CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO E SUA APLICAÇÃO EM PAVIMENTOS
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CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO E SUA APLICAÇÃO EM PAVIMENTOS1
Mauricio Bochicchio2
RESUMO
O presente artigo trata sobre o concreto reforçado com fibras de aço, descrevendo o mecanismo de interação entre o concreto e as fibras, e os principais fatores que interferem no seu comportamento mecânico no que diz respeito à resistência à tração na flexão e tenacidade. Aborda a respeito dos tipos de fibra de aço, suas características geométricas e mecânicas e a relação destas com o comportamento do concreto reforçado com fibras de aço. Identifica as principais características do concreto reforçado com fibras de aço na aplicação em pavimentos e aponta as práticas usuais em relação à dosagem e controle tecnológico, além de apontar as principais vantagens e desvantagens do seu uso.
Palavras chave: Fibras de aço. Pavimentos de concreto.
1 INTRODUÇÃO
O concreto está entre os materiais mais utilizados no mundo, possui diversas
vantagens, tais como baixo custo, facilidade de adaptação a diversas condições de
produção e possibilidade de moldagem em variadas formas. No entanto, é um
material de comportamento frágil e com baixa capacidade de deformação quando
submetido a esforços de tração, e ao fissurar perde totalmente sua capacidade de
resistir à tração. A adição de fibras de aço ao concreto está entre as alternativas
tecnológicas para melhoria destas características.
As fibras de aço adicionam ao concreto certa ductilidade, transformando-o em um
compósito de comportamento pseudo-dúctil, aumentando sua tenacidade e a
1 Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Civil apresentado na Unifacs – Universidade Salvador, em 2013.1. Orientado pelo Prof. Carlos Machado. 2 Bacharel em Urbanismo (UNEB), Graduando em Engenharia Civil (UNIFACS). E-mail: [email protected]
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resistência à tração na flexão; para o caso de pavimentos, ajuda a diminuir os
índices de fissuração por retração hidráulica e térmica.
Segundo Rodrigues (2010, p.67) a adição de fibras de aço incrementa a resistência
ao impacto, fazendo com que o material apresente maior tenacidade e melhor
comportamento com relação à fadiga, o que permite que mesmo depois de
apresentar determinada deformação plástica, o material ainda tenha capacidade
estrutural.
Carnio (1998) apud (OLIVEIRA, 2000, p.16) afirma que a adição das fibras de aço
ao concreto tem por finalidade inibir a abertura das fissuras, bem como a sua
propagação, e que, devido a esse controle de fissuração, o material apresenta
capacidade de se deformar absorvendo esforço, característica esta de material com
ductilidade.
No entanto, a mera inserção das fibras não é a garantia da melhoria destas
condições, diversos fatores afetam o comportamento deste compósito, como: o teor
de fibras, forma e comprimento das fibras, o módulo de elasticidade do concreto e
da fibra. Outro fator importante é o controle tecnológico, já que as fibras são
distribuídas de modo aleatório dentro da matriz de concreto, sua distribuição
homogênea é fundamental para o comportamento esperado do material.
Segundo Figueiredo (2011, p.4) atualmente, a prática de utilização do concreto
reforçado com fibras no Brasil pode ser descrita como uma atividade basicamente
empírica, pois é muito freqüente a utilização de teores fixos de fibras e a total
ausência de procedimentos de controle da qualidade do compósito.
O concreto reforçado com fibras aço é um material ainda pouco explorado no país,
em grande parte pelo desconhecimento dos profissionais a respeito de suas
possibilidades; seu uso teve início na década de 1990, e desde então já foram
realizados diversos estudos a respeito do assunto. Sua utilização está concentrada
principalmente em pavimentos industriais, outras aplicações têm sido em concreto
projetado para túneis e na fabricação de tubos de concreto.
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O presente trabalho se propõe, com base em uma pesquisa bibliográfica sobre o
tema, a contribuir com o entendimento e disseminação da tecnologia do concreto
reforçado com fibras de aço, apontando a função da inserção das fibras de aço ao
concreto e descrevendo o mecanismo de interação entre o concreto e as fibras.
