comportamento do concreto ao longo do tempo
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CONCRETORetração e propriedades do
concreto endurecido
PCC 32222019
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Objetivos da aula
• Entender o fenômeno da fluência e o processo deretração do concreto e os riscos de fissuração a elaassociados
→ Conhecer os parâmetros influenciam a retração e afluência do concreto
• Ter domínio do conceito de resistência e módulo deelasticidade do concreto
→ Conhecer os parâmetros que influenciam essaspropriedades
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Por que as fissuras ocorrem?
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Tensão acima da resistência do material
• Carregamento externo
• Recalques de fundação
• Reações expansivas • Alcali-agregado
• Corrosão de armaduras
• Retração restringida• secagem, carbonatação, resfriamento
• Gradientes
• Estruturas contiguas
• Gradientes térmicos (calor de hidratação)
Fissuras & & suas causas
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Uma das principais causas de fissuras é a retração restringida
σ = E(ΔL/L0) = Eε ΔL
L0
Retração livre: gera apenas redução de volume
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Retração restringida: gera tensões
σ = E(ΔL/L0) = Eε
Toda estrutura é restringida pelo contato com o solo.
Res
triç
ão e
xter
na
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Retração restringida & tensões
• Gradientes de umidade• Para que a retração por secagem produza fissuras deve haver restrição
à deformação.
Restrição interna
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Tipos de retração
Retração
Estado fresco
Estado endurecido
Assentamento plástico
Retração plástica
Retração autógena
Retração por secagem
Retração por carbonatação
Retração por origem térmica
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Transição do concreto estado fresco → endurecido
• Sedimentação das partículas (movimentação da água)→ Água concentra-se na camada superficial (>> a/c local)→ Evaporação na superfície
• Redução no volume do concreto (retração química) → Vol. cimento hidratado = Vol. Cimento + 0,75 água combinada
• O concreto aquece e se resfria
• Concreto torna-se rígido (3h-7h), mas ainda pouco resistente
• Concreto torna-se poroso no estado endurecido e retrai durante a secagem
• Há riscos de fissuras!
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Retração por assentamento plástico do concreto
• Partículas começam asedimentar deslocando aágua e o ar aprisionado.
• Diminuição de volumepor redução de altura depeça.
• Se houver restrições,pode ocorrer fissuras.
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Fonte: Illston (2010)
Taxa de evaporação da água > Taxa de exsudação da água
Retração plástica
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Retração plástica: solução é a cura
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
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Solução é a cura do concreto
advancedcivilengineering.blogspot.com www.structuremag.org
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Processos de cura
MOLHAGEM CONSTANTE
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Processos de cura
CURA COM MANTA GEOTÊXTIL
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Processos de cura
CURA COM SACOS ÚMIDOS
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Processos de cura
CURA QUÍMICA/PELÍCULA
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Até quando curar?
NBR 14931: Execução de estruturas de concreto –Procedimento (2004)
→ Realizar cura até atingir fck ≥ 15 MPa
American Concrete Institute (ACI) Committee 301 recommendsa minimum curing period corresponding to concrete attaining70% of the specified compressive strength.
GANHO DE RESISTÊNCIA - NBR 6118/2014
IDADE (dias) CP III E IV CP II CPV - ARI
1 0,16 0,20 0,22
3 0,47 0,60 0,66
7 0,68 0,78 0,82
28 1,00 1,00 1,00
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Por que devemos curar o concreto até endurecer?
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Tensão capilar
• Quanto menor o poro, maior a tensão capilar e a retração
• A perda de água adsorvida (nos menores poros) é a principalresponsável pela retração por secagem do concreto endurecido
• Umidade relativa, vento, temperatura e radiação controlam a evaporação.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
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Fissuração
Retardando a secagem, diminui volume de poros capilares (responsáveis pela retração) e em consequência aumenta a resistencia.
Tensão da retração por secagem
σ
tempo
fissura
Resistência à tração do concreto
σ
tempo
Sem fissura
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Retração (reversível e irreversível)
00
200
400
600
800
1000
10 20 30 40 50 60 70 80
Secagem Molhagem
Def
orm
ação
neg
ativ
a(x
10
-6)
Tempo (dias)
Retração reversível
Ret
raçã
oto
tal
Retração irreversível
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
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Quais parâmetros controlam a evaporação de água no concreto?
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Evaporação da água
• Temperatura do ar
• Umidade relativa
• Temperatura do concreto
• Velocidade do vento
• Uso de ábacos
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• Qual a quantidade
de água que evapora
em uma laje de
concreto (1 m x 1 m),
com espessura de 5
cm, em 1 dia?
