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Propriedades Fsico-mecnicas do Elemento de Concreto
Centrifugado
Physical and Mechanical Properties of the Spun Concrete
Element
GOBBO, P.H.(1); MEDRANO,M.L.O.(2); UEHARA,F.N.(3).
(1) Pedro Henrique Gobbo, SCAC Fundaes e Estruturas Ltda.
(2) Mrio Luiz de Oliveira Medrano, SCAC Fundaes e Estruturas
Ltda. (3) Fbio Nori Uehara, SCAC Fundaes e Estruturas Ltda.
Avenida Engenheiro Billings, 2300 Jaguar So Paulo, SP.
Resumo A compactao do concreto por meio da centrifugao consiste
na aplicao de alta rotao ao concreto confinado em um molde metlico
de seo geomtrica desejada. Esse ciclo gera uma fora centrifuga, que
projeta o concreto contra o molde a uma resultante de
aproximadamente 30 gs conferindo alta compacidade estrutura e uma
seo vazada. Durante o processo de centrifugao, os componentes mais
densos do concreto so orientados superfcie externa do elemento,
garantindo uma superfcie lisa e compacta. Por atribuir ao elemento
caractersticas fsico-mecnicas e estticas diferenciadas, em pases
como Japo, Malsia, Itlia, Estados Unidos e Alemanha essa tcnica
difundida e utilizada para a produo de postes, estacas, vigas,
pilares, torres elicas e dutos para estruturas terrestres e
martimas. Este trabalho apresenta um estudo sobre as caractersticas
do elemento centrifugado. Abrange resistncia compresso e mdulo de
elasticidade, atravs de ensaios desenvolvidos em corpos de prova
centrifugados. Para isso foi construda uma centrfuga e moldes em
escala reduzida. Os resultados obtidos destes ensaios mostraram um
ganho de resistncia a compresso de 14%. Alm disso, os
corpos-de-prova centrifugados e vazados demonstraram uma forma de
ruptura diferenciada. Os estudos de durabilidade foram efetuados
atravs de espcimes extrados de elementos centrifugados, submetidos
a ensaios de absoro, capilaridade, massa especfica, ndice de
vazios, porosidade e penetrao de gua sob presso. Devido ao formato
cilndrico do elemento centrifugado, foi desenvolvido um mtodo
especfico para a real avaliao da permeabilidade superficial. Os
ensaios demonstraram grandes potenciais de aplicao do elemento
centrifugado em condies de alta agressividade.
Palavra-Chave: Concreto, processo de centrifugao, durabilidade,
resistncia.
Abstract The concrete compaction by spinning process is the
application of high-speed rotation to the concrete confined in a
formwork of a desired geometric section. This process generates a
centrifugal force, which launches the concrete against the formwork
with approximately 30 gs, giving a high compaction to concrete and
creating a hollow core section. During the centrifugation, denser
components of concrete are pushed to the outer surface of the
section, ensuring a smooth and compact surface to the element. In
countries like Japan, Malaysia, Italy, the United States and
Germany this technique is widespread used for manufacturing of
pile, poles, beams, columns, wind towers and pipelines to ground
structures and offshore ones, due to improved physical and
mechanical properties beyond better aesthetics characteristics.
This work presents a study of the characteristics of the
centrifuged concrete element. It covers compressive strength and
Young's modulus, through tests developed in hollow core centrifuged
specimens. To this work were manufactured a small spinning machine.
The results of these tests show a significant gain of compressive
resistance on average 14%. In addition, the centrifuged specimens
presented different cracking behavior. Durability studies were
performed using specimens from hollow core centrifuged elements
submitted to absorption, capillarity, density, voids, porosity and
water penetration under pressure tests. Due to the curved element
surface, a specific method for the real assessment of the surface
permeability was developed. Results show high potential for
application in the aggressive conditions.
Keywords: Concrete, Spinning process, durability,
resistance.
