Análise mecânica e probabilística da corrosão de armaduras de estruturas de concreto armado ...

247 Pages·2015·4.92 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ESTRUTURAS

Análise mecânica e probabilística da corrosão de armaduras de
estruturas de concreto armado submetidas à penetração de
cloretos

VERSÃO CORRIGIDA
A versão original encontra-se na Escola de Engenharia de São Carlos

Giovanni Pais Pellizzer

Dissertação apresentada ao Departamento de
Engenharia de Estruturas da EESC-USP como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Mestre em Engenharia de Estruturas.

Orientador: Prof. Dr. Edson Denner Leonel

São Carlos
2015

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, princípio e fim de todas as coisas.
A toda a minha família e em especial aos meus pais Gabriella e Lino por sempre me
incentivarem nos estudos e por todo o amor incondicional doado. Mãe, pai, para mim vocês são
preciosos exemplos de dedicação e altruísmo sincero.
A Sonia, amada companheira de caminhada pelas estradas da vida. Longe ou perto, todo
o amor, cumplicidade, paciência e apoio a mim dedicados foram fundamentais para eu chegar até
aqui. Obrigado.
Ao professor e orientador Edson D. Leonel, que com a sua tranquilidade e serenidade
forneceu bases sólidas onde pude me apoiar sempre que precisei. Agradeço pela disponibilidade
constante, atenção, paciência e confiança depositada em mim.
Ao professor André T. Beck pelo incentivo e suporte prestado no aprendizado da teoria
de confiabilidade. Em meio a um universo de incertezas, sua expressiva influência na minha
formação acadêmica eu considero como certa.
Ao professor Caio G. Nogueira, pela grande ajuda na implementação computacional e
pelas preciosas sugestões ao longo do desenvolvimento do trabalho.
Ao professor Andrés B. Cheung, exemplo de humildade e dedicação, pela amizade, pelas
conversas e pelo incentivo, sem os quais provavelmente eu não teria escolhido cursar o mestrado.
Obrigado por ter me ajudado a escolher esse caminho que indubitavelmente expandiu meus
horizontes.
Sérgio Cordeiro, Gustavo Gidrão (Barretos), Henrique Kroetz, Ayrton Ferreira,
Geovanne Viana, Caio Silva, Jackson Ditz, Ana Sieg, Thais Pedrosa, Karen Bompan, Lara Kawai,
Daniel Traglia, Rodolfo Tessari, Fernando Gilio, Júlio Lucena, Jeferson Fernandes, Sergio
Andrês, Victor Fernandes, Lucas Buffon, Thiago Morkis, Carlos Radaik, Leonardo Cadurin,
Matheus Fernandes e Carlos Orozco. Colegas e amigos que enriqueceram a minha existência.
Aos demais professores e a todos os funcionários do departamento de engenharia de
estruturas da EESC/USP pelo auxílio na minha formação profissional.
A CAPES pelo fornecimento da bolsa de estudos para o desenvolvimento desta pesquisa
e a todos os contribuintes brasileiros, muitos dos quais não tiveram as possibilidades que tive.
Sinto-me privilegiado e imensamente grato.

“O fracasso e o sucesso são impostores. Ninguém fracassa
tanto como imagina. Ninguém tem tanto sucesso como
imagina.”

Rudyard Kipling

“O conhecimento torna a alma jovem e diminui a
amargura da velhice. Colhe, pois, a sabedoria.
Armazena suavidade para o amanhã.”

Leonardo da Vinci

RESUMO

PELLIZZER, G.P. Análise mecânica e probabilística da corrosão de armaduras de
estruturas de concreto armado submetidas à penetração de cloretos. Dissertação (Programa
de Mestrado), Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2015.

O presente estudo trata do problema da corrosão de armaduras em estruturas de concreto
armado submetidas à penetração de cloretos. É amplamente reconhecido nos meios técnico e
científico que, dentre os diversos processos causadores de patologias nas estruturas de concreto
armado, destacam-se aqueles que desencadeiam a corrosão das armaduras. O processo de
corrosão é iniciado quando a concentração de cloretos na interface armadura/concreto atinge um
valor limite, despassivando a camada química protetora ao redor da armadura. A utilização de
uma abordagem probabilística é capaz de tratar o problema de forma mais consistente, uma vez
que as variáveis envolvidas no fenômeno possuem um alto grau de aleatoriedade associado. A
formulação utilizada para a análise não linear mecânica emprega o método dos elementos finitos,
utilizando o modelo de dano de Mazars para descrever o comportamento do concreto e o
modelo elastoplástico para descrever o comportamento do aço. A lei de Fick é empregada para
descrever o mecanismo de difusão dos íons cloretos no interior dos elementos de concreto
armado e leis empíricas são utilizadas para representar a penalização das áreas de aço das
armaduras bem como a redução de sua tensão de escoamento. A formulação utilizada para a
análise probabilística emprega o FORM (First Order Reliability Method), o método de superfície de
resposta e a simulação de Monte Carlo. Enfoque especial é dado na análise de estruturas
hiperestáticas, com o objetivo de determinar a probabilidade de falha do sistema, sendo esta uma
das contribuições desse estudo. Os resultados obtidos indicam de que forma os efeitos corrosivos
considerados contribuem para a redução da durabilidade estrutural.

Palavras-Chave: corrosão de armaduras. cloretos. durabilidade estrutural. análise não linear.
modelo de dano de Mazars. lei de Fick. confiabilidade estrutural.
ABSTRACT

PELLIZZER, G.P. Mechanical and probabilistic analysis of reinforcement corrosion of
reinforced concrete structures subjected to chlorides penetration. Dissertation (Master
Program), School of Engineering of São Carlos, University of São Paulo, 2015.

This work deals with the problem of reinforcement corrosion of concrete structures subjected to
chloride penetration. It is widely recognized in the technical and scientific communities that,
among the different processes which cause pathologies in reinforced concrete structures,
reinforcement corrosion is one of the most relevant. The corrosion process starts when chloride
concentration at the reinforcement/concrete interface reaches a threshold value, causing
depassivation of the protecting chemical layer surrounding the armor. A probabilistic approach is
capable of dealing with the problem in a more consistent manner, since the variables involved in
the phenomenon have a high degree of randomness. The formulation used in the mechanical
non-linear analysis utilizes the finite element method, employing Mazars’ damage model to
describe the concrete behavior and the elastoplastic model to describe the steel behavior. Fick’s
law is used to describe the diffusion mechanism of chloride ions inside the concrete elements and
empirical laws are used to represent the steel area reduction as well as the reduction of steel yield
stress. The formulation used for the probabilistic analysis employs the FORM (First Order
Reliability Method), the response surface method and the Monte Carlo simulation. A
contribution of this study concerns the analysis of hyper-static structures, in order to evaluate the
failure probability of the system, giving special attention to this type of problem. The obtained
results show how the considered corrosive effects influences the structural durability reduction.

Keywords: reinforcement corrosion. chlorides. structural durability. non-linear analysis. Mazars’
damage model. Fick’s law. structural reliability.