) são as partículas de reforço. Os reforçados com fibras são

aqueles que utilizam as fibras, contínuas ou não, como fases dispersas. Já os

estruturais (laminados) são os compostos por materiais distintos em várias camadas

15

de forma alternada [8]. A figura 2 mostra a visível distinção entre os tipos de

materiais conjugados.

Figura 2 – Tipos de materiais conjugados: (a) particulados, (b) com fibras e (c) laminados.

2.3 Materiais conjugados reforçados por partículas

Os materiais conjugados particulados utilizam como reforço partículas

equiaxiais, isto é, possuem dimensões aproximadamente iguais em todas as

direções. Esses podem ser divididos em dois grupos, que se diferenciam pelo modo

como são reforçados ou pela melhoria da resistência, e são denominados

conjugados com partículas grandes ou endurecidos por dispersão [2].

Cabe destacar que a palavra "grande" nessa classificação é dita apenas para

sinalizar que a relação entre matriz e partícula não se dá em níveis atômicos [2].

2.3.1 Materiais conjugados com partículas grandes

Nos materiais conjugados com partículas grandes, a fase dispersa possui

maior grau de dureza do que a fase matriz, o que causa uma transferência de

esforço da matriz para a partícula [9].

Apesar de poderem ter uma enorme diversidade de geometrias, as partículas

devem ser equiaxiais, pequenas e com boa distribuição na matriz, a fim de garantir

um reforço eficaz. Evidencia-se, também, que o desempenho do material depende

16

do volume que cada fase representa em proporção e que quanto maior a taxa de

partículas, mais satisfatórias são suas propriedades mecânicas [2].

De acordo com a regra das misturas, algumas propriedades de um material

conjugado podem ser previstas quando se avalia a dependência dos percentuais de

volume de cada uma de suas fases. A equação a seguir, mostra esta relação [11].

� = ��. �� +��. ��

onde:

P – propriedade do conjugado;

Pm – propriedade da fase matriz;

Pp – propriedade da fase particulada;

Vm – fração volumétrica da fase matriz;

Vp – fração volumétrica da fase particulada.

O módulo de elasticidade é uma das propriedades influenciadas pelas frações

volumétricas das fases e, desta forma, foram elaboradas duas equações que

avaliam os limites superior e inferior desta propriedade. As equações a seguir

mostram, respectivamente, os limites superior e inferior [2].

��

=�. �� +�. ��

onde:

Ecsup – limite superior do módulo de elasticidade do

conjugado;

Em – módulo de elasticidade da fase matriz;

Ep – módulo de elasticidade da fase particulada.

��

=�. �

��. � +��. �

17

onde:

Ecinf – limite inferior do módulo de elasticidade do

conjugado.

2.3.2 Materiais conjugados endurecidos por dispersão

O endurecimento por dispersão é feito com partículas tão pequenas que

interferem na movimentação de planos atômicos, o que aumenta a dureza do

material, pois a movimentação de planos atômicos está relacionada à ductilidade de

um material.

Os materiais conjugados endurecidos por dispersão possuem partículas

menores com diâmetros entre 10 e 250 nm [3]. O endurecimento ocorre pela

interação do material disperso com a matriz, dificultando a movimentação de planos

atômicos [2].

Esses materiais podem apresentar uma resistência menor que ligas

tradicionais quando expostos à temperatura ambiente. No entanto, o aumento em

sua resistência mecânica se mantém quando a temperatura é elevada e por maiores

períodos de tempo [2] [3].

2.4 Materiais conjugados laminados

Folhas ou painéis bidimensionais formam a composição dos materiais

conjugados laminados. Estes devem possuir uma direção em que apresentem uma

maior resistência [2].

Juntamente com os painéis sanduíches constituem os chamados materiais

conjugados estruturais. Suas propriedades são influenciadas tanto pelas

propriedades dos materiais constituintes como pela geometria dos elementos [2].

18

Possuem diversas propriedades e características bastante relevantes como

alta resistência mecânica, baixo peso, melhoria na resistência à corrosão, menor

custo, resistência ao desgaste e à abrasão, dentre outras [3].

Uma nova classe de laminados híbridos de metal-fibra destinada a estruturas

aeroespaciais originou-se para atender ao crescente volume de tráfego aéreo. Entre

os laminados dessa classe, o denominado Glare-5, foi obtido de forma a suportar

altas cargas de impacto, característica do metal, sem perder em demasia sua

resistência à fadiga. É composto por duas lâminas externas de alumínio e quatro

camadas internas de fibra de vidro unidirecional com resina epóxi. A figura 3 exibe

um exemplo de material conjugado laminado, o chamado Glare-5 [10].

Figura 3 - Disposição das diversas camadas metálicas e compósitas individuais do laminado

Glare-5 [10].

2.5 Materiais conjugados reforçados com fibras

Os materiais conjugados reforçados com fibras são aqueles em que a fibra

representa a fase dispersa. Esses conjugados apresentam alta resistência e rigidez

relativos ao peso específico [2].

19

O comprimento, a orientação, a quantidade, o diâmetro e as propriedades das

fibras são fatores de extrema importância quando se deseja projetar um material

conjugado reforçado com fibras. Além disso, as propriedades da matriz e a interação

fibra-matriz também devem ser levadas em consideração [3].

2.5.1 Influência do comprimento e do diâmetro da fibra

O desempenho mecânico dos materiais conjugados pode ser modificado

significativamente pelo comprimento das fibras neles inseridos. A maior capacidade

de carga da fibra tem relação direta com seu comprimento, já que suas

extremidades sustentam menos carga que seu interior. [3] O comprimento crítico da

fibra pode ser definido como o mínimo necessário para que a fibra atue como reforço

do material conjugado. Este comprimento pode ser calculado pela equação a seguir

[2].

� =��∗ ∗ �

2 ∗ �

onde:

lc – comprimento crítico

d – diâmetro da fibra

σf* - limite de resistência à tração

τc – limite de escoamento cisalhante da matriz

A figura 4 mostra gráficos de tensão-posição para diferentes comprimentos de

fibra.

20

Figura 4 – Gráficos tensão-posição (consideradas tensões de tração iguais aos limites de

resistência à tração) para comprimentos de fibra: (a) igual ao comprimento crítico; (b) maior

que o comprimento crítico; (c) menor do que o comprimento crítico [2].

Normalmente, para as fibras de carbono ou vidro, o comprimento crítico varia

entre 20 e 150 vezes o diâmetro da fibra o que corresponde a um valor da ordem de

1 mm [2].

As fibras podem ser classificadas quanto a seu comprimento. São

denominadas longas quando maiores que o comprimento crítico e descontínuas ou

curtas quando menores que o comprimento crítico. As fibras podem, também, ser

chamadas contínuas quando o comprimento da fibra é muito maior que o

comprimento crítico (normalmente, l > 15*lc), Para se obter melhor eficiência de

reforço, devem ser utilizadas fibras contínuas [3].

Tfc - Tópicos Sobre Materiais Conjugados à Base de Argamassa de Concreto e Fibras - Parte 1

Documents

Transcript of Tfc - Tópicos Sobre Materiais Conjugados à Base de Argamassa de Concreto e Fibras - Parte 1