RETICULATED STRUCTURE IN CONCRETE REINFORCED WITH STEEL FIBERS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202408301503
MONTEIRO, M. A. S1
Resumo
A estrutura reticulada em concreto reforçado com fibras de aço combina a resistência e durabilidade do concreto com a flexibilidade e capacidade de absorção de impacto das fibras de aço, criando uma solução estrutural versátil e altamente eficiente. As fibras de aço melhoram a resistência à tração, compressão e flexão do concreto, aumentando sua capacidade de suportar cargas, também aumentam a resistência a impactos, abrasão e fissuras, prolongando a vida útil da estrutura. O concreto reforçado com fibras de aço apresenta maior ductilidade, permitindo deformações sem ruptura brusca. Essa tecnologia contribui para a construção sustentável, com menor impacto ambiental e maior vida útil das estruturas. O objetivo principal deste estudo é a modelagem computacional numérica, através de Método de Elementos Finitos (MEF), utilizando a NBR 8681:2003 como auxílio de cálculo estrutural, a fim de simular o comportamento do concreto reforçado com fibras de aço e otimizar seu uso.
Palavras-chave: Estrutura reticulada. Concreto reforçado. Fibras de aço. NBR 8681:2003. Modelagem Numérica.
1. INTRODUÇÃO
A utilização de fibras de aço no concreto é uma técnica relativamente recente, mas sua história remonta a décadas atrás, as primeiras tentativas ocorreram no início do século XX, onde foram realizados experimentos iniciais com fibras de aço em concreto, mas com resultados pouco conclusivos devido à baixa tecnologia disponível para a produção e aplicação das fibras.
Na década de 1920, aconteceu o início das primeiras pesquisas e testes sistemáticos com fibras de aço em concreto, principalmente nos Estados Unidos e na Europa. Porém os avanços significativos foram advindos entres as décadas de 1950 à 1970.
Em 1950, houve o desenvolvimento de fibras de aço mais eficientes e de fácil aplicação, impulsionado pela indústria metalúrgica. Já em 1960, sucedeu o crescente interesse e pesquisa sobre o uso de fibras de aço em concreto, com foco na resistência à tração e à fissuração. Na década de 1970 realizou-se as primeiras aplicações comerciais significativas de concreto reforçado com fibras de aço, principalmente em pavimentos e estruturas de concreto pré-fabricado.
Nas décadas de 1980 à 2000, deu-se a expansão e aprimoramento da utilização das fibras de aço em concreto. Na década de 1980, desenrolou-se o desenvolvimento de novas tecnologias de produção de fibras de aço, com diferentes formas, tamanhos e propriedades mecânicas, expandindo suas aplicações em diversos setores.
Na década de 1990, verificou-se o aumento significativo de sua utilização, impulsionado pela crescente demanda por materiais de construção mais resistentes e duráveis. Nos anos 2000, houve o desenvolvimento de modelos computacionais e softwares para simular o comportamento, permitindo um melhor planejamento e otimização de projetos.
Finalmente temos a Era Moderna (década de 2010 – presente). A década de 2010 significou o aprimoramento constante das fibras de aço, com foco em maior resistência, ductilidade e resistência à corrosão, além de novas tecnologias de aplicação. Presentemente, o concreto se consolida como uma alternativa eficiente e econômica para diversas aplicações, como: pavimentos industriais e rodoviários; estruturas de concreto pré-fabricado; reforço de concreto em estruturas existentes; construções em áreas com alto risco de sismos; aplicações em concreto projetado; e obras de infraestrutura de grande porte.
Estudos realizados mostram que a adição de fibras de aço promove ganhos para a resistência à compressão, resistência à tração e módulo de tenacidade do concreto. Percebe-se ainda, que a influência do teor de fibras na tenacidade à flexão é maior que a influência da resistência à compressão do concreto.
O Concreto Reforçado com Fibras de aço (CRF) é um material feito com uma matriz cimentícia, agregados e fibras misturadas e distribuídas aleatoriamente pela matriz. As fibras de aço são constituídas por fios de aço com baixo teor de carbono que, quando adicionados ao concreto, formam armaduras tridimensionais que podem restringir o alastramento de fissuras.