2 TIPOS DE FIBRAS DE AÇO
A NBR 15530 (ABNT, 2007) estabelece parâmetros de classificação para as fibras
de aço de baixo teor de carbono e dispõe sobre os requisitos mínimos de forma
geométrica, tolerâncias dimensionais, defeitos de fabricação, resistência à tração e
dobramento. Seu principal objetivo é garantir que as fibras possuam especificações
que atendam a um comportamento mínimo esperado para o concreto reforçado com
fibras de aço, e também possibilitar uma ordenação do mercado para a produção do
material.
Quanto à resistência do aço utilizado na fabricação das fibras, a norma define
resistências mínimas em função da classe da fibra, a menor resistência prevista para
o aço é de 500MPa.
Quadro 1 – Limites de resistência à tração para os diversos tipos e classes de fibras de aço conforme NBR 15530
Fonte: Figueiredo (2011)
As fibras de aço são classificadas de acordo com o seu formato e tipo de aço que
lhe dá origem, conforme indicado no Quadro 2. Quanto ao formato podem ser: Tipo
A - com ancoragem nas extremidades, Tipo B - corrugada e Tipo R - reta. Quanto à
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classe podem ser: Classe I – produzida a partir de arame trefilado, Classe II –
obtida a partir de chapa laminada cortada a frio e Classe III – produzida com arame
trefilado e escarificado.
Quadro 2 – Classificação e geometria das fibras de aço para reforço de concreto conforme NBR 15530
Fonte: Figueiredo (2011)
Outro ponto importante de que trata a norma diz respeito ao fator de forma, que é a
relação geométrica obtida a partir da divisão do comprimento da fibra, não alongado,
pelo diâmetro do círculo com área equivalente à de sua seção transversal (L/d). A
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norma indica também valores máximos de variação do comprimento e diâmetro
especificados.
Quadro 3 – Requisitos de fator de forma mínimo das fibras de aço para concreto conforme NBR 15530
Fonte: Figueiredo (2011)
A NBR 15530 (ABNT, 2007) estabelece também o ensaio de dobramento, que
consiste no dobramento da fibra a 90º em um pino de 3,2mm de diâmetro, à
temperatura de 16ºC. O ensaio é realizado em uma amostra de 10 exemplares por
lote, e no mínimo 90% destas não podem sofrer quebra.
A preocupação com a variação dimensional é para se garantir que o fator de forma
da fibra não apresente grandes variações e não prejudique o comportamento do
concreto reforçado com fibras de aço quanto à sua resistência pós-fissuração
(FIGUEIREDO, 2011, p.23).
A norma define também um percentual máximo de fibras com defeitos de fabricação,
verificação é realizada para cada lote fabricado, com uma amostra de no mínimo
200g. O lote é aceito se não apresentar mais que 5% de peças com defeito. Podem
ocorrer defeitos como, peças emendadas pelo topo, prejudicial principalmente para
os concretos projetados, e também peças sem ancoragem, para o caso das fibras
tipo A, o que pode afetar o fator de forma.
Quadro 4 – Plano de amostragem para um lote de fibras que será submetido ao controle de recebimento conforme NBR 15530
Fonte: Figueiredo (2011)
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3 O MECANISMO DE INTERAÇÃO ENTRE O CONCRETO E AS FIBRAS DE
AÇO
A base do desempenho dos concretos reforçados com fibras está no papel exercido
pelas fibras como ponte de transferência de tensão pelas fissuras surgidas no
momento de rompimento do concreto. As fibras de aço atuam como reforço do
concreto endurecido, podendo em certos casos substituir a armadura convencional.
Segundo Figueiredo (2011) entre as principais causas de fissuras está a retração da
pasta de cimento dentro da matriz, que é restringida pelos agregados que são bem
mais rígidos, causando esforços de tração na pasta e sua possível fissuração.
As fissuras conduzem a uma concentração de tensões em suas bordas, quando o
material é carregado, facilitando a ruptura do mesmo. Ao se iniciar uma nova fissura
ocorre diminuição da área disponível de suporte de carga, o que causa um aumento
das tensões nas extremidades das fissuras, quando esta tensão supera a tensão
crítica há a ruptura abrupta do material. No caso de esforço cíclico ocorre ruptura por
fadiga da seguinte forma, a cada ciclo de carregamento há um aumento progressivo
das microfissuras, e com isso um aumento progressivo das tensões, até que ocorra
a ruptura do material.