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1 Introduo
1.1 O Concreto Centrifugado
A centrifugao consiste em aplicar altas rotaes num material em
torno de um eixo fixo. Isto ocasiona a segregao de elementos de uma
amostra de acordo com as massas especficas de cada componente. Na
construo civil o primeiro processo foi utilizado em 1907, para a
fabricao de postes de concreto com a concepo da primeira centrfuga
pela empresa Schlosser. Em pases como o Japo, Estados Unidos,
Alemanha, Rssia e Itlia o concreto centrifugado amplamente
difundido para fabricao de elementos em concreto destinados a
ambientes altamente agressivos. Outra grande vantagem que, de
acordo com as necessidades estruturais ou de durabilidade ao qual o
elemento estar submetido, o processo de centrifugao permite
facilmente variar a espessura da parede do elemento vazado, seja
ele, poste, estaca, coluna ou viga. possvel obter geometrias
externas variadas de acordo com a definio do molde, conforme figura
1.
Figura 1 Exemplos de geometrias
A fabricao de elementos de concreto consiste na montagem da
armao sobre uma frma lubrificada com desmoldante. Os elementos
podem ser simplesmente armados ou protendidos por pr-tensionamento
de cordoalhas ou fios contra as formas autoportantes. De acordo com
a geometria desejada, lanado um volume pr-determinado de concreto
sobre a frma, que ento fechada atravs de parafusos ou cunhas de
grande resistncia e, caso necessrio, protendida.
A frma ento encaminhada at a centrfuga. Existem dois tipos de
centrfuga: por gravidade, em que a frma apoiada sobre um conjunto
de rodas que transferem o movimento atravs do atrito; ou Schlosser,
quando as formas so colocadas numa mquina composta por conjuntos de
tambores que confinam a forma e a rotaciona num mesmo eixo. A
figura 2 apresenta os dois tipos de centrfuga citados.
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(a) (b)
Figura 2 (a) centrfuga de gravidade; (b) centrfuga
Schlosser.
As frmas so submetidas ao processo de centrifugao por alguns
minutos pr-determinados. So empregadas basicamente duas velocidades
de centrifugao. Na primeira, em velocidade reduzida, o concreto
fresco e plstico misturado e distribudo de maneira uniforme ao
longo da frma. Logo aps, na rotao mxima, o concreto projetado
contra um molde metlico, resultando uma acelerao equivalente a 30
vezes a fora da gravidade. Como conseqncia, obtm-se elementos
vazados (ocos) e, de acordo com KURANOVAS (2007), as distncias
entre os agregados e outras partculas slidas so reduzidas e partes
da gua, alm de partculas finas de baixa resistncia so expulsas do
concreto. Neste momento, o concreto atinge um dos mais altos graus
de compacidade dentre os diversos mtodos de adensamento existentes.
Os materiais submetidos elevada fora centrfuga tendem a se ordenar
segundo o peso especfico de cada componente do trao. Devido ao seu
peso especfico, uma parte do cimento envolve toda a superfcie
externa do elemento, formando uma capa externa extremamente lisa,
de alto coeficiente de impermeabilidade, alta resistncia contra aes
qumicas e fsicas e conseqentemente alta durabilidade. Internamente,
devido a sua menor densidade, a gua impulsionada para fora do
concreto, carreando os elementos finos leves. Com a reduo de relao
gua/cimento e de materiais finos, o concreto centrifugado obtm
elevada caracterstica de resistncia compresso. A alta energia de
compactao permite ao processo utilizar concretos com uma taxa
elevada de agregados grados, comparando ao modo de dosagem de traos
para concreto adensado por vibrao. Isto melhora o mdulo de
elasticidade e proporciona baixa porosidade. De acordo com FORD
(1997), a centrifugao ainda melhora a aderncia entre o ao e o
concreto, baixa retrao e uma superfcie lisa e densa. De acordo com
KURANOVAS (2007), fisicamente a centrifugao resulta num decrscimo
da porosidade, com aumento da homogeneidade e da resistncia. De
acordo com, QASRAWI (2007), no h, at o presente momento, publicaes
que comprovem o melhoramento das propriedades do concreto
endurecido centrifugado. Aps a centrifugao aplica-se um ciclo de
cura a vapor por um determinado intervalo de tempo. Aps esse perodo
os elementos podem ser desmoldados.
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2 Objetivos
Este trabalho apresenta um estudo sobre as caractersticas do
elemento de concreto centrifugado. Abrange propriedades
relacionadas resistncia compresso, mdulo de elasticidade e
propriedades fsicas relacionadas durabilidade.
