Dimensionamento de armaduras longitudinais sujeitas à fadiga em vigas de pontes ferroviárias de concreto armado

As pontes ferroviárias de concreto armado estão sujeitas às ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos. Estas ações podem resultar no fenômeno de fadiga do aço e do concreto dessas estruturas. No dimensionamento de estruturas de concreto armado sujeitas à carregamento cíclico, de modo geral, a fadiga é considerada simplificadamente, por meio de um coeficiente kf, denominado coeficiente de fadiga. Esse coeficiente majora a área de aço inicialmente calculada para atender ao Estado Limite Último (ELU), com a finalidade de limitar, em serviço, as variações de tensões no aço de modo a garantir uma vida útil de no mínimo 2.000.000 de ciclos. O presente trabalho apresenta melhorias nas hipóteses utilizadas pelo coeficiente de fadiga kf, permitindo o dimensionamento de armaduras longitudinais sujeitas à fadiga, para números de ciclos superiores a 2 milhões, que é o valor proposto pelo EB-3/67, e também de forma a atender a vida útil à fadiga especificada em projeto. Neste caso, foi necessário propor um método simplificado para a estimativa do número de ciclos operacionais, apartir de um ciclo padrão obtido pela máxima variação de momentos fletores provocados pelo tremtipo carregado. O estudo foi desenvolvido tomando-se como protótipo um viaduto ferroviário isostático em concreto armado da Estrada de Ferro Carajás (EFC). Os trens-tipo utilizados foram os quais operam atualmente na EFC, que correspondem ao trem de minério Carregado e Descarregado. Para determinação dos esforços solicitantes na estrutura foi elaborado um modelo numérico no programa SAP 2000. A vida útil à fadiga das armaduras longitudinais foram determinadas apartir da regra de dano de Miner e das curvas S-N da NBR 6118. A metodologia proposta neste trabalho permitiu o dimensionamento nas armaduras longitudinais à fadiga satisfatoriamente em relação à vida útil especificada no projeto, sendo que as vidas úteis que tiveram maior divergência em relação ao valor estipulado foram as de 300 e 400 anos.

Técnicas de reforço estrutural para edificações antigas: estudo de caso na cidade de Rio Branco – Acre

Este trabalho visou a demonstrar o dimensionamento e verificação de cálculo da NBR 6118 (ABNT, 2007) com as suas características geométricas, cobrimento da armadura, armaduras, flambagem e a resistência de pilares à compressão centrada dos pilares em concreto armado, apresentando na revisão bibliográfica as principais técnicas de reforço estrutural de pilares de concreto armado para edificações antigas, identificando as principais metodologias e técnicas utilizadas no Brasil e apresentando os pontos positivos e negativos de cada técnica:encamisamento de concreto, perfis metálicos, chapa de aço colado, manta/tecido de carbono, aramida e vidro e polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC). Os pilares com aumento da seção transversal retangular, com adição de armação e concreto, sendo mais usual e prática a técnica apresenta dificuldades em obras antigas, geralmente devido à necessidade arquitetônica de permanecer o mais fiel a sua forma original. Justificando-se a necessidade de conhecimento das diversas técnicas de reforço estrutural descritas neste trabalho com aumento de capacidade de resistência, sem que haja aumento substancial, na seção transversal dos pilares e objetivando a análise do reforço proposto através dos cálculos do projeto, programa – PDOP 2.0 e parâmetros de cálculo da NBR 6118 (ABNT, 2007). Os resultados obtidos através da análise comparativa do reforço executado no estudo de caso “revitalização do casarão” - com relação à análise dos pilares retangulares submetidos à flexão composta oblíqua, esforços cortantes e torsores quanto à NBR 6118 (ABNT, 2007) utilizando o programa para dimensionamento otimizado de pilares – PDOP 2.0 - indicaram que a técnica de reforço estudada foi eficiente, pois todas as peças reforçadas tiveram uma capacidade portante maior que a do pilar original sem o reforço.

