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

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. 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).

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

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.

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 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.

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

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. 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.

Análise de fissuras é com a Kot Engenharia

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FAQ

1. O que significa dizer que o concreto é um material parcialmente frágil (quasi-brittle) e o que é o softening?

Diferente de materiais puramente frágeis (que se rompem abruptamente após atingirem sua tensão máxima) ou dúcteis (que se deformam plasticamente mantendo a carga), o concreto possui um comportamento misto. A sua curva de tensão-deformação apresenta uma pequena fase linear, seguida pelo amolecimento (softening). Esse fenômeno ocorre após o material atingir sua tensão de pico: o concreto continua a se deformar, mas sua capacidade de carregar tensões diminui gradativamente devido à abertura interna de microfissuras.

2. Por que a Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) não é adequada para avaliar elementos de concreto armado?

A MFEL assume que o material é homogêneo e que a zona de plastificação na ponta da trinca é desprezível, o que funciona bem para aços de alta resistência. O concreto, porém, é um material heterogêneo composto por matriz cimentícia, agregados finos e graúdos. A propagação de uma fissura nele envolve múltiplos mecanismos não lineares de ganho de tenacidade, conhecidos como crack arresting mechanisms, como o desvio da trinca ao redor dos agregados e o intertravamento mecânico de blocos, exigindo modelos numéricos não lineares.

3. O que é a Zona de Processo de Fratura (ZPF) e como o modelo de trinca coesiva de Hillerborg a simula?

A ZPF é a região microfraturada que se desenvolve imediatamente à frente da ponta visível de uma trinca no concreto, caracterizada pelo acúmulo de microfissuras e atrito entre os agregados. Para simulá-la numericamente, o engenheiro utiliza o Modelo de Trinca Coesiva de Hillerborg. Esse método insere tensões residuais fictícias de fechamento nas faces internas da ponta da trinca, representando matematicamente a capacidade que esses ligamentos microscópicos ainda têm de transferir esforços antes da separação completa do material.

4. Quais são as principais patologias estruturais aceleradas pela presença de fissuras sem controle?

A abertura de fissuras funciona como uma porta de entrada para agentes agressivos externos. As principais consequências patológicas são:

• Corrosão das armaduras: A umidade e o oxigênio alcançam o aço estrutural, gerando reações expansivas que causam o desplacamento (expulsão) do concreto de cobrimento.

• Reação Álcali-Agregado (RAA): A infiltração excessiva de água dispara ou potencializa reações químicas internas deletérias entre os álcalis do cimento e a sílica reativa dos agregados, provocando um gel expansivo que destrói a matriz do concreto de dentro para fora.

 

5. Como a análise por mecânica da fratura apoia o diagnóstico de viadutos, pontes e grandes estruturas de concreto?

Em estruturas de grande porte, como as vigas transversais de viadutos, o surgimento de fissuras severas gera dúvidas sobre a segurança da operação. A mecânica da fratura não linear permite construir modelos numéricos que inserem uma trinca inicial e simulam sua evolução passo a passo sob o campo de tensões real do ativo. Isso possibilita reproduzir em ambiente digital o mesmo padrão de dano observado em campo, identificando a causa raiz da falha, medindo a perda real de capacidade de carga e definindo se a estrutura precisa de reforço urgente ou se possui vida útil remanescente segura.