As fibras atuam como uma ponte de transferência de tensões entre as fissuras, o que aumenta a resistência residual à tração pós-fissuração e a ductilidade do concreto. O uso de fibras de aço também pode aumentar a tenacidade do concreto, a sua resistência a impactos e melhorar a sua vida útil.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
O concreto ainda é um dos materiais de construção civil mais utilizado no mundo. Justamente por isso, exige-se o conhecimento das suas propriedades e comportamento mecânico para que seja bem aplicado. Sabe-se, a princípio, que é um material heterogêneo e de fratura frágil. Ou seja, possui pequena capacidade de deformação antes da sua ruptura à tração. Pensando nisso, diversas propostas técnico-científicas foram apresentadas para reduzir essa limitação do concreto. Uma das alternativas é a utilização de fibras na sua composição. São utilizadas fibras vegetais, de vidro e mais comumente a fibra de aço. Que possuem tamanhos e formas diferentes, além de se organizarem na pasta de concreto, de maneira descontínua (DIAS, 2024).
Concreto simples, não armado, é um material frágil, quebradiço, com uma baixa resistência à tração e uma baixa capacidade de alongamento na tração. O papel das fibras descontínuas, distribuídas aleatoriamente, é o de atravessar as fissuras, que se formam no concreto, seja quando sob a ação de cargas externas ou quando sujeito a mudanças na temperatura ou na umidade do meio ambiente. As fibras provocam uma certa ductilidade após a fissuração. Se as fibras forem suficientemente resistentes, bem aderidas à matriz cimentícia, e em bastante quantidade, elas ajudarão a manter pequena a abertura das fissuras. Permitirão ao CRF resistir a tensões de tração bem elevadas, com uma grande capacidade de deformação no estágio pós-fissuração. (o chamado “strain softening”) (THOMAZ, 2024 apud MINDESS, 1994)
Mas o que são estruturas reticuladas em concreto armado com fibras de aço? São estruturas compostas por elementos estruturais (vigas, pilares, lajes, etc.) que formam uma rede tridimensional (rede reticulada), com o concreto reforçado pela adição de fibras de aço. As fibras de aço fornecem resistência à tração e ductilidade do concreto, melhorando seu desempenho em relação ao concreto convencional.
2.1. Normatização
Para o projeto dessas estruturas, recomenda-se consultar as seguintes normas e diretrizes:
• NBR 8681:2003: “Ações e segurança nas estruturas – Procedimento”;
• NBR 15530:2019a: “Fibras de aço para concreto: requisitos e método de ensaio;
• NBR 16935:2021a: “Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras: procedimento”;
• NBR 16940:2021a: “Concreto reforçado com fibras: determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais): método de ensaio”;
• Normas internacionais: As normas internacionais, como a ACI 318, oferecem diretrizes para o uso de fibras de aço em concreto; e
• Manuais e literatura técnica: A literatura técnica especializada pode fornecer informações adicionais sobre o uso de fibras de aço em estruturas reticuladas.
Face ao exposto, iremos abordar neste trabalho cada uma delas e aplicá-las ao modelo estrutural.
2.1.1. NBR 8681:2003
A NBR 8681:2003 se concentra nos métodos de ensaio para determinar a resistência à tração por fratura do concreto, um parâmetro importante para avaliar a capacidade do concreto de resistir a fissuras e falhas.
Segue abaixo a relação entre fibras de aço e NBR 8681:2003:
• A adição de fibras de aço ao concreto pode aumentar a sua ductilidade, tenacidade e resistência à tração por fratura do concreto; e
• Os ensaios descritos na norma podem ser realizados em concretos com e sem fibras de aço para comparar o desempenho dos materiais.