Ao se adicionar fibras de aço de resistência e módulo de elasticidade, adequados e
num teor apropriado, o concreto deixa de ter o comportamento frágil. Após o
rompimento da matriz, as fibras fazem o papel de ponte de transferência de tensões,
cuja concentração nas extremidades é então minimizada. Com isso, tem-se uma
redução da velocidade de propagação das fissuras no material que passa a ter um
comportamento pseudo-dúctil ou não frágil.
Após a fissuração da matriz a presença das fibras proporciona em geral um aumento
da ductilidade e percebe-se em alguns casos, ganho de resistência à tração.
Entretanto, este aumento dependerá de uma série de fatores, tais como: volume de
fibras, arranjo e método de mistura nos demais componentes do concreto de
Cimento Portland (MOSCATELLI, 2011).
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Figura 1 – Esquema de concentração de tensões para um concreto sem (a) e com (b) reforço de fibras
Fonte: Figueiredo (2011)
4 FATORES QUE AFETAM O DESEMPENHO DO CONCRETO REFORÇADO
COM FIBRAS DE AÇO
A geometria da fibra é um dos principais aspectos que definem o desempenho do
compósito, outro fator relevante na definição deste desempenho é a resistência do
aço utilizado na sua produção. Existem ainda outros fatores que tem influência direta
no comportamento do concreto reforçado com fibras de aço, entre os principais
estão o teor de fibras e a resistência do concreto.
4.1 GEOMETRIA
4.1.1 Comprimento
Quanto maior o comprimento da fibra, maior será o seu embutimento e,
consequentemente, a resistência pós-fissuração do concreto. Porém, existem alguns
inconvenientes, um deles é a perda de mobilidade da mistura; o outro é que se
ultrapassando o comprimento crítico, a fibra se romperá no momento em que
surgirem as fissuras, diminuindo assim a resistência pós-fissuração.
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O comprimento crítico (Lc) é aquele que faz com que se atinja no centro da fibra sua
tensão de ruptura; isto ocorre pelo fato das tensões na fibra aumentarem
linearmente das extremidades ao centro, devido à carga de arrancamento
proporcionada pelo comprimento embutido.
Figura 2 – Distribuições possíveis de tensão ao longo de uma fibra em função do comprimento crítico
Fonte: Figueiredo (2011)
Devido a isto, as fibras disponibilizadas no mercado para reforço do concreto de
resistência convencional possuem comprimentos menores que o crítico e o
mecanismo de reforço é regido pelo processo de arrancamento da fibra garantindo
assim a tenacidade do compósito.
Segundo Figueiredo (2011), o recomendado é a utilização de fibras cujo
comprimento seja igual ou superior ao dobro da dimensão máxima característica do
agregado utilizado no concreto, para que haja compatibilidade entre fibras e
agregados, de forma que estas interceptem as fissuras com mais frequência. Ainda
segundo o autor, há duas alternativas para obter-se esta compatibilização, reduzir a
dimensão máxima característica do agregado ou aumentar o comprimento da fibra,
de modo a se maximizar a tenacidade.
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Figura 3 – Concreto reforçado com fibras de aço com compatibilidade dimensional (A), e sem compatibilidade (B)
Fonte: Figueiredo (2011)
4.1.2 Fator de forma
Quanto maior o fator de forma maior será a capacidade resistente pós-fissuração do
concreto, contanto que não se ultrapasse o comprimento crítico da fibra
(FIGUEIREDO, 2011, p.44).
Quanto menor a seção transversal da fibra, menor será a superfície de contato com
a matriz, diminuindo a capacidade de carga ao arrancamento. Portanto as fibras de
maior seção transversal apresentam um melhor desempenho para um número fixo
de fibras na seção de ruptura. No entanto, para um mesmo teor de fibras, quanto
menor o diâmetro equivalente da fibra, maior será o fator de forma; e também maior
será a quantidade de fibras distribuídas no concreto, o que fará com que aumente a
possibilidade destas interceptarem as fissuras, contribuindo assim para o melhor
desempenho do material para um determinado teor de fibras.
