REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7718740
Jonathan Jefferson de Castro Pinto¹
Lucas Morais de Souza¹
Ângela Cristina Martins de Oliveira¹
Olavo Ferreira Brito Júnior¹
RESUMO
Realiza-se uma análise comparativa entre a aplicação de chapas metálicas e o aumento da seção transversal para reforçar um pilar de concreto que apresentou baixa resistência a compressão (Fck), que é responsável pela estrutura dos pavimentos nove e dez de um edifício residencial, ainda em construção. Desta forma, será mostrado um estudo para assegurar a melhor técnica executiva, fazendo com que se tenham os menores custos e a maior qualidade e a requerida estabilidade da estrutura.
PALAVRAS-CHAVE: Reforço estrutural. Pilar. Concreto armado.
ABSTRACT
An analyisis is made comparing the aplication of the metal sheet and the raise of the transversal section to reinforce a concrete cornerstone that showed low resistence to compression (fck) and it is responsible for the structure of the ninth and the tenth floor of a residencial building the still is under construction, this way the better executive technique will be assured, so the structure will be cheaper and will have a better quality.
KEYWORDS: Structural reinforcement. Cornerstone. Reinforced concrete
1 INTRODUÇÃO
A Engenharia Civil, importante no âmbito da competência humana, traz consigo uma das áreas de maior relevância para a construção civil, a de Estabilidade das Estruturas. Este seguimento de construções tem se encontrado em permanente desenvolvimento, seja pela perspectiva de técnicas construtivas aplicadas, seja pelos materiais empregados ou pelo sistema de projetos desenvolvidos, de acordo com Souza & Ripper (1998, p. 6).
Portanto, as necessidades de ampliação de infraestruturas e moradias, aliadas a injeção de recursos no mercado financeiro, obrigam a ocorrência de transformações e de requisições por projetos de reforços e recuperação estrutural em pilares de concreto armado, seja pela necessidade de alteração na funcionalidade da estrutura, seja por consequência de danos causados por desgastes naturais e má empregabilidade dos materiais, ou por imperícias de projetos e/ou execução, uma vez que, os pilares são responsáveis pela transmissão das cargas de toda a estrutura às fundações, além de serem peças estruturais de suma importância à solidez da edificação, bem como estão sujeitos a desastrosos colapsos em caso de defeitos relevantes.
O presente trabalho traz uma análise comparativa entre duas técnicas usualmente utilizadas para o reforço estrutural em pilares de concreto armado, o método de aumento das seções transversais do concreto e da armadura, também conhecido por encamisamento, e o método de aplicação de chapas metálicas.
Este estudo comparativo considera pontos importantes que servirão de base para tomadas de decisões quanto à necessidade de reforço estrutural em trechos de pilares de concreto de um edifício, de modo a garantir o atendimento da capacidade de carga requerida pela estrutura.
2 REFORÇO EM PILARES DE CONCRETO
O reforço de pilares, do ponto de vista do projeto estrutural (o qual deve, em qualquer situação, obedecer ao binômio segurança-economia), é sempre mais problemático do que o reforço de vigas e lajes. Isto acontece porque, sendo o pilar o último elemento de sustentação da estrutura antes das fundações, tem que absorver cargas oriundas de diversos pavimentos, diferentemente das vigas (com exceção das vigas de transição), que absorvem apenas os carregamentos do teto em que se situam. (SOUSA & RIPPER, 1998, p. 216).
Qualquer técnica adotada requer como pressupostos principais do projeto a identificação das possíveis soluções, de forma a obter um sistema coerente com o ambiente em que se insere a estrutura, respeitando-se o partido arquitetônico, e balanceando-se quanto aos aspectos relativos aos custos.
Devem ser observadas as recomendações existentes para o dimensionamento, os procedimentos para a execução, o controle da qualidade do processo, permitindo inclusive a inclusão de técnicas de monitoramento das estruturas. Considerações quanto à condição de reforço máximo e condições impostas pela capacidade global da estrutura devem ser observadas. (REIS, 2001, p. 79).
Em geral, o reforço de pilares de concreto envolve metodologias de cálculo e execução que visam o aumento da seção transversal de modo a prover equilíbrio aos esforços solicitantes, entretanto, na maioria dos casos, aumentos de seção podem gerar impactos negativos importantes na arquitetura e na funcionalidade da estrutura, como a redução de espaço entre vagas de garagem e alterações na fachada, por exemplo. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 2, apud, HELENE & HARTMANN, 2003).
