As transformações do Concreto Armado

1.História da construção de edifícios de concreto


1.1- Origens

O surgimento do concreto foi, é claro, condicionado à descoberta de um agente aglomerante cimentício. Dessa forma, pode-se considerar como o início do concreto o século II AC, quando surgiu o primeiro aglomerante conhecido. Era um tipo especial de areia vulcânica chamada ‘pozolana’, encontrada apenas na região sul da Itália, na baía de Nápoles, próximo a Pozzuoli, de onde o nome se originou. Foi bastante usada pelos romanos em sua argamassa, dando origem a diversas construções, das quais a mais antiga de que se tem notícia é o Pórtico Amélia, construída em 193 AC. A pozolana é na verdade uma ‘areia’ especial, que reage quimicamente com cal e água, para endurecer formando uma pedra artificial, resistente mesmo quando submersa. Esse material era usado com pedras de diferentes tamanhos, mantendo-as unidas e formando um tipo rudimentar de concreto.
Este mesmo material foi usado em pontes, aquedutos e galerias de águas pluviais, mas na verdade guarda pouca semelhança com o concreto atual, e apesar de muito usado na região entre Roma e Nápoles, não é encontrado no norte da Itália nem em nenhum outro lugar do Império Romano. Não era plástico, e não poderia fluir nas fôrmas, tendo que ser construído em camadas, utilizando argamassa amassada à mão, juntamente com pedras de diversos tamanhos, e usando tijolos como fôrmas.
Talvez o mais conhecido exemplo dessa técnica construtiva seja o Panteão, estrutura datada do século II DC, onde o concreto ficava inteiramente coberto por tijolos. A compreensão do comportamento mecânico da estrutura já se fazia notar, principalmente na utilização de agregados de alta densidade nos níveis mais baixos, e de valores de densidade progressivamente menores nas paredes e cobertura, numa clara tentativa de reduzir o peso total da estrutura e melhorar o seu comportamento. O vão livre alcançado foi de 43,282m, valor significativo para a época. Entretanto, como a pozolana não era disponível no resto do mundo, a maioria das construções continuou utilizando alvenaria de pedra e tijolos ainda durante muitos séculos.
Panteão
Já nos tempos modernos, o concreto surgiu novamente no século XVIII, na França, onde François Cointereaux, um pedreiro de Lyon, quis fazer paredes à prova de fogo usando argamassa cimentícia combinada com terra batida.
Mas foi só em 1824 que Joseph Aspdin, um pedreiro inglês, patenteou um cimento que foi chamado Portland, porque parecia uma pedra encontrada na ilha de Portland, que a utilização do concreto realmente se disseminou. Aspdin foi o primeiro a usar altas temperaturas para aquecer alumina e sílica até a fusão para a obtenção do cimento, técnica até hoje empregada.
Inicialmente, o concreto tinha aplicação apenas industrial, não sendo tão bem aceito para outros tipos de utilização quanto o tijolo e a pedra.

1.2- O concreto armado


A primeira peça de concreto armado de que se tem notícia é, na verdade, de argamassa armada: em 1850 Jean-Louis Lambot, um fazendeiro do sudeste da França utilizou barras de ferro e tela de arame para armar barcos de argamassa, técnica cuja utilização patenteou em 1856, na França e na Bélgica.
Em 1854, William B. Wilkinson, um rebocador de Newcastle-upon-Tyne, construiu um chalé de 2 andares utilizando barras de ferro e arame para reforçar o piso e o teto, patenteando esse tipo de construção na Inglaterra.
Em 1867, Joseph Monier, jardineiro francês de Versalhes, patenteou jardineiras, vigotas e postes para ‘guard-rails’.
Entre 1850 e 1880, François Coignet construiu grandes casas na Inglaterra e na França usando ferro redondo como armadura de flexão.
Entre os anos de 1871 e 1875 William E. Ward, um engenheiro mecânico americano, construiu o primeiro edifício marco em concreto armado, na cidade de Port Chester, no estado de Nova Iorque. Seu objetivo era obter uma construção que fosse resistente ao fogo, para tranqüilidade de sua esposa. Durante o período da obra, registrou todos os dados numa espécie de diário, que depois serviu de base para que, em 1883, Ward publicasse um artigo intitulado ‘Concreto em combinação com ferro como material de construção’.
Em 1879, G. A. Wayss, um construtor alemão, comprou os direitos da patente dos sistemas de Monier, e divulgou o concreto na Alemanha e na Áustria, utilizando o sistema que ficou conhecido como ‘Wayss-Monier’.


