1 modelagem da vida útil das estruturas de concreto armado

277 Pages·2002·1.25 MB·Portuguese

by  Jairo Andrade

i
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL – UFRGS
ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL – PPGEC
CONTRIBUIÇÃO À PREVISÃO DA VIDA ÚTIL
DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO
ATACADAS PELA CORROSÃO DE ARMADURAS:
INICIAÇÃO POR CLORETOS
Jairo José de Oliveira Andrade
Tese Apresentada para Obtenção do Título
de Doutor em Engenharia
Porto Alegre
Dezembro, 2001
ii
Jairo José de Oliveira Andade
CONTRIBUIÇÃO À PREVISÃO DA VIDA ÚTIL DAS
ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO ATACADAS
PELA CORROSÃO DE ARMADURAS: INICIAÇÃO POR
CLORETOS
Tese submetida ao Corpo Docente do Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Civil da
Escola de Engenharia da Universidade Federal
do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Doutor em
Engenharia
Orientadores:
Profª. Drª. Denise Carpena Coitinho Dal Molin
Prof. Dr. José Luís Duarte Ribeiro
Porto Alegre
Dezembro, 2001
iii
Esta Tese foi julgada adequada para a obtenção do título de DOUTOR EM
ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelos orientadores e pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
_______________________________________________
Profª. Denise Dal Molin
Orientadora
_______________________________________________
Prof. José Luis Duarte Ribeiro
Orientador
_______________________________________________
Profª. Francisco P. S. L. Gastal
Coordenador do PPGEC/UFRGS
Banca Examinadora:
- Prof. Paulo José Melaragno Monteiro
PhD. pela Universidade da Califórnia/Berkeley
- Prof. Antônio Alberto Nepomuceno
D.Sc. pela Universidade Politécnica de Madrid
- Prof. Luís Carlos Pinto da Silva Filho
PhD pela Universidade de Leeds
- Prof. Ruy Alberto Cremonini
Dr. pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
iv
A Deus
À Inês Martina
v
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer à orientadora e amiga Prof. Denise Dal
Molin, por ser a responsável por toda a minha formação de pesquisador e por ter
sempre incentivado o questionamento e a discussão sobre os temas investigados.
Ao Prof. José Luis Duarte Ribeiro, pela extrema competência na parte de
concepção, desenvolvimento e análise de modelos e pela disponibilidade em orientar
esta Tese.
Aos participantes do Grupo Focalizado, Professores Ângela Masuero, Ruy
Cremonini, Denise Dal Molin, Luis Carlos Silva Filho, Antônio Nepomuceno,
Vladimir Paulon, Paulo Monteiro e Paulo Helene; às competentes pesquisadoras
Aguida Abreu e Fernanda Vieira e à Camargo Corrêa, na pessoa do Engenheiro
Cristóvão, que forneceram dados importantes para o desenvolvimento do modelo
proposto na Tese.
Ao amigo Herbert Martins Gomes, cuja ajuda foi fundamental no
entendimento e na aplicação de conceitos totalmente novos, que só vieram a
enriquecer tecnicamente o trabalho.
Ao CNPq, pela concessão do apoio financeiro para a realização da Tese.
Para não cometer nenhum tipo de esquecimento involuntário, gostaria de
agradecer imensamente a todos os professores e amigos de Recife, do NORIE e de
Porto Alegre de ontem, hoje e sempre, pela ajuda e suporte durante tantos anos de
convivência. Contudo, dentre esses amigos há uma pessoa muito especial, que é
minha companheira desde os tempos do Mestrado e que sempre me ajudou em todas
as fases no NORIE. Sem você, Aguida, certamente as coisas seriam mais difíceis.
Muito obrigado por tudo.
À Prof. Jane Almeida e todos os amigos da ULBRA pelo apoio durante a etapa
de conclusão do trabalho.
Aos meus pais, Jairo e Alzira Andrade, e meus irmãos, Fabiana e Gustavo,
por absolutamente tudo, sem restrições. Tudo o que eu sou hoje eu devo à vocês.
Ao Sr. Hiltor, Srª Ruth, Ana Sabine, Luciano (Mestre Gafanhoto), Betina,
Vinícius e ao Bernardo, por serem a minha segunda família.
À minha amada noiva Inês Martina, pela ajuda, companheirismo e,
principalmente, por entrar na minha vida e modificar toda a minha existência.
