BOAS PRÁTICAS DE PROJETO

POSIÇÃO IDEAL

A ENTREGA DE UM PROJETO ESTRUTURAL EFICIENTE E SEGURO REQUER O POSICIONAMENTO ADEQUADO DAS ARMAÇÕES DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO. O PRESENTE ARTIGO DETALHA, A PARTIR DA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E DA EXPERIÊNCIA OBSERVADA EM OBRAS, QUE O USO DE ESTRIBOS COM GANCHOS A 135º É IMPORTANTE NAS EDIFICAÇÕES E SÃO RECOMENDADOS PARA MELHORAR O DESEMPENHO DAS ESTRUTURAS

POR SATORO – JORGE NAKAJIMA * LARISSA ARAKAWA MARTINS ** BAHIA – GUSTAVO L. FORTES ***

LARISSA A.MARTINS SATORO – JORGE NAKAJIMA

BAHIA – GUSTAVO L. FORTES

(*) Gerente do Setor de Produção da França & Associados Projetos Estruturais (**) Setor de Comunicação da França & Associados Projetos Estruturais (***) Setor de Produção da França & Associados Projetos Estruturais O detalhamento e o posicionamento adequados das armações de estruturas de concreto armado são essenciais para a entrega de um projeto estrutural eficiente, seguro e exequível em sua plenitude. Com detalhes expostos de maneira clara e etapas de construção e montagem integralmente atingíveis, dúvidas recorrentes e retrabalhos são eliminados como um todo, e mais tempo resta à obra para execuções de maior complexidade. Desse modo, propomos aqui um olhar crítico a assuntos que comumente geram questionamentos e incertezas tanto em obra quanto no escritório, de maneira a sanar possíveis erros ou imprecisões na montagem e no posicionamento das armaduras de concreto armado no canteiro. Os temas levantados aqui vêm diretamente da prática: por meio da vasta experiência que a França & Associados Projetos Estruturais vem cultivando em seus mais de 40 anos de trabalho com estruturas em concreto armado, foi possível formar uma extensa compilação de detalhes e tópicos com potencial para discussão, melhora e aprendizado. No artigo “Boas Práticas de Projeto – Montagem de Armação de Laje Plana”, por exemplo, publicado na edição 9 da Revista Estrutura (outubro de 2020), as particularidades e a sequência de montagem das armações de uma laje plana (laje lisa ou laje-cogumelo) foram apresentadas com o intuito de solucionar uma série de questões provenientes das visitas e discussões entre as equipes envolvidas na construção de nossos projetos estruturais. Por meio do entendimento profundo sobre o funcionamento e o dimensionamento de elementos estruturais e seu posterior detalhamento, o principal objetivo desta iniciativa é auxiliar, via projeto ou outros meios de comunicação, não apenas as equipes de obra, mas também outros profissionais envolvidos na cadeia produtiva das estruturas. Assim, o presente artigo trata de um tema proveniente da nossa coletânea de tópicos relevantes, que merece maior atenção: os estribos de pilares e vigas e o posicionamento de seus ganchos. A partir da análise de estudos e ensaios sobre o assunto, avaliamos o melhor tipo de gancho de estribo e as principais particu-

laridades de sua montagem, imprescindíveis para seu funcionamento.

1. INTRODUÇÃO

O conhecimento de elementos estruturais de concreto armado submetidos a solicitações cortantes, especialmente vigas, foi bastante aprofundado a partir dos The Stuttgart Shear Tests, realizados por Leonhardt & Walther no início da década de 1960. Por meio deste trabalho, o comportamento de treliça preconizado por Ritter e Mörsch foi validado por ensaios e os autores definiram os parâmetros que influenciam na resistência à cortante das vigas. Entre esses parâmetros estão: a resistência à tração do concreto; a resistência da viga à flexão, influenciada pela taxa de armadura longitudinal e pela relação momento/cortante; as dimensões da viga (size effect); e o detalhamento dos estribos, especialmente o espaçamento e a ancoragem desses.