Análise experimental de vigas pré-formadas de concreto armado à flexão e ao cisalhamento

Vigas pré-formadas de concreto armado são elementos estruturais que apresentam fina camada superficial de concreto pré-moldado que define as suas formas geométricas. Esta camada superficial trabalha como forma que fica incorporada à viga após o lançamento do concreto moldado in loco, que consolidará a estrutura. Este sistema construtivo apresenta vantagem em relação ao sistema construtivo convencional por reduzir o consumo de madeira com formas e escoramento, e também em relação ao sistema pré-moldado por reduzir o custo de transporte e montagem da estrutura. Os elementos pré-formados apresentam menor peso em relação aos elementos pré-moldados, por apresentarem a seção parcialmente pré-moldada. Outra vantagem do sistema pré-formado em relação ao pré-moldado é a possibilidade de se obter maior rigidez nas ligações das vigas com o restante da estrutura com a colocação de armadura de engastamento ancorada no concreto moldado in loco. Este trabalho tem como objetivo analisar experimentalmente o comportamento das vigas pré-formadas à flexão e ao cisalhamento, através de ensaios de 9 vigas pré-formadas e 3 vigas maciças de referência. As vigas têm largura de 105 mm, altura de 340 mm e 2.500 mm de comprimento. Os resultados obtidos nos ensaios experimentais são comparados aos valores fornecidos pelas normas técnicas brasileiras e as principais normas internacionais. São apresentados e analisados os resultados observados para os deslocamentos verticais das vigas, deformações da armadura de flexão e da armadura de cisalhamento, deformações do concreto nas regiões de compressão e mapas de fissuração.

Análise experimental de lajes lisas unidirecionais de concreto armado com pilares retangulares ao puncionamento

Foram analisadas experimentalmente 8 (oito) lajes lisas de concreto armado sem armadura de cisalhamento, variando-se a taxa de armadura de flexão secundária e a maior dimensão dos pilares (cmax). As lajes de dimensões (1.800 x 1.800 x 110) mm, mesma armadura flexão principal, menor dimensão dos pilares (cmin) constante e igual a 85 mm, resistência à compressão do concreto em torno de 40 MPa foram submetidas à carga no centro (punção simétrica), que simula um pilar interno de um pavimento. A aplicação da carga foi realizada em trechos de pilares moliticamente ligados às lajes com 150 mm de altura, com índices de retangularidade (r = cmax/cmin) variando de 1 a 7. O objetivo foi avaliar a influência do índice de retangularidade, que neste caso refletiu no aumento do perímetro de controle, no comportamento das lajes sob flexão, e possivelmente uma ruptura mais dúctil. O objetivo foi também analisar as cargas de ruptura estimadas a partir das recomendações de seis códigos de projeto nacionais e internacionais, comparando com os resultados experimentais obtidos e avaliando as estimativas ao puncionamento, uma vez que, quando as dimensões dos pilares são substancialmente diferentes pode ocorrer a polarização de tensões e o ganho de resistência não ocorre de forma diretamente proporcional ao aumento do perímetro dos pilares. Após analisar as influências do índice de retangularidade dos pilares e as contribuições da taxa de armadura de flexão secundária nas cargas últimas das lajes e nos modos de ruptura, observou-se que os resultados experimentais indicaram que essas variáveis além de elevar a resistência da ligação podem fornecer certa ductilidade à ruptura da laje. Observou-se também que a taxa de crescimento das resistências obtidas nos ensaios diminui com incrementos no perímetro de controle. Das observações referentes à comparação entre os valores de resistências das lajes, obtidas nos ensaios, verificou-se que o aumento da carga de ruptura experimental não se apresentou de forma linear, indicando que a taxa de crescimento da carga diminui com o aumento do perímetro do pilar ou da relação cmax/cmin quando se mantém constante a menor dimensão do pilar (Cmin).