Em casos assim é comum se realizar a substituição total do concreto, com ou sem acréscimo de armaduras, de modo a não se alterar a seção transversal prevista em projeto, entretanto, essa metodologia pode exigir o escoramento total da estrutura para viabilizar sua execução. Outras metodologias ainda envolvem o encamisamento da seção com concreto e armaduras ou ainda perfis e chapas metálicas, porém são soluções que alteram a geometria inicial do elemento, podendo interferir na arquitetura e no uso da estrutura. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 2, apud, CÁNOVAS, 1988; TAKEUTI, 2003; HELENE, 2003).
Apesar de não haver ainda normatização específica para metodologias de reforço de estruturas, é conveniente que sejam aplicadas nessas situações a maioria dos critérios estabelecidos para o dimensionamento de estruturas novas. Entretanto, em determinados casos, há de se fazer uma análise mais detalhada das estruturas de concreto, com objetivo de se atingir uma situação de dimensionamento que confira ao elemento as propriedades resistentes necessárias, e que atenda a critérios mínimos de ductilidade e segurança em seus estados limites. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 3).
Variáveis como deformabilidade, características mecânica dos materiais, aderência, etc. devem ser conhecidas preliminarmente, para que se possa avaliar a melhor metodologia para o projeto e execução do reforço. Além disso, restrições de arquitetura, como vagas de garagem, por exemplo, podem ser um fator determinante na viabilidade de um dado tipo de solução. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 3, apud, VALLE, 1983; CÁNOVAS, 1988; TAKEUTI, 2003).
2.1 Reforço pelo aumento da seção transversal (encamisamento)
O conceito básico do reforço por encamisamento consiste em criar uma área adicional, ou aumento de seção, com objetivo de diminuir a tensão solicitante no trecho reforçado. Esse método também, quando empregado em todo o contorno do elemento, aumenta as condições de confinamento da seção original. A Figura 1 mostra as configurações típicas de reforço por aumento de seção. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 3, apud, TAKEUTI,1999; HELENE, 2003; JULIO et al., 2005; CAMPIONE et al., 2014).
Figura 1 : Configurações típicas de reforço de pilar por aumento da seção
Um dos fatores para a definição da espessura da “camisa”, além da carga, é o espaço necessário para alojamento das armaduras. Conforme as recomendações de Cánovas (1988), não se deve utilizar espessuras de capa menores que 10cm. Entretanto, atualmente, com a possibilidade da utilização de micro-concretos e grautes industrializados de alta resistência e elevada fluidez, consegue-se trabalhar com espessuras da ordem de 6cm a 7cm, dependo do diâmetro da armadura longitudinal. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 4, apud, HELENE, 2003; TAKEUTI, 2003).
Em casos onde há necessidade de espessuras maiores, como alternativa pode se remover parte do cobrimento do pilar original a ser reforçado, conferindo assim um espaço adicional com menor aumento da seção transversal (do elemento final reforçado). Porém ainda haverá o fato do impacto arquitetônico da solução, principalmente em vagas de garagem, caixas de escada/elevadores e fachadas, onde essa solução pode ser inviável do ponto de vista estético e funcional. (COUTO & BRITEZ, 2016, p. 4, apud, CÁNOVAS, 1983; TAKEUTI, 2003).
O procedimento a ser adotado para o reforço de pilares dependerá das causas que levaram à necessidade do reforço, do posicionamento do pilar na edificação, de razões estéticas e do material disponível. Há casos em que é suficiente aumentar apenas a seção transversal da armadura, enquanto em outros será também necessário aumentar a seção de concreto. (SOUSA & RIPPER, 1998, p. 165).
2.2 Aumento da seção transversal da armadura
Abaixo seguem as etapas para realização do procedimento de aumento da seção transversal da armadura:
- corte de todas as faces do pilar às quais se tem acesso, até que as armaduras existentes fiquem aparentes (mas não descobertas), como mostra a Figura 2.
- limpeza rigorosa da superfície cortada;
- colocação das novas barras em posição (Figura 3).
(SOUSA & RIPPER, 1998, p. 166).