1-3- Construção de pórticos monolíticos em fins do século XIX

A consolidação do concreto armado como alternativa viável de construção ocorreu em fins do século passado, e consagrou alguns nomes, de diferentes partes do mundo, como os responsáveis por essa divulgação.
Assim, podem ser citados G. A. Wayss, na Alemanha e na Áustria, Ernest L. Ransome, nos Estados Unidos, e François Hennebique, na França.
No ano de 1870, Ransome passou a administrar uma fábrica de blocos de concreto em São Francisco, e em 1877 começou a usar armadura nas construções. Em 1884, patenteou um sistema usando barras quadradas torcidas para melhorar a aderência.
Construiu vários edifícios industriais em Nova Jérsei e Pensilvânia, dos quais a Loja de Máquinas ‘Kelly e Jones’é um exemplo. Sua obra mais significativa foi o Museu da Universidade de Stanford.

Em 1904, uma variação do sistema de Ransome foi utilizado pela firma de Elzner e Henderson para a construção, em Cincinati, do Edifício Ingalls, o primeiro arranha-céu de concreto de que se tem notícia, com 16 andares e 63m de altura.
Edifício Ingalls, Elzner e Henderson.
Já Hennebique, um pedreiro de Paris que se tornou construtor, começou a utilizar o concreto em fins de 1870. Patenteou seu sistema na França e na Bélgica, utilizando-o em sua maioria para a construção de edifícios industriais, dos quais chegou a fazer 1500 contratos num ano. Além disso, divulgou o material em diversas conferências, com a apresentação de sua vasta experiência na área.


1.4- Arquitetura do concreto armado

O maior expoente da arquitetura em concreto no início do século sem dúvida foi Auguste Perret, que teve o grande mérito de tornar o concreto arquitetonicamente aceitável, utilizando-o para a construção de fábricas, mas também em apartamentos, museus, igrejas e teatros.
Um prédio de apartamentos terminado em 1903 apresenta fachada bastante delicada para um edifício em concreto armado. Já o teatro Champs Elysée é sólido e massivo.

Prédio de apartamentos, Perret Teatro Champs Elysée, Perret
Mas o grande marco pode ser considerado a construção da igreja de Notre-Dame du Raincy, em 1922, que representou uma mudança de estilo, com suas colunas esbeltas e teto em arco, sendo considerada uma obra-prima da arquitetura em concreto armado.
Notre-Dame du Raincy, Perret


1.5-Construções em Casca
Com a disseminação do uso do concreto armado na construção civil, novas formas estruturais se tornaram possíveis, propiciando o surgimento das estruturas em cascas, caracterizadas por superfícies curvas de pequena espessura, gerando construções de grande leveza.
Em 1930, Eduardo Torroja, um engenheiro espanhol, projetou o mercado de Algeciras, uma estrutura em cúpula abatida de 45m de vão e 9cm de espessura, travada por um anel tracionado de cabos de aço.
O Hipódromo de Madri, de 1953, foi outro projeto de Torroja utilizando um esquema estaticamente muito elegante de cascas em balanço.
Pier Luigi Nervi , engenheiro-arquiteto italiano, utilizou estruturas em casca para os famosos hangares da Força Aérea Italiana. A maioria de seus projetos utilizou também estruturas pré-moldadas, como por exemplo o Palácio de Exposições de Turim.
Palácio de Exposições de Turim, Nervi
Mas o mestre das cascas de concreto com certeza foi Felix Candela, matemático, engenheiro e arquiteto espanhol que trabalhou na cidade do México. Dentre seus principais trabalhos, podem-se citar o Laboratório de Raios Cósmicos da Universidade do México, que constava de um parabolóide hiperbólico de espessura 1,6 cm, e um restaurante em Xochimilco, formado por 6 parabolóides idênticos. Além destas, projetou muitas outras estruturas para fábricas, igrejas etc...

Restaurante em Xochimilco, Candela

1.6-O Concreto na Arquitetura Moderna
Le Corbusier, que trabalhou quando jovem com Perret, pode ser considerado o maior arquiteto da era moderna. Sua principal característica era a utilização da luz natural incidindo sobre o concreto, revelando novas texturas.
Dentre sua vasta obra podem ser citadas:
- Vila Savoye, de 1931, utilizando laje cogumelo.
Blocos residenciais sobre pilotis em Nantes e Marselha, de 1940.
Capela de Ronchamp, de 1957.
Monastério de La Tourette, de 1959.
Complexo governamental na Índia, de 1961.





