Estádios do Concreto Armado Sem Mistérios: Entenda os Segredos

Sobretudo, o diagrama de tensões do concreto, em uma seção transversal, sob a ação de cargas crescentes até a ruptura, passa por etapas, e denominam-se estádios do concreto.

Aliás, o conceito aplica-se também ao concreto protendido, porém o alvo aqui é somente o concreto armado.

Dito isso, as cargas são ortogonais ao eixo e provocam a curvatura de uma peça estrutural, por exemplo, uma viga ou uma laje.

Logo, elas geram esforços nas seções transversais, como momentos fletores, onde atuam isolados, e chama-se flexão pura, ou em conjunto, com os esforços cortantes, a famosa flexão simples.

Desse modo, gera-se uma distribuição de tensões e deformações nas seções transversais, e origina compressão em uma parte da seção e tração na outra, separadas pela linha neutra.

A propósito, entenda todas estas fases, pois é essencial para otimizar o uso dos materiais, como o concreto e o aço.

Sendo assim, projetam-se estruturas com segurança, economia e vida longa, bem como, previnem-se problemas potenciais.

Portanto, vamos aprender sobre os estádios do concreto armado sem complicações.

Quais os Estádios do Concreto Armado?

Então, os estádios representam diferentes ciclos de tensão em um elemento de concreto armado, desde o início da aplicação da carga até atingir um Estado Limite Ùltimo, ou seja, o colapso.

Sendo assim, conforme os eventos ocorrem nessa trajetória, definem-se os estádios do concreto armado, tais como:

• Estádio I: fase elástica;
• Estádio II: fase de fissuração no concreto;
• Estádio III; ruptura do aço e do concreto;

A propósito, durante a leitura do artigo, você encontra a sigla NBR-6118–2023, pois refere-se a norma brasileira. Agora, vamos examinar com mais detalhes cada um deles?

Estádio I do Concreto Armado;

Conforme o estádio I, o concreto permanece intacto, ou seja, sem fissuras, sob a ação de forças de tração e compressão, separadas pela linha neutra.

E também, existe uma relação linear entre tensão e deformação, em todos os pontos da seção transversal, e ainda na fase elástica em conjunto com o aço, Figura 2.

Onde;

• σ_cc — tensão normal de compressão no concreto;
• σ_ct — tensão normal de tração no concreto;
• ε_cc — deformação de compressão no concreto;
• ε_ct — deformação de tração no concreto;
• d – altura útil da seção;
• h – altura total da seção
• M – momento fletor solicitante;

Por outro lado, no estádio I, verificam-se as deformações por flexão em serviço, em especial, as flechas, para elementos ainda não fissurados, como é o caso de alguns tipos de lajes.

Logo, calcula-se o momento de fissuração, pois representa o limite de passagem do estádio I para o estádio II, ou seja, o ponto onde ocorre a fissura de tração no concreto.

Dessa forma, uma peça de concreto armado sempre possui uma armadura mínima, para absorver possíveis tensões de tração oriundas deste momento, e assim, evitar o surgimento de fissuras.

Momento de Fissuração;

Sendo assim, obtém-se, o momento de fissuração (M_t), conforme NBR-6118–2023, Equação (1) abaixo:
M_t ＝ (α. f_ct I_c) / y_t (1)

Onde:

• y_t — distância do centro de gravidade até a área mais tracionada da seção.
• I_c — momento de inércia da seção total de concreto;
• f_ct — resistência à tração direta do concreto;

Entretanto, o fator de forma geométrica (α) na equação (1) é definido pela relação entre a resistência à tração na flexão e a resistência à tração direta, tem-se:

• α＝1.2, em caso de seções transversais em T ou duplo T;
• α＝1.3, para seções transversais em I ou T invertido;
• α＝1.5, para seções retangulares;

Por outro lado, o momento de inércia (I_c) de figuras geométricas tradicionais é obtido pelas formulações clássicas de Resistência dos Materiais, por exemplo, Figura 3.

