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
TÓPICOS SOBRE MATERIAIS CONJUGADOS À BASE DE ARGAMASSA DE
CONCRETO E FIBRAS
PAOLA MONTEIRO MAZZUCCHELLI
JUIZ DE FORA
2014
PAOLA MONTEIRO MAZZUCCHELLI
TÓPICOS SOBRE MATERIAIS CONJUGADOS À BASE DE ARGAMASSA DE
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
TÓPICOS SOBRE MATERIAIS CONJUGADOS À BASE DE ARGAMASSA DE
CONCRETO E FIBRAS
PAOLA MONTEIRO MAZZUCCHELLI
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
2.1 Considerações iniciais ............................................................................................................... 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
3.1 Considerações iniciais ............................................................................................................... 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
4.1 Considerações iniciais ............................................................................................................... 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
5.1 Considerações iniciais ............................................................................................................... 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.
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.
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-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
conjugados, como o concreto, é sua adição em conjunto com a armadura tradicional.
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
Atualmente, estes materiais têm grande participação no mercado em diversos
seguimentos industriais, entretanto neste trabalho será abordado o uso das fibras de
Antiguidade, quando as palhas eram utilizadas para o reforço de tijolos
de barro, as fibras vêm sendo aplicadas para fortalecer matrizes frágeis. Sua
los se iniciou com a intenção de
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.
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].
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