Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2003

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2018-02-19T12:19:52Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3520787 bytes, checksum: e265bbf58f9f142cc8fad93c2f100613 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-19T12:19:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3520787 bytes, checksum: e265bbf58f9f142cc8fad93c2f100613 (MD5) Previous issue date: 2017-02-10 / É crescente o número de estruturas de concreto armado que apresentam algum tipo de manifestação patológica como fissuração do concreto, corrosão das armaduras, dentre outras. Essas manifestações patológicas representam danos aos elementos estruturais que podem reduzir a rigidez dos mesmos, interferindo no desempenho em serviço e na capacidade última e contribuindo para a redução da vida útil da estrutura. A investigação da rigidez residual de uma estrutura danificada pode contribuir para a escolha da técnica de reabilitação mais racional. Apesar do seu potencial, as metodologias para avaliação da rigidez residual de elementos estruturais por meio de ensaios dinâmicos ainda são pouco utilizadas no Brasil. O objetivo do presente trabalho é propor uma metodologia para avaliação de estruturas de concreto armado degradadas utilizando ensaios dinâmicos. Essa metodologia também envolve a caracterização da geometria da estrutura por meio de scanner a LASER e a caracterização dos materiais por meio de ensaios não destrutivos e semidestrutivos. A fase experimental do trabalho foi dividida em duas etapas. Primeiramente foi realizado um estudo piloto numa viga de concreto armado onde foram verificados, por meio de um ensaio dinâmico, os efeitos da degradação na frequência, na rigidez e no amortecimento da viga. Posteriormente, a metodologia proposta foi aplicada a um estudo de caso de uma estrutura de concreto armado degradada. A partir do levantamento das características geométricas da estrutura, das propriedades mecânicas dos materiais e das características dinâmicas dos elementos estruturais, foram desenvolvidos modelos numéricos com auxílio do programa computacional SAP 2000 a fim de estimar a rigidez residual de cada elemento. Tendo como base a rigidez residual de cada elemento estrutural, foram desenvolvidos modelos de análise para obtenção dos esforços para verificação dos estados limites últimos e para verificação dos deslocamentos máximos para a condição de serviço da estrutura. A metodologia proposta, que associa o procedimento para estimativa da rigidez residual dos elementos estruturais, com auxílio de ensaios dinâmicos, e os procedimentos para caracterização da estrutura, com auxílio de ensaios semidestrutivos e não destrutivos, se mostrou efetiva para verificação da capacidade última, verificação do desempenho em serviço e previsão da vida útil da estrutura. De uma forma mais ampla, pode-se afirmar que a metodologia proposta se constitui uma ferramenta útil para a tomada de decisão sobre a técnica de recuperação, reparo ou reforço a ser empregada em uma estrutura de concreto degradada. / The number of reinforced concrete structures that present some type of pathological manifestation, such as cracking of concrete, corrosion of reinforcement, among others, is increasing. These pathological manifestations represent damages to the structural elements that can reduce their stiffness, interfering in the performance in service and in the last capacity and contributing to the reduction of the useful life of the structure. The investigation of the residual rigidity of a damaged structure may contribute to the choice of the most rational rehabilitation technique. Despite its potential, the methodologies for evaluating the residual stiffness of structural elements through dynamic tests are still little used in Brazil. The objective of the present work is to propose a methodology for the evaluation of degraded reinforced concrete structures using dynamic tests. This methodology also involves the characterization of the structure geometry by means of a LASER scanner and the characterization of the materials by non destructive and semi - destructive tests. The experimental phase of the work was divided into two stages. First, a pilot study was carried out on a reinforced concrete beam where the effects of degradation on frequency, stiffness and damping of the beam were verified by means of a dynamic test. Subsequently, the proposed methodology was applied to a case study of a degraded reinforced concrete structure. From the survey of the geometric characteristics of the structure, the mechanical properties of the materials and the dynamic characteristics of the structural elements, numerical models were developed using the SAP 2000 software to estimate the residual stiffness of each element. Based on the residual rigidity of each structural element, analysis models were developed to obtain the efforts to verify the ultimate limit states and to verify the maximum displacements for the service condition of the structure. The proposed methodology, which associates the procedure to estimate the residual stiffness of the structural elements, with the aid of dynamic tests, and the procedures for characterization of the structure, with the aid of semi-destructive and non-destructive tests, was effective to verify the ultimate capacity, verification of the performance in service and forecast of the useful life of the structure. More broadly, it can be stated that the proposed methodology constitutes a useful tool for decision making on the recovery, repair or reinforcement technique to be employed in a degraded concrete structure.