Resistência a Tração do Concreto (f_ct);

Então, define-se a resistência à tração indireta (f_ct,sp) e na flexão (f_ct,f) por meio de testes experimentais, segundo normas específicas, e assim, obtém a resistência à tração direta, conforme NBR-6118–2023:
f_ct ＝ 0.9 × f_ct,sp ou f_ct ＝ 0.7 x f_ct,f;

Porém, como obter os valores de f_ct,sp e f_ct,f, sem os ensaios? Avalia-se um valor médio ou característico pelas seguintes equações de acordo com a norma:

• Concreto com f_ck ≤ 50 MPa: f_ct,m ＝ 0.3 x (f_ck)^2/3;
• Concreto com f_ck > 50 MPa: f_ct,m ＝ 2.12 x ln[1 0.1x(f_ck+8)];

Onde:

• f_ct,m e f_ck entram com unidades em MPa;

Em suma, essas expressões acima também valem para concreto com idade diferente de 28 dias, porém, com f_ckj ≥ 7 MPa, onde j é o número de dias.

Portanto, vale as seguintes condições para um elemento estrutural em concreto armado, compara-se o momento solicitante (M) com o Momento de Fissuração (M_t):

• M<M_t: Estádio I;
• M ≥ M_t: Estádio II;

Dito isso, vamos entrar no estádio II de forma apropriada.

Estádio II do Concreto Armado;

Então, no estádio II o concreto já fissurou na sua região tracionada, porém, ele está bem íntegro a compressão.

No entanto, o diagrama de tensões e deformações permanece linear na região comprimida, porém, a parte tracionada é desprezível para o concreto, daí a armadura de aço executa o seu papel, Figura 4.

Aliás, utiliza-se o estádio II para avaliar peças fissuradas em serviço, e assim, o concreto também colabora na região entre as fissuras. E Isso se refere à verificação dos limites de fissuras e deformações excessivas em lajes e vigas de concreto armado.

Desse modo, a carga continua a aumentar, as fissuras se propagam e se movem em direção à linha neutra da seção.

Agora, a linha neutra eleva-se e inicia o escoamento do aço com deformação (ε_yd), por exemplo:

• Aço CA50: ε_yd＝0.207%;
• Aço CA60: ε_yd＝0.448%;

Sendo assim, compara-se o momento solicitante (M) com o momento de escoamento (My), têm-se:

• M<My: Estádio II;
• M ≥ My:Estádio III;

Em resumo, o momento de escoamento é bem complexo de ser obtido, e até a NBR-6118–2023 é desprovida de formulações com esse intuito.

Porém, existem teorias envolvidas no assunto com equações na literatura acadêmica, e aplicação de modelos numéricos refinados, com o uso do método dos elementos finitos.

Estádio III do Concreto Armado;

Então, já no Estádio III, com o aumento crescente do carregamento, força-se o elemento estrutural de concreto armado a trabalhar já fissurado, com exceção de algumas regiões.

Sendo assim, a linha neutra e as fissuras deslocam-se com intensidade e reduzem a zona comprimida.

Logo, a distribuição de tensões encurvam-se e chega a um patamar constante, e adquire um formato parábola-retângulo, Figura 5.

No ponto final, considera-se que o aço atinge a deformação máxima de 1% e o concreto esmaga a 0.35%.

Desse modo, chega-se ao estado limite último (ELU) com o esmagamento do concreto e a ruptura do aço, e assim, chega-se ao momento de dimensionamento (Md).

Já o cálculo de M_d é mais usual de ser feito, pois, os estados limites últimos são definidos na NBR-6118–2023, através dos domínios de deformação do concreto armado.

No final do artigo, acesse o link para um artigo completo sobre o assunto.

Em resumo, todas as etapas dos estádios do concreto armado costumam ser representados pelo diagrama Momento Fletor vs Curvatura, veja Figura 6.

Importância do Controle de Fissuração nos Estádios do Concreto Armado;

Para começar, o controle das fissuras em estruturas de concreto armado é um aspecto crítico, pois garante uma longevidade e integridade estrutural ao longo do tempo.

Entretanto, as fissuras são inevitáveis até certo ponto, devido à natureza do concreto, pois ele possui baixa resistência à tração.

