CONSIDERAÇÃO DO CONCRETO FISSURADO NO DIMENSIONAMENTO DE ANCORAGENS PÓS-INSTALADAS

1. O que é concreto fissurado?

Joseph Monier, um jardineiro francês do século XIX, foi um dos pioneiros no desenvolvimento do concreto armado. Posteriormente, G. A. Wayss, engenheiro civil alemão e pioneiro da construção em concreto armado com ferro e aço, realizou o primeiro uso comercial do concreto armado, contribuindo para o aperfeiçoamento do sistema de reforço de Monier. Ele consolidou essa tecnologia como uma ciência bem desenvolvida: o aço absorve os esforços de tração, enquanto o concreto fornece resistência à compressão.

O concreto possui naturalmente alta resistência à compressão, mas baixa resistência à tração. Quando submetido a esforços de tração, ele tende a fissurar (Fig. 1.1). O concreto fissurado refere-se ao concreto que desenvolveu fissuras visíveis devido a tensões internas ou externas, normalmente com aberturas entre 0,1 mm e 0,3 mm. Essas fissuras podem surgir devido a cargas estruturais, dilatação térmica, retração, fluência (creep) ou fatores ambientais.

Devido à baixa resistência à tração do concreto, as armaduras geralmente absorvem os esforços de tração em elementos de concreto fissurado. As tensões de compressão na seção de concreto não afetada pelas fissuras permanecem relativamente inalteradas e seguem aproximadamente uma distribuição linear de tensões (Fig. 1.2).

Quando uma fissura se forma, a tensão de tração na ponta da fissura torna-se significativamente elevada, enquanto a tensão na seção fissurada cai praticamente para zero. Entre as fissuras, o concreto ainda suporta certa tensão de tração devido à aderência entre o concreto e a armadura, que diminui gradualmente à medida que aumenta a distância da fissura.

As normas modernas de projeto de concreto armado exigem detalhamento adequado das armaduras para garantir que as aberturas de fissuras resultantes das cargas estáticas e quase estáticas máximas admissíveis em serviço (cargas permanentes mais uma parcela das cargas variáveis) não excedam valores entre 0,3 mm e 0,4 mm. Sob ações acidentais, como eventos sísmicos, as fissuras podem atingir larguras entre 0,5 mm e 0,8 mm.

2. Por que o concreto fissurado é uma consideração importante no projeto de ancoragens?

2.1 Efeito das fissuras no desempenho da ancoragem

Diferentes condições de carregamento em elementos de concreto geram diferentes zonas de tração e, dependendo da posição da ancoragem, seu desempenho pode ser influenciado (Fig. 2.1).

De modo geral, quando surgem fissuras em um elemento de concreto, é muito provável que elas interceptem a posição da ancoragem diretamente ou de forma tangencial (Fig. 2.2), fazendo com que as tensões radiais no concreto sejam interrompidas pela fissura (Fig. 2.4 a)). Isso ocorre porque existem elevadas tensões de tração ao redor da ancoragem, resultantes das tensões circunferenciais (hoop stresses) associadas à pré-tensão e ao carregamento da ancoragem, além da concentração de tensões provocada pela presença do furo da ancoragem (efeito entalhe) (Fig. 2.3 a)). Além disso, a probabilidade de formação de fissuras na posição da ancoragem é elevada devido ao enfraquecimento da matriz de concreto causada pela própria instalação do sistema de fixação (Fig. 2.3 b)).

A Figura 2.4 b) apresenta o comportamento típico carga-deslocamento em concreto fissurado e não fissurado sob carregamento de tração. No concreto não fissurado, os deslocamentos são significativamente menores e a capacidade resistente é maior. Uma análise detalhada sobre o comportamento de fixadores em concreto fissurado e não fissurado foi documentada por Eligehausen et al. [1].

A influência qualitativa das fissuras na resistência ao arrancamento (pull-out) e nos deslocamentos de ancoragens pós-instaladas é apresentada na Tabela 2.1

2.2 Como o desempenho das ancoragens em concreto fissurado é avaliado?

As normas europeias e americanas estabelecem ensaios específicos para avaliar o desempenho das ancoragens em determinadas larguras de fissura. Um programa típico de ensaios baseado na EAD 330232 [2] e AC 193 [3] para ancoragens mecânicas pós-instaladas é apresentado na Tabela 2.2.

As larguras de fissura utilizadas nos ensaios de qualificação baseiam-se em extensas pesquisas sobre medições realizadas em estruturas reais nos estados limite de serviço (ELS/SLS) e último (ELU/ULS), conforme mostrado nas Figuras 2.5 e 2.6.