3 Metodologia
Para avaliar as propriedades fsico-mecnicas do concreto
centrifugado foram efetuados ensaios de resistncia compresso, mdulo
de elasticidade e obteno de parmetros de durabilidade. Os ensaios
utilizados foram baseados nas normas ABNT e IRAM, com algumas
adaptaes na geometria dos CPs de forma a manter o real
comportamento da pea centrifugada, e para avaliao de durabilidade
foram realizadas extraes.
3.1 Determinao da resistncia compresso e mdulo de
elasticidade
A seo transversal de um elemento centrifugado caracterizada por
ser vazada. Nesse sentido foi desenvolvido um corpo-de-prova que
representasse essa caracterstica. O trabalho props a utilizao de
CPs cilndricos centrifugados, com dimenses de (20x20) cm, de seo
vazada, conforme geometria indicada na figura 3.
SEO TRANVERSAL
A A
CORTE A-A
Figura 3 Geometria do corpo-de-prova cilndrico de seo
vazada.
O fato de utilizar uma geometria de CP com seo vazada e relao
dimetro/altura igual a 1,0, faz com que seja esperado um mecanismo
de ruptura diferente do CP cilndrico macio (10x20) cm, utilizado
para ensaios de controle resistncia compresso. De acordo com a
teoria da resistncia dos materiais, esperado que um CP cilndrico
macio possua uma superfcie de ruptura cisalhada a 45o. Para o CP
cilndrico vazado espera-se uma ruptura no formato de ampulheta. A
figura 4 esquematiza o mecanismo de ruptura esperado para cada tipo
de CP.
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CP MAICO
(10x20)cm
CP VAZADO
(20x20)cm
RUPTURA 45 RUPTURA
FORMATO AMPULHETA
Figura 4 Mecanismos de ruptura dos corpos-de-prova em funo de
sua geometria
Por haver diferena de geometria e de processo de adensamento
entre o CP centrifugado (CPC) e o CP (10x20) macio, foram criados
CPs vibrados (CPV) cilndricos (20x20) cm de seo vazada. Dessa
forma, poderia ser efetuada uma correo pelo modo de compactao entre
CPC e CPV e posteriormente uma correo de forma entre CPV e CP. A
figura 5 esquematiza essas correlaes de CPs.
CP NORMA (CP) CP CENTRIFUGADO (CPC)CP VIBRADO (CPV)
FORMA PROCESSO
Figura 5 Correes de forma e processo dos corpos-de-prova.
Os CPCs foram concebidos atravs da rotao a uma velocidade
constante do molde metlico em uma centrfuga de escala reduzida,
desenvolvida para simular o comportamento da centrifugao de um
elemento produzido em escala real. Uma das vantagens em se
desenvolver esse equipamento foi a possibilidade de reduzir os
desvios de produo, garantindo aos CPs melhores condies para serem
avaliados quanto aos parmetros de resistncia compresso. A figura 6
apresenta a centrfuga em escala reduzida utilizada para a produo
dos CPs.
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Figura 6 Centrfuga utilizada para confeco dos CPCs.
Foram moldados 12 conjuntos de exemplares, cada um composto por
2 CPC, 2 CPV e 2 CP, submetidos ao ensaio de resistncia compresso
com idade de 28 dias.
No intuito de avaliar o mdulo de elasticidade de um concreto
mais britado, caracterstico do trao para centrifugado, foram
moldados corpos-de-prova cilndricos macios, que foram submetidos ao
ensaio para obteno do mdulo de elasticidade secante (ECS), de
acordo com a NBR 8522 (2008).
3.2 Determinao dos parmetros de durabilidade
Os ensaios de durabilidade foram realizados em corpos-de-prova
extrados de elementos centrifugados prontos para utilizao, a fim de
verificar o seu real comportamento. Foram utilizadas como
amostragem extraes mensais em um perodo de 7 meses. As extraes
foram efetuadas na direo transversal ao elemento, conforme figura
7a. A amostragem de cada extrao foi constituda por 3 CPs prismticos
em formato de placa (25x25x10) (figura 7b) e 6 CPs cilndricos
(10x10) cm (figura 7c). As amostras foram destinadas a ensaios de
massa especfica, absoro por imerso e ndice de vazios, de acordo com
a NBR 9778 (2005) e para ensaios de capilaridade, de acordo com a
NBR 9779 (1995). Este ensaio tambm foi efetuado pela IRAM 1871
(2004), que avalia no apenas ascenso capilar, mas a velocidade com
que a gua absorvida em funo do tempo.
