| Articulos | https://doi.org/10.21041/ra.v12i3.630 |
Comportamento à flexão de vigas de concreto armado com parâmetros eletroquímicos associados a um alto nível de corrosão
Flexural behavior of reinforced concrete beams with electrochemical parameters associated with high level of corrosion
Comportamiento a flexión de vigas de concreto reforzado con parámetros electroquímicos asociados con un nivel de corrosión alto
Joel Alberto
Moreno Herrera1
*
,
Jorge
Varela-Rivera1
,
Rebeca Visairo
Méndez2
,
Pedro
Castro-Borges2
1 Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán, México.
2 Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, IPN, Unidad Mérida, México.
*Contact author: joel.moreno@correo.uady.mx
Recepção:
16
de
julho
de
2022.
Aceitação:
17
de
agosto
de
2022.
Publicação: 01 de setembro de 2022.
| Citar como: Moreno Herrera, J. A., Varela Rivera, J. L., Visairo Méndez, R., Castro Borges, P. (2022), “Comportamento a flexão de vigas de concreto armado com parâmetros eletroquímicos associados a um alto nível de corrosão”, Revista ALCONPAT, 12 (3), pp. 422 – 432, DOI: https://doi.org/10.21041/ra.v12i3.630 |
Resumo
Neste trabalho, avaliou-se a mudança no comportamento de flexão de vigas de concreto armado. Foram consideradas vigas sem corrosão e vigas com parâmetros eletroquímicos associados a um alto nível de corrosão. Os parâmetros eletroquímicos considerados foram a taxa de corrosão, resistividade elétrica e concentração de cloretos. As vigas foram ensaiadas sob cargas verticais incrementais até a ruptura. São apresentados padrões de fissuração, cargas de escoamento, cargas máximas, rigidez de escoamento e ductilidade de deslocamento das vigas. Com base na análise desses parâmetros estruturais conclui-se que o comportamento de flexão das vigas com e sem corrosão foi semelhante.
Palavras chave:
vigas de concreto armado,
corrosão,
cargas sustentadas,
comportamento estrutural,
comportamento eletroquímico
1. IntroduÇÃo
O concreto armado (CA) é um dos materiais mais utilizados na construção civil em todo o mundo. A produção global anual de concreto é estimada em aproximadamente 11 bilhões de metros cúbicos (Ceballos, 2016). Um dos principais problemas que afetam a segurança e durabilidade das estruturas de concreto armado é a corrosão (Rodríguez, 2014). A corrosão pode começar quando agentes agressivos como cloretos, sulfatos e dióxido de carbono, entre outros, penetram no concreto (Castro, 1988). A corrosão pode induzir uma degradação nas propriedades físicas e mecânicas do aço da armadura. A referida degradação é atribuída a alterações na composição química devido à reação química do aço com os agentes agressivos do meio ambiente (Maldonado-López, 1996). A corrosão pode causar danos aos elementos CA, como fissuras e desplacamento do cobrimento da armadura. Esses danos causam perdas na resistência e capacidade de deformação dos elementos de CA, colocando em risco a segurança das estruturas. Danos às estruturas associados à corrosão geram custos significativos e perdas econômicas em muitos países (Vázquez-Castillo, 1998). O custo anual de reparos em estruturas de CA no Reino Unido é de aproximadamente £ 755 milhões (Rodríguez, 2014). Nos EUA, o custo de manutenção e reparo da infraestrutura costeira é estimado em US$ 660 milhões (Xianming et al. 2012). Portanto, medidas de prevenção, avaliação e controle adequado da corrosão são de extrema importância.
