53CBC0022

ANAIS DO 53 CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2011 53CBC 1

ESTUDO DE CARACTERIZAO MECNICA DE BLOCOS DE CONCRETO VIBRO-COMPACTADOS SECO

MECHANICAL CHARACTERIZATION OF VIBRO-DRY CONCRETE BLOCKS

Mohamad, Gihad (1); Loureno, Paulo Brando (2); Roman, Humberto Ramos (3); Rizzatti, Eduardo (4); Barbosa, Claudius de Souza (5)

(1) Doutor, Universidade Federal do Pampa, UNIPAMPA Av. Tiaraj, 810 Bairro Ibirapuit

CEP:97546-550, Alegrete, RS. Brasil. Fone/Fax: (055)3421-8400. e-mail: [email protected] (2) Doutor, Universidade do Minho, Escola de Engenharia, Uminho, Campus de Azurm 4800-058,

Guimares, Portugal. e-mail: [email protected] (3) Doutor, Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC R. Joo Pio Duarte da Silva, 205 Bairro

Crrego Grande CEP.: 88040-970 Florianpolis, SC. Brasil. e-mail: [email protected] (4) Doutor, Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, Departamento de Estruturas e Construo

Civil Avenida Roraima, Prdio 07, Centro de Tecnologia, Santa Maria, RS. Brasil. e-mail: [email protected]

(5) Doutor, Fundao Armando lvares Penteado - FAAP, Rua Alagoas, 903 - Higienpolis 01242-902, Brasil. e-mail: [email protected]

Resumo

A construo civil um setor em plena expanso, onde a inovao dos seus materiais ainda muito pequena e necessita de estudos que aumentem o seu desempenho a esforos. O objetivo principal deste trabalho determinar as caractersticas fsicas e mecnicas dos concretos vibro-compactados a seco para fins estruturais. Foram realizados ensaios para a determinao da rea lquida, absoro de gua, massa especfica, resistncia trao e compresso, mdulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, modo de ruptura compresso e tenacidade fratura trao e compresso. Com os resultados dos testes experimentais conduzidos em laboratrio so possveis compreender o comportamento mecnico do bloco de concreto vibro-compactado para o desenvolvimento de novos componentes para fins estruturais. Palavra-Chave: Bloco de Concreto Vibro-compactado Seco. Alvenaria estrutural. Caracterizao Mecnica.

Abstract

The main goal of this work is determine physical and mechanical behavior of vibro-dry concrete for structural purpose. It had been done tests to determine the net area, water absortion, density, axial compression, elasticity modulus, Poisson ratio, failure mode under compression, tenacity under tensile and compression. With the results of a series of tests conducted in laboratory are possible to understand the mechanical proprieties of vibro-dry concrete block for development news components for structural purpose. Keywords: Vibro-dry Concrete Block. Structural masonry. Mechanical Characterization


1 Introduo

A alvenaria estrutural um sistema construtivo largamente empregado no Brasil onde a parede tem dupla funo, ou seja, compartimentar os diferentes ambientes e absorver as cargas devido ao peso prprio, lajes e vento. Os blocos e as argamassas so os principais constituintes das alvenarias estruturais e a sua capacidade de suporte depende, fundamentalmente, da resistncia do bloco, da argamassa e das tenses que surgem por ventura do carregamento atuante. Quando uma alvenaria submetida compresso, a deformabilidade ou rigidez entre os blocos de concreto e a argamassa induzem tenses que fazem com que os blocos de concreto rompam por trao e a argamassa por compresso (Hendry (1981)). O bloco de concreto o principal componente da alvenaria, o mais resistente, e estudos precisam ser realizados para se conseguir desenvolver unidades de alto desempenho para funes estruturais na construo civil. Os blocos de concreto vibro-compactados a seco em estruturas so normalmente produzidos por indstrias de pr-fabricao de concreto, conforme a NBR-6136 (2007), e encontrados no Brasil com diferentes geometrias e resistncias compresso. As suas caractersticas mecnicas dependem dos materiais constituintes, umidade do material usado na moldagem, do proporcionamento destes, do grau de compactao e do mtodo de cura. Normalmente, as propriedades mecnicas dos blocos de concreto vibro-compactados a seco sofrem influncia da geometria ou formato do bloco que podem induzir tenses localizadas que leva o material a ruptura, caso atingir os seus limites de resistncia trao e compresso (Shrive et. al. (1985)). No Brasil, os estudos dos blocos de concreto esto centrados em estudos de dosagem dos materiais, sendo utilizado por algumas empresas um mtodo emprico de proporcionamento, sem considerar o arranjo entre os agregados, presso de compactao e o teor de cimento, que pode afetar as caractersticas mecnicas como resistncia trao, compresso e mdulo de elasticidade. Portanto, existe a necessidade de estudos especficos de caracterizao mecnica de anlise de blocos estruturais, para simular numericamente o comportamento dos componentes estruturais de forma a desenvolver componentes com alto desempenho para fins estruturais.