Um número significativo de pontes têm sido construídas na forma de grelhas de vigas pré-moldadas, sobre as quais apoiam-se pré-lajes com posterior concretagem de capa, finalizando a execução das lajes das mesmas. Esse processo construtivo tem sido largamente utilizado tendo em vista a racionalização da construção dispensando o uso de cimbramentos, abreviando consideravelmente os prazos de construção e consequentemente reduzindo os custos. Todavia no desenvolvimento do projeto, sabe-se que essas lajes são elementos altamente suscetíveis à fadiga e, tendo-se em vista a existência de concretagem em duas etapas (pré-laje e capa final) e concretos de idades diferentes, geram-se dúvidas obre o comportamento desta interface com relação às cargas dinâmicas atuantes no decorrer da vida útil da obra. A escassez de estudos ou pesquisas relacionadas a essa questão, levaram à realização do presente trabalho, de cunho experimental, e com o objetivo de se estudar o comportamento desses elementos submetidos às cargas de fadiga e as suas resistências finais no que se refere às cargas de ruptura antes e depois de fatigadas. Foram ensaiadas 9 lajes de concreto sendo 6 lajes com rugosidade normal (saliência dos agregados brita 1) e 3 com baixa rugosidade (alisamento com espátula de madeira). Não foram identificadas rupturas por fadiga e a resistência das lajes fatigadas se mantiveram, quando levadas a ruptura no final dos ensaios, no mesmo nível daquelas não fatigadas. / A significant number of bridges have been built in the form of grids of pre-cast beams on which pre-slab are supported, with posterior concreting of concrete cover, completing the execution of the slabs. This construction process has been widely used in order to rationalize the construction without shoring, shortening considerably the time of construction and thereby reducing costs. However in developing the project, it is known that these slabs are elements highly susceptible to fatigue and, keeping in mind the existence of concrete in two stages (pre-slab and final cover) and different ages, doubts about the behavior of this interface with respect to dynamic loads acting over the lifetime are generated. The scarcity of studies and researches related to this issue led to the realization of this experimental work, in order to study the behavior of these elements subjected to fatigue loading and their final resistance in relation to the failure load before and after fatigue loading. Tests were made in 9 concrete slabs, 6 with usual surface roughness (salience of crushed aggregates 1) and 3 with low roughness (smoothing with wooden spatula). It was verified that no rupture due to fatigue loading were identified and the resistance of the slabs submitted to fatigue loading remained on the same level of those not fatigued, when carried to cracking at the end of the tests.

As lajes dos tabuleiros de pontes de concreto armado, sejam elas maciças ou executadas com pré-lajes, são elementos estruturais suscetíveis à fadiga, devido às ações a que são submetidas. As pré-lajes, pelo fato de serem resultantes da junção de dois concretos diferentes, torna-se ainda mais suscetível à fadiga. Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análise de resultados a respeito do comportamento à fadiga das lajes de pontes de concreto, sejam as maciças ou as executadas com pré-laje, armadas com barras ou telas soldadas. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar CA50 f10 mm isoladas e em telas para a construção da Curva de Wöhler nas condições brasileiras. Além disso, foram ensaiadas 23 lajes de concreto, sendo 6 lajes maciças e 17 executadas com prélajes, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. As configurações de armaduras adotadas nas lajes da pesquisa foram baseadas nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes, escala ½. Um dos principais motivos que levaram ao desenvolvimento desta pesquisa de caráter experimental foi a escassez de dados sobre o comportamento de lajes armadas com barras ou telas soldadas de fabricação brasileira, submetidas a ações cíclicas. Outro motivo foi a carência de estudos a respeito da iteração prélaje x capa. Foi verificado que não houve ruptura nessa região da estrutura devido aos carregamentos cíclicos aplicados no meio do vão. Ficou evidenciado também que as soldas das telas afetam sua resistência à fadiga. / Concrete bridge slabs, massive or pre-slabs, are structural elements susceptible to fatigue, due to loading applied to them. Pre-slabs, result of two different concretes, become even more susceptible to fatigue. This research presents the studies, tests and analysis of the results about the behavior of concrete bridge massive slabs or pre-slabs reinforced with steel bars and welded steel meshes due to fatigue loading. Axial testing in air of CA50 f10 mm in continuous bars and steel meshes were made in order to build the Wöhler Curve to the Brazilian conditions. Besides that, tests were made in 23 concrete slabs, 6 massive slabs and 17 preslabs, with several reinforcements arrangements, submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configurations adopted in the slabs were based on the commonly used in these bridge elements in scale ½. One of main reasons that lead this experimental research development was the scarcity of data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars and welded mesh made in Brazil, submitted to cycle loading. Another reason was the lack of studies about the iteration between pre-slab and concrete cover. It was verified that no rupture was found in this region of the structure due to midspan cycle loading. The welding process caused loss of fatigue resistance.