Análise termoelástica experimental e computacional por elementos finitos da parede externa em concreto armado de um forno de cozimento de anodo

Nesta dissertação foi desenvolvido um estudo sobre o comportamento de uma estrutura em concreto armado submetida a elevadas variações térmicas. A estrutura analisada consiste na parede externa de um forno de cozimento de anodo utilizado na produção de Alumínio, e está submetida a variações térmicas de cerca de 125C devido à própria operação do forno. As motivações principais para o estudo foram a ocorrência de grandes deformações e o surgimento de fissuras na estrutura, o que poderia provocar a inutilização do forno. O objetivo do trabalho foi a investigação das causas destas patologias, assim como o estabelecimento de propostas para reforço da estrutura. Para isso, foram realizados estudos experimentais e computacionais do comportamento da estrutura. Inicialmente, a estrutura foi monitorada utilizando-se transdutores de deslocamento e sensores de temperatura (termopares), conectados a um sistema de aquisição de dados para obtenção e armazenamento automática das amostras ao longo do tempo. Em seguida, foram desenvolvidos modelos computacionais em Elementos Finitos com auxilio do programa computacional Algor, para determinação da distribuição de temperatura e as correspondentes tensões e deformações de origem térmica na estrutura. Nestes estudos, foram realizadas análises estacionárias e transientes de condução de calor, seguidas de análises de tensões de origem térmica. Como conclusão do estudo, tem-se que a metodologia proposta para a solução do problema foi bastante satisfatória, solucionando o problema de forma precisa, porém econômica.

Análise experimental de lajes lisas unidirecionais de concreto armado ao puncionamento simétrico ou assimétrico

O puncionamento é normalmente uma situação crítica no projeto de lajes lisas de concreto armado. Segundo várias normas de projeto, o puncionamento se desenvolve de maneira ainda mais desfavorável nos casos onde o carregamento atua de forma assimétrica, graças a momentos desbalanceados na ligação laje-pilar. Visando avaliar as recomendações normativas para estas situações, foram ensaiadas 12 lajes lisas unidirecionais de concreto armado ( c f ' entre 36 e 58 MPa) submetidas a puncionamento simétrico ou assimétrico. As lajes apresentavam dimensões de (1.800 x 1.800 x 110) mm com carregamento sendo aplicado através de uma chapa metálica simulando um pilar quadrado com (85 x 85 x 50) mm. O trabalho teve como variáveis, além da posição de carregamento, a taxa de armadura na direção transversal, objetivando avaliar a influência destas armaduras na resistência última ao puncionamento de lajes lisas unidirecionais. São apresentados e analisados os resultados dos deslocamentos verticais, deformações na superfície de concreto e nas armaduras de flexão, mapas de fissuração, cargas últimas e modos de ruptura observados. Apresentam-se ainda os resultados da avaliação das recomendações de 6 normas de projeto, sendo 3 européias e 1 norte americana, além das versões de 1978 e 2003 da norma brasileira para projeto de estruturas de concreto. Foi realizada também uma análise numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos para idealizar o comportamento das lajes, comparando-se os resultados desta análise elástica com aqueles verificados experimentalmente. Os resultados indicaram que, ao contrário do que as normas prescrevem, a resistência ao puncionamento não diminui de forma linear com o aumento da excentricidade do carregamento, com a flexão influenciando significativamente na resistência última ao puncionamento. Os resultados indicam também que, mesmo em lajes unidirecionais, a taxa de armadura transversal apresenta influência significativa na distribuição dos esforços na laje, interferindo na resistência à punção.

Análise experimental de lajes lisas nervuradas de concreto armado com armadura de cisalhamento

Lajes lisas nervuradas bidirecionais são elementos estruturais de concreto armado apoiados diretamente sobre pilares, sujeitas a solicitações importantes nas duas direções, possibilitam maior velocidade na execução da obra e economia considerável de formas e concreto e, conseqüentemente, mão-de-obra. Este trabalho visa contribuir para o estudo do comportamento deste tipo de laje, quanto a resistência ao cisalhamento nas nervuras e à punção na região maciça das lajes, através de ensaios de 8 lajes lisas nervuradas bidirecionais de concreto armado. Foram realizadas análises comparativas entre os resultados obtidos experimentalmente e os fornecidos por normas técnicas nacionais e internacionais. As lajes eram quadradas de lado igual a 1.800 mm de comprimento e altura total de 140 mm. A seção transversal das lajes foi formada por nervuras de 50 mm de largura na base menor e 100 mm na base maior e os vazios entre as nervuras foram preenchidos com blocos de EPS (poliestireno expandido). As principais variáveis consideradas foram o tipo de armadura de cisalhamento nas nervuras (treliça, estribo vertical fechado e estribo aberto inclinado a 45) e a utilização de estribo aberto inclinado a 45 como armadura de punção na região maciça. Foram apresentados e analisados os resultados observados para os deslocamentos verticais, deformação nas armaduras de cisalhamento e de flexão, e a propagação das fissuras. Os valores observados para cargas últimas foram comparados com os resultados estimados. Observou-se que as armaduras de cisalhamento nas nervuras não ocasionaram ganhos significativos na resistência última e que a armadura de punção elevou significativamente a resistência das lajes.