2 Caracterizao fsica dos blocos

Os blocos de concreto adotados foram fornecidos pela empresa Presdouro e so unidades compostas por areia, cimento e agregado com dimenso mxima de 6,3 milmetros. Os blocos so vibro-compactados, com a mistura praticamente seca. Possuem uma seo tronco-cnica, ou seja, a rea lquida ao longo da altura do bloco no constante em funo do processo de fabricao e desmoldagem. Para a obteno da rea lquida da superfcie do bloco foram utilizados dois mtodos: o do papel com um peso-especfico conhecido e o mtodo do peso submerso do bloco. O mtodo do papel de peso-especfico conhecido utiliza uma balana de preciso de 0,01 gramas, onde se desenha a geometria das faces dos blocos e recorta-se para posteriormente se pesar, conforme a ES 772-2 (1998). Tambm, pode-se obter a rea lquida por meio do peso submerso do bloco e do conseqente clculo do empuxo produzido, ou seja, volume de lquido deslocado NBR-12118 (1991). A diviso entre o volume de lquido deslocado e a


altura fornece a rea lquida mdia. Neste mtodo deve existir a garantia de que o bloco se encontre completamente saturado antes do ensaio. Os resultados apresentados neste trabalho so os valores individuais e a mdia entre os valores das superfcies inferiores e superiores do bloco. A absoro de gua das unidades foi calculada usando quatro unidades, por meio da diferena entre o peso do bloco seco e do saturado em gua a temperatura ambiente, durante o perodo de 24 horas. A Tabela 1 apresenta as caractersticas fsicas das unidades adotadas no presente programa de ensaio. A Figura 1 apresenta a forma da seo transversal com as dimenses das paredes que compem o bloco, juntamente com uma perspectiva do bloco.

Tabela 1 Caractersticas fsicas dos blocos (peso-especfico, ALiq/Abruta e Absoro). Dimenses

nominais

LxHxC(cm)

Massa-

especfica

rea lquida

mdia (cm2)

rea lquida

(cm2) ALiq/Abruta

ALiq/Abruta

(mdia)

Absoro

mdia

24 h (%)

Bloco

(14x19x39)

1917,7

kg/m3 338,12

Superior 374,0 0,68

0,62

7,72 Inferior 302,2 0,55

(c)

(b)

(a)

14

19

(d) Figura 1 - (a) Face de maior rea lquida. (b) Seo transversal do bloco com as dimenses das paredes

transversais e longitudinais. (c) Face de menor rea lquida. (d) perspectiva do bloco.

3 Caracterizao mecnica dos blocos

Preliminarmente aos ensaios de compresso retificaram-se as superfcies dos blocos usando um equipamento abrasivo que permite o ajuste vertical, conforme a necessidade do utilizador. Esta operao foi necessria, devido existncia de gros de agregados no topo e na base do bloco, que poderiam gerar concentrao de tenso e eventuais trincas localizadas. Alm disso, foram realizados testes preliminares para analisar a influncia da flexo das chapas de ao na transmisso da carga de compresso ao longo da extenso do bloco. Uma srie de ensaios permitiu verificar que a espessura da chapa de significativa importncia para a configurao final dos ensaios de resistncia compresso e mdulo de elasticidade. O posicionamento de um lvdt vertical na


extremidade evidenciou a flexo da chapa e a conseqente influncia nos resultados de deformao vertical. Isto foi verificado atravs do diagrama tenso e deformao, onde a tendncia de relaxao nas deformaes na ruptura foi verificada e destacado na Figura 2 com um crculo. Esta relaxao causada pela flexo das chapas de ao durante o carregamento, devido ao surgimento das fissuras no bloco durante a ruptura, gerando, conseqentemente, uma diminuio nas deformaes. To logo isso acontea, ocorre o gradativo aumento nas deformaes verticais. Por isso, buscou-se outra disposio das chapas de ao de modo a melhorar a distribuio das foras em toda a superfcie do bloco e se evitar a flexo.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-0,004 -0,003 -0,002 -0,001 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

Deformao axial

Ten

so

(M

Pa)

Deformao lateral

Figura 2 - Influncia da espessura da chapa de aplicao de carga.