Figura 2 : Preparação das faces do pilar
Figura 3 : Colocação das novas armaduras no pilar
- para o caso mostrado na Figura 2, os furos para encaixe dos novos estribos devem ser preenchidos com resina epóxi fluida imediatamente antes da colocação dos novos estribos em posição;
- reconstituição da seção de concreto, respeitando o cobrimento dos novos estribos.
(SOUSA & RIPPER, 1998, p. 166).
2.3 Aumento das seções transversais do concreto e da armadura
O Procedimento é o mesmo recomendado para as vigas, devendo-se notar que se pode usar concreto projetado, colocando-se guias lateralmente para evitar que haja perda excessiva de concreto (Figura 4), ou concreto convencional aditivado com aditivo plastificante e expansor, sendo que neste caso a concretagem deve ser efetuada por partes – em geral a cada metro de altura – de baixo para cima, sendo o último lance concretado através de aberturas feitas na laje do teto (Figura 5), ou com argamassa farofa (Figura 6), quando não for possível fazer os furos na laje. (SOUSA & RIPPER, 1998, p. 166).
Figura 4 : Concreto projetado a 45º com a superfície de base
Figura 5 : Concretagem pelo rasgo da laje
Figura 6 : Concretagem pelo topo da laje
No caso (A) da Figura 7, o reforço do pilar é feito em único pavimento, sendo que a transferência de esforços se dá através das vigas e da aderência entre o pilar original e o de reforço. A armadura longitudinal do reforço é ancorada superiormente na viga e inferiormente na laje, podendo ser executado capitel no pilar do pavimento subjacente abaixo para uma melhor transferência dos esforços. Superiormente, a armadura longitudinal deve ser estendida até a face inferior da laje do pavimento acima. Já no caso (B), o reforço é contínuo, atingindo mais de um pavimento de forma ininterrupta. Nessa solução, a armadura longitudinal precisa ser contínua, sendo o único impedimento atravessar o concreto das lajes (ARALDI, 2013, p. 36, apud, PIANCASTELLI, 2005).
Figura 7 : Reforço por encamisamento retangular de concreto armado
Quanto à prática de projeto, é comum, por questões de segurança, a desconsideração da contribuição do pilar existente (que funciona como um núcleo envolvido pela camisa de concreto). No entanto, essa decisão acarreta em um acréscimo de área ainda maior, o que reduz as possibilidades de aplicação da técnica de aumento de seção transversal (ARALDI, 2013, p. 36, apud, SUDANO, 2010, p. 2).
Para contornar o problema do acréscimo da área de seção transversal, pode-se executar o reforço com concreto de alta resistência (CAR). Porém, por causa da menor tenacidade do CAR, é possível que ocorra algum problema de perda de ductilidade do pilar reforçado. Araldi (2013, p. 36-37), apud, Sudano (2010, p. 2).
A utilização do CAR pode trazer alguns inconvenientes no futuro, como a ruína frágil do pilar reforçado. Esta estratégia de reforço (aumento da seção transversal) apresenta como inconvenientes o próprio aumento da seção transversal do pilar, o que causa a perda de espaço útil em garagens de edifícios, por exemplo, e a baixa eficiência, se comparada com as outras estratégias […]. Para minimizar estes inconvenientes pode-se lançar mão do uso de concretos de alta resistência, com isso, o aumento na seção transversal é menor e a eficiência do reforço aumenta. Porém, com o uso de uma camisa de concreto de alta resistência surge um novo inconveniente: a ruína frágil do pilar reforçado. Araldi (2013, p. 37), apud, Sudano (2010, p. 67).
Pode-se, no entanto, atingir um nível satisfatório de ductilidade com a disposição de quantidade adequada de armadura transversal e longitudinal na camisa de reforço. Araldi (2013, p. 37), apud, Takeuti (2003).
Por fim, vale lembrar que a qualidade do concreto de reforço final depende da escolha e utilização adequada dos seus constituintes – cimentos, agregados, água e aditivos. O cimento pode ser visto como o componente de maior importância para a manutenção da estabilidade das dimensões do concreto, ou seja, da mínima ocorrência dos fenômenos de expansão, retração e fissuração. Ele também é responsável pela resistência química do concreto, isto é, a sua capacidade de resistir aos efeitos dos agentes químicos que podem deteriorar a estrutura (água do mar, salinidade, poluição atmosférica, etc.). Por isso, as características físicas e químicas do cimento refletem diretamente na resistência mecânica do concreto (ARALDI, 2013, p. 37).