Exercício
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Resolução
Temperatura ambiente = 20°C
UR = 80%
Volume/área do concreto = 0,05 m³ / 1 m² = 0,05 m
TCONCRETO = 20°C + 5°C = 25°C
Velocidade do vento = 16 km/h
Taxa de evaporação = 0,8 kg.m-².h-1
Período = 24 h
Quantidade de água = 0,8 x 24 = 19,2 kg/m²
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Como combater o risco de fissuração devido à retração por secagem? Justifique.
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Resposta
• Cura “prolongada”
• Aumentar a resistência à tração do concreto nasprimeiras idades
→ Concretos mais resistentes
→ Fibras
• Reduzir a deformação do concreto
• Aumentar o volume de agregados, que são maisrígidos que a pasta de cimento
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Gradientes térmicos
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“Retração” térmica
• O cimento gera calor durante sua hidratação
• O concreto é mau condutor e conserva o seu interior aquecido
• A parte externa perde calor para o ambiente
Lançamento do concreto
Aquecimentodo concreto
pelas reações de hidratação
Resfriamentodo concreto das
bordas para o centro (baixa
condutividade)
Retração da superfície com
restrição da parte interna gerando
fissuração
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O problema não é a temperatura máxima, mas o gradiente em relação à temperatura de equilíbrio.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
= a . DT . E
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Ccimento= 223 kg/m³
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Estimativa da elevação de temperatura do concreto
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Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
Estimativa da elevação de temperatura do concreto
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Exercício
Faça uma verificação simplificada do risco defissuração de um bloco de concreto com as seguintescondições:
• Temperatura de lançamento: 32oC
• Elevação da temperatura: 26oC
• Módulo de elasticidade do concreto: E = 19.000 MPa.m/m
• Coef. de dilatação térmica do concreto: a = 10-5 m/moC
• Resistência à tração do concreto: fct = 4 MPa
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Exercício simplificado: resolução
• Cálculo da deformação específica:e = a . DT
e = 10-5.(26°C) e = 0,00026
• Cálculo da tensão devido ao aumento da temperatura: = e . E
= 0,00026 . 19000 = 4,94 MPa > fct = 4 MPa
Logo, risco significativo de fissura
• Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?
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•Como poderia ser feita uma avaliação mais precisa?
Fonte: Maria João Henriques. Relatório 425/2013. LEVANTAMENTO TÉRMICO DE PARAMENTOS DE BARRAGENS DE BETÃO PARA APOIO AO ACOMPANHAMENTO DA EVOLUÇÃO DE PATOLOGIAS
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Quais estratégias podem ser adotadas
para controlar a gradientes térmicos
do concreto?
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Estratégias
• Reduzir o consumo de cimento na dosagem
• Cimento com < taxa de liberação de calor (adições)
• Concretagem em etapas (“juntas frias”)
• Reduzir a temperatura dosmatérias primas
→ Gelo moído substituindo a água
→ Refrigerar concreto com nitrogênio líquido
→ Refrigerar agregados
• Instalar bombas com sistemas trocadores de calor na estrutura
http://techne.pini.com.br/engenharia-civil/190/artigo286974-2.aspx
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Fluência
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O concreto endurecido continuase deformando com o tempo
http://www.panoramio.com/photo/9236090
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http://www.panoramio.com/photo/9236090
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Deformação lenta ou fluência do concreto
• Ocorrem em peças submetidas a cargas de longa duração
• Causas:→ Devido à movimentação de água pelos poros do
concreto
→ Devido à acomodação dos cristais na pasta de cimento hidratada
• Tendem a se estabilizar com o tempo (esforços majoritários de compressão)
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Deformação por fluência também é parcialmente reversível
e
200
600
400
800
1000
0 4020 60 80 100 120
Tempo após o carregamento (dias)
Fluência irreverssívelConcreto
descarregadoDeformaçãoelástica
Deformaçãopor fluência
Recuperação elástica
Recuperação da fluência
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
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Quais estratégias devem ser adotadas para controlar a fluência do concreto? Justifique.
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Diminuindo a deformação por fluência
• Reduzir o volume de pasta e a quantidade de água ou aumentar o volume relativo de agregado;
• Usar agregados de maior módulo de elasticidade.
Fonte: Mehta & Monteiro (2008)
a)1( gC
C
P
C −=
Onde:
→ CC: fluência do concreto
→ CP: fluência da pasta de cimento
→ g: teor de agregados
→ a: constante
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Deformação por fluência
• Considerar adequadamente as condições ambientais locais.