Os atuais regulamentos mexicanos sobre a durabilidade das estruturas de concreto armado concentram-se principalmente em dois aspectos, prevenção e avaliação. As Normas Técnicas Complementares para Projeto e Construção de Estruturas de Concreto (NTCC-2017) especificam recomendações voltadas à prevenção da corrosão. Essas normas propõem recomendações mínimas para a resistência à compressão do concreto e para a espessura do cobrimento de concreto dos elementos estruturais com base nos níveis de exposição ao meio ambiente. Por outro lado, existem normas que especificam recomendações baseadas principalmente no comportamento eletroquímico de vigas de concreto armado. Por exemplo, no NMX-C-514-ONNCCE-2016, os níveis de corrosão são estabelecidos com base na taxa de corrosão. Adicionalmente, a NMX-C-523-ONNCCE-2015 estabelece níveis de risco de corrosão com base na resistividade elétrica do concreto. Essas normas não estão explicitamente associadas ao comportamento estrutural dos elementos de concreto armado.
Existem alguns estudos onde se avalia o comportamento estrutural de elementos de concreto armado afetados pela corrosão. As variáveis mais estudadas foram o nível de corrosão (Gu et al., 2010; Ou et al., 2016; Ye et al., 2018), o diâmetro da armadura de tração longitudinal (Gu et al., 2010; Ou et al., 2016; Shaikh, 2018) e a magnitude das cargas mantidas (Tachibana et al., 1990; Castel et al., 2000; Vidal et al., 2007; Torres et al., 2007; Juárez et al., 2011; Ye et al., 2018). Por outro lado, existem estudos sobre o comportamento eletroquímico de vigas de concreto armado afetadas pela corrosão (Andrade y González, 1978; Andrade et al., 1993; Elsener et al., 2003). Nos estudos anteriores observa-se que o comportamento estrutural e o comportamento eletroquímico dos elementos foram considerados separadamente. Apenas um estudo foi encontrado onde o comportamento estrutural e eletroquímico de vigas de CA estão correlacionados (Yu et al., 2015). No entanto, neste estudo apenas 2 vigas corroídas foram testadas. O único parâmetro considerado para relacionar o comportamento estrutural e eletroquímico foi a taxa de corrosão. Com base na revisão dos estudos anteriores, observa-se que ainda são necessários mais estudos experimentais onde se relacionam outros parâmetros que definem o comportamento estrutural e eletroquímico das vigas de CA. Os parâmetros mais utilizados para avaliar o comportamento estrutural à flexão de vigas de concreto armado são resistência, rigidez e capacidade de deformação. Os parâmetros mais utilizados para avaliar o comportamento eletroquímico são a taxa de corrosão, o potencial de corrosão, a resistividade elétrica do concreto e a concentração de cloretos. As relações entre os parâmetros acima permitirão uma melhor avaliação das estruturas afetadas pela corrosão.
O objetivo deste trabalho é avaliar a mudança no comportamento de flexão de vigas de concreto armado. Foram consideradas vigas sem corrosão e vigas com parâmetros eletroquímicos associados a um alto nível de corrosão. Essas vigas foram retirados do trabalho de Moreno-Herrera et al. (2022).
2. Metodologia
2.1 Características das vigas existentes
São 8 vigas de concreto armado, 4 de controle e 4 com corrosão (Moreno-Herrera et al., 2022). As dimensões das vigas foram de 15 x 30 x 350 cm (largura x profundidade x comprimento). As vigas foram projetadas para induzir o comportamento de flexão. A armadura longitudinal consistia de 2 barras #4 (13 mm de diâmetro) na zona de tração e 2 #3 barras (9,5 mm de diâmetro) na zona de compressão. Foram utilizadas barras corrugadas com limite de escoamento nominal (fy) de 411,88 MPa (4200 kg/cm²). O aço de armadura transversal consistia em estribos nº 2 (64 mm de diâmetro) espaçados a cada 130 mm. Barras lisas com limite de escoamento nominal de 227,51 MPa (2320 kg/cm²) foram usadas. O cobrimento livre do aço de armadura longitudinal era de 25 mm. A resistência média à compressão do concreto foi de 17,53 MPa (178,75 kg/cm²). Foram utilizados cimento Portland composto, agregado calcário britado de alta absorção, tamanho máximo do agregado de 19 mm, relação água/cimento de 0,62 e abatimento de 100 mm. As vigas foram moldadas por um trabalhador experiente. A armadura transversal foi pintada com esmalte alquídico anticorrosivo, para induzir corrosão exclusivamente no aço de armadura longitudinal. No caso das vigas de controle, o concreto foi lançado e compactado da forma tradicional. No caso das vigas corroídas, o concreto foi lançado em duas camadas de 150 mm de altura. Na primeira, foi colocado concreto contaminado com cloretos (1,5% do peso do cimento). Na segunda camada foi colocado concreto normal. As vigas foram armazenadas e curadas com água por um período de 28 dias.