2.4 Reforço pela adição de chapas coladas e perfis metálicos
Quando se trata de adicionar capacidade resistente, uma opção muito eficiente e de rápida execução, recomendada principalmente para situações que requerem emergência ou não permitem grandes alterações na geometria das peças, é a do reforço exterior por colagem – ou chumbamento – de chapas metálicas ou por chumbamento de perfis, com ajuda de resinas injetadas, como se pode ver nas Figuras 8 e 9.
Em ambos os casos (chapas e perfis) a técnica é simples, em termos de concepção, mas exigente quanto ao rigor executivo e à necessidade de cuidadoso procedimento prévio de cálculo (SOUSA & RIPPER, 1998, p. 148).
Figura 8 : Reforço em chapas metálicas, só com colagem (à esquerda) e também com chumbamento
Figura 9 : Reforço por chumbamento de perfis metálicos
O método de reforço com colagem de chapas de aço, externas à peça estrutural baseia-se na colagem de chapa de espessura adequada através de adesivo e uso de parafusos auto fixantes,criando uma armadura secundária solidária à peça estrutural. Apresenta-se como solução de baixo custo, com a introdução de pequenas alterações na seção do elemento reforçado e com pequena interferência arquitetônica. A técnica é interessante quando a deficiência é das armaduras existentes, sem entretanto haver deficiências nas dimensões e qualidade do concreto.Possibilita-se desta forma,aumentar a resistência da peça estrutural a momentos fletores e forças cortantes, obtendo-se ainda um aumento de rigidez. Como qualquer outro método de reforço externo ao concreto, o comportamento do sistema como uma nova e única peça é fundamental, realçando a importância do adesivo na transferência de tensões. (REIS, 2001, p. 82).
Recomenda-se que a camada de adesivo seja da ordem de 1mm, apesar das dificuldades operacionais de controle desta espessura, tendo em vista que valores mais altos de resistência à tração são obtidos com menores espessuras da camada de adesivo. Deve-se atentar para a solução adotada já que as resinas epóxicas são sensíveis ao calor para temperaturas superiores a 70°C, apresentando redução de suas características de resistência. Sugere-se que os reforços efetuados devam ser protegidos contra incêndio, por meio de uma camada isolante à base de amianto ou vermiculita.(REIS, 2001, p. 82, apud, CÁNOVAS, 1988).
3 IDENTIFICAÇÃO DA AMOSTRA PESQUISADA
A análise comparativa entre as técnicas de reforço estrutural estudadas neste trabalho permitirá aos construtores de um edifício residencial (localizado na cidade de Teresina-PI) decidir pelo método que mais se enquadre nas condições de sua obra, uma vez que os resultados de rompimento de testemunhos extraídos aos vinte e oito dias, especificamente dos pilares localizados entre os pavimentos nove e dez, se mostraram insuficientes para o atendimento das cargas solicitadas em projeto estrutural. Apesar de o comprometimento ter se mostrado em todos os pilares (totalizando 24) do referido trecho, o estudo contemplará, apenas, o pilar de número quarenta e quatro (P44). A resistência característica a compressão (Fck) para o P44, definida em projeto como de 30 MPa (ANEXO C), foi registrada no ensaio com 10,81 MPa (ANEXO D), requerendo assim, providências emergenciais quanto ao reforço desses pilares para garantir a estabilidade da estrutura. As providências que forem adotadas para o P44 servirão posteriormente para aplicação também nos demais pilares.
3.1 Compilação dos resultados
Depois do recebimento dos orçamentos, fornecidas por quatro empresas, denominadas A, B, C e D, sendo duas construtoras para a execução dos serviços de reforço por encamisamento e duas empresas especializadas em estrutura metálica para a execução dos serviços de reforço por aplicação de chapas metálicas, foram elaborados gráficos para auxilio da análise comparativa. O Gráfico 1 compara o tipo de reforço com seu preço de execução, assim como o Gráfico 2 compara o tipo de reforço com o seu tempo de execução e liberação do pilar. Os valores considerados são para o P44, somente.