Pelo fato do comportamento do concreto reforçado com fibras de aço ser
determinado simultaneamente pelo comprimento e diâmetro das fibras, a norma
brasileira NBR 15530 (ABNT, 2007), estabeleceu parâmetros mínimos para esta
relação (L/d), que é o fator de forma, de modo a não se ultrapassar o comprimento
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crítico e a se manter um diâmetro mínimo que garanta uma aderência eficiente entre
a fibra e a matriz.
4.1.3 Ancoragem
As fibras com ancoragem nas extremidades apresentam maior resistência ao
arrancamento do que as retas, para pequenas deflexões, devido à sua geometria.
Para maiores deflexões e maiores aberturas de fissuras, as fibras retas se tornam
mais eficientes. Isto se dá pelo fato das fibras com ancoragem, quando submetidas
a maiores esforços de tração, acabam degradando o concreto na interface com a
ancoragem, fazendo com que diminua sua resistência ao arrancamento.
Figura 4 – Variação da resistência residual pós-fissuração com aumento de nível de deslocamento
Fonte: Figueiredo (2011)
4.2 TEOR DE FIBRAS
Segundo Figueiredo (2011) o teor de fibras pode ser apontado como o principal
definidor do comportamento do concreto reforçado com fibras de aço. A capacidade
de reforço proporcionado pelas fibras depende diretamente do teor de fibras
utilizado, pois quanto maior a quantidade de fibras atuantes como ponte de
transferência de tensões ao longo da fissura, melhor será o reforço pós-fissuração
proporcionado pelas mesmas.
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Há ainda o conceito de volume crítico, que é o teor de fibras adicionado ao concreto
que faz com que sua capacidade resistente se mantenha após fissuração da matriz
de concreto. Teores de fibras acima do crítico fazem com que o material aceite, após
a fissuração, valores de carregamento crescentes. Teores de fibras abaixo do crítico
fazem com que haja perda progressiva da capacidade resistente do material após a
fissuração.
Figura 5 – Compósitos reforçados com volume de fibras (VF) abaixo (A), acima (B) e igual (C) ao volume crítico de fibras durante o ensaio de tração na flexão
Fonte: Figueiredo (2011)
4.3 RESISTÊNCIA DAS FIBRAS
Quanto maior a resistência da fibra, maior será a capacidade resistente do material
pós-fissuração. No entanto, para fibras curtas, abaixo do comprimento crítico, não
existe necessidade de se utilizar fibras de elevada resistência, dado que o principal
mecanismo de arrancamento da fibra é o escorregamento; e não será atingida, no
centro da fibra, tensão suficiente para sua ruptura, devido ao pequeno comprimento
de ancoragem.
4.4 RESISTÊNCIA DO CONCRETO
O módulo de elasticidade da matriz de concreto tem influência direta no volume
crítico de fibras, matrizes cimentícias de maior módulo irão demandar um maior teor
de fibras para atingir o volume crítico. Quando se tem um concreto com maior
resistência mecânica melhora-se a condição de aderência com as fibras, diminuindo
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o comprimento crítico que pode levar a fibra ao rompimento, o que fará diminuir a
capacidade resistente pós-fissuração do material.
Figura 6 – Curvas de dosagem segundo o critério JSCE-SF4 para uma mesma fibra de aço em concretos projetados via seca com diferentes níveis de resistência à compressão da matriz
Fonte: Figueiredo (2011)
5 CONTROLE TECNOLÓGICO DO CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS DE
AÇO
O controle tecnológico do concreto reforçado com fibras de aço deve ser realizado
em todas as etapas convencionais de produção do concreto, que são as seguintes:
Controle dos materiais constituintes e da produção;
Controle do concreto fresco;
Controle do concreto endurecido.
Devem ser realizados todos os ensaios necessários a cada uma das etapas citadas,
de acordo com as normas vigentes.
Para o concreto reforçado com fibras de aço devem ainda ser tomados cuidados na
hora da mistura das fibras. Para o concreto endurecido, realizado ensaio para
determinação de sua tenacidade; para o caso de pisos faz-se também o ensaio de
abrasão.
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5.1 MISTURA
Um problema muito comum na produção do concreto reforçado com fibras de aço é
a formação de tufos de fibras aglomeradas denominados ouriços. Sua causa está
associada ao processo de mistura inadequado. A formação de ouriços faz reduzir o
teor de fibras homogeneizado na mistura e cria um ponto frágil no local onde se
aloja.
