Calculo Chumbadores

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1 CHUMBADORES 1 Antonio Carlos Reis Laranjeiras Sumário 1. Introdução ................................................................................................................. 1 2. Tipos de chumbadores.............................................................................................. 2 3. Diferenças entre chumbadores adesivos e grauteados ............................................ 3 4. Dimensionamento dos chumbadores adesivos......................................................... 5 Fundamentos ............................................................................................................... 5 Chumbadores isolados ................................................................................................ 8 Chumbadores em grupo ............................................................................................ 11 Exemplo numérico ..................................................................................................... 14 5. Dimensionamento dos chumbadores grauteados ................................................... 16 Fundamentos ............................................................................................................. 16 Formas de ruptura dos chumbadores grauteados ..................................................... 18 Dimensionamento dos chumbadores isolados........................................................... 20 Influência da distância ao bordo ................................................................................ 22 Influência do espaçamento entre chumbadores ........................................................ 23 1. Introdução O comportamento e o dimensionamento de chumbadores – elementos de aço usados para transferir ao concreto forças de tração, de compressão, de corte ou corte associado com tração ou com compressão – é assunto que está a merecer discussão em nosso grupo, dado o seu crescente emprego em contraposição à carência de normatização e de informação técnica no ambiente de projeto. De fato, os chumbadores, atualmente, apresentam freqüente e crescente uso entre nós, em ligações das peças pré-moldadas de concreto, em ligações de peças de aço com as de concreto, em reforços de estruturas e de fundações, em implantação de arranques de pilares, em acréscimos em estruturas já prontas, etc. Para atender a essas necessidades diversas, há uma variada gama de chumbadores e produtos 1 Esse texto é uma compilação de mensagens enviadas ao grupo de discussão calculistas, em nov.,dez./2008
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CHUMBADORES1Antonio Carlos Reis Laranjeiras

Sumrio1. Introduo ................................................................................................................. 1 2. Tipos de chumbadores.............................................................................................. 2 3. Diferenas entre chumbadores adesivos e grauteados ............................................ 3 4. Dimensionamento dos chumbadores adesivos......................................................... 5 Fundamentos ............................................................................................................... 5 Chumbadores isolados ................................................................................................ 8 Chumbadores em grupo ............................................................................................ 11 Exemplo numrico ..................................................................................................... 14 5. Dimensionamento dos chumbadores grauteados ................................................... 16 Fundamentos ............................................................................................................. 16 Formas de ruptura dos chumbadores grauteados ..................................................... 18 Dimensionamento dos chumbadores isolados........................................................... 20 Influncia da distncia ao bordo ................................................................................ 22 Influncia do espaamento entre chumbadores ........................................................ 23

1. IntroduoO comportamento e o dimensionamento de chumbadores elementos de ao usados para transferir ao concreto foras de trao, de compresso, de corte ou corte associado com trao ou com compresso assunto que est a merecer discusso em nosso grupo, dado o seu crescente emprego em contraposio carncia de normatizao e de informao tcnica no ambiente de projeto. De fato, os chumbadores, atualmente, apresentam freqente e crescente uso entre ns, em ligaes das peas pr-moldadas de concreto, em ligaes de peas de ao com as de concreto, em reforos de estruturas e de fundaes, em implantao de arranques de pilares, em acrscimos em estruturas j prontas, etc. Para atender a essas necessidades diversas, h uma variada gama de chumbadores e produtosEsse texto uma compilao de mensagens enviadas ao grupo de discusso calculistas, em nov.,dez./20081

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associados disposio dos projetistas sem que esses disponham do respaldo de exigncias normativas, nem de procedimentos recomendados para o respectivo projeto. Pretendo fornecer uma viso geral e sucinta do estado da arte do projeto de chumbadores, como fundamento necessrio essa desejada discusso. Identificarei, inicialmente, os diversos tipos de chumbadores, destacando os de nosso uso, suas diferenas em comportamento e sugestes para seu dimensionamento e especificaes.

2. TiposdechumbadoresOs chumbadores podem ser classificados em dois grandes grupos: 1) os moldados in-loco, isto , instalados na pea antes da concretagem, e 2) os ps-instalados, isto aqueles que so assentados em furos feitos no concreto. A depender de como so fixados, distinguem-se os ps-instalados fixados (a) por dispositivos mecnicos do prprio chumbador; (b) por adesivos sintticos ou (c) por grautes, que estabelecem a aderncia entre o chumbador e o concreto, como ilustra a figura abaixo. O primeiro chumbador esquerda do tipo moldado-in-loco (cast-in-place); os dois seguintes so ps-instalados em furos e fixados por dispositivos mecnicos; os dois ltimos so tambm ps-instalados, mas fixados por aderncia ao concreto com auxlio de adesivos ou de grautes.

