Concreto é um material que pode desenvolver fissuras sob determinadas condições de carregamento. A Kot Engenharia utiliza a mecânica da fratura do concreto para compreender a propagação dessas trincas e avaliar a integridade de estruturas existentes. Assim, continue a leitura e saiba como essa técnica contribui para diagnósticos estruturais precisos e intervenções mais seguras.

1. Comportamento mecânico do concreto

Since reinforced concrete is a composite material, it has physical properties that differ from the materials that make it up on their own.

As armaduras unifilares de aço são responsáveis por conferir ductilidade às peças, com elevada resistência à tração, enquanto o concreto confere resistência à compressão. Desse modo, mediante a aplicação de cargas em uma peça de concreto, é comum o surgimento de fissuras na região tracionada.

O concreto possui comportamento dito parcialmente frágil, que é caracterizado por uma pequena região de linearidade, seguida por amolecimento, sendo um comportamento não linear. Além disso, a interação de defeitos inerentes ao concreto, como vazios e micro trincas, resulta em uma resposta à tração típica. O comportamento do concreto é caracterizado por uma região linear elástica seguida por uma região de amolecimento antes da tensão máxima. Após desenvolver a tensão máxima, o concreto apresenta um aumento de deformação com redução de tensão, que caracteriza a região de amolecimento (softening). Materiais com tal comportamento são classificados como parcialmente frágeis (quasi-brittle).

                                                    Figure 1 - Typical stress-strain curve for concrete,^Eis secant^modulus and _Eit tangent^modulus .

2. Algumas manifestações de fissuras em peças

Fissuras podem ser originadas durante a própria construção da peça, sendo resultado das tensões autógenas devidas ao processo de solidificação do concreto – caso o processo de solidificação da peça não seja controlado, fissuras podem ocorrer. A quantidade de água necessária para o concreto durante o processo de solidificação é fundamental para evitar o endurecimento rápido, que resulta em fissuração excessiva.

                                                                           Figura 2 – Exemplo de fissura desenvolvida devido a retração no processo 
                                                                         de endurecimento do concreto – Fonte: PCA – Portland Cement Association.

Fissuras excessivas expõem a armadura a umidade e podem gerar manifestações patológicas diversas no concreto armado. Entre elas, a mais comum é a corrosão das armaduras, cujas reações expansivas causam desplacamento do concreto.

Outra manifestação, por sua vez, corresponde a reação álcali-agregado, que é potencializada ou até mesmo desencadeada com a presença de umidade excessiva no interior do concreto.

                                                                           Figura 3 – Exemplo de manifestação patológica – reação álcali-agregado
                                                                                                  – Fonte: PCA – Portland Cement Association.

3. Mecânica da fratura do concreto

O estudo da propagação de fissuras em peças de concreto armado pode ser realizado por meio da mecânica da fratura, porém, é importante destacar que algumas particularidades devem ser consideradas. A utilização de modelos lineares (MFEL – mecânica da fratura elástica linear) é pouco apropriada para peças de concreto armado devido ao comportamento do material.

Crack propagation mechanisms in reinforced concrete parts are non-linear, mainly due to the existence of a cementitious matrix, fine aggregate and coarse aggregate, where each of these phases has different fracture toughness properties.

                      Figura 4 –Exemplo de propagação de fissuras em concreto, (a) tenacidade elevada do agregado em relação a matriz cimentícia,                                                                                                        (b) agregado de tenacidade ligeiramente superior a matriz, Chen, Y. P., 2006.

Para as análises numéricas, devem ser aplicados modelos de propagação apropriados, de forma que reproduzam o comportamento elasto-plástico da zona de processo de fratura (ZPF), que se forma  nas redondezas da fissura. Além disso, outro aspecto que adiciona não-linearidade no comportamento de propagação de fissuras são os mecanismos de tenacidade que se formam durante o processo de propagação, chamados de crack arresting mechanisms.

                    Figure 5 - Regions developed near a crack, (L) linear region, (F) in the process of fracture, (N) non-linear, Bazant and Oh (1983).

4. Modelo de estudo

Em um modelo de análise típico por mecânica da fratura, inicialmente, é adicionada uma trinca, que é propagada em cada passo da análise. Neste procedimento de cálculo, as tensões na peça são modificadas devido a presença da fissura, o que altera a direção de propagação da trinca a cada passo de análise.

                            Figura 6 – Simulação de propagação de fissura (embedded crack) em peça de concreto – por meio de uma trinca inicial o                                                                                                             modelo reproduz a trajetória de propagação com base no campo de tensões.

During a propagation simulation, it is possible for the crack to stabilize, resulting in a crack that propagates and remains stable after a certain length.

Um dos modelos mais utilizados para representar a não-linearidade na ponta da trinca é o de trinca coesiva. Esse modelo consiste em adicionar tensões na ponta da trinca de modo a representar a região de processo de fratura (ZPF – zona de processo de fratura). Essa região é caracterizada pelo acúmulo de micro trincas e intertravamento do agregado, e é consideravelmente maior quando comparado a zona plástica em um material dúctil como o aço, por exemplo. Essa condição inviabiliza a utilização da mecânica da fratura elástica linear (MFEL) em elementos de concreto.

The cohesive zone then corresponds to a micro-fractured region where there are ligaments responsible for transferring stress, while the material located outside the fractured region maintains its strength unchanged.

                                                                                       Figure 7 - Cohesive crack model proposed by Hillerborg.

A técnica da mecânica da fratura do concreto pode ser aplicada para estudar o padrão de propagação de fissuras em peças de concreto armado. Portanto, essa abordagem via modelo de análise numérica é particularmente importante para se determinar o padrão das fissuras e as suas causas, permitindo reproduzir o mesmo padrão de fissuras observado em campo.

Esta técnica pode ainda ser aplicada em casos em que se deseja determinar a vida remanescente de peças de concreto armado com fissuras importantes. No exemplo abaixo, é mostrada uma viga transversal de um viaduto com fissuras, onde a mecânica da fratura é uma ferramenta para se determinar a severidade da fissura, a redução na resistência da peça e a causa para o referido dano.

                                                      Figura 8 – Exemplo de fissura importante em uma viga transversal de viaduto rodoviário
                                                                        que pode ser investigada pela técnica da mecânica da fratura não linear.

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