Comportamento mecânico do concreto

O concreto armado por ser um material composto, possui propriedades físicas que se distinguem dos materiais que o compõem isoladamente.

As armaduras unifilares de aço são responsáveis por conferir ductilidade às peças, com elevada resistência à tração, enquanto o concreto confere resistência à compressão. 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. 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).

Figura 1 – Curva tensão deformação típica do concreto, E_i^s módulo secante e E_i^t módulo tangente.

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. A mais comum é a corrosão das armaduras, cujas reações expansivas causam desplacamento do concreto.

Outra manifestação 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.

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, com algumas particularidades. A utilização de modelos lineares (MFEL – mecânica da fratura elástica linear) é pouco apropriada para peças de concreto armado devido ao comportamento do material.

Os mecanismos de propagação de fissuras em peças de concreto armado são não-lineares, principalmente devido a existência de matriz cimentícia, agregado fino, agregado graúdo, onde cada uma dessas fases possui diferentes propriedades de tenacidade à fratura.

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 a reproduzir o comportamento elasto-plástico da zona de processo de fratura (ZPF), que se forma  nas redondezas da fissura. 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.

Figura 5 – Regiões desenvolvidas próximas a uma trinca, (L) região linear, (F) em processo de fratura, (N) não linear, Bazant e Oh (1983).

Modelo de estudo

Em um modelo de análise típico por mecânica da fratura é inicialmente adicionada uma trinca, que é propagada em casa 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.

Durante uma simulação de propagação é possível ocorrer uma estabilização da fissura, o que resulta em uma trinca que se propaga e a partir de um determinado comprimento se mantém estável.

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.

A zona coesiva corresponde, então, a uma região micro fraturada onde existem ligamentos responsáveis por transferir esforço, enquanto o material situado fora da região fraturada mantém a sua resistência inalterada.

Figura 7 – Modelo de trinca coesiva proposto por 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. 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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