2.1.2. NBR 15530:2019a
A NBR 15530:2019 visa garantir a qualidade e o desempenho das fibras de aço em aplicações de concreto, contribuindo para a segurança e durabilidade das estruturas. A norma define os métodos de ensaio para determinar as propriedades das fibras de aço, incluindo: resistência à tração; alongamento na ruptura; módulo de elasticidade; densidade; forma e dimensões.
Principais pontos da NBR 15530:2019a são a classificação das fibras de aço, norma classifica em três tipos, de acordo com a forma e o diâmetro:
• Fibras curtas: fibras com comprimento inferior a 50 mm e diâmetro entre 0,10 mm e 0,80 mm;
• Fibras longas: fibras com comprimento superior a 50 mm e diâmetro entre 0,10 mm e 0,80 mm; e
• Fibras especiais: fibras com forma e diâmetro diferentes dos descritos acima, incluindo fibras tridimensionais.
Sob a ótica de Figueiredo (2005), as fibras de aço se classificam em curtas, longas e coladas. A Figura 1 apresenta essas classificações.
Figura 1. Classificação das fibras de aço: soltas curtas (a); longas (b); e longas coladas (c).
Fonte: Figueiredo, 2005.
Segundo a NBR 15530:2019a, que regulamenta as especificações relacionadas às fibras de aço no Brasil, o desempenho da fibra de aço depende da sua configuração geométrica e de sua classe. A classe das fibras está associada ao material de origem:
• I: fibra origem de arame trefilado a frio;
• II: fibra origem de chapa laminada cortada a frio; e
• III: fibra origem de arame trefilado e escarificado.
Também segundo a NBR 15530:2019, em relação à configuração geométrica, existem três tipos de fibras de aço:
• A: fibra de aço com ancoragens nas extremidades;
• C: fibra de aço corrugada; e
• R: fibra de aço reto.
A Tabela 1 apresenta a classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto.
Tabela 1. Classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto.
Fonte: Figueiredo et al., 2008.
Na Figura 2, verifica-se a comparação do comportamento do concreto com e sem fibras quando submetido a concentrações de tensão. Sem a fibra de aço, há um aumento da propagação de fissuras. Em comparação, no concreto reforçado, as fibras atuam como pontes de transferência, diminuindo essas concentrações (FIGUEREIDO, 2000).
Figura 2. Concentração de tensões para um concreto sem (a) e com reforço de fibras (b).
Fonte: Figueiredo, 2000.
2.1.3. NBR 16935:2021a
O modelo da NBR 16935:2021a trata do dimensionamento de elementos lineares de CRF submetidos à força cortante, dotados de armadura longitudinal e sem armadura transversal. A NBR 16935:2021a fornece diretrizes para o dimensionamento, detalhamento e execução de estruturas de concreto com fibras, abrangendo diversas aplicações, como:
• Concreto Fibrado: aborda o uso de fibras de diferentes materiais como aço, vidro, polipropileno, e outras, com o objetivo de melhorar as propriedades do concreto, como resistência à tração, ductilidade, controle de fissuração, e resistência ao impacto;
• Dimensionamento de Elementos Estruturais: define os critérios para dimensionar elementos estruturais de concreto fibrado, levando em consideração as características do concreto e das fibras; e
• Detalhes Construtivos: orienta sobre os aspectos construtivos de estruturas com concreto fibrado, incluindo a mistura, o lançamento e a cura do concreto, além das técnicas de compactação e tratamento superficial.
2.1.4. NBR 16940:2021a
O objetivo da NBR 16940:2021a é estabelecer um procedimento padronizado para a determinação das seguintes propriedades mecânicas em concretos com fibras:
• Limite de proporcionalidade (fp): É a tensão na qual o material começa a apresentar um comportamento não linear, ou seja, a deformação não é mais proporcional à tensão aplicada; e
• Resistência residual (fr): É a tensão que o material pode suportar após atingir o limite de proporcionalidade, antes de fraturar completamente.
Quanto ao dimensionamento de estruturas de concreto reforçado com fibras temos:
• Avaliação da influência das fibras nas propriedades mecânicas do concreto;
• Comparação de diferentes tipos de fibras e dosagens; e
• Desenvolvimento de novos materiais e tecnologias.