As vigas foram submetidas a cargas verticais incrementais até atingirem as tensões de tração alvo na armadura longitudinal (Tabela 1). As cargas foram aplicadas usando um sistema de carregamento de quatro pontos (Figura 1). Com este sistema de carregamento, as vigas foram submetidas a momentos fletores constantes e força cortante zero no terço central das vigas. Na Tabela 1, VC refere-se a vigas de controle e VCC a vigas corroídas, 0,4 e 0,8 referem-se aos percentuais de tensão de tração alvo em armaduras longitudinais (40% e 80% de fy). A Tabela 1 inclui a carga associada à fissuração por flexão ( P cr ) e seu deslocamento correspondente ( ∆ 푐푟 ), a carga associada à tensão de tração alvo ( 푃 푚1 ) e seu deslocamento correspondente ( ∆ 푚1 ), bem como a rigidez inicial ( 퐾 표 ) e rigidez pós-fissuração ( 퐾 푐푟 ) das vigas. A rigidez inicial foi calculada com 푃 푐푟 e ∆ 푐푟 . A rigidez pós-fissuração foi calculada com 푃 푐푟 e 푃 푚1 .
2.2 Cargas mantidas e corrosão acelerada em vigas existentes
As vigas foram submetidas a cargas mantidas por um período de 166 dias (Moreno-Herrera et al., 2022). Foram consideradas as cargas mantidas associadas às tensões de tração alvo (Tabela 1). As cargas mantidas geraram a mesma distribuição de momentos fletores e esforços cortantes nas vigas obtidos com o sistema de carregamento de quatro pontos descrito acima. Durante este período, ciclos de umedecimento e secagem foram aplicados para induzir a corrosão acelerada. As vigas foram umedecidas a cada 12 horas, uma vez com água potável e outra com soro fisiológico 3,5%. A concentração de cloretos na solução utilizada é semelhante à da água do mar. A Tabela 2 mostra os valores máximos observados para taxa de corrosão em armadura de tração longitudinal, e resistividade elétrica e concentração de cloretos no concreto das vigas. A taxa de corrosão e a resistividade elétrica foram medidas com um corrosímetro (James Instruments, 2010). A concentração de cloreto foi obtida de acordo com a norma NMX-C.523-ONNCCE-2015.
A Tabela 2 mostra que a taxa máxima de corrosão das vigas de controle (VC) foi associada a um nível de corrosão baixo a moderado (0,1 a 0,5 μAmp⁄cm2) (NMX-C-501-ONNCCE-2015); a resistividade elétrica foi associada a um risco baixo a moderado de corrosão (10 a 50 kΩ∙cm) (NMX-C-514-ONNCCE-2016); a concentração de cloretos foi inferior ao valor limite de 0,52 proposto para concretos com agregados calcários e com relação a/c de 0,6 (Castro et al., 1993). Por outro lado, a Tabela 2 mostra que a taxa de corrosão das vigas corroídas (VCC) foi associada a um alto nível de corrosão (maior que 1 μAmp⁄cm2); a resistividade elétrica foi associada a um alto risco de corrosão (menos de 10 kΩ∙cm); a concentração de cloreto foi pelo menos 5 vezes superior ao valor limite. Com base no exposto, observa-se que, do ponto de vista eletroquímico, existem vigas com parâmetros associados a um alto nível de corrosão.