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Atividade: Indique como a geometria da estrutura e a taxa de armadura podem influenciar a deformação por fluência.
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Propriedades mecânicas do concreto endurecido
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Comportamento mecânico
• É a resposta obtida do concreto quando submetida a esforços
mecânicos (diagrama tensão x deformação).
• Depende dos tipos de esforços
mecânicos:a) Traçãob) Compressãoc) Flexãod) Torçãoe) Flambagemf) Cisalhamento
• O concreto trabalha bem à
compressão e este tipo de esforço
é priorizado para a concepção
estrutural
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Deformação específica
Ten
são
aatgE =
Δε
Δσ
Módulo de elasticidade
0
)/(L
Lmmmm
D=e
Aresistente
F
ΔL
L0
e
D
D=E
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Medida da curvaTensão x deformação
extensômetros fixos no concreto
σ
ε
Comportamento não linear
extensômetros fixos nos pratos da prensa
cria erro de acomodação
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Módulo de elasticidade ou módulo de deformação do concreto
Relógio comparador Clip gage
Metrologia é difícil e depende muito do equipamento.Exige medir deformações com precisão de 1/1000mm
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Deformações do concreto e seus constituintes
O concreto apresenta comportamentoelástico linear?
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Processo de propagação das fissuras
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Determinação do módulo é uma convenção
E = (2 - 1)(e2 - e1)
Deformação específica = DL/L0
Ten
são
(M
Pa)
2 = 0,3.fc
1 = 0,5MPa
e1 e2
2 = 0,3 fc para Etang
2 = 0,4 fc para Esec
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Ciclos de carregamento previstos pela norma brasileira (ABNT NBR 8522:2008)
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Previsão do módulo de elasticidade segundo a norma ABNT NBR 6118:2014
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Exercício
• Um corpo-de-prova de 10 cm de diâmetro e 20 cmde altura, foi destinado à determinação do módulode elasticidade. Carregaram o corpo de prova até40% da carga máxima anterior (500.000 N) emediram uma deformação de 0,07 mm com umextensômetro com base inicial de medida de100mm. Estime o módulo de elasticidade desseconcreto (GPa).
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Área = .102 = 78,54 cm2 = 7854 mm2
4
Carga = 0,40x500.000 N = 200.000 N
Tensão = 200.000 N ÷ 7854 mm2 = 25,4 MPa
Deformação específica = 0,07 ÷ 100 = 0,0007 mm/mm
Módulo de elasticidade = 25,4÷ 0,0007 = 36.268 MPaMódulo de elasticidade = 36,3 GPa
Resolução
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Pontos importantes
• Quanto maior o módulo de elasticidade, maior é arigidez do concreto
• Menor é a deformação de uma estrutura para umadada geometria
• Menor é a deformação por retração
• Maiores são as tensões para o mesmo nível dedeformação imposta
• Menor é a deformação lenta
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Comportamento estrutural
• Fundamental: parametrização do comportamentodo material para prever comportamento estrutural
• Combinação de esforços
• Combinação de comportamentos (concreto e aço)
• Modelos de dimensionamento devem garantirsegurança do conjunto
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Comportamento mecânico do concreto e a segurança da estrutura
• Em um pilar a resistência do concreto define a capacidade resistente do elemento estrutural.
→ Esforço principal de compressão.
• Em uma viga ou laje o vergalhão de aço tem papel mais relevante para segurança da estrutura.
→ Esforço de tração resistido pelo aço.
• Num pavimento de concreto simples a resistência à tração do concreto é o parâmetro mais importante.
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• Segue ensaios padrão
• Parametriza o material e se utiliza em conjunto com modelos de dimensionamento validados:
Determinação da resistência
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Medida da resistência à compressão do concreto no Brasil
• Moldagem e cura segundo
NBR5738
• Ensaio segundo NBR5739
• Corpos-de-prova cilíndricos:
• Dimensões F15cm x 30cm
ou F10 x 20 cm;
→ Proporção h/d = 2
• Adensamento padrão
manual ou mecânico;
• Desforma com 24 h;
• Cura → câmara úmida
▪ Temperatura e HR controlada
→ Imersão;
• Acabamento superficial
• Ruptura → velocidade controlada
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As faces paralelas no carregamento são garantidas pelo capeamento ou polimento das superfícies
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Resistência à compressão e o corpo de prova
Corpo de prova padrão Mercosul/Europeu
http://buildingresearch.com.np/services/mt/mt1.php
Corpo de prova padrão Brasil
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Correlações
cilindrocubo fcfc 2,1
Por que?