1 Mecanismo resistente de vigas à cortante e à torção

Uma das maneiras de entender e analisar a resistência à cortante de elementos lineares de concreto armado é a partir de um modelo de treliça (Figura 1). Esse modelo, desenvolvido por Ritter (1899) e Mörsch (1920/1922), consiste, segundo Park & Paulay (1976), em representar a viga por meio de bielas inclinadas de concreto e tirantes (estribos) verticais ou inclinados. A zona de compressão e a barra longitudinal tracionada formam os banzos superiores e inferiores da treliça. Esse modelo simplificado é utilizado até hoje na determinação da resistência à cortante de elementos de concreto armado. Além da resistência à cortante fornecida pelos estribos, outros mecanismos também contribuem na resistência, como a resistência à tração do concreto entre fissuras, o engrenamento dos agregados (aggregate interlock), o efeito pino da barra longitudinal (dowel action) e o efeito arco (arch action). O mecanismo resistente do concreto armado à torção assemelha-se ao mecanismo resistente à cortante. O modelo também é constituído por uma treliça com bielas comprimidas de concreto e barras de aço servindo como tirantes. Todavia, o modelo considera uma treliça tridimensional, já que as fissuras provocadas pela torção percorrem toda a superfície do elemento (Figura 2). Assim, uma armadura deve ser disposta em cada uma das faces do elemento. Essa armadura pode ser constituída, por exemplo, por estribos, armadura longitudinal superior e inferior, e pele. Além da analogia da treliça, outras teorias foram desenvolvidas ao longo dos anos, como a Teoria Modificada do Campo de Compressão (Modified Compression Field Theory – Vecchio & Collins, 1986) e o Modelo de Membrana Fissurada (Cracked Membrane Model – Kaufmann & Marti, 1998). Entretanto, a analogia de treliça ainda é o modelo mais utilizado para o entendimento e o dimensionamento de elementos de concreto armado. A existência de estribos nas peças de concreto armado é importante tanto para a resistência à cortante como para a resistência à torção e a escolha do tipo de estribos a ser utilizado perpassa pelo entendimento de sua finalidade.

FIG. 1 – MODELO DE TRELIÇA PARA VIGAS (WIGHT & MACGREGOR, 2012)

FIG. 2 - MODELO DE SEÇÃO CHEIA FISSURADA SUBMETIDA À TORÇÃO. (LEONHARDT & MÖNNIG, 1977)

2. FINALIDADE DOS ESTRIBOS

Os estribos são utilizados em elementos lineares (vigas e pilares) para diversas funções. Em vigas, eles servem essencialmente para resistir aos esforços de cortante e de torção. A presença dos estribos, quando adequadamente dimensionados e detalhados, aumenta a resistência da viga a esforços tangenciais, bem como a dutilidade. O estribo tam-

bém reduz a abertura de fissuras, ao servir de costura. Outro benefício do uso de estribos em vigas é o aumento da efetividade do efeito pino para as barras longitudinais. No caso de pilares, os estribos possuem outras funções além de resistir a esforços cortantes e de torção, que só acontecem em casos especiais. Os estribos dos pilares, junto com estribos suplementares (grampos), servem para evitar a flambagem da barra longitudinal submetida à compressão. Eles também servem de costura para as bielas nos encontros com as vigas, além de permitir pequenas variações na direção das barras longitudinais. Embora de uso mais raro, os estribos também podem ser utilizados em lajes cujos esforços cortantes sejam elevados. Diante disso, a norma brasileira ABNT NBR 6118:2014 exige o uso de armadura de cisalhamento em elementos lineares. Leonhardt & Mönnig (1978) apresentam diversas configurações para essas armaduras, que vão desde barras verticais e inclinadas a estribos em malha soldada. É importante ressaltar que todas as configurações de armaduras de cisalhamento, a exemplo dos estribos, devem garantir a ancoragem da barra.

