Concreto Armado - A estrutura interna do material

Por Ricardo Alvim

Nesta série de postagens, pretende-se explorar o material Concreto Armado, suas principais características e aspectos relativos ao emprego desse material nas estruturas. O texto a seguir foi retirado da Dissertação de Mestrado Avaliação da Rigidez Efetiva das Vigas de Concreto Armado, Alvim, R.C., EPUSP, 1997.

A estrutura interna do concreto pode ser interpretada como sendo constituída por uma matriz de argamassa homogênea onde se encontram embebidos os grãos de agregado, figura 2.1 (a).

Nos concretos de baixa e média resistência, até cerca de 50 MPa a 60 MPa, quando comprimidos numa determinada direção, figura 2.1 (b), na interface matriz-grão, surgem tensões de tração perpendicularmente ao campo de compressão externo . Isto se deve à maior rigidez dos grãos de agregado em relação à matriz de argamassa. O resultado é uma microfissuração generalizada, figura 2.1 (b), com fissuras orientadas segundo a direção do campo de compressão atuante, com uma tendência de desintegração da estrutura interna do material.

STROVEN (1973) detectou fenômeno análogo ao ensaiar outros materiais. O mesmo mecanismo de ruptura ocorre em materiais heterogêneos compostos por grãos mais rígidos envolvidos por uma matriz mais deformável. (STROVEN, P. Some Aspects of the Micromechanics of Concrete, Stevin Laboratory,  Technological University of Delft, 1949).

A microfissuração do concreto promove uma perda progressiva de rigidez que caracteriza a não linearidade do ramo ascendente do diagrama tensão-deformação.

A relação tensão-deformação do concreto comprimido   
     
O ensaio de compressão do concreto permite relacionar a não-linearidade do diagrama tensão-deformação com o processo de formação de microfissuras. Este processo apresenta quatro fases :

A primeira fase corresponde a um baixo nível de tensão, até cerca de 30% da carga de ruptura, figura 2.2. 

Nesse nível as fissuras estão limitadas às já existentes no concreto antes do carregamento, em virtude da exudação do excesso de água de amassamento e poucas decorrentes do carregamento na interface pasta-agregado. É uma fase em que o diagrama tensão-deformação do concreto comprimido apresenta um comportamento quase linear.

Na segunda fase, que atinge até cerca de 70% da carga de ruptura,  ocorre um crescimento na quantidade de microfissuras na interface pasta-agregado e surgem microfissuras na pasta. Nesta fase ocorre o início do comportamento não-linear.

A terceira fase caracteriza-se pela formação de microfissuras intergranulares. É uma fase crítica, onde o diagrama tensão-deformação indica uma queda significativa da rigidez do material, porém sem perda da capacidade resistente.

Finalmente, na quarta fase, em que se processa um crescimento acelerado das fissuras, representada pela linha pontilhada da figura 2.2, o concreto apresenta uma queda da sua capacidade resistente devido à instabilidade da estrutura da pasta promovida pela fissuração contínua até a ruptura.

Segundo a NBR-8522 (1984), no ensaio de compressão para a determinação do módulo de deformação do concreto deve-se traçar o diagrama tensão-deformação a partir do  gráfico de carregamento no tempo.

Os métodos de determinação do módulo de deformação do concreto variam internacionalmente, mas todos utilizam ciclos de carga e descarga a fim de eliminar a deformação residual do concreto.

A norma brasileira prescreve a caracterização do  módulo de deformação tangente e secante do concreto, figura 2.3.

O módulo de deformacão tangente, Etg, é dado pela inclinação da reta tangente ao diagrama tensão-deformação do concreto num ponto genérico. O módulo de deformação tangente inicial recebe a designação E0, quando a reta tangente é tomada a partir da origem do diagrama.

O módulo secante de deformação, Esec, é dado pela inclinação da reta secante em dois pontos do diagrama tensão-deformação. O inicial é fixado no valor 0,5 MPa e o segundo é determinado segundo o plano de carga de interesse.

A relação tensão-deformação do concreto tracionado

Por meio de um ensaio de deformação controlada pode-se obter o diagrama tensão-deformação do concreto tracionado, figura 2.4.

Uma análise a nível microscópico mostra uma relação entre o início da microfissuração e o afastamento do comportamento linear. Este afastamento ocorre com uma tensão da ordem de 75% da resistência à tração do concreto, figura 2.4.

Depois de atingida a tensão máxima de resistência à tração do concreto, o processo de microfissuração torna-se mais acentuado, reduzindo drasticamente a resistência do material.

O ensaio de deformação controlada mostra que, à custa da diminuição da rigidez, o concreto tracionado pode suportar deformações até quatro vezes maiores que a deformação correspondente a tensão máxima, figura 2.5.

Do comportamento inelástico do concreto pode-se dizer que, qualquer que seja o nível de tensão aplicado ao concreto, a deformação correspondente é constituída de uma parcela elástica, cujas deformações se anulam com o descarregamento, e outra parcela inelástica que mantém  deformações  residuais depois de descarregado o corpo de prova.

Com o início da fissuração a perda da elasticidade do concreto tracionado torna-se aparente.

A realização de ciclos de carga-descarga no ramo descendente do diagrama tensão-deformação permite constatar uma grande redução do módulo de deformação, atingindo-se no final do ensaio um valor da ordem de 1/15 do valor inicialmente obtido, figura 2.6. Isso é especialmente importante quando deseja-se conhecer, ou estimar, as condições de envelhecimento das estruturas, sob os diferentes ciclos de carregamentos enfrentados ao longo de suas vidas úteis.