Um número significativo de pontes têm sido construídas na forma de grelhas de vigas pré-moldadas, sobre as quais apoiam-se pré-lajes com posterior concretagem de capa, finalizando a execução das lajes das mesmas. Esse processo construtivo tem sido largamente utilizado tendo em vista a racionalização da construção dispensando o uso de cimbramentos, abreviando consideravelmente os prazos de construção e consequentemente reduzindo os custos. Todavia no desenvolvimento do projeto, sabe-se que essas lajes são elementos altamente suscetíveis à fadiga e, tendo-se em vista a existência de concretagem em duas etapas (pré-laje e capa final) e concretos de idades diferentes, geram-se dúvidas obre o comportamento desta interface com relação às cargas dinâmicas atuantes no decorrer da vida útil da obra. A escassez de estudos ou pesquisas relacionadas a essa questão, levaram à realização do presente trabalho, de cunho experimental, e com o objetivo de se estudar o comportamento desses elementos submetidos às cargas de fadiga e as suas resistências finais no que se refere às cargas de ruptura antes e depois de fatigadas. Foram ensaiadas 9 lajes de concreto sendo 6 lajes com rugosidade normal (saliência dos agregados brita 1) e 3 com baixa rugosidade (alisamento com espátula de madeira). Não foram identificadas rupturas por fadiga e a resistência das lajes fatigadas se mantiveram, quando levadas a ruptura no final dos ensaios, no mesmo nível daquelas não fatigadas. / A significant number of bridges have been built in the form of grids of pre-cast beams on which pre-slab are supported, with posterior concreting of concrete cover, completing the execution of the slabs. This construction process has been widely used in order to rationalize the construction without shoring, shortening considerably the time of construction and thereby reducing costs. However in developing the project, it is known that these slabs are elements highly susceptible to fatigue and, keeping in mind the existence of concrete in two stages (pre-slab and final cover) and different ages, doubts about the behavior of this interface with respect to dynamic loads acting over the lifetime are generated. The scarcity of studies and researches related to this issue led to the realization of this experimental work, in order to study the behavior of these elements subjected to fatigue loading and their final resistance in relation to the failure load before and after fatigue loading. Tests were made in 9 concrete slabs, 6 with usual surface roughness (salience of crushed aggregates 1) and 3 with low roughness (smoothing with wooden spatula). It was verified that no rupture due to fatigue loading were identified and the resistance of the slabs submitted to fatigue loading remained on the same level of those not fatigued, when carried to cracking at the end of the tests.

As lajes dos tabuleiros de pontes de concreto armado, sejam elas maciças ou executadas com pré-lajes, são elementos estruturais suscetíveis à fadiga, devido às ações a que são submetidas. As pré-lajes, pelo fato de serem resultantes da junção de dois concretos diferentes, torna-se ainda mais suscetível à fadiga. Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análise de resultados a respeito do comportamento à fadiga das lajes de pontes de concreto, sejam as maciças ou as executadas com pré-laje, armadas com barras ou telas soldadas. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar CA50 f10 mm isoladas e em telas para a construção da Curva de Wöhler nas condições brasileiras. Além disso, foram ensaiadas 23 lajes de concreto, sendo 6 lajes maciças e 17 executadas com prélajes, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. As configurações de armaduras adotadas nas lajes da pesquisa foram baseadas nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes, escala ½. Um dos principais motivos que levaram ao desenvolvimento desta pesquisa de caráter experimental foi a escassez de dados sobre o comportamento de lajes armadas com barras ou telas soldadas de fabricação brasileira, submetidas a ações cíclicas. Outro motivo foi a carência de estudos a respeito da iteração prélaje x capa. Foi verificado que não houve ruptura nessa região da estrutura devido aos carregamentos cíclicos aplicados no meio do vão. Ficou evidenciado também que as soldas das telas afetam sua resistência à fadiga. / Concrete bridge slabs, massive or pre-slabs, are structural elements susceptible to fatigue, due to loading applied to them. Pre-slabs, result of two different concretes, become even more susceptible to fatigue. This research presents the studies, tests and analysis of the results about the behavior of concrete bridge massive slabs or pre-slabs reinforced with steel bars and welded steel meshes due to fatigue loading. Axial testing in air of CA50 f10 mm in continuous bars and steel meshes were made in order to build the Wöhler Curve to the Brazilian conditions. Besides that, tests were made in 23 concrete slabs, 6 massive slabs and 17 preslabs, with several reinforcements arrangements, submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configurations adopted in the slabs were based on the commonly used in these bridge elements in scale ½. One of main reasons that lead this experimental research development was the scarcity of data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars and welded mesh made in Brazil, submitted to cycle loading. Another reason was the lack of studies about the iteration between pre-slab and concrete cover. It was verified that no rupture was found in this region of the structure due to midspan cycle loading. The welding process caused loss of fatigue resistance.

Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análises de resultados a respeito do comportamento à fadiga das estruturas de concreto armadas com barras isoladas e telas soldadas, começando pelas lajes de pontes, seus elementos mais sensíveis à fadiga. A parte experimental desta pesquisa consiste na investigação experimental do comportamento à fadiga de lajes de concreto armado, executadas com e sem pré-lajes armadas com barras de aço isoladas ou em tela soldada. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar em 36 corpos de prova de CA50 f10 mm, isoladas e em tela, com o objetivo de construir a Curva de Wöhler dessas barras de produção nacional. Além disso, foram ensaiadas 20 lajes executadas com e sem pré-lajes de concreto, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. A configuração de armadura adotada nas lajes da pesquisa foi baseada nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes. A escassez de dados precisos a respeito do comportamento de lajes armadas com barras ou com telas soldadas de fabricação brasileira submetidas a ações cíclicas conduziu ao propósito de se elaborar uma pesquisa de caráter experimental sobre esse tema, cujos resultados e conclusões pudessem fornecer informações mais precisas a respeito do desempenho das lajes. / This research presents the studies, tests and the analysis of the results about the behavior of concrete structures reinforced with rebars or steel mesh due to fatigue loading, starting with bridge slabs which are the most susceptible elements to fatigue. The experimental part of this research consists in testing the behavior due to fatigue of concrete slabs, with or without pre-slabs and reinforced with continuous bars or steel mesh. Axial testing in air of 36 specimens of CA50 f10 mm in continuous bars and mesh were made in order to build the Wöhler Curve for Brazilian conditions. Beyond that, tests were made in 20 concrete slabs with pre-slabs, with several reinforcements arrangement. The 20 slabs were submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configuration was based on the commonly used for these elements. The scarcity of more precise data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars or welded mesh made in Brazil submitted to cycle loading was the major reason to make a research based on the testing results about this theme, which results and conclusions are capable of producing more accurate information about the behavior of the slabs.

Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análises de resultados a respeito do comportamento à fadiga das estruturas de concreto armadas com barras isoladas e telas soldadas, começando pelas lajes de pontes, seus elementos mais sensíveis à fadiga. A parte experimental desta pesquisa consiste na investigação experimental do comportamento à fadiga de lajes de concreto armado, executadas com e sem pré-lajes armadas com barras de aço isoladas ou em tela soldada. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar em 36 corpos de prova de CA50 f10 mm, isoladas e em tela, com o objetivo de construir a Curva de Wöhler dessas barras de produção nacional. Além disso, foram ensaiadas 20 lajes executadas com e sem pré-lajes de concreto, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. A configuração de armadura adotada nas lajes da pesquisa foi baseada nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes. A escassez de dados precisos a respeito do comportamento de lajes armadas com barras ou com telas soldadas de fabricação brasileira submetidas a ações cíclicas conduziu ao propósito de se elaborar uma pesquisa de caráter experimental sobre esse tema, cujos resultados e conclusões pudessem fornecer informações mais precisas a respeito do desempenho das lajes. / This research presents the studies, tests and the analysis of the results about the behavior of concrete structures reinforced with rebars or steel mesh due to fatigue loading, starting with bridge slabs which are the most susceptible elements to fatigue. The experimental part of this research consists in testing the behavior due to fatigue of concrete slabs, with or without pre-slabs and reinforced with continuous bars or steel mesh. Axial testing in air of 36 specimens of CA50 f10 mm in continuous bars and mesh were made in order to build the Wöhler Curve for Brazilian conditions. Beyond that, tests were made in 20 concrete slabs with pre-slabs, with several reinforcements arrangement. The 20 slabs were submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configuration was based on the commonly used for these elements. The scarcity of more precise data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars or welded mesh made in Brazil submitted to cycle loading was the major reason to make a research based on the testing results about this theme, which results and conclusions are capable of producing more accurate information about the behavior of the slabs.