E à todos que, direta ou indiretamente, colaboraram para a realização do
presente trabalho.
vi
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. x
LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................xiv
RESUMO .....................................................................................................................xx
ABSTRACT................................................................................................................xxi
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................1
1.1 Objetivo Principal...........................................................................................2
1.2 Objetivos Secundários...................................................................................3
1.3 Estrutura da Tese............................................................................................3
2 MECANISMOS DE TRANSPORTE NO CONCRETO...................................5
2.1 Considerações Básicas...................................................................................5
2.2 Mecanismos de Transporte no Concreto...................................................8
2.2.1 Fluxo de Água.............................................................................................. 8
2.2.2 Fluxo Elétrico .............................................................................................. 9
2.2.3 Fluxo de Calor.............................................................................................. 9
2.2.4 Fluxo Químico............................................................................................ 10
3 MODELAGEM DA VIDA ÚTIL DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO
ARMADO: CONSIDERAÇÕES BÁSICAS.............................................................15
4 CORROSÃO DAS ARMADURAS NO CONCRETO.....................................21
4.1 Generalidades................................................................................................21
4.2 Principais Mecanismos de Despassivação das Armaduras.................24
4.2.1 Carbonatação............................................................................................. 24
4.2.2 Penetração de Íons Cloreto ....................................................................... 26
5 FATORES QUE AFETAM A PENETRAÇÃO DE CLORETOS NAS
ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO.........................................................30
5.1 Características Ambientais e Condições de Exposição........................30
5.1.1 Temperatura.............................................................................................. 30
5.1.2 Umidade Relativa...................................................................................... 32
5.1.3 Condições de Exposição............................................................................. 33
5.1.4 Concentração Superficial de Cloretos....................................................... 34
5.2 Características do Concreto.......................................................................46
5.2.1 Coeficiente de Difusão............................................................................... 46
5.2.2 Resistência à Compressão......................................................................... 50
5.2.3 Tipo de Cimento......................................................................................... 51
5.2.4 Presença de Adições................................................................................... 51
vii
5.2.5 Efeito Sinérgico das Variáveis.................................................................. 52
6 MODELOS DE PREVISÃO DE VIDA ÚTIL DE ESTRUTURAS
ATACADAS PELA CORROSÃO DE ARMADURAS...........................................56
6.1 Considerações Iniciais.................................................................................56
6.2 Modelos para a Etapa de Iniciação...........................................................60
6.2.1 2ª Lei de Fick............................................................................................. 61
6.2.2 Modelo de YAMAMOTO et al. (1995)....................................................... 65
6.2.3 Modelo de MIDGLEY et. al. (1984)........................................................... 67
6.2.4 Modelo de CLEAR e HAY (1973)............................................................. 68
6.2.5 Modelo de MANGAT et al. (1994)............................................................. 68
6.2.6 Modelo de UJI et al. (1990)....................................................................... 72
6.2.7 Modelo de MEJLBRO (1996)..................................................................... 74
6.2.8 Modelo de TANG et al. (1994)................................................................... 77
6.2.9 Modelo de SAETTA et al. (1993)............................................................... 81
6.2.10Modelo de BOB (1996)............................................................................... 83
6.3 Modelos para a Etapa de Propagação......................................................85
6.3.1 Modelo de BAZANT (1979)........................................................................ 85
6.3.2 Modelo de CADY-WEYERS (1984)........................................................... 85
6.3.3 Modelo de MORINAGA (1989).................................................................. 86
6.3.4 Modelo de ANDRADE et al. (1989)........................................................... 88
6.3.5 Modelo de LIU (1996)................................................................................ 89
7 ANÁLISE DE CONFIABILIDADE..................................................................90
7.1 Histórico..........................................................................................................90
7.2 Confiabilidade de Componentes e Sistemas...........................................96
7.2.1 Incertezas Existentes na Análise de Confiabilidade................................ 99
7.2.1.1 Incertezas no Processo de Tomada de Decisão................................... 100
7.2.1.2 Incertezas Fenomenológicas................................................................ 100
7.2.1.3 Incertezas na Modelagem.................................................................... 100
7.2.1.4 Incertezas na Predição do Instante de Falha..................................... 101
7.2.1.5 Incertezas Físicas................................................................................ 101
7.2.1.6 Incertezas Estatísticas........................................................................ 101
7.2.1.7 Incertezas Relacionadas a Falhas Humanas..................................... 101
7.2.2 Variáveis Aleatórias e Funções de Probabilidade.................................. 102
7.3 Índice de Confiabilidade...........................................................................104
7.4 Métodos para Obtenção do Índice de Confiabilidade.........................106
7.4.1 Método de Segundo Momento de Primeira Ordem (FOSM).................. 106
7.4.2 Método de Confiabilidade de Primeira Ordem (FORM)........................ 109
7.4.3 Métodos de Confiabilidade de Segunda Ordem (SORM)....................... 110
7.4.4 Simulação de Monte Carlo...................................................................... 111
viii
7.4.4.1 Geração de Números Aleatórios.......................................................... 112
7.4.4.2 Geração das Variáveis Aleatórias ...................................................... 112
7.4.4.3 Determinação da Função Densidade de Probabilidade e da