3. TIPOS DE ESTRIBOS

3.1. Estribos de vigas

O clássico livro Construções de Concreto Vol. 3 (Leonhardt & Monnig, 1978) apresenta, em seu capítulo 9, diversas configurações de armaduras de cisalhamento possíveis. Entre as possibilidades, estão barras longitudinais dobradas, estribos inclinados e estribos verticais. As barras longitudinais dobradas são menos práticas para a montagem e, por concentrarem tensões nos pontos de inflexão, propiciam o fendilhamento do concreto e podem perder a eficiência antes do escoamento. Os estribos inclinados são os mais eficientes para a resistência ao cisalhamento quando são posicionados na direção da tensão principal de tração. Esses estribos estão associados, segundo Leonhardt & Walther (1961/1962), a menores aberturas de fissura. No entanto, além de serem pouco práticos para a montagem, esses elementos perdem consideravelmente a eficiência caso haja inversão do sinal do esforço cortante, como pode ocorrer em vigas de edificações submetidas à ação do vento. Assim, os estribos verticais, embora não sejam os mais eficientes, são os mais usuais e proporcionam segurança aos esforços cisalhantes, além de serem de fácil montagem. A Figura 3 apresenta diversas configurações possíveis para os estribos verticais segundo Leonhardt & Monnig. A preferência por qual tipo de estribo a ser utilizado depende, além da prática construtiva local, da garantia de ancoragem. O ramo superior horizontal do estribo, por exemplo, só pode ser suprimido caso exista armadura negativa de laje contínua. Os estribos em malha – estribos com barras transversais soldadas –, por sua vez, necessitam da presença da laje no topo da viga para evitar a ruptura do seu canto. Estribos de mais ramos verticais são indicados em vigas largas, reduzindo-se a distância transversal dos ramos dos estribos. Essa recomendação decorre da concentração de tensão nas barras longitudinais dos cantos dos estribos, provocada por um desvio da biela inclinada de concreto na direção dessas barras longitudinais. Esse comportamento, alertado por Leonhardt & Walther (1961/1962), foi investigado por Anderson & Ramirez (1989) e Lubell et al. (2009). Os últimos autores concluíram que a eficiência da armadura de cisalhamento constituída por estribos reduz sua eficiência à medida que os ramos se espaçam uns dos outros ao longo da seção transversal. A ANBT NBR 6118:2014 limita esse espaçamento a uma proporção da altura útil, conforme Equação 1:

Dentre os diversos tipos de estribos, os mais utilizados em vigas nas edificações brasileiras são os estribos fechados com ganchos a 90° ou 135º (45º interno), apresentados nas Figuras 4a) e 4b), respectivamente; e estribos fechados com transpasse superior com ganchos a 90º ou 135º (45º interno), apresentados nas Figuras 4c) e 4d), respectivamente. Os estribos com ganchos a 90° são os mais comumente utilizados, correspondendo a mais de 90% do corte e dobra no estado de São Paulo conforme informado pelos dois maiores fornecedores de barras de aço do país.

FIG. 3 - CONFIGURAÇÕES DE ESTRIBOS (LEONHARDT & MONNIG, 1978)

FIG. 4 – TIPOS DE ESTRIBOS MAIS UTILIZADOS EM VIGAS DAS EDIFICAÇÕES BRASILEIRAS

3.2. Estribos de pilares

Os estribos de pilares devem envolver toda a seção e são usualmente estribos fechados com ganchos a 90º ou 135º. Caso o comprimento da seção transversal do pilar seja elevado e o estribo fechado ultrapasse o comprimento comercial de 12m, pode-se optar por dois estribos abertos com ganchos a 180º ou por várias “gaiolas” com estribos fechados, conectadas por estribos abertos. A essencialidade da presença dos estribos dos pilares nos cruzamentos decorre de diversos fatores, como a necessidade de costurar as bielas desse encontro. Sendo um assunto vasto que necessita de mais aprofundamento, esse tema será abordado em futuras publicações.

Além do estribo circundante à seção transversal, são necessários estribos suplementares, também chamados de grampos, conforme item 18.2.4 da ABNT NBR 6118:2014. Os estribos suplementares têm por finalidade evitar a flambagem da barra longitudinal, devendo atravessar a seção transversal e envolver a barra longitudinal. Nos cruzamentos das vigas com os pilares, é essencial que os estribos dos pilares sejam mantidos conforme Figura 5.

4. ANCORAGEM DOS ESTRIBOS

Um dos problemas no dimensionamento dos estribos é a ancoragem necessária para permitir que o estribo atinja a sua capacidade máxima. No caso de vigas, a ancoragem se dá em uma região relativamente pequena, como é o caso da zona de compressão do elemento fletido. Leonhardt & Walther (1961/1962) já apontavam que “Os estribos devem estar adequadamente ancorados no topo e na base. Estribos abertos no topo e sem gancho devem ser considerados insatisfatórios”. Regan & Kennedy Reid (2004) realizaram uma série de ensaios com vigas possuindo diferentes configurações de ancoragens deficientes nos estribos, simuladas por meio da ausência de ganchos e/ou de ramos horizontais. Os autores concluíram que a resistência à cortante da viga reduz-se de 14% a 33% para uma perda de ancoragem de 65% a 75%. A redução da resistência, embora não seja diretamente proporcional à perda de ancoragem, pode ser significativa. A ABNT NBR 6118:2014 preconiza que a ancoragem dos estribos deve ser garantida por meio de ganchos ou barras longitudinais soldadas. Os estribos também devem envolver a armadura longitudinal e serem fechados por ramos horizontais ou por meio de uma barra adicional. Já a