Para evitar a formação de ouriços, as fibras devem ser adicionadas ao concreto,
assim como os demais componentes, em velocidade regular, recomenda-se
20kg/min, de modo a se garantir a homogeneidade da mistura. Podem ser
adicionadas em conjunto ou após a adição dos demais componentes. Em obras com
demanda de grandes volumes de concreto recomenda-se a utilização de dosadores
automáticos.
5.2 TRABALHABILIDADE
A adição das fibras reduz a trabalhabilidade do concreto, altera suas condições de
consistência e mobilidade, dificultando sua fluidez. Porém, a adição de baixos teores
de fibras não chega a afetar suas condições de lançamento e adensamento. As
dimensões das fibras e o seu grau de rigidez são os fatores que mais afetam a
trabalhabilidade do concreto reforçado com fibras de aço.
Para a avaliação da trabalhabilidade do concreto reforçado com fibras de aço são
recomendados os ensaios do cone invertido (ASTM, C995, 1994) e o VeBe. No
entanto, segundo estudos, o ensaio de cone invertido mostra-se inadequado. Outros
estudos demonstram que o ensaio do abatimento do tronco de cone mostra-se
adequado para concretos com teores de fibras até 100kg/m³.
5.3 ENSAIO DE TENACIDADE
A definição mais aceita atualmente para a tenacidade é a energia absorvida pelo
compósito quando carregado, abrangendo a energia absorvida antes e após a
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fissuração da matriz, quando as fibras passam a atuar de maneira mais efetiva
(FIGUEIREDO, 2011, p.64).
A tenacidade é um dos principais parâmetros a serem observados na especificação
do concreto reforçado com fibras de aço. O método para sua determinação mais
adotado no Brasil é o Japan Society of Civil Engineers (JSCE-SF4, 1984), não existe
norma brasileira para tal.
O JSCE-SF4 é um ensaio de flexão com deformação controlada realizado em
corpos de prova prismáticos com dimensões de 10x10x40cm³ ou 15x15x50cm³, a
depender do tamanho da fibra que está se utilizando; a menor dimensão do corpo de
prova deve ter pelo menos três vezes o comprimento da fibra.
Figura 7 – Posicionamento de corpo-de-prova, LVDT e cutelos, no ensaio de tração na flexão com o sistema “yoke”
Fonte: Figueiredo (2011)
O corpo de prova é colocado sobre dois apoios distantes 30cm ou 45cm, a depender
das dimensões do mesmo, sobre este é aplicado carregamento há 1/3 e 2/3 do vão
através de prensa com controle de velocidade. O deslocamento é aferido através de
medição eletrônica; é um dos métodos de maior confiabilidade. A tenacidade é
calculada a partir da curva carga x deslocamento, obtida para o deslocamento L/150.
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6 CONCRETO COM FIBRAS DE AÇO APLICADO EM PAVIMENTOS
No Brasil, o principal campo de aplicação do concreto reforçado com fibras de aço é
o de pisos industriais. Para este tipo de estrutura as fibras podem substituir
totalmente as armaduras convencionais, isto é possível em estruturas que
apresentem a possibilidade de redistribuição de esforços, como é o caso de pisos,
pavimentos e radiers apoiados sobre o solo.
Para a execução de pisos somente com a utilização do reforço de fibras de aço
podem ser consideradas algumas vantagens, quando comparado ao uso de telas de
aço soldadas, conforme aponta Figueiredo (2000).
Redução do tempo total de execução e número de operários, pois não existe
a etapa de colocação das telas.
Economia de espaço na obra, necessário à estocagem de armaduras.
Não há necessidade do uso de espaçadores como para as telas metálicas, e
o reforço se distribui de forma homogênea por toda a estrutura, não havendo
o risco de deslocamento das armaduras como ocorre com a utilização das
telas soldadas.
Corte das juntas de dilatação sem a necessidade de barras de transferência
pré-instaladas. As fibras também ajudam no reforço das bordas minimizando
o efeito de lascamento.
Maior facilidade de acesso ao local da concretagem, já que não há armaduras
instaladas que impeçam o trânsito de pessoas e equipamentos.
Não representam restrição quanto à mecanização da execução do pavimento.