Para vigas submetidas à mesma tensão de tração alvo, o padrão de fissuração foi geralmente semelhante. Para vigas com tensão de tração alvo de 0,8 fy, foram observadas aberturas e comprimentos de fissura maiores do que aqueles observados para vigas com tensão de 0,4 fy. Isso se deve ao fato de que as cargas aplicadas para o esforço de 0,8 fy foram maiores. Após a indução da corrosão, os padrões de fissuração foram semelhantes aos observados antes da aplicação da técnica de corrosão.
2.3 Sistema de carregamento e instrumentação para testar vigas existentes
As vigas de controle e corroídas foram testadas sob cargas verticais incrementais até a ruptura. As vigas foram ensaiadas após o período de aplicação de cargas mantidas e a indução de corrosão. Foi utilizado o mesmo sistema de carregamento de quatro pontos descrito acima (Figura 1). As cargas foram aplicadas usando um atuador hidráulico e medidas usando uma célula de carga. Os deslocamentos verticais no comprimento médio das vigas foram medidos por meio de dois potenciômetros lineares. As deformações em armaduras longitudinais em tração foram medidas usando extensômetros. Antes da concretagem, os extensômetros foram colados à armadura longitudinal em tração (Moreno-Herrera et al., 2022).
3. Resultados e discussão
A Figura 2 mostra o padrão de fissuração final das vigas. O padrão de fissuração foi semelhante tanto para as vigas de controle quanto para as vigas corroídas. Este padrão foi caracterizado pela formação de fissuras de flexão verticais na parte central das vigas e fissuras de flexão-cisalhamento inclinadas nas extremidades.
A Figura 3 mostra as curvas carga-deslocamento das vigas. A Tabela 3 mostra a carga de escoamento ( 푃 푦 ) e o deslocamento de escoamento correspondente ( ∆ 푦 ), bem como a carga máxima ( 푃 푚2 ) e o deslocamento máximo correspondente ( ∆ 푚2 ) das vigas. As cargas de escoamento foram determinadas usando as deformações unitárias medidas com os strain gages das vigas. A Tabela 3 inclui a rigidez de fluência inicial ( 퐾 푦 ) e a ductilidade de deslocamento (휇) das vigas. A rigidez de escoamento inicial foi calculada usando a carga de escoamento. A ductilidade de deslocamento foi calculada como a razão entre o deslocamento máximo e o deslocamento de escoamento correspondente de cada viga. Para a viga VCC1-0,8, apenas a carga máxima e seu deslocamento correspondente são relatados, devido a problemas com as medições do extensômetro.
A Tabela 3 mostra que as cargas médias de escoamento e as cargas máximas médias juntamente com seus deslocamentos médios correspondentes foram semelhantes para todas as vigas, respectivamente. A razão entre as cargas médias de escoamento das vigas corroídas e as cargas médias de escoamento das vigas de controle foi de 0,99. Por sua vez, a razão entre as cargas máximas médias das vigas corroídas e as cargas máximas médias das vigas de controle foi de 1,01.
Adicionalmente, a Tabela 3 mostra que a rigidez de escoamento inicial média foi semelhante para todas as vigas. A razão entre a média das rigidezes de escoamento inicial das vigas corroídas e a média das rigidezes de escoamento inicial das vigas de controle foi de 0,90. Por fim, a Tabela 3 mostra que a ductilidade média de deslocamento das vigas foi semelhante. A razão entre as ductilidades de deslocamento médias das vigas corroídas e as ductilidades de deslocamento médias das vigas de controle foi de 1,01.