Os chumbadores moldados-in-loco e os ps-instalados com fixao mecnica j tm seus procedimentos normatizados na norma americana ACI 318-08, Apndice D, mas os demais - os ps-instalados com adesivos ou com graute justamente os que se 2

constituem o nosso grande campo de aplicao corrente, no possuem documentos normativos, nem procedimentos recomendados em nossa prtica profissional, do que resulta que seu projeto ainda feito entre ns de uma forma leiga, na base de informaes esparsas, pouco sistematizadas. A norma ACI 318-08 exclui explicitamente os chumbadores adesivos e os grauteados pelo fato de que o comportamento e a resistncia desses chumbadores dependem, basicamente, da qualidade e caractersticas da pluralidade de adesivos e grautes existentes, portanto de sua respectiva normatizao. O prprio conhecimento sobre esses chumbadores vem sendo consolidado apenas nos ltimos anos, com auxlio de um banco de dados internacional, para livre consulta e anlise dos inmeros resultados de ensaios j efetuados. O exposto permite-me limitar o objeto de nossa discusso ao projeto dos chumbadores adesivos (adhesive anchors) e dos grauteados (grouted anchors), j que os demais no sofrem da mesma carncia de informaes, nem so mesmo to usados entre ns como estes. Portanto, informo aos navegantes-leitores dessas notas que, daqui para frente, s irei referir-me a esses chumbadores. As barras de ao que constituem os chumbadores podem ser lisas, nervuradas ou rosqueadas. Essas barras, nos chumbadores grauteados, podem ter, opcionalmente, um elemento auxiliar de ancoragem na extremidade (headed anchors), assim como uma rosca na extremidade da barra rosqueada. Os chumbadores mais comuns entre ns so os constitudos das prprias barras nervuradas, retas, sem elementos de extremidade. Os furos no concreto dos chumbadores adesivos so sempre menores do que 1,5 vezes o dimetro da barra, geralmente 1,2 vezes, de acordo com as especificaes dos fornecedores dos adesivos, enquanto que os furos dos chumbadores grauteados so sempre iguais ou maiores do que 1,5 vezes o dimetro da barra. A presena de agregados finos, inertes, nos grautes associada s demais diferenas fsicas entre os adesivos estruturais e os grautes, exige dimetros maiores nos chumbadores grauteados.

3. DiferenasentrechumbadoresadesivosegrauteadosConforme j esclareci, os chumbadores ps-instalados e fixados nos furos por aderncia com o concreto podem ser classificados como chumbadores adesivos, quando fixados com auxlio de adesivos sintticos, e como chumbadores grauteados, quando fixados com auxilio de graute, sendo que os furos destes tm maiores dimetros, para um mesmo dimetro de chumbador. Os chumbadores adesivos utilizam resinas epxis ou polisteres ou sistemas hbridos, associados a agentes catalisadores. Entre ns, dispomos de resinas adesivas 3

para esse fim, fornecidas isoladas, sem o chumbador como, por ex., os Compound Adesivo da VEDACIT; os Sikadur da SIKA; os Lokfix da ANCHORTEC; os Concresive da DEGUSSA e de resinas fornecidas com o chumbador, identificados no mercado por chumbadores qumicos como, por ex., os da FISCHER, da NCORA, da HILTI caso este em que o fornecedor especifica dimetro dos furos e capacidade de carga prevista para o chumbador. Os furos dos chumbadores adesivos devem estar limpos e secos, antes da aplicao da resina, pois a presena de gua na interface da resina com o concreto prejudica as reaes qumicas entre o adesivo e o concreto. Aps injetado o adesivo, o chumbador introduzido no furo e a cura se completar em horas (12h?, a depender do produto). Os chumbadores grauteados utilizam dois tipos diferentes de graute: (a) base de polmeros, nos quais o aglomerante uma resina epxi, ou (b) base de cimento, aglomerante hidrulico. A diferena do graute sinttico para os adesivos sintticos que o graute tem a adio de agregados inertes, finos. Entre ns, so exemplos dos grautes polimricos, base epxi: o Conbextra EPR da ANCHORTEC; Sikadur 42 da SIKA; Masterflow 211 da DEGUSSA, entre outros. Entre os grautes cimentcios, so exemplos: o Fosgrout Plus da ANCHORTEC; os Sikagrout da SIKA; O Masterflow 320 Grout da DEGUSSA. O graute sinttico, do mesmo modo que no uso dos adesivos, ser aplicado em furos limpos e secos, ao contrrio do graute cimentcio, que ser aplicado em furos midos, saturados. Recomenda-se que, antes da aplicao do graute cimentcio, os furos permaneam cheios dgua por algumas horas (12h?). Outra diferena importante, que, enquanto o graute sinttico endurece em algumas horas, o graute cimentcio exige dias para ser submetido a cargas.