As concluses obtidas nos estudos permitiram verificar a necessidade de aumentar a espessura da chapa inferior para 10 cm. Alm disso, nos ensaios experimentais, deve ser colocada uma chapa de ao superior para distribuir melhor a carga. Para isso, foi posicionado um disco de ao com 30 cm de dimetro e 5 cm de altura e acima do disco de ao foi utilizada uma rtula de 7,5 cm de altura, conforme mostra a Figura 3. Na aquisio das deformaes verticais foram utilizados dois lvdts posicionados em pontos eqidistantes, a 6 cm das extremidades do bloco. Isto possibilitou a comparao das deformaes medidas nos dois pontos e o posterior ajuste, caso acontea concentrao de tenses em apenas um dos lados do bloco e a verificao da possibilidade de rotao do prato superior.


Figura 3 - Esquema de teste para o mdulo de elasticidade e Poisson.

Os ensaios para a determinao do mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson inicial (20% da resistncia compresso) foram realizados com controle de fora, estabelecendo patamares de carga em funo da resistncia estimada (NBR-8522 (2003)). A Figura 4 mostra 10 ciclos de carga e descarga, desde um nvel de tenso aproximado de 0,5 MPa at aos patamares de 0,15 e 0,20 da resistncia compresso estimada do bloco. A velocidade de carga durante os 10 ciclos foi de 1 kN/s. Para o tempo de ensaio restante a velocidade foi de 0,15 kN/s. A velocidade de carregamento, durante os ciclos e patamares, foi definida em funo do tempo de teste para cada amostra. Quando se atinge o valor de 0,15.fc e 0,2.fc, a fora permanece constante por um perodo de 60 segundos. Finalizadas as medies foi efetuada a descarga do bloco. Aps isso, so verificadas as deformaes medidas em dois extremos do bloco, comparando as diferenas entre ambos. Caso o deslocamento obtido entre os lvdts fosse maior que 30% do maior deslocamento, se procedia nova centragem da amostra, ajustando novamente o corpo-de-prova. A velocidade de carregamento, para o ensaio de mdulo de elasticidade, foi fixada a partir do tempo de teste considerado suficiente para a resposta do material durante os ciclos e os patamares. Partiu-se do critrio de que, para materiais porosos, o aumento da velocidade de carregamento causa uma diminuio no valor das deformaes e, por conseqncia, o aumento do valor do mdulo de elasticidade. Por isso, foi estabelecido o critrio de carregamento apresentado na Figura 4 para a obteno do mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson. Para a determinao da resistncia compresso dos blocos e para a obteno do diagrama tenso-deformao ps-pico, mudou-se o controle da prensa e manteve-se um deslocamento constante ao longo do ensaio. A velocidade de deslocamento escolhida foi de 0,002 mm/s. O coeficiente de Poisson foi determinado para diferentes relaes /fc pela diviso entre as deformaes laterais e axiais obtidas em diferentes pontos (/fc= 0,2, 0,4, 0,5, 0,63 e 0,74). Com isso era possvel determinar o diagrama entre a tenso e as deformaes da amostra (axial e lateral).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Tempo (segundos)

Fo

ra

(KN

)

0.2 fc

0.15 fc10 Ciclos

Vel=1 KN/s

Vel= 0.15 KN/s

Figura 4 - Ciclo de carga e descarga para o mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson.

A ES 772-1 (2000) estabelece que as resistncias dos blocos devam ser calculadas conforme a proporo entre a rea lquida e a rea bruta. Caso esta porcentagem seja superior a 0,35 ou 35%, a resistncia compresso deve ser obtida na rea lquida. A mesma norma recomenda que a velocidade de carregamento, a ser usada nos ensaios de


resistncia compresso, pode ser fixada conforme a necessidade do usurio, mas no dever ser menor do que um minuto. A utilizao da velocidade de 0,002 mm/s foi devida necessidade de uma menor disperso nos valores das deformaes do bloco e da obteno do comportamento ps-pico do material.