Resistência ao cisalhamento de vigas “T” de concreto armado: verificação das longarinas da ponte sobre o rio Sororó

O comportamento estrutural de uma viga T permite avaliar diferentes contribuições de resistência ao cisalhamento entre partes distintas de uma mesma seção transversal, permitindo estabelecer diretrizes para a disposição de armadura nessas regiões. Para quantificar as participações de mesas colaborantes e almas desse tipo de seção na resistência característica ao cisalhamento, foram investigadas experimentalmente 10 vigas de concreto armado constituídas de seções T, visando avaliar as recomendações da norma NBR, ACI e EC2 no que se refere ao desempenho de vigas T ao cisalhamento. Uma das vigas foi confeccionada para testemunho e as demais foram idealizadas com variação nas dimensões da mesa, para aumentar assim a área de concreto colaborante da seção. A armadura de flexão foi mantida constante em todos os casos e a armadura de cisalhamento foi suprimida, para que todas as vigas tivessem rupturas por cisalhamento antecipadas em relação à ruína por flexão. O concreto utilizado teve resistência à compressão de 47 MPa. Percebe-se claramente a influência da mesa colaborante na resistência última ao cisalhamento dos elementos estruturais ensaiados. O aumento da carga última foi significativo nas vigas com abas, passando do dobro da carga da viga de referência, e mais ainda, nas vigas com altura (hf) de 80 mm, nas quais a contribuição da mesa foi capaz de modificar o modo de ruptura das peças cujas armaduras de flexão entraram em processo de escoamento e o incremento de rigidez dado aos elementos em virtude do aumento da área de concreto (abas) da seção transversal foi em torno de 25%. A partir destes e outros resultados foi possível amplificar a resistência ao cisalhamento das longarinas da ponte sobre o rio Sororó da ferrovia Carajás em 1,93 vezes a resistência teórica para viga retangular no caso.

Segurança estrutural de uma ponte ferroviária em concreto armado sobre o rio Mãe Maria

O estudo do comportamento de pontes ferroviárias vem tomando grande destaque na área experimental, devido muitas das vezes haver a necessidade de um aumento dessas cargas móveis. A companhia VALE a partir de um convênio estabelecido com a UFPA (Universidade Federal do Pará), buscou realizar estudos das capacidades resistentes das pontes ferroviárias, que compõem a Estrada de Ferro Carajás (EFC), para futuros casos de carregamentos que passarão de 32 tf para 40 tf, o que provoca mudanças consideráveis no comportamento da estrutura. A falta de manutenção ou uma manutenção irregular das pontes de concreto armado podem resultar em manifestações patológicas que podem comprometer a segurança e ao risco de intervenção do escoamento. Dentre as OAE’s (Obras de Arte Especial) já analisadas, encontra-se a ponte sobre o Rio Mãe Maria localizada no município de Marabá, estado do Pará, transpondo o rio Mãe Maria, identificada como OAE 50A, apresenta um traçado retilíneo executada em concreto armado moldada “in loco”, é constituída por dois vãos hiperestáticos, totalizando 64,20 m, transpondo o leito do rio em dois vãos de 20 m e com seção transversal oferecendo a largura de 5,85 m. Com isso tornou-se indispensável para avaliação de sua integridade física a monitoração com extensômetros elétricos de resistência (EER) dos elementos (laje, longarina, blocos, encontros e tubulões) que compões a estrutura durante a passagem dos trens carregados de minério. Além da monitoração, foram realizados ensaios não-destrutivos como: dureza superficial através da esclerometria e a estimativa do cobrimento da armadura e localização da mesma por meio da pacometria, ensaios destrutivos como: extração de corpos-de-prova para determinar a compressão diametral e o módulo de elasticidade do concreto e a resistência a penetração através do teste de carbonatação inerentes a questão de durabilidade do mesmo, que serão comparados com a memória de cálculo e com os modelos computacionais tridimensionais desenvolvidos via “software” comercialSAP2000® (COMPUTERS AND STRUCTURES), que utiliza o método dos elementos finitos (MEF). O MEF foi utilizado para obtenção dos esforços permitindo as verificações de segurança de acordo com as recomendações normativas, tais análises comparativas são apresentadas e discutidas para a conclusão do comportamento das longarinas. Conhecendo com precisão a capacidade estrutural da ponte e a sua vida útil, pode-se assegurar o tráfego de composições com maior segurança.