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Figura 7 - (a) - Extrao de corpos-de-prova para ensaios de
durabilidade (b) CP (25x25x10) cm em formato de placa. (c) CP
cilndrico (10x10) cm
Os prismas foram destinados ao ensaio de penetrao de gua sob
presso, de acordo com a NBR 10787 (1994). Neste caso, foi
desenvolvida uma metodologia que adaptasse a geometria do CP de
forma a manter o procedimento normativo. Confeccionou-se um suporte
metlico que acomodasse a geometria do CP para que o mesmo pudesse
ser inserido no permemetro. A figura 8 apresenta o esquema do CP
prismtico no permemetro sobre o apoio metlico.
REAO
APOIO DE AO
ANEL DE BORRACHA
PRESSO DE
GUA
DESENVOLVIDO
PERMEAMETRO
PADRO
Figura 8 Prisma de concreto centrifugado recebendo presso de gua
no permemetro.
(b)
(c)
(a)
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4 Resultados
De acordo com HELENE (1983) e METHA & MONTEIRO (1994) as
propriedades do concreto, tais como mdulo de elasticidade e
durabilidade (principalmente penetrao de gua agente agressivo) esto
diretamente ligados a resistncia a compresso do concreto, que se um
parmetro inicial de um projeto e um ndice de referencia da
qualidade de um concreto. A centrifugao confere caractersticas
diferenciadas a um concreto simples (utilizando como agregados
apenas brita e areia) atravs de uma compactao dinmica. A Tabela 1
apresenta os efeitos decorrentes do processo de centrifugao.
Tabela 1 Antes e depois do processo de centrifugao.
Parmetros Concreto Simples
ANTES DEPOIS
Fator a/c 0,40 0,34
Massa Especifica (g/cm3) 2,39 2,53
Resistncia a Compresso (%) 100 114
4.1 Resistncia do Concreto
A Tabela 2 apresenta os valores mdios de resistncia compresso
aos 28 dias dos exemplares em funo de sua geometria e forma de
compactao (CPC, CPV e CP).
Tabela 2 Valores de resistncia compresso
Resistncia a Compresso (MPa)
Nomencl. CPC CPV CP
Forma Vazado Vazado Macio
N.
de
Exem
pla
res
n. 01 65,5 60,1 46,7
n. 02 64,3 58,5 48,9
n. 03 66,7 59,7 46,6
n. 04 67,2 63,7 37,6
n. 05 65,0 58,8 50,6
n. 06 71,7 62,0 47,6
n. 07 64,6 56,8 47,7
n. 08 70,4 57,3 52,6
n. 09 66,0 56,9 53,2
n. 10 62,1 56,6 53,7
n. 11 70,4 62,1 55,8
n. 12 74,5 56,8 57,4
A Tabela 3 apresenta os valores de resistncia compresso mdia,
com os respectivos desvios-padro e coeficientes de variao para cada
tipo de CP.
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Tabela 3 Resistncia compresso, desvio-padro e coeficiente de
variao para cada tipo de CP.
Geometria
CPs Nomenclatura
Tipo de
Adensamento Forma
fc,28
(MPa)
Sd
(MPa)
CV
(%)
20 x 20 CPC Centrifugado Vazado 67,4 3,6 5,4
20 x 20 CPV Vibrado Vazado 59,1 2,4 4,1
10 x 20 CP Vibrado Macio 49,9 5,3 10,6
Para uma equivalncia direta entre a resistncia de CPC e CP, foi
utilizado um fator de correo conforme a equao 1.
CPcCPCc fFf ,, (Equao 1)
O FATOR DE CORREO (F) leva em considerao a diferena de geometria
(FFOR) e de compactao (FCOM) entre CPC e CP. Dessa forma, pde ser
desmembrada:
CPc
FOR
COMCPCc f
F
Ff ,,
(Equao 2)
O FCOM leva em considerao e diferena do processo de compactao
(centrifugao versus vibrado) entre CPC e CPV. Foi determinado de
acordo com a equao 3. Com os resultados obteve-se o valor de 1,14.
Ou seja, o processo de centrifugao incrementou em 14% o valor da
resistncia compresso.