As cargas variáveis (live loads) podem influenciar significativamente a fissuração do concreto na região das ancoragens. As fissuras se abrem e propagam com ciclos repetidos de carregamento (Fig. 2.7). Isso pode reduzir a resistência da ancoragem e provocar afrouxamento gradual ou aumento das deformações, diminuindo a confiabilidade da ligação. Embora exista uma tendência de deslocamento da ancoragem durante os ciclos de abertura e fechamento das fissuras, os ensaios de ciclagem de fissuras (Fig. 2.8) permitem deslocamentos máximos de até 3 mm após 1.000 ciclos. Esse critério corresponde a uma vida útil de projeto esperada de 50 anos. Critérios modernos de avaliação exigem um número maior de ciclos para conexões projetadas para vidas úteis superiores, por exemplo, 100 anos.

3. O que as normas dizem sobre a consideração do concreto fissurado no projeto de ancoragens?

As normas de projeto EN 1992-4 [7] (itens 4.5 e 4.7) e ACI 318 [8] (item 17.10.5.4) recomendam considerar concreto fissurado no dimensionamento de ancoragens pós-instaladas, salvo quando for demonstrado que o concreto permanecerá não fissurado durante toda a vida útil da estrutura (por exemplo, elementos permanentemente comprimidos sob cargas permanentes).A EN 1992-4 [7] fornece orientações adicionais para a consideração de concreto não fissurado na Equação (4.4).

Além disso:

• Conforme EN 1992-4 item 9.2.2 e ACI 318 item R17.10.5.4, o projeto de ancoragens para ações sísmicas deve considerar exclusivamente concreto fissurado.

• Conforme EN 1992-4 Anexo D.1, ancoragens expostas ao fogo também devem possuir ETA para utilização em concreto fissurado.

Demonstrar que o concreto permanecerá não fissurado sob todas as condições de serviço é uma tarefa complexa. Portanto, recomenda-se considerar sempre o concreto fissurado no projeto de ancoragens pós-instaladas.

As equações da EN 1992-4 [7] para cálculo das resistências aos diferentes modos de ruptura sob carregamento de tração evidenciam claramente as diferenças entre concreto fissurado e não fissurado (Tabela 3.1).

4. Como projetar ancoragens para concreto fissurado?

O software de dimensionamento estrutural baseado em nuvem PROFIS Engineering, da Hilti, oferece opções de projeto tanto para concreto fissurado quanto para concreto não fissurado. Na etapa de entrada de dados do projeto, na aba "Material Base", deve-se selecionar a opção "Concreto Fissurado". Após essa seleção, o software exibirá as ancoragens pós-instaladas adequadas para os critérios de carga desejados, condição de concreto fissurado e demais parâmetros do projeto. O usuário pode selecionar a solução mais adequada, realizar o dimensionamento e executar as análises para verificar os resultados (Fig. 4.1).

Mais detalhes sobre os métodos de dimensionamento passo a passo no PROFIS Engineering estão disponíveis no Hilti Steel-to-Concrete Handbook [9].

5. Conclusão

De maneira geral, a formação de fissuras no concreto é esperada e a localização provável dessas fissuras pode ser facilmente prevista na região das ancoragens, resultando em redução da capacidade resistente ou aumento dos deslocamentos. Recomenda-se considerar sempre o concreto como fissurado durante o projeto, exceto em aplicações nas quais seja claramente demonstrado que o concreto nunca estará sujeito à tração, como algumas fixações leves em elementos protendidos (devendo isso ser comprovado em cada caso). Caso contrário, devem ser utilizadas ancoragens qualificadas para uso em concreto tracionado, garantindo a segurança por meio de um projeto adequado. Soluções cujo desempenho não tenha sido avaliado em concreto fissurado não podem garantir um nível adequado de confiabilidade.

Para iniciar seus projetos, acesse: https://profisengineering.hilti.com/

Referências

[1] R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006.

[2] EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021.

[3] AC 193: ACCEPTANCE CRITERIA FOR MECHANCIAL ANCHORS IN CONCRETE ELEMENTS, ICC Evaluation Service, 2009.

[4] K. Bergmeister, Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, PhD Thesis, Germany: University of Innsbruck, 1988.

[5] P. Schiessl, Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 1986.

[6] R. Eligehausen and A. Bozenhardt, Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements., Germany: Univeristy of Stuttgart, Institute of Construction Materials, 1989.

[7] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018.

[8] ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete, Farmington Hills: American Concrete Institute, 2019.

[9] S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.