3.1 Resultados de resistncia compresso, mdulo de elasticidade e coeficiente de Poisson

Os resultados de resistncia compresso mdia obtida na rea lquida, juntamente com as deformaes verticais e horizontais ltimas, so apresentados na Tabela 2, com o respectivo desvio-padro e coeficiente de variao amostral. Foram utilizados quatorze (14) blocos nos ensaios, tendo sido obtidos resultados no satisfatrios em dois dos corpos-de-prova (bloco 5 e 7) que acabaram sendo descartados.

Tabela 2 Resistncia compresso e deformao de compresso (c) e trao (t) dos blocos. BLOCO

(Designao)

fbloco (MPa)

c t

1 20,01 0,001883 0,002141

2 22,93 0,001258 0,002028

3 22,96 0,001444 0,003207

4 22,22 0,001413 0,002168

6 22,17 0,003506 0,000581

8 24,14 0,002498 0,000879

9 21,88 0,002838 0,000981

10 24,29 0,002751 0,000574

11 22,93 0,003071 0,000698

12 22,49 0,002060 0,000757

13 25,35 0,001899 0,001340

14 26,19 0,002341 0,001013

Mdia 23,1 0,002247 0,001364

Desvio-padro (MPa) 1,66 0,000710 0,000833

Coeficiente de variao (%) 7,66 31,60 61,00

O coeficiente de variao obtido nos resultados de resistncia compresso dos blocos foi considerado pequeno, isso demonstra uma boa qualidade na produo das unidades. As deformaes de compresso (c) e de trao (t) na ruptura apresentaram uma elevada disperso nos valores, fator este considerado normal em funo da aleatoriedade dos defeitos e do surgimento dos mesmos em relao aos pontos de medio. Considerando os resultados mdios de deformaes obtidos nos ensaios, pode se concluir que: as deformaes ltimas de trao so aproximadamente 0,60 vezes as deformaes de compresso. Portanto, o valor da proporo entre deformaes laterais e axiais na ruptura foi de 0,61 (mdia de doze unidades). A Figura 5 mostra a relao entre a deformao de trao em funo da compresso dos blocos designados por 3 e 4. Nota-se um comportamento linear entre as mesmas, para um nvel de deformao de compresso prximo de 0,0007, ou seja, cuja proporo entre /fc de 0,3. Aps isto, acontece um aumento desproporcional, cuja funo pode ser aproximada por uma equao exponencial at a deformao de compresso atingir 0,0014.


-0,003

-0,0025

-0,002

-0,0015

-0,001

-0,0005

0

0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012 0,0014 0,0016

c

t

Bloco_3

xey .3785.00001,0

xy .20,0

-0,003

-0,0025

-0,002

-0,0015

-0,001

-0,0005

0

0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014 0,0016

c

t

Bloco_4

xey .3797.000008,0

xy .17,0

Figura 5 - Comportamento das deformaes de trao e compresso do bloco.

Nota-se, nos resultados experimentais, uma variao mdia do coeficiente de Poisson da ordem dos 60%. O coeficiente de variao do mdulo de elasticidade foi de aproximadamente 13%. A alta disperso dos valores do coeficiente de Poisson deve-se ao modo de ruptura e, portanto, ao surgimento de fissuras, ou seja, quando a mesma passou pelo lvdt ocorreu um aumento significativo do valor do coeficiente de Poisson. A Figura 6 mostra a imagem, utilizando o microscpio eletrnico de varredura, da superfcie do bloco ampliada 15 vezes, onde pode se verificar a existncia de vazios internos, de uma faixa granulomtrica contnua de areia e a pouca quantidade de finos (pasta) envolvendo as partculas, diminuindo a rea de contato entre o aglomerante e agregado, o que facilitaria o aumento repentino do coeficiente de Poisson prximo da ruptura.


Figura 6 - Imagens da microestrutura do bloco de concreto aumentada em 15 vezes.