FIG. 5 – DETALHE DE CRUZAMENTO VIGA X PILAR

norma americana ACI 318-19, além de recomendações construtivas semelhantes da ABNT NBR 6118:2014, ainda exige um gancho de maior comprimento para barras de grande diâmetro. No caso da solicitação por torção, tanto a ABNT NBR 6118:2014 como o ACI318-19 exigem um estribo fechado com gancho à 135º (45º interno), conforme ilustrado na Figura 4b), caso não exista laje na parte superior da viga que possibilite o confinamento. Alternativamente, utiliza-se o estribo fechado com transpasse superior com ganchos a 90º (Figura 4c)). De acordo com esses estudos, pode-se concluir que os ganchos devem ficar na parte superior da seção da viga. Além disso, não haveria obrigatoriedade de alternar os ganchos dos estribos, conforme prática confirmada em algumas obras (Figura 6).

Não há necessidade de alternar as dobras dos estribos, mas sempre deixá-los na parte superior da viga.

5. BENEFÍCIOS DO GANCHO A 135º (45º INTERNO)

Os estribos com gancho a 135º (45º interno) são recomendados para vigas submetidas à torção e apresentam outros benefícios. Anderson & Ramirez (1989), ao ensaiarem diversas configurações de estribos, constataram que os ganchos a 90º foram forçados para fora da seção da viga quando a força cortante se aproximou da ruptura. Esse comportamento pode ser crítico caso o gancho a 90º esteja na zona de tração, e a cortante for elevada. A ruptura nesse caso poderia se dar, não pelo escoamento da barra, mas por uma deficiência na ancoragem. Varney et al. (2011) não encontraram redução na resistência à cortante de vigas com estribos com ganchos a 135º (45º interno) mesmo quando esses não envolviam nenhuma barra longitudinal. A ancoragem com ganchos que adentram o elemento estrutural apresenta um bom desempenho mesmo sem a presença da barra longitudinal, embora essa configuração não seja normativa. Além do elemento submetido à torção, a norma americana ACI 318-19 exige estribos com grampos a 135º (45º interno) em estruturas que sofrem ações sísmicas. Esse detalhamento permite uma maior dutilidade e resistência a ações dinâmicas e cíclicas. No caso de sismos, essa configuração de estribos deve ser adotada tanto em vigas como em pilares. No caso de pilares de alta resistência submetidos a incêndio, Kodur (2005) demonstrou um melhor desempenho dos estribos com ganchos a 135º (45º interno) em detrimento de outras configurações.

Os ganchos a 135º reduziram substancialmente o lascamento (spalling) do concreto, garantindo a dutilidade e impedindo a flambagem da barra e uma grande perda de seção. Assim, os estribos com ganchos a 135º (45º interno) demonstram ter um melhor desempenho tanto em solicitações elevadas, como em situações adversas como sismos e incêndio. Esse detalhamento deve ser preferido, em detrimento do gancho a 90º. Embora seu desempenho superior tenha sido comprovado em estudos, essa configuração de ganchos de estribos é ainda ocasionalmente julgada como difícil de ser montada pelas equipes em obra. Contudo, algumas evidências indicam que tal fato não seja procedente. Registros de projetos estruturais elaborados em um passado relativamente recente, por exemplo, contêm diversas indicações do uso de ganchos a 135º (45º interno), o que solidifica a ideia de que as equipes em obra já possuem a experiência e o costume do uso desse tipo de gancho nas montagens de armação. A experiência prévia, assim, facilitaria a reintrodução do elemento nos projetos e obras atuais. Ademais, evidências anedóticas de equipes envolvidas no dia a dia de inúmeras obras paulistas já confirmaram que a utilização deste do gancho a 135º (45º interno), embora pouco comum, não é considerada como empecilho na montagem das armações como um todo. Uma análise de dados mais rigorosa é necessária, mas a presença e prática no canteiro de obras já indica grande potencial para esse detalhamento voltar ao uso recorrente na construção de estruturas em concreto armado.