Outra vantagem a se considerar é a possibilidade de se trabalhar com paginações
de pisos maiores. Segundo Rodrigues (2010, p.76), têm-se adotado para pisos com
fibras de aço placas com comprimentos de até 12m, para teores de fibras entre
20kg/m³ a 25kg/m³. Para placas acima de 16cm de espessura é arbitrado um
consumo mínimo de 30kg/m³, permitindo a execução de placas de 30m a 40m de
comprimento. Mundialmente há exemplos pontuais de placas maiores de 50m de
comprimento, com consumos de fibra da ordem de 35kg/m³.
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Quanto à durabilidade dos pavimentos de concreto reforçado com fibras de aço em
relação aos com armaduras de telas de aço soldadas, alguns autores defendem que
o fato das fibras diminuírem a abertura das fissuras e consequentemente a entrada
de agentes agressivos ao concreto faz com que aumente sua durabilidade. E
também a maior tenacidade dos pavimentos de concreto reforçado com fibras de
aço faz com que estes sejam mais duráveis quando submetidos à esforços cíclicos e
tenham melhor comportamento em relação à fadiga.
Um inconveniente em relação aos pavimentos de concreto reforçados com fibras de
aço é o fato de algumas fibras aparecerem na superfície produzindo pequenos
pontos de ferrugem. Este problema não influência na capacidade de reforço do
pavimento, sendo apenas estético. Uma solução é a adoção de teores de
argamassa superiores a 50% e abatimentos de tronco de cone na faixa de 100mm,
para possibilitar o envolvimento total das fibras e agregados, porém, isto pode levar
à segregação da fibra e reduzir o reforço na superfície do pavimento, o que facilita o
aparecimento de fissuras, indo de encontro ao que se propõe ao adotar a solução
com fibras de aço.
Outra questão importante é o fato de não haver uma definição clara quanto à
dosagem das fibras. Os limites mínimos e máximos sugeridos por fabricantes e
pesquisadores, para aplicação em pisos e pavimentos, estão entre 0,25% e 1% em
volume. No entanto, como já abordado, a mera definição o teor de fibras não é
suficiente para determinar as características esperadas de desempenho do concreto
reforçado com fibras de aço.
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Para a especificação do concreto reforçado com fibras de aço deve se levar em
conta os diversos fatores que influenciam no seu desempenho, como: o teor de
fibras, as características geométricas e mecânicas das fibras e a resistência do
concreto; assim como deve se atentar para a correta especificação dos materiais
que compõe a base cimentícia, principalmente o diâmetro máximo dos agregados,
de modo que sejam compatíveis com as fibras de aço utilizadas, para que se
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consiga a resistência desejada do material, no que diz respeito à resistência à tração
na flexão e tenacidade.
Além disto, é de extrema importância que exista um controle tecnológico na
produção do concreto com fibras de aço, com a adequada mistura dos materiais e
ensaios que afiram sua trabalhabilidade, em conformidade com as condições de
lançamento e adensamento existentes, e tenacidade de acordo com as
especificações de projeto, garantindo assim o comportamento esperado do material.
Uma questão de relevância na escolha da solução em concreto reforçado com fibras
de aço na sua utilização em pavimentos são suas vantagens executivas, quando
comparado à utilização de armaduras convencionais em telas soldadas,
principalmente no que diz respeito à redução de tempo e de número de operários
necessários, o que pode vir a gerar um grande impacto nos custos totais do
empreendimento.
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FRANCO, Bruno Luiz Marson. A tecnologia do concreto reforçado com fibras de aço. Revista Concreto - IBRACON. Ano XXXVI, n.50, p.42-47, abr/mai/jun.2008. MOSCATELLI, Ivo. Fibras de aço em concreto de cimento Portland aplicados a pavimento. 2011. 153 p. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Engenharia civil, Arquitetura e Urbanismo – Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2011. OLIVEIRA, Patrícia Lizi de. Projeto estrutural de pavimentos rodoviários e de pisos industriais de concreto. 2000. 246 p. Dissertação (Mestrado) – Escola de engenharia de São Carlos - USP, São Carlos, 2000. RODRIGUES, Públio Penna Firme. Manual de Pisos industriais: fibras de aço e protendido. São Paulo: Pini, 2010.