Modelo de cisalhamento puro para análise de abertura de fissuras em elementos de concreto armado

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13883 (2023) Citar este artigo

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A corrosão das armaduras em estruturas de concreto com abertura excessiva de fissuras representa um alto risco de redução da vida útil da estrutura. O comportamento da abertura de fissuras é um dos aspectos mais complexos da mecânica do concreto armado (CR). Sendo a maioria dos modelos utilizados na prática semi-empíricos ou empíricos, muito poucas abordagens analíticas foram propostas. No entanto, os modelos analíticos carecem de precisão ou simplicidade, ou ambos. Este artigo apresenta um novo modelo analítico, denominado Modelo de Cisalhamento Puro, que prevê a largura média de fissuras por meio de uma fórmula simples. É baseado no modelo de enrijecimento de tensão de interação parcial considerando um tirante curto de RC sujeito a carregamento de curto prazo. O modelo assume propriedades elásticas do material e negligencia a retração, a fissuração interna e o deslizamento na interface. Presume que as únicas deformações que ocorrem no concreto são as deformações de cisalhamento devido ao atraso de cisalhamento, que são mantidas constantes ao longo da espessura do cobrimento. A deplanação da seção de concreto devido ao cisalhamento resulta no aumento linear da largura da fissura de zero na barra até seu valor máximo na superfície do elemento RC. Apesar da simplicidade do modelo proposto, sua precisão na previsão da largura média de fissuras mostrou-se comparável à dos métodos do código de projeto.

O concreto, depois da água, é o segundo material mais utilizado pelo homem. Embora o concreto combinado com o reforço seja o material estrutural de maior sucesso já inventado pelo homem, ele apresenta deficiências. A indústria do concreto é responsável por 7% das emissões de CO2. O concreto tem baixa resistência à tração e é frágil. Devido à baixa resistência à tração, ele trinca e, devido à fragilidade, não é capaz de resistir às tensões de tração após a fissuração, o que muitas vezes leva à fissuração excessiva. A largura excessiva da fissura pode causar problemas estéticos e dar a impressão de que a estrutura não é segura. Mais importante ainda, a corrosão do reforço devido à entrada de humidade ou outros materiais químicos nas fissuras pode diminuir a resistência da secção transversal e reduzir a vida útil da estrutura1. Para evitar os problemas acima mencionados, os códigos de projeto limitam as larguras das fissuras.

A análise da largura de fissuras é um dos aspectos mais complexos da mecânica do concreto armado. Atualmente não existe uma teoria completa, abrangente e precisa para prever a largura das fissuras. A grande maioria dos modelos de cracking, incluindo os métodos de código de projeto (Eurocode2, Model Code 20103, ACI 318–954, ACI 318–995), são empíricos ou semi-analíticos e apenas alguns modelos eram puramente analíticos. Em 1977, Leonhardt6 propôs um dos primeiros modelos analíticos. Foi baseado na abordagem de transferência de tensão desenvolvida por Saliger7 e nas observações de Goto8 sobre fissuração interna. O conceito de transferência de tensão expressa a interação barra-concreto através do comportamento tensão-deslizamento da ligação. Noakowski9,10 propôs outro modelo analítico resolvendo uma equação diferencial ligação-deslizamento. De forma semelhante, seguindo uma solução de forma fechada de Balazs11 para o caso de uma única fissura e usando uma lei de deslizamento do Código Modelo 20103, Debernardi e Taliano12,13 desenvolveram um modelo analítico de largura de fissura que levou em conta a ligação danos na zona próxima a uma rachadura. Embora a maioria dos modelos analíticos se baseasse na abordagem de transferência de tensão, Beeby14 propôs um modelo analítico utilizando um conceito alternativo, a teoria do não escorregamento, introduzida pela primeira vez por Broms15. Neste modelo, o parâmetro mais importante que controla a largura da fissura foi a espessura do cobrimento do concreto.

Os modelos analíticos de largura de fissuras geralmente carecem de precisão e muitas vezes são bastante complexos. Um estudo estatístico abrangente de Lapi et al.16, incluindo 380 feixes RC experimentais, demonstrou que os mais precisos são os modelos semi-analíticos, nomeadamente Oh e Kang17 Eurocódigo 22 e Código de Modelo 20103. No entanto, mesmo estes modelos têm uma taxa de 30%. dispersão que é considerada grande. Uma dispersão tão grande pode ser devida a vários motivos. A estrutura heterogênea do concreto, responsável pela resistência à tração e características de fissuração altamente variáveis, é responsável por uma parcela considerável do erro. O comportamento de fissuração dos tirantes de RC difere daquele das vigas. Um estudo recente dos autores18 mostrou que o comportamento da largura de fissuras de vigas pequenas e grandes também difere significativamente. Os resultados dos testes muitas vezes carecem de consistência devido à falta de informações sobre a localização das larguras de fissuras registradas (a superfície de tração extrema ou o nível do centróide da armadura, ou a camada inferior da armadura, se ela consistir em várias camadas). Da mesma forma, os modelos frequentemente não especificam o local onde a largura da fissura é identificada. Conforme observado por Schlicke et al.19, um erro também é introduzido pela fórmula clássica da largura da fissura, \(w\), obtida como produto do espaçamento da fissura, \({s}_{r}\), e o diferença média de deformação da armadura, \({\varepsilon }_{sm}\), e do concreto, \({\varepsilon }_{cm}\):