6. CONCLUSÃO

Os estribos são utilizados em vigas e pilares para diversas funções que vão desde a resistência a esforços cisalhantes (como esforços cortantes e torção), como para evitar a flambagem de barras comprimidas. Um dos pontos importantes no dimensionamento dos estribos é a ancoragem necessária para permitir que o estribo atinja a sua capacidade máxima. O detalhamento de estribos com ganchos a 90º atende a requisitos normativos e a critérios de resistência, desempenho e ancoragem em muitos casos. Todavia, conforme estudos já demonstraram, o estribo com ganchos a 135º (45º interno) apresenta melhor desempenho em comparação àquela configuração, sendo seu uso recomendado em todas as situações. Edificações em regiões sísmicas exigem esse detalhamento, enquanto para edificações que possam estar submetidas à ação do fogo, o detalhamento com ganchos a 135º (45º interno) é fortemente recomendado em pilares. Uma das principais críticas ao uso de estribos com ganchos a 135º (45º interno) é a possível dificuldade nas montagens das armações. Essa dificuldade, contudo, não corresponde necessariamente à prática executiva de obras paulistas. Desse modo, a partir da revisão bibliográfica e da experiência observada em obra, é possível afirmar que o detalhamento e uso de estribos com ganchos a 135º (45º interno) possuem importante potencial para uso nas edificações de concreto armado no Brasil e são fortemente recomendáveis para melhorar o desempenho das estruturas. Ressalta-se, ainda, a importância dos estribos em geral e de suas principais particularidades de montagem, imprescindíveis para seu funcionamento integral.

7. AGRADECIMENTOS

Paulo Beguelli Caracik – consultor em estruturas de concreto na PBC Engenharia Everson Siegel – diretor de engenharia e especialista de estruturas de concreto na Construtora Metrocasa Carlos Grazina – gerente geral de operações na Cyrela Diogo Ramos – gerente geral de operações na Cyrela

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6118:2014 - Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2014. 238 p. ACI – American Concrete Institute. ACI 318 – Building Code Requirements for Structural Concrete. Farmington Hills, MI, USA, 2019.628 p. ANDERSON, N. S.; RAMIREZ, J. A., Detailing of Stirrup Reinforcement. In: ACI Structural Journal, v. 86, n. 5, p. 507515, 1989 KAUFMANN, W., MARTI, P.; Structural Concrete: Cracked Membrane Model. In: Journal of Structural Engineering, USA, v. 124, n. 12, p. 1467-1475, 1998. KODUR, V. K. R., Guidelines for Fire Resistance Design of High-Strength Concrete Columns. In: Journal of Fire Protection Engineering, v. 15, p. 93-106, 2005. LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E., Construções de Concreto: Princípios básicos sobre a armação de estruturas de concreto armado. Vol. 1 1ª Edição. Brasil, Editora Interciência, 1977, 308 p. LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E., Construções de Concreto: Princípios básicos sobre a armação de estruturas de concreto armado. Vol. 3 1ª Edição. Brasil, Editora Interciência, 1978, 288 p. LEONHARDT, F.; WALTHER, R., The Stuttgart Shear Tests: Contribution to the treatment of problems of shear in reinforced concrete construction. In: Beton- und Stahlbetonbau, Deutschland, v. 56, n. 12, 1961 and v. 57, n. 2, 3, 6, 7, 8, 1962. Translation n. 111, Cement and Concrete Association (CCA), London, UK, 1964, p. 134. LUBELL, A. S.; BENTZ, E. C.; COLLINS, M. P., Shear Reinforcement Spacing in Wide Members. In: ACI Structural Journal, v. 106, n. 2, p. 205-214, 2009 MÖRSCH, E., Der Eisenbetonbau – Seine Theorie und Anwendung. 5ª edição, Wittwev, Stuttgart. v. 1, Parte 1, 1920; Parte 2, 1922, p. 112 PARK, R; PAULAY, T., Reinforced Concrete Structures. 1st Edition. USA. John Wiley & Sons, 1976, 769 p. REGAN, P. E.; KENNEDY REID, I. L., Shear strength of RC beams with defective stirrup anchorage. In: Magazine of Concrete Research, v. 54, n. 3, p. 159-166, 2004 RITTER, K. W., Die Bauweise Hennebique. In: Schweizerische Bauzeitung, Zurich, v.33, n. 7, p.59-61, 1899 VARNEY, J.C. et al., Effect of Stirrup Anchorages on Shear Strength of Reinforced Concrete Beams. In:ACI Structural Journal, v. 108, n. 4, p. 469-478, 2011 VECCHIO, F. J.; COLLINS, M. P., The modified compression-field theory for reinforced concrete elements subjected to shear. In: ACI Journal, USA, v.83, n. 2, p. 219-231, 1986 WIGHT, J. K.; MacGREGGOR, J. G., Reinforced Concrete Mechanics and Design. 6th Edition. USA. Pearson, 2012, 1157 p.