A Equao 1 representa o comportamento do coeficiente de Poisson mdio em funo da proporo entre tenso/resistncia (/fc), vlida para o intervalo entre 0,4 e 1./fc, conforme mostra a Figura 7.

y = 0,0779e2,1532x

R2 = 0,9911

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8

Tenso/Resistncia

Pois

son

Figura 7 - Relao entre Poisson e a proporo entre /fc.

fce /.1532,2.078,0 (1)

A proporo entre o mdulo de elasticidade e a resistncia compresso, denominada de constante k da unidade, apresentada na Tabela 3. O mdulo de elasticidade do bloco foi calculado para diferentes propores de /fc. Nota-se, por meio dos resultados experimentais, uma diminuio no valor do mdulo de elasticidade com o aumento da tenso aplicada.


Tabela 3 Relao entre /fc e a constante k.

/fc E/fc=k 0,20 21011 / 23,1=909

0,40 15595 / 23,1=675

0,50 14834 / 23,1=642

0,63 14032 / 23,1=607

0,74 13096 / 23,1=567

A Figura 8 mostra a forma de ruptura do bloco, onde as foras de atrito impem um deslocamento horizontal maior na base, definindo a regio de ruptura a (regio de esfacelamento). A regio de ruptura b desliza sobre a a, como mostra a linha tracejada e induz rupturas diagonais no bloco.

Forma de ruptura.Foras (atrito).

a

b

Abertura provocada pelo deslizamento da parte

superior do bloco (b) sobre a inferior (a).

Figura 8 - Forma de ruptura padro dos ensaios compresso do bloco.

A existncia de tenses de aderncia entre a chapa e o bloco faz com que a ruptura seja tronco-cnica. Este modo de ruptura gerado pelo deslocamento restringido produzido pelo atrito entre a chapa e o bloco, surgindo um estado de tenses multiaxiais.

4 Concluses

De acordo com os resultados experimentais pode-se concluir que: As variaes nos resultados de resistncias compresso dos blocos vibro-compactados foram consideradas pequenas em relao aos concretos convencionais (no-vibrados), isso demonstra uma boa qualidade na produo das unidades. As deformaes de compresso (c) e trao (t) ltimas apresentaram uma disperso de valores elevada em funo da propagao da fissura em relao ao ponto de medio (localizao do lvdt). Por conseqncia da propagao da fissura em relao ao ponto de medio, verificou-se um alto coeficiente de variao nos resultados experimentais. Considerando os resultados mdios das deformaes obtidas nos ensaios, observou-se que os experimentos apresentaram uma variao mdia do coeficiente de Poisson da ordem dos 60% e para o mdulo de elasticidade esta variao foi de 13%. Observou-se a existncia de vazios internos provocados por uma faixa granulomtrica contnua de areia visualizada no microscpio eletrnico de varredura (MEV), devido a pouca quantidade de finos envolvendo as partculas de areia do bloco.


5 Referncias Bibliogrficas

HENDRY, A. W. Structural brickwork. Edited by Halsted Press book. John Wiley & Sons. New York, USA. ISBN 0-470-27109-4, 1981. NBR 6136. Blocos vazados de concreto simples para alvenaria Requisitos - ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas, 2007. SHRIVE, N. G. Compressive strength and strength testing of masonry. Proc. 7 IBMAC, Eds. T. McNeilly and J. C. Scrivener, Melbourne, BDRI, 699-710, 1985. SHRIVE, N. G. AND EL-RAHMAN. Understanding the cause of cracking in concrete: A diagnostic aid. Journal Concrete International, vol. 7, issue 5, may, 1985. EUROPEAN STANDARD. ES 772-2. Specification for masonry units- Part 2: Determination of percentage area of voids in aggregate concrete masonry units (by paper indentation), 1998. ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS. NBR 12118. Bloco vazado de concreto simples para alvenaria Determinao da absoro de gua, teor de umidade e rea lquida. Associao Brasileira de Normas Tcnicas. Rio Janeiro, 1991. ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS. NBR 8522. Concreto - determinao dos mdulos estticos de elasticidade e de deformao e da curva tenso e deformao. Associao Brasileira de Normas Tcnicas. Rio Janeiro, 2003. EUROPEAN STANDARD. ES 772-1. Specification for masonry units- Part 1: determination of compressive strength, 2000. COMIT EURO-INTERNATIONAL DU BTON. CEB-FIP Model Code 1990. London, Thomas Telford, 1993.

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