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Relação altura/diâmetro do corpo de prova
Altura/Diâmetro (mm/mm)2
Incremento de Resistência(MPa/MPa)
1
0,5
2
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Variação da velocidade de carregamento
OZBOLT,RAH, MESTROVI. Influence of loading rate on concrete cone failure. International Journal of Fracture (2006) 139:239–252
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Baixa velocidade de carregamento
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Dinâmica do efeito Rüsch(fadiga estática ou ruptura por carga mantida)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Rel
ação
res
istê
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Tempo
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Variabilidade da resistência do concreto
• Há uma variabilidade naturalmente esperada para a resistência do concreto
• Vários fatores interferem:
→Variação da relação a/c (Exemplo: erros de pesagem)
→Defeitos (Exemplo: falhas de compactação)
→Variabilidade das matérias primas
• Deve-se controlar o nível de variação para garantir a segurança da estrutura (a corrente rompe no elo mais fraco).
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Resistência Característica do Concreto
Camacho (2006) - UNESP
• fcm = resistência média à compressão (dosagem)
• fck= resistência característica à compressão
• sd = desvio-padrão da produção (dosagem)
• Importantíssimo: amostragem deve ser confiável para o controle (aula de controle de qualidade)
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Resistência é parâmetro estatístico
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Resistência x desvio de produção do concreto
Origem primordial da dispersão dos valores de resistência:
• Alterações:
→Nos materiais constituintes
→No proporcionamento:
▪ Consumo de cimento
▪ Relação água/cimento
fck fcm1 fcm2
sd sd
sd sd
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Qual é o principal parâmetro tecnológico que define a resistência do concreto?
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Controle da resistência do concreto
Para agregados convencionais, a relação água/cimento (em massa) e a idade definem a porosidade e a resistência do concreto.
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Considerações de projeto• Trabalha-se com fck
• Considera-se para o projeto fcd = fck÷ gc
• gc: coef. de segurança minorador de resistência → gc = 1,4
• Minora-se a capacidade resistente utilizando 0,85.fcd
• 0,85 = α1. α2 .α3
→ α1: ganho de resistência após 28 dias (~1,2)
→ α2: relacionado ao efeito Rüsch (~0,8)
→ α3: relacionada ao fator de correção geométrica (~0,9)
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O controle da resistência do concreto é intrinsecamente ligado à garantia da segurança da estrutura.
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Por que materiais frágeis resistem menos à tração do que à compressão?
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Concentração de tensões
• A ocorrência de singularidades ou falhas internas ou externas irão impor uma concentração de tensões
• Isto ocorre principalmente para tensões de tração
m = 0[1+2(a/e)½]
• m = tensão na extremidade da fissura
• 0 = tensão de tração aplicada no material
• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial
• e = raio de curvatura da extremidade da fissura
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• Quando a >>>> e tem-se nova situação:
m = 20(a/e)½
• m = tensão na extremidade da fissura
• 0 = tensão de tração aplicada no material
• a = ½ comprimento da trinca interna ou comprimento da trinca superficial
• e = raio de curvatura da extremidade da fissura
• Ke = m/0 = 2(a/e)½
• Ke = fator de concentração de tensões
a2a
m
0
Concentração de tensões
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O que acontece com o concreto?
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Resistência à tração do concreto
• A resistência à tração é bem inferior à resistência àcompressão do concreto
• Aproximadamente 10%
• A relação depende do método de determinação daresistência à tração
• No dimensionamento de estruturas de concretoarmado despreza-se a resistência à tração do concreto
• Estruturas de concreto simples (pavimentos, porexemplo) considera-se e controla-se a resistência àtração (fctk)
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Resistência à tração na flexão 4 pontos
Momentos
Cortante
2be
PL
W
MMOR ==
M = Momento no vão centralW = momento de inérciaP = cargaL = vãob = largura da vigae = altura de viga
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Resistência à tração (compressão diametral)
petcivilufjf.wordpress.com
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Finalizando:• Quanto menor o volume de pasta:
→ Menor é o calor de hidratação liberado
→ Menor é a retração
→ Menor é a deformação lenta
→ Menor é o volume de material susceptível à entrada
de agentes agressivos
→ Menor é o custo
→ Menor é o impacto ambiental
• Melhor o concreto garantidas as exigências de
trabalhabilidade e comportamento mecânico.
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Leitura recomendada
• Capítulo 3 – Resistência em Mehta; Monteiro.IBRACON. P.49-84
• Capítulo 4 – Estabilidade dimensional em Mehta;Monteiro. IBRACON. P.85-120