Porém, a sua extensão e largura devem ser controladas com rigor, e assim, evitar problemas que possam comprometer a estrutura.

De certo, fissuras, em excesso, abrem caminho para a penetração de agentes agressivos, como água, cloretos, dióxido de carbono e outros contaminantes presentes no ambiente.

Dessa forma, a água e os cloretos penetram nas fissuras e alcançam as armaduras de aço, onde pode iniciar o processo de corrosão.

Dessa forma, a corrosão do aço expande o volume do material, aumenta a pressão interna no concreto e provoca o desprendimento de pedaços de concreto.

Portanto, reduz a capacidade de carga da estrutura e pode levar a falhas catastróficas.

Por outro lado, as fissuras visíveis também afetam a aparência estética da estrutura e assim, reduzem a confiança dos usuários na sua segurança.

Por exemplo, em algumas aplicações, como em reservatórios de água ou piscinas, a estanqueidade é crucial, e fissuras podem resultar em vazamentos significativos e deterioração.

Em vista disso, o controle da fissuração é uma parte essencial do projeto estrutural e manutenção das estruturas de concreto, pois preserva sua integridade ao longo de sua vida útil.

Tecnologias de Monitoramento e Diagnóstico de Fissuras;

Acima de tudo, monitorar e diagnosticar fissuras em estruturas de concreto armado são essenciais para segurança das construções durante seu ciclo de vida.

Desse modo, as tecnologias permitem a detecção precoce de fissuras e o controle contínuo da evolução dessas imperfeições, logo, propicia o uso de medidas corretivas, antes que se tornem críticas, tais como:

Sensores;

A propósito, sensores de fibra óptica podem ser embutidos no concreto durante a construção, pois eles são resistentes à corrosão e fornecem dados em tempo real.

Sendo assim, eles detectam variações mínimas nas deformações, através do monitoramento constante e preciso das tensões e deformações internas.

E também, sensores do tipo “Strain Gauge” medem a deformação em pontos específicos da estrutura.

Portanto, eles são úteis para monitorar áreas críticas onde se espera a formação de fissuras, e fornecem dados valiosos sobre a integridade estrutural ao longo do tempo.

Tecnologias de Imagem;

Por aqui, a termografia utiliza câmeras de infravermelho para detectar variações de temperatura na superfície do concreto.

Desse modo, as fissuras, em geral, alteram a distribuição de calor, e assim, possibilitam a detecção não invasiva de problemas estruturais.

Por outro lado, tomografia por Raios X e GPR (Ground Penetrating Radar) são técnicas usadas para visualizar a estrutura interna do concreto.

Logo, eles detectam fissuras ocultas, vazios ou áreas de segregação invisíveis na superfície.

Monitoramento Remoto e Sistemas de Alerta:

Já pela integração de sensores com sistemas do tipo Internet das Coisas, do inglês, Internet of things (IoT) permite o monitoramento remoto das estruturas.

Nesse meio tempo, dados coletados pelos sensores são transmitidos em tempo real, para uma central de monitoramento, onde algoritmos de análise de dados, identificam possíveis anomalias e acionam alertas automáticos.

Ainda mais, drones equipados com câmeras de alta resolução e sensores inspecionam grandes pontes e edifícios altos, de forma rápida e segura, e assim, robôs realizam inspeções detalhadas em áreas de difícil acesso.

Considerações Finais sobre Estádios do Concreto Armado;

Enfim, a compreensão dos estádios do concreto armado é fundamental para a engenharia estrutural, pois oferece uma visão detalhada do comportamento das estruturas sob diferentes níveis de carga.

Dessa forma, desde a fase inicial elástica no Estádio I, onde a relação tensão-deformação é linear, passa para o Estádio II, onde a formação de fissuras começa a alterar o comportamento da estrutura.

Já no Estádio III, o estado plástico do concreto armado é dominado pela deformação do aço além do limite de escoamento, até o esmagamento do concreto.

Logo, o engenheiro mantém as tensões, deformações dentro de limites seguros, para prolongar a durabilidade e funcionalidade do empreendimento a construir.

Clique aqui e acesse o artigo sobre os domínios de deformação do concreto armado