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Os chumbadores adesivos e os grauteados sintticos foram expostos a questionamentos, aps acidente ocorrido em 10 de julho de 2006, nos EEUU (bem recente, no?!). Nesta data, parte do teto de um tnel rodovirio (conhecido por Big Dig), em Boston, desabou sobre um carro em trnsito, causando a morte de um dos seus ocupantes. Uma investigao do rgo americano de segurana dos transportes, NTSB, concluiu que os chumbadores adesivos que suportavam o teto, ao serem submetidos a cargas permanentes, gravitacionais, foram sendo arrancados lentamente ao longo do tempo - em fenmeno que conhecemos por fluncia ou deformao lenta chegando ruptura e provocando o colapso verificado. Era realmente fato conhecido dos pesquisadores que os adesivos polimricos (epxis e polisteres) apresentam maior fluncia do que os produtos inorgnicos como o concreto. E que a adio de agregados (grautes) reduzia parcialmente essa diferena. O NTSB, em suas concluses, levantou questionamentos sobre a adequabilidade do uso de chumbadores adesivos (por extenso, chumbadores com grautes sintticos) em aplicaes que devem resistir a cargas permanentes. O NTSB constatou que, entre os projetistas e construtores (americanos), havia (em 2006!) falta de conhecimento sobre esse fenmeno nas ancoragens adesivas e dos riscos associados com seu uso em casos de cargas permanentes, alm de falta de normas de ensaio desses adesivos sob cargas permanentes. A comunidade da construo americana contraps que os chumbadores com uso de adesivos sintticos j tm cerca de 25 anos de aplicaes com sucesso, mas concordou que o seu comportamento sob cargas permanentes deveria ser melhor avaliado. Quando os chumbadores adesivos forem destinados a cargas permanentes, devem ser previamente qualificados para esse uso, recebendo em sua embalagem a notificao suitable for sustained loads. Como praticamente todas as nossas aplicaes de chumbadores a trao incluem carregamentos permanentes, essa questo de ruptura por fluncia dos adesivos sintticos est a merecer uma boa discusso entre ns e melhores esclarecimentos de nossos pesquisadores e fornecedores.

4. DimensionamentodoschumbadoresadesivosFundamentos bom lembrar que estou focando, nessa discusso, apenas os chumbadores instalados em furos feitos no concreto, com aderncia garantida por adesivos estruturais, sintticos, designados de chumbadores adesivos ou de adeso, ou com aderncia atravs de grautes, designados chumbadores grauteados, submetidos a foras de trao. A razo desse destaque que so esses os mais usados entre ns, e os viles da histria, sem procedimentos consolidados na prtica de projeto. 5

Discutirei, inicialmente, o dimensionamento dos chumbadores adesivos, isolados ou em grupos, e, posteriormente, o dimensionamento dos chumbadores grauteados, isolados ou em grupos. As formas de ruptura dos chumbadores adesivos, isolados, que fundamentam os respectivos critrios de dimensionamento, so as indicadas na figura abaixo.

(a)

(b)

(c)

(d)

Na figura (a), a ruptura se d por arrancamento de um cone de concreto - prpria de chumbadores curtos e de grande dimetro - no havendo pois ruptura das ligaes do chumbador com a pea, mas sim ruptura do prprio concreto. Essa forma de ruptura de carter excepcional nos chumbadores adesivos ou grauteados, sendo mais prpria de chumbadores moldados in-loco (ou de pr-concretagem). Na figura (b), a ruptura se d na ligao adesivo-concreto. Na (c), a ruptura, por sua vez, da ligao chumbador-adesivo e, na figura (d), h uma associao de rupturas adesivo-concreto e adesivo-chumbador. Em todos esses casos, h um arrancamento de um cone superficial de concreto. difcil distinguir, segundo os pesquisadores (Cook e outros), entre as formas de ruptura (b), (c) e (d), fato que os levou a considerar que a resistncia aderncia de um chumbador adesivo pode ser descrita com suficiente preciso, adotando-se um modelo de clculo com variao uniforme de tenses de aderncia, referida ao dimetro do prprio chumbador. A resistncia mdia da aderncia dos adesivos estruturais com os chumbadores, mesmo adequadamente injetados, varia muito. Ensaios ( Cook e outros) com 20 produtos diferentes identificaram resistncias mdias de aderncia, fbm, entre 2,3 a 19,5 MPa. Outros fatores influenciam, diferentemente, a eficincia dos adesivos, tais como sua sensibilidade limpeza e presena de umidade no furo, a aumentos de temperatura e fluncia sob cargas permanentes. Alm disso, a presena de fissuras de aberturas aceitveis no concreto reduz (Elighausen e outros) a resistncia da aderncia em cerca de 50% do valor determinado em regies no fissuradas. Do acima exposto, infere-se que a aplicao de um procedimento de dimensionamento, qualquer que seja, dentro do modelo de segurana de nossas Normas, depender do conhecimento do valor da resistncia aderncia caracterstica do adesivo (fbk, referida a quantil de 5%), ajustada, por coeficientes parciais de segurana (m), aos fatores de influncia desfavorvel, mencionados, de modo a fornecer a resistncia de clculo do adesivo (fbd = fbk / m).