2.1.5. ACI 318
O ACI 318 (American Concrete Institute Building Code Requirements for Structural Concrete) é um código de construção que fornece diretrizes para o design e a construção de estruturas de concreto. Ele aborda uma variedade de tópicos, incluindo o uso de fibras de aço em concreto.
Aqui está um resumo dos principais benefícios e limitações sobre fibras de aço no ACI 318:
a) Benefícios do uso de Fibras de Aço:
• Resistência à tração e ductilidade aumentadas: as fibras de aço aumentam a capacidade do concreto resistir a tensões de tração, tornando-o mais resistente a rachaduras e falhas;
• Resistência ao impacto melhorada: as fibras de aço ajudam a dissipar a energia do impacto, reduzindo a possibilidade de falhas catastróficas;
• Melhor desempenho em condições de congelamento-descongelamento: as fibras de aço melhoram a resistência do concreto à deterioração causada por repetidos ciclos de congelamento-descongelamento; e
• Redução da necessidade de armadura: em alguns casos, as fibras de aço podem substituir parte da armadura tradicional, reduzindo o custo e o tempo de construção.
b) Limitações:
• O uso de fibras de aço não elimina a necessidade de armadura tradicional em todas as aplicações;
• As fibras de aço podem afetar a trabalhabilidade do concreto, exigindo ajustes na mistura; e
• A eficácia das fibras de aço depende do tipo e da quantidade usada, bem como das condições específicas da aplicação.
3. METODOLOGIA
A metodologia deste estudo, baseia-se na simulação computacional através de Métodos de Elementos Finitos (MEF). O software que será utilizado será o RFEM 6 da Dlubal, usado para analisar uma ampla gama de estruturas, desde edifícios simples até estruturas complexas de pontes.
4. ANÁLISE DOS DADOS
4.1. O modelo
O modelo trata-se de 03 estruturas reticuladas, no formato de viga de seções uniformes, cada uma com 25,00 cm de altura, 25,00 cm de largura e 5,00 m de comprimento, conforme pode ser visto da Figura 3.
Figura 3. O modelo.
Fonte: O autor.
No que se refere aos materiais escolhidos o concreto é isotrópico linear elástico, de resistência C20/25 reforçado com fibras de aço, e armadura de aço com maior resistência à corrosão2, o AR 415, fy = 415 MPa e fu = 520 MPa (Tabela 2).
Tabela 2. Características dos materiais.
Fonte: O autor.
4.2. Combinações das ações
• Assistentes de combinações: geometricamente lineares;
• Peso próprio de estruturas pré-moldadas: Coeficiente de ponderação igual a 1,30 (Tabela 1 – Ações permanentes diretas consideradas separadamente, da NBR 8681:2003);
• Ações variáveis em geral: Coeficiente de ponderação igual a 1,50 (Tabela 4 – Ações variáveis consideradas separadamente da NBR 8681:2003); e
• Foram 8 combinações de cargas descritas na Tabela 3.
Tabela 3. Casos de carga/combinações/módulos.
Fonte: O autor.
4.3. Deformações globais da estrutura reticulada em concreto reforçado com fibra de aço (Figura 4)
• A resultante das reações nos apoios: Fx = -33,75 kN; Fy = 48,75 kN; e Fz = 217,50 kN; e
• Deslocamento máximo observado na direção z igual a 3,40 mm.
Figura 4. Respostas estáticas das deformações globais da estrutura reticulada de concreto reforçado com fibra de aço.
Fonte: O autor.
Fonte: O autor.
4.4. Deformações globais da estrutura reticulada em concreto sem reforço (Figura 5)
• Deslocamento máximo observado na direção z igual a 5,30 mm.
Figura 5. Respostas estáticas das deformações globais da estrutura reticulada de concreto sem reforço.