Vila Savoye La Tourette
Outro nome de destaque na Arquitetura Moderna foi o de Frank Lloyd Wright, que compreendeu como poucos as possibilidades da moldabilidade e da monoliticidade do concreto, sendo o primeiro a explorar o balanço como uma estrutura praticamente tornada possível pela monoliticidade do concreto.
Uma de suas obras mais conhecidas é a Kaufman House, ou Falling Water House, de 1936, formada por enormes balanços, que para serem possíveis consumiram mais aço que concreto.
Kaufman House, Wright
Wright é também o responsável pela aplicação de um sistema proposto por Mies van de Rohe, em 1919, que previa a utilização de um núcleo estrutural para edifícios altos, com as lajes em balanço. A Johnson Wax Tower, em Racine, estado de Wisconsin, edifício datado de 1947, utilizava esse sistema estrutural, que depois se tornou muito popular.
Outro marco da produção de Wright é o prédio do Guggenheim Museum de Nova Iorque, de 1956.



Wax Tower Guggenheim Museum, NY


1.7-Concreto de Alta Resistência e Edifícios Altos

O surgimento dos aços de alta resistência, nos anos 30, desencadeou a pesquisa para obtenção de concretos mais resistentes, fazendo surgir os primeiros edifícios altos, como por exemplo:
Torres gêmeas de Marina City, edifício de 60 andares em Chicago, datado de 1962.
Place Victória, em Montreal, edifício que utilizava concreto de alta resistência nos pilares, com 187m de altura, de 1964.
One Shell Plaza, edifício de 214m de altura, em Huston.

Torrer gêmeas de Marina City Place Victória, Montreal One Shell Plaza, Huston

O fato de Chicago ser rica em cinza volante, material que adicionado ao concreto de baixa relação água/cimento lhe dava a trabalhabilidade necessária, funcionando como uma espécie de lubrificante, fez com que muitos edifícios utilizando concreto de alta resistência ali surgissem, como, por exemplo o Lake Point Tower, edifício de 70 andares, com 193m de altura, de 1968, o Water Tower Place, com 257m, de 1973, e o Wacker Drive, próximo à Sears Tower.
Além desses, outro edifício alto que se pode citar é o Scotia Plaza Building, com 272m de altura, construído em Toronto, em 1989.
Nos últimos dez anos, a utilização do concreto de alto desempenho em edifícios altos só tem feito crescer, fazendo surgir construções no mundo inteiro, principalmente na Ásia ( Japão, Malásia), e também na Austrália.
2- Características do concreto e da armadura

2.1-Propriedades do concreto

O cimento Portland é o aglomerante utilizado para, juntamente com a água, formar a pasta de cimento, onde se desenvolverá a reação química, que dará origem aos cristais responsáveis pela resistência do material. A adição de agregado miúdo, no caso a areia, à pasta de cimento e água, dá origem à argamassa, e a mistura de um agregado graúdo à argamassa resulta no concreto.
A mistura plástica inicialmente obtida solidifica-se em cerca de 2 horas, através da reação química que ocorre na hidratação do cimento, dando início ao processo que se costuma chamar de "cura", e que se prolonga por alguns dias.
Durante esse período, temperaturas muito baixas podem interromper a cura, fazendo com que o endurecimento não ocorra. Dessa forma, em países de clima frio, a concretagem fica impedida durante grande parte do ano, fazendo com que países como a Finlândia, por exemplo, se tornassem precursores nas técnicas de pré-moldagem e pré-fabricação do concreto.
Além disso, a secagem excessiva das superfícies recém-concretadas também deve ser evitada através da hidratação e proteção das partes da estrutura expostas ao ar, sob o risco de não se desenvolver completamente a reação química, por falta de água, nessas regiões, resultando num material de qualidade inferior ao desejado.
A resistência do concreto desenvolve-se rapidamente nos primeiros dias, tendendo assintoticamente para um valor final. O valor atingido aos 28 dias é o que se convencionou como o valor da resistência nominal do material, já que representa cerca de 90% do valor final esperado.



A chamada resistência característica do concreto à compressão é obtida através do ensaio de n corpos de prova, sendo definida como o valor que só não é superado em 5% dos exemplares. Quanto à resistência característica à tração, existem ensaios que podem ser feitos, como os de tração pura, compressão diametral e flexão que fornecem o seu valor, utilizando também o mesmo conceito usado na compressão. Caso esses resultados não estejam disponíveis, pode-se assumir para a resistência característica à tração cerca de 10 a 15% do valor à compressão.
Gráfico de resistência característica a compressão.