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No dispomos de uma norma nacional de ensaio padronizado para determinao da resistncia de aderncia (fbm e fbk) de um produto adesivo, mas j existe a respeito a Norma internacional ICC-ES AC-308:2008. A nossa Norma NBR 14827:2002 (Chumbadores instalados em elementos de concreto ou alvenaria Determinao de resistncia trao e ao cisalhamento), baseada na ASTM E-488:1996, refere-se a ensaios de chumbadores em seu conjunto, includos todos os seus parmetros de influncia, sem isolar a influncia do adesivo, e portanto no se presta a uma eventual classificao por resistncia dos adesivos, como temos para os concretos. As bases do dimensionamento que se seguem tm referncia um artigo de Rolf Eligehausen e outros (Behavior and Design of Adhesive Bonded Anchors. ACI Structural Journal, Nov-Dec 2006, p.822-31), e resultam de uma investigao coletiva (americana-alem), ao longo de diversos anos de estudos, aferidas por extensivo banco de dados experimentais com mais de 400 ensaios de chumbadores adesivos em grupo e outras centenas de ensaios em chumbadores adesivos isolados e na borda das peas. Adotarei como referncia, no dimensionamento dos chumbadores adesivos, a Norma Internacional AC308 - Acceptance Criteria for Post-Installed Adhesive Anchors in Concrete Elements, do ICC-ES (International Code Council Evaluation Service), aprovada em maio 2008, e com entrada em vigor em junho 2008. Essa Norma, bem recente como se v, define, alm dos procedimentos de projeto dos chumbadores adesivos, procedimentos de ensaio para avaliao de sua capacidade de carga e controle de qualidade. Seu download gratuito, no endereo : http://www.icc-es.org/Criteria/ O procedimento de projeto do AC308 tem as limitaes seguintes: - o dimetro do chumbador (d) no deve ser menor do que 6mm; - o dimetro do furo (do) deve ser inferior a 1,5.d; - o comprimento mnimo de embutimento do chumbador (hef), em mm, deve respeitar a tabela abaixo:d, mm hef, min scr); fcd a resistncia compresso de clculo do concreto da pea onde sero instalados os chumbadores, em MPa (N/mm).

ExemplonumricoDados: Seja um grupo de 4 chumbadores, que se pretende instalar na face de um pilar com largura de 400 x 800 mm, de concreto armado, concreto C30. Pretende-se saber qual o valor da fora de trao axial, em servio, que pode ser aplicada, no caso desses chumbadores estarem dispostos, simetricamente, nos 4 vrtices de um quadrado com 200mm de lado, com cobrimentos em relao s faces laterais do pilar iguais a 100 mm, conforme figura abaixo.

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Sero usados chumbadores do tipo adesivo, constitudos de barras de ao nervuradas, CA-50, 20, com 400 mm de embutimento, instaladas em furos feitos no pilar com 25 mm (1,25d) e fixadas ao concreto com auxlio de resina epxi. Resoluo: A capacidade de carga no ELU de um chumbador desse, isolado, j foi determinada no exerccio anterior. Assim, so dados: n=4; d=20mm; hef=400mm; c =100mm; s=200mm; Nao = 125.600 N; Adotado para a resistncia de aderncia de clculo da resina epxi: fbd = 5 MPa (5N/mm), e para a resistncia compresso de clculo do concreto: fcd = 30/1,4 = 21,4MPa. Identifica-se que: a) o cobrimento desses chumbadores c=100mm < ccr = 7. = 140mm; b) a distncia entre chumbadores s=200mm < scr = 14. = 280mm. Clculos: A = (c+s+c).(ccr+s+ ccr) = (100+200+100).(140+200+140) = 192.000 mm; Ao = (2.ccr) = 2.140 = 78.400 mm (A