Apesar dos valores dos parâmetros eletroquímicos das vigas corroídas indicarem um alto nível de corrosão, não foi observada diferença significativa no comportamento estrutural das vigas corroídas em flexão, em comparação com as vigas controle. A carga de escoamento, a carga máxima, a rigidez de escoamento inicial e a ductilidade de deslocamento das vigas estudadas foram semelhantes. Embora os parâmetros acima sejam adequados do ponto de vista estrutural, os parâmetros eletroquímicos indicam um risco na durabilidade das vigas. Portanto, do ponto de vista eletroquímico, medidas devem ser tomadas para mitigar a corrosão nessas vigas.
4. ConclusÕes e recomendaÇÕes
Oito vigas de concreto armado foram ensaiadas sob cargas verticais incrementais até a ruptura. Foram consideradas vigas sem corrosão e vigas com parâmetros eletroquímicos associados a um alto nível de corrosão. Com base nos resultados obtidos neste trabalho, são apresentadas as seguintes conclusões e recomendações:
5. Agradecimentos
R. Visairo Méndez agradece ao Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia pela bolsa de mestrado recebida. Da mesma forma, agradecemos à Faculdade de Engenharia da UADY e Cinvestav Mérida pelas facilidades fornecidas para medições estruturais e de corrosão.
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Tabela 1. Parâmetros estruturais iniciais das vigas (Moreno-Herrera et al., 2022)
Viga
Pcr (kN)
∆cr (mm)
Pm1(kN)
∆m1 (mm)
Ko (kN/mm)
Ker(kN/mm)
VC1-0.4
7.69
0.83
18.17
4.32
10.30
3.00
VC2-0.4
5.20
0.45
18.29
4.25
12.90
3.44
VC1-0.8
8.03
0.80
35.8
10.63
11.18
2.82
VC2-0.8
5.40
0.68
35.31
11.77
8.86
2.70
VCC1-0.4
7.61
0.80
17.88
4.38
10.55
2.87
VCC2-0.4
9.74
0.98
18.37
4.09
11.21
2.78
VCC1-0.8
9.11
1.00
36.11
10.93
10.20
2.72
VCC2-0.8
7.93
0.92
36.37
11.17
9.56
2.78
Tabela 2. Parâmetros eletroquímicos das vigas (Moreno-Herrera et al., 2022)
Viga
Velocidade de corrosão (μAmp/cm2)
Resistividade elétrica do concreto (kΩ ‧ cm)
Concentração de cloreto (%por peso do cimento)
VC1-0,4
0,45
11,97
0,3034
VC2-0,4
VC1-0,8
0,65
11,08
0,3295
VC2-0,8
VCC1-0,4
7,01
1,37
2,5853
VCC2-0,4
VCC1-0,8
5,66
2,47
3,2038
VCC2-0,8
Figura 1.
Sistema de carregamento de quatro pontos
Figura 2.
Padrões de fissuração final de vigas
Figura 3.
Curvas de carga - deslocamento vertical
Tabela 3. Parâmetros estruturais de vigas ensaiadas à ruptura
Viga
Py (kN)
∆y (mm)
Pm2 (kN)
∆m2 (mm)
Ky (kN/mm)
μ (∆m2/∆y)
VC1-0.4
43,47
13,08
56,54
91,79
3,32
7,02
VC2-0.4
44,09
13,24
54,45
88,18
3,33
6,66
VC1-0.8
--
--
52,93
119,30
--
--
VC2-0.8
42,52
14,35
52,56
105,87
2,96
7,38
Média
43,36
13,56
54,12
101,28
3,21
7,02
CV
0,02
0,05
0,03
0,14
0,07
0,05
VCC1-0.4
42,63
14,11
50,70
90,72
3,02
6,43
VCC2-0.4
46,13
15,59
56,48
110,66
2,96
7,10
VCC1-0.8
41,92
16,54
54,10
116,03
2,53
7,02
VCC2-0.8
42,93
14,44
53,92
112,79
2,97
7,81
Média
43,30
15,17
53,80
107,55
2,87
7,09
CV
0,04
0,07
0,04
0,11
0,08
0,08