Adequação estrutural dos pilares de um edifício residencial em concreto armado na cidade de Rio Branco

A recuperação e reforço de estruturas de concreto armado estão cada vez mais frequentes no Brasil, devido, principalmente, ao envelhecimento das estruturas construídas nas décadas de 60 e 70 do século XX, as quais estão prestes a atingir seu tempo de vida útil. Somam-se a isto, fatores como o uso de concretos com baixa resistência, falhas de execução, além do uso inadequado e da falta de manutenção. Devido a esses fatores que a sociedade deve se preocupar em reforçar e/ou recuperar essas construções, evitando assim, demolições das mesmas e até mesmo evitar acidentes fatais. Este trabalho apresenta um estudo de caso, que visa a recuperação de um edifício, que se encontra abandonado há cerca de duas décadas na cidade de Rio Branco, Estado do Acre. Atualmente, existem várias técnicas de reforço de estrutura de concreto armado. Tais como: reforço por meio de encamisamento de concreto armado, complementação ou reforço com adição de armadura, reforço com aplicação de chapas e perfis metálicos, reforço de pilares com polímeros reforçados com fibra de carbono (PRFC), dentre outras. Neste trabalho, o método adotado para a recuperação foi o reforço por meio de encamisamento de concreto armado. E para uma melhor compreensão da metodologia adotada o trabalho apresenta também detalhes da configuração do reforço adotado, detalhe construtivo e procedimentos executivos do método adotado. Além, das envoltórias mostrando os esforços atuantes e resistentes do antes e depois do reforço.

Influência da mesa na resistência ao cisalhamento de lajes nervuradas unidirecionais de concreto armado

A resistência ao cisalhamento de lajes nervuradas unidirecionais de concreto armado sem armadura transversal em suas nervuras é avaliada através de seu comportamento estrutural ao cisalhamento. Para quantificar a participação da altura da mesa e da mesa colaborante na resistência característica ao cisalhamento, foram confeccionados 8 painéis de lajes nervuradas unidirecionais de concreto armado com variações da altura das mesas, visando avaliar as recomendações das normas NBR 6118 (2007), ACI 318 (2011) e EUROCODE 2 (2002) no que se refere ao desempenho das lajes nervuradas unidirecionais de concreto armado ao cisalhamento. As lajes, simplesmente apoiadas nas bordas, apresentaram-se em dois grupos, buscando abranger os limites prescritos pela norma brasileira: o primeiro com 4 lajes de (2000 x 1300) mm² com distância entre os eixos de nervuras de 610 mm e o segundo com 4 lajes de (2000 x 2000) mm² com distância entre eixos de nervuras de 960 mm, sendo que houve uma variação da altura da mesa de 30, 50, 80 e 100 mm. A armadura de flexão foi mantida constante em todos os casos e a armadura de cisalhamento foi suprimida, para que todas as lajes tivessem rupturas por cisalhamento. As lajes apresentaram aumento da resistência com o aumento da altura da mesa, indicado pelo considerável ganho de contribuição do concreto na resistência ao cisalhamento, bem como a grande deformação das armaduras longitudinais e de distribuição, e pelos elevados valores das flechas. Portanto, no cálculo de resistência ao cisalhamento de lajes nervuradas, poderia ser repensada a falta da utilização da altura da mesa como variável, visto que sua contribuição à resistência ao cisalhamento é real.