Fonte: O autor
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A utilização de concreto reforçado com fibras de aço tem evoluído significativamente ao longo dos anos, com um futuro promissor para sua aplicação em diversos setores da construção civil. As pesquisas continuam avançando, buscando aprimorar as propriedades e funcionalidades das fibras de aço, ampliando ainda mais suas aplicações e contribuindo para a construção de estruturas mais resistentes, duráveis e sustentáveis.
O presente estudo visou analisar uma estrutura reticulada representada por uma viga de concreto armado, comparando os resultados da análise estática da estrutura, em dois cenários, no primeiro, o concreto é reforçado com fibra de aço e, no segundo, sem reforço. Dos resultados obtidos, a viga em concreto reforçado apresentou deformação global máxima 64,15% menor do que aquela apresentada pela viga sem reforço, resultado que contribui com a efetividade da utilização das fibras de aço no concreto, pois aumenta a capacidade do concreto de resistir a tensões de tração.
Os desafios e as tendências de sua utilização ocorrem em buscar novas formas de fibras de aço com desempenho ainda melhor em termos de resistência, ductilidade e durabilidade, aliado ao desenvolvimento de métodos de aplicação mais eficientes e econômicos. Além de investigar a utilização de fibras de aço em combinação com outros tipos de fibras, como fibras sintéticas ou naturais, promovendo o uso de concreto reforçado com fibras de aço em novos mercados e aplicações.
2A NBR 8800:2003 em seu anexo A, tabelas A.1 e A.2, define as classes de resistência dos aços.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8681: ações e segurança nas estruturas – Procedimento. Rio de Janeiro, 2003.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15530: fibras de aço para concreto: requisitos e métodos de ensaio. Rio de Janeiro, 2019a.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16935: projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras: procedimento. Rio de Janeiro, 2021a.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16940: concreto reforçado com fibras: determinação das resistências à tração na flexão (limite de proporcionalidade e resistências residuais): método de ensaio. Rio de Janeiro, 2021b.
DIAS, R. F., Concreto reforçado com fibras (CRF): O que é? Para que serve?. 2024. Disponível em: https://imepac.edu.br/concreto-reforcado-com-fibras-crf-o-que-e-pra-quer-serve/#:~:text=Estudos%20realizados%20mostram%20que%20a,resist%C3%AAncia%20% C3%A0%20compress%C3%A3o%20do%20concreto. Acesso em: 22 ago. 2024. FIGUEIREDO, A. D. Concreto com fibras de aço. Boletim Técnico (BT/PCC/260). São Paulo, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Departamento de Engenharia de Construção Civil, 2000.
FIGUEIREDO, A. D. Concreto com fibras. In: Isaia, Geraldo Cechella. (Org.) Concreto. Ensino, Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON, 2005. V. 2, Capítulo 39, p 1195- 1225. 2005.
FIGUEIREDO, A. D.; CHAMA NETO, P. J.; FARIA, H. M. A nova normalização brasileira sobre fibras de aço. Concreto & Construções, São Paulo, v. 36, n. 50, p. 67-76, abr./maio/jun. 2008.
THOMAZ, E. C. S.; MINDESS, S. Resumo dos artigos do Prof. Sidney Mindess da University of British Columbia (UBC): ” “Fibre Reinforced Concrete – Myth and Reality” Advances in Cement and Concrete – ASME – American Society of Civil Engineers”. 1994. Disponível em: http://aquarius.ime.eb.br/~webde2/prof/ethomaz/crf.pdf. Acesso em: 22 ago. 2024.16
1Bacharel em Engenharia Civil, pela Universidade Federal do Ceará – UFC (2013); Pós-Graduada em Engenharia de Segurança do Trabalho, pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ (2016); Pós Graduada em Política e Estratégia, pela Associação de Diplomados da Escola Superior de Guerra do Amazonas – ADESG/AM (2018); Pós-Graduada em Gestão de Projetos, pela Universidade de São Paulo – USP (2020); e Pós-Graduanda em BIM – Projetos Paramétricos e Design Digital aplicados à Construção Civil, pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC-MINAS) (2023-atual). E-mail: mychayanny@gmail.com