Gráfico 1 : Análise comparativa entre o tipo de reforço e o preço de execução
Gráfico 2 : Análise comparativa entre o tipo de reforço e o tempo de execução e liberação do pilar
Após a compilação dos resultados numéricos obtidos através dos orçamentos e demonstrados nos Gráficos 1 e 2, verificou-se que:
- As empresas A e B, que forneceram preços para a execução do reforço por encamisamento, tiveram valores semelhantes (R$12.500,00 e R$12.000,00), com uma diferença de aproximadamente 4%. Assim como mantiveram os mesmos prazos de entrega, sendo de, três dias para a execução e quinze para a liberação total do pilar.
- As empresas C e D, que forneceram preços para a execução do reforço pela aplicação de chapas metálicas, também, tiveram valores semelhantes (R$14.000,00 e R$15.000,00), com uma diferença de aproximadamente de 7%. Assim como, também, mantiveram os mesmos prazos de entrega, sendo de dois dias para a execução e liberação do pilar.
Apesar de o concreto ser um material bastante utilizado em reforços de estruturas devido a sua versatilidade e adaptação às mais variadas condições e situações de execução, além de atingir altas resistências, há uma preocupação no que diz respeito à aderência entre o concreto de reforço e o concreto da peça a ser reforçada, pois o seu comportamento monolítico (diz-se dos elementos que forma um todo rígido) – bastante importante para a qualidade do serviço – depende da perfeita aderência entre os dois elementos, afirma (ARALDI, 2013, p. 33, apud, PIANCASTELLI, 2005, p. 3). Ainda é importante ressaltar que os reforços em concreto apresentam como desvantagem, a interferência arquitetônica devido ao aumento de sua seção transversal, o tempo necessário para que atinjam a resistência requerida, conforme relata (ARALDI, 2013, p. 33, apud, REIS, 2001, p. 80), e a promoção do aumento da rigidez do elemento reforçado, tendo que considerar a redistribuição de esforços, completa (ARALDI, 2013, p. 33, apud, PIANCASTELLI, 2005, p. 8).
Quando se trata de adicionar capacidade resistente, uma opção muito eficiente e de rápida execução, recomendada principalmente para situações que requerem emergência ou não permitem grandes alterações na geometria das peças, é a do reforço exterior por colagem – ou chumbamento – de chapas metálicas ou por chumbamento de perfis, com ajuda de resinas injetadas, como se pode ver nas Figuras 8 e 9. Em ambos os casos (chapas e perfis) a técnica é simples, em termos de concepção, mas exigente quanto ao rigor executivo e à necessidade de cuidadoso procedimento prévio de cálculo, afirma (SOUSA & RIPPER, 1998, p. 148).
Para qualquer técnica adotada, são requeridos pressupostos principais de projeto, como, a identificação das possíveis soluções, de forma a obter um sistema coerente com o ambiente em que se insere a estrutura, respeitando-se o partido arquitetônico, e balanceando-se quanto aos aspectos relativos aos custos. Devem ser observadas as recomendações existentes para o dimensionamento, os procedimentos para a execução, o controle da qualidade do processo, permitindo inclusive a inclusão de técnicas de monitoramento das estruturas. Considerações quanto à condição de reforço máximo e condições impostas pela capacidade global da estrutura devem ser observadas, afirma (REIS, 2001, p. 79).
4 CONCLUSÃO
Quando levamos em consideração todos os fatores acerca das técnicas analisadas, vimos que o método de reforço por encamisamento, apesar de apresentar menores custos de execução (Média de R$ 12.250,00 por pilar, totalizando R$ 294.000,00 nos 24 pilares), necessitou de prazo de entrega bem maior (15 dias para cada pilar), cerca de 750% a mais que o outro método. Isso pode impactar financeiramente quando levado em conta os definidos prazos de entrega da obra. Já no método de reforço pela aplicação de chapas metálicas, apesar de apresentar maiores custos de execução (média de R$ 14.500,00 por pilar, totalizando R$ 348.000,00 nos 24 pilares), cerca de 15% a mais que o outro método, necessitou de prazo de entrega bem menor (02 dias para cada pilar), isso pode ser bastante vantajoso e compromete bem menos o andamento da obra, por ser um método indicado, principalmente para situações que requerem emergência.
Baseando-se nessas informações resume-se que ambos os métodos servem de opção eficiente e apropriada para o uso no reforço do pilar em questão, cada uma com suas características específicas aplicáveis a diferentes condições de obra e que cabe, aos profissionais responsáveis, a tomada de decisão quanto à escolha da técnica que avaliem como melhor opção.
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¹Autor