Análise numérica de seções reforçadas de concreto armado considerando o estado inicial de tensões

O presente trabalho trata da formulação e da implementação computacional, em MATLAB^®, para a análise numérica de seções reforçadas de concreto armado, submetidas à flexão composta, considerando o estado de tensões anterior ao reforço. A referida análise se dá com a geração de diagramas de interação momento fletor esforço normal por dois métodos, quais sejam: a) varredura dos domínios de deformação da NBR6118/2003; b) determinação dos picos de diagramas momento fletor – esforço normal – curvatura. Em ambos os procedimentos utiliza-se o método numérico do ponto médio na integração do cálculo dos esforços resistentes, e o método de Newton Raphson para a obtenção de raízes é usado na determinação da deformação no eixo de referência da seção, durante a determinação dos diagramas momento fletor -esforço normal - curvatura. Preliminarmente, concluiu-se que a primeira das duas metodologias aplicadas é inviável. Posteriormente, com a confirmação da eficácia da segunda metodologia, foi possível expandir o escopo do trabalho de modo a permitir a análise de seções de formatos quaisquer executadas em várias etapas, considerando o estado de tensões inicial em cada uma das etapas. A implementação computacional referente a este trabalho se baseou no programa para análise numérica de seções SECLAB, desenvolvido pelo professor Remo Magalhães de Souza.

Pesagem em movimento e caracterização do tráfego ferroviário com uso da técnica B-WIM

Nesta dissertação é apresentado o desenvolvimento de algoritmos para aplicação do método Bridge-Weigh In Motion (B-WIM) para a pesagem em movimento de trens e para a caracterização do tráfego ferroviário, permitindo-se obter informações sobre a velocidade de passagem dos trens, número e espaçamento entre eixos. Os sistemas B-WIM a partir de uma simples instrumentação permitem determinar as cargas por eixo de veículos em movimento, eliminando o efeito dinâmico. Foram implementados os algoritmos para a determinação dos valores referentes a geometria do trem e das cargas, que foi validado a partir de um exemplo teórico, onde se simulou a passagem de um trem de características conhecidas sobre a ponte e as cargas por eixos foram determinadas com 100% de exatidão. Além disso, foi feito um exemplo numérico em elementos finitos, de um viaduto em concreto armado para aplicação do método, onde foi feita a determinação das cargas por eixo para diferentes velocidades de passagem do trem. A fim de reduzir o tempo de processamento nas análises do exemplo numérico, foi desenvolvido um algoritmo para a geração de cargas nodais no modelo numérico que reduziram o tempo de processamento em até 96% quando comparado com a análise de múltiplos passos (“Multi-Step”), que simula automaticamente a passagem do trem sobre a estrutura. Finalmente, o método foi testado em um caso real a partir de monitorações realizadas em um viaduto de concreto armado da Estrada de Ferro Carajás. Apesar de não ter sido possível a determinação das cargas por eixo da locomotiva, foi possível medir precisamente o peso bruto total da locomotiva quando se utilizou o modelo constitutivo de Collins & Mitchell (1991) para o concreto.

Contribuição ao estudo de lajes lisas unidirecionais de concreto armado com pilares retangulares ao puncionamento

São apresentadas análises das recomendações para estimar a resistência ao puncionamento de lajes lisas de acordo com a versão atual da norma brasileira, a NBR 6118:2003, que não considera o efeito da retangularidade de pilares internos, e sua predecessora, a NBR 6118:1980. Em seções transversais retangulares, o índice de polarização das tensões de cisalhamento é crescente. Isto altera a forma de ruptura da laje, já que a punção se inicia em torno das extremidades da seção do pilar, não se estendendo para os lados maiores, como prescreve a norma, comportamento este que reduz a resistência última das lajes frente às estimativas normativas. São apresentados os resultados de uma análise numérica por elementos finitos (M.E.F.) e uma proposta para melhorar a ductilidade das lajes lisas através das dimensões mínimas dos pilares. Observou-se que a NBR 6118:1980 mostrou-se conservadora e que as estimativas da NBR 6118: 2003 podem ser melhoradas.