Reforço local de elementos estruturais de madeira por meio de compósitos

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1 REPAR. LNEC, 2000 Reforço local de elementos estruturais de madeira por meio de compósitos CRUZ, HELENA LNEC, Av. do Brasil, 101, Lisboa MACHADO, JOSÉ SAPORITI LNEC, Av. do Brasil, 