CPVc
CPCc
COMf
fF
,
, (Equao 3)
O FFOR leva em considerao a diferena de geometria entre CPV e
CP, atravs da equao 4. Os resultados forneceram um valor de 0,84.
Isto quer dizer que os valores obtidos em CPV devem ser corrigidos
com este fator.
CPVc
CPc
FORf
fF
,
, (Equao 4)
4.2 Mdulo de Elasticidade
O processo de compactao por centrifugao permite que a concepo do
trao possua caractersticas de teor argamassado abaixo de 42% e
conseqentemente um alto teor de brita. Teoricamente possibilita
valores mais elevados de mdulo de elasticidade. A Tabela 4
apresenta os valores de mdulo de elasticidade secante realizados em
CPs padronizados pela NBR 8522 (2008)
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Tabela 4 Mdulo de deformao especifica do concreto utilizado nos
CP's.
Tenso
Prevista
(%)
Tenso
Aplicada
(MPa)
Deformao Mdia (mm)
CP n.
3
CP n.
4
CP n.
5
Inicial 0,5 0,00000 0,00000 0,00000
20 10 0,02750 0,02650 0,02800
30 15 0,04200 0,04400 0,04450
40 20 0,05850 0,06350 0,06300
50 25 0,07900 0,08600 0,08500
60 30 0,10450 0,11250 0,11300
70 35 0,13900 0,14950 0,15200
80 40 0,19500 0,19150 0,20700
fc,28 (MPa) 49,0 47,1 47,4
ECS (GPa)
NBR 8522 34,5 35,8 33,9
ECS (GPa)
NBR 6118 33,3 32,7 32,8
Considerando um incremento de 14% na resistncia compresso dos
CPs devido ao processo de centrifugao, foram estimados os novos
valores de ECS apresentados na tabela 5.
Tabela 5 Mdulo de Elasticidade estimado para o concreto
centrifugado.
Mdulo de Elasticidade
CP n. 3 CP n. 4 CP n. 5 Mdia
ECS (GPa)
NBR 8522 34,5 35,8 33,9 34,7
ECS (GPa)
NBR 6118 33,3 32,7 32,8 32,9
ECS (GPa)
Centrifugado
Fc,28 x 1,14 35,6 34,8 34,9 35,1
De acordo com os valores da tabela 5 conclui-se que a
centrifugao poderia aumentar em mdia 6,7% no valor de ES. O
resultado alcanado condiz com afirmao de FOAD apud QASRAWI (2007),
que relata a possibilidade em se aplicar 90% da fora de ruptura num
elemento de poste de concreto centrifugado protendido e no
evidenciar danos aps o alvio de carga.
4.3 Durabilidade
A tabela 6 apresenta os resultados dos ensaios de ndices fsicos,
capilaridade e penetrao de gua sob presso para corpos-de-prova
extrados de elementos centrifugados em escala real.
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Tabela 6 Parmetros de durabilidade do concreto em funo de
amostragens mensais.
Amostra
Massa
Esp.
Aparente
(g/cm3)
ndice
de
Vazios
(%)
Absoro
(%)
Capilaridade Pen. de gua sob presso2
Absoro
(g/cm2)
Ascenso
(cm)
S1
(g/m2 x s
1/2)
NBR 10787
(mm)
IRAM 1554
(mm)
1 2,63 8,1 2,9 0,38 5,0 1,56 - 2,3
2 2,50 10,4 3,8 0,46 5,3 1,60 35 2,4
3 2,50 11,0 4,0 0,38 5,2 1,58 33 2,1
4 2,48 9,6 3,5 0,38 5,2 - - 2,0
5 2,50 8,5 3,3 0,67 8,8 - 37 -
6 2,59 7,7 2,9 0,49 6,2 3,56 33 2,3
7 2,54 9,4 3,6 0,49 6,2 2,61 27 -
MDIA 2,53 9,2 3,4 0,46 5,9 2,18 33 2,2
Onde: 1 - S velocidade de suco capilar de acordo com a IRAM
1871:2004; 2- os ensaios da NBR 10787 foram realizados com corpos
de prova com 28 dias de cura, enquanto que para a norma IRAM com
mais de 200 dias;
Com os resultados e atravs da classificao de HELENE (1983) e VLZ
et al. (2002) foi possvel estabelecer a classificao em funo dos
tipos de concreto para o ndice de vazios, absoro e fator a/c obtido
num estudo de durabilidade para concretos de alto desempenho (CAD).