Probabilidade de Falha.................................................................................. 114
8 METODOLOGIA..............................................................................................116
8.1 Introdução....................................................................................................116
8.2 Determinação dos Coeficientes de Difusão de Cloretos.....................116
8.3 Análise de Confiabilidade.........................................................................121
8.3.1 Tipo de Distribuição Adotado para a Vida Útil das Estruturas............ 121
8.3.2 Método de Análise de Confiabilidade Adotado....................................... 124
8.3.3 Definição do Índice de Confiabilidade.................................................... 125
8.3.4 Definição das Funções de Estado Limite................................................ 129
8.3.5 Número de Simulações Realizadas......................................................... 131
8.3.6 Análise de Sensibilidade......................................................................... 134
8.3.7 Propriedades Estatísticas das Variáveis................................................ 139
8.3.8 Proposta para Caracterização das Variáveis Básicas............................ 150
9 RESULTADOS.................................................................................................156
9.1 Coeficientes de Difusão de Cloretos.......................................................156
9.1.1 Influência da Idade e da Relação a/c ...................................................... 159
9.1.2 Influência da Temperatura de Cura....................................................... 161
9.1.3 Influência da Adição de Sílica Ativa....................................................... 162
9.2 Análise Determinística..............................................................................163
9.3 Análise de Confiabilidade.........................................................................166
9.3.1 2ª Lei de Fick........................................................................................... 166
9.3.2 Modelo de UJI et al. (1990)..................................................................... 180
9.3.3 Modelo de MEJLBRO (1996)................................................................... 184
9.3.4 Considerações sobre os Modelos Analisados.......................................... 188
10 PROPOSTA DE UM MODELO PARA PREVISÃO DA VIDA ÚTIL DE
PROJETO PARA ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO.......................193
10.1 Introdução.................................................................................................193
10.2 Análise em Grupos Focalizados (Focus Group) ................................193
10.3 Definição das Variáveis e Condução dos Trabalhos........................197
10.4 Desenvolvimento do Modelo.................................................................198
10.5 Efeitos das Variáveis no Comportamento do Modelo .....................203
10.5.1Influência das Variáveis Isoladas........................................................... 203
10.5.2Efeito das Variáveis no Tempo............................................................... 209
10.6 Exemplo de Aplicação do Modelo........................................................216
10.6.1Descrição Geral da Estrutura................................................................. 218
ix
10.6.2Características do Concreto e Condições de Exposição.......................... 220
10.6.3Perfis de Penetração de Cloretos............................................................ 222
10.7 Considerações sobre o Modelo Desenvolvido...................................230
11 CONSIDERAÇÕES FINAIS...........................................................................232
12 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS..........................................234
13 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................235
ANEXO 1....................................................................................................................250
ANEXO 2....................................................................................................................254
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Aplicações da Equação de Difusão em Áreas da Engenharia (HANSEN,
1997)....................................................................................................................... 8
Tabela 4.1 Limites para o teor total de cloretos no concreto (HELENE, 1993)........ 27
Tabela 5.1 Correspondência entre a localização da estrutura de concreto e o tipo de
deterioração observado (MEHTA, 1980; CEB, 1992; BARBUDO, 1992;
HELENE, 1993; MEHTA e MONTEIRO, 1994; GUIMARÃES, 2000).............. 34
Tabela 5.2 Teores de cloretos, orientativos ou de referência, no concreto da
superfície, em função do meio ambiente (HELENE, 1993)................................ 44
Tabela 5.3 Relação existente entre a concentração de cloretos na superfície do
concreto e a concentração de cloretos no ambiente............................................. 45
Tabela 5.4 Constantes de ativação (AMEY et. al., 1998)........................................... 49
Tabela 5.5 Teores de substituição empregados no trabalho de ISAIA (1995).......... 54
Tabela 7.1 Alguns exemplos de distribuições estatísticas (ANG e TANG, 1975;
ELSAYED, 1996)................................................................................................ 103
Tabela 7.2 Índice de confiabilidade versus probabilidade de falha (TANG e ANG,
1985; MELCHERS, 1987)................................................................................. 104
Tabela 8.1 Ambientes de cura dos corpos-de-prova (HOFFMANN, 2001; PEREIRA,
2001)................................................................................................................... 117
Tabela 8.2 Distribuições estatísticas empregadas para a análise (ANG e TANG,
1975; ELSAYED, 1996)...................................................................................... 123
Tabela 8.3 Probabilidades de falha associadas a diferentes exigências de
desempenho (SIEMES et al., 1998; DURACRETE, 1999)................................ 125
Tabela 8.4 Vida útil média associada aos índices de confiabilidade e à vida útil
requerida (SIEMES et al., 1998)....................................................................... 126
Tabela 8.5 Propriedades das variáveis básicas empregadas para o exemplo proposto
............................................................................................................................. 128
Tabela 8.6 Variabilidades assumidas para a realização da análise de sensibilidade
............................................................................................................................. 135
Tabela 8.7 Propriedades estatísticas das variáveis proposta por SIEMES et al.
(1985).................................................................................................................. 140
Tabela 8.8 Propriedades estatísticas das variáveis proposta por ENRIGHT et al.
(1998).................................................................................................................. 141
Tabela 8.9 Distribuições dos parâmetros para modelagem do processo corrosivo
(THOFT-CHRISTENSEN, 1998)....................................................................... 141
Tabela 8.10 Distribuição estatística das variáveis proposta por (THOFT-
CHRISTENSEN, 1998)...................................................................................... 142