Percebe-se assim que o concreto é um material com bom comportamento à compressão, mas que deixa a desejar na resistência à tração. Dessa forma, sua utilização fica condicionada à associação a uma armadura, geralmente de aço, sempre que houver tensão de tração a ser absorvida.
Como principais fatores que influem na resistência do concreto, podem-se citar:

-fator água/cimento: mínimo de 0,3, normal de 0,4 a 0,6, em função da trabalhabilidade.
-tipo de cimento utilizado.
-tipo de agregado.
Além da resistência, outra grandeza usualmente utilizada para caracterizar o material é o módulo de elasticidade, definido como a tangente à curva tensão x deformação obtida dos ensaios rápidos à compressão em corpos de prova padronizados ( cilíndricos, 15cm de diâmetro e 30cm de altura). Na falta de resultados experimentais, pode-se utilizar relações empíricas para o valor do módulo.
Como o concreto apresenta uma estrutura peculiar, os ensaios rápidos não são suficientes para o completo entendimento de seu comportamento. Algumas propriedades, ditas reológicas, também são importantes para que se tenha uma perfeita compreensão de suas potencialidades e limitações.
Assim, é importante citar a retração e a deformação lenta como fenômenos cuja consideração é também essencial. A cura do concreto é um processo que envolve várias reações químicas que resultarão nos elementos de onde se origina a resistência e o comportamento do concreto em si. A quantidade de água usada no amassamento em geral é superior à necessária para que as reações químicas ocorram, e é essa água em excesso que vai determinar o comportamento reológico do concreto. A retração é a redução de volume que acontece em função das reações químicas que ocorrem com redução de volume, e também devido à evaporação de parte dessa água em excesso que foi utilizada no amassamento.
Caso não se tomem certos cuidados, pode provocar trincas (fissuras), cujas conseqüências podem ser não só estéticas, mas também de redução da vida útil da peça estrutural. Um outro aspecto desse comportamento pode ser observado no comportamento do concreto sob carregamento de longa duração. É o fenômeno da fluência ou deformação lenta, que faz com que, sob a ação de carregamentos constantes de longa duração, o concreto apresente deformações crescentes, que tendem a um valor final após um tempo bastante longo. A conseqüência mais visível disso está no aumento das flechas de vigas com o tempo, o que pode causar problemas se esse fato não for levado em conta.
Retração
Fluência ou deformação

2.2-Composição do concreto

Como se sabe, a existência do concreto tal como hoje se conhece, ficou condicionada à descoberta do cimento Portland, que é um aglomerante hidráulico, isto é, reage com a água para dar origem aos micro-cristais responsáveis pela resistência do concreto. À mistura do cimento com a água chama-se pasta, a adição do agregado miúdo dá origem à argamassa, e o agregado graúdo misturado a esta forma o concreto. Em função do tipo de utilização, podem ainda ser utilizados os chamados aditivos, cuja função pode ser melhorar ou modificar o comportamento do concreto, ou seu processo de cura para melhor adequá-lo ao uso que se pretende fazer do material.
Assim, podem ser usados agentes de vários tipos:
incorporadores de ar, para evitar o congelamento, por exemplo
cinza volante ou superplastificantes, para melhorar a trabalhabilidade de concretos com baixa relação a/c.
retardadores de pega, quando se utilizam grandes massas de concreto
aceleradores de pega, quando se necessita de resistência inicial grande.
Como já foi dito a baixa resistência à tração faz com que seja necessário utilizar armaduras sempre que houver tensão de tração a ser absorvida.
Diagrama tensão X deformação do concreto
Para utilização em concreto armado tem-se o aço doce, CA-25, de resistência característica 250 Mpa, ou o aço CA-50, cuja resistência é de 500 Mpa.
Diagrama tensão X deformação do aço
Outra propriedade importante do concreto armado é exatamente a ligação que ocorre na interface aço-concreto, usualmente chamada aderência.
O principal papel da aderência está no comportamento solidário dos materiais, hipótese chave em toda a resistência do concreto armado, e que tem como uma conseqüência bastante importante a distribuição da fissuração nas regiões tracionadas dos elementos estruturais de concreto armado, evitando assim o surgimento de fissuras muito abertas, que permitiriam o ataque à armadura e a sua possível corrosão.


2.3- Tipos de concreto
Existem vários tipos de materiais cujo tratamento se assemelha, e que podem ser colocados como um tipo de concreto. Assim, podem ser citados:
Concreto armado, utilizado em estruturas usuais.
Concreto protendido, utilizado em estruturas de grandes vãos.
Argamassa armada, usado para a obtenção de pré-moldados leves.
Concreto pré-moldado ou pré-fabricado.
Concreto de alto desempenho ou alta resistência.
Estruturas mistas aço-concreto.
As grandes vantagens destes materiais estão na moldabilidade, no baixo custo, e na grande durabilidade da estrutura resultante. A maior desvantagem é o alto peso próprio da estrutura resultante, que é da ordem de 50% da carga total da estrutura.