A Figura 9 ilustra para cada critrio os limites e as setas em verde
representam os ndices em que se encontra o processo de centrifugao.
A partir desses resultados foi possvel comprovar que o processo de
compactao exercido pela centrifugao contribuiu para melhorias de
durabilidade, considerando que para essa situao o trao trabalhou
apenas com brita 1 e areia mdia.
10% 15%
POROSIDADE
4,2% 6,3%
ABSORO
0,35 0,60
FATOR a/c
Concretos Durveis
Concretos Normais
Concretos Deficientes
Figura 9: Classificao dos tipos de concreto em funo da
porosidade, absoro e fator a/c.
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5 Consideraes Finais
A compactao produzida pela centrifugao induz que o trao seja
muito compacto e no necessariamente obedeam as prescries de
dosagens de traos recomendadas para outros processos de
adensamento. Uma das caractersticas desse processo a possibilidade
de utilizao de traos com distribuio granulomtrica irregular,
permitindo uma alta quantidade de brita e um teor de argamassa
inferior a 42%. A figura 10 apresenta a curva granulomtrica da
composio do trao.
Figura 10 Curva granulomtrica.
A segregao dos componentes do concreto ocasionado pela
centrifugao expulsa a gua do concreto reduzindo o fator a/c de 0,40
para 0,34. Os resultados comprovam um incremento de resistncia a
compresso (fc,28) de 14,0 % devido ao processo de compactao, quando
comparado ao processo de adensamento por vibrao.
Figura 11 Estrutura do concreto: alta compactao e confinamento
de ao.
Barra de ao
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A fora equivalente a 30g resultante da centrifugao provoca reduo
nos vazios do concreto, ou seja, um aumento significativo da massa
especifica de 2,39 g/cm3 para 2,53 g/cm3. O mdulo de elasticidade
estimado pela NBR 6118 (2007) de 32,9 GPa, valor inferior ao obtido
por ensaio atravs da NBR 8522 (2008) de 34,7 GPa. Sobre este valor
estima-se ainda um ganho de 6,7% para o centrifugado. Como
parmetros de durabilidade o ndice de vazios de 9,2%, a absoro por
imerso de 3,4% e por capilaridade de 0,46 g/cm2, classificando como
concreto durvel.
6 Referncias
ABNT NBR 10787. Concreto endurecido Determinao da penetrao de
gua sob presso. Associao Brasileira de Normas Tcnicas, Rio de
Janeiro, 1994. ABNT NBR 5739. Concreto Ensaio de compresso de
corpos-de-prova cilndricos. Associao Brasileira de Normas Tcnicas,
Rio de Janeiro, 1994. ABNT NBR 6118. Projeto de estruturas de
concreto - Procedimento. Associao Brasileira de Normas Tcnicas, Rio
de Janeiro, 2007. ABNT NBR 7680. Concreto Extrao, preparo e ensaio
de testemunhos de concreto. Associao Brasileira de Normas Tcnicas,
Rio de Janeiro, 2007. ABNT NBR 8522. Concreto Determinao dos mdulos
estticos de elasticidade e de deformao e da curva tenso-deformao.
Associao Brasileira de Normas Tcnicas, Rio de Janeiro, 2008. ABNT
NBR 9778. Argamassa e concreto endurecido Determinao da absoro de
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Normas Tcnicas, Rio de Janeiro, 2005. ABNT NBR 9779. Argamassa e
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Associao Brasileira de Normas Tcnicas, Rio de Janeiro, 1995. FORD,
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Journal, Vol.42, Chicago,1997. HELENE, P.R.L. La Agresividad Del
Medio y La Durabilidad Del Hormign. Hormign AATH, n. 10, Buenos
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IRAM 1871. Hormign Mtodo de ensayo para determinar la capacidad
y la velocidad de succin capilar de agua del hormign endurecido.
Instituto Argentino de Normalizacin y Certificacin, Buenos Aires,
2004. KURANOVAS, A. Centrifugally Manufactured Hollow
Concrete-Filled Steel Tubular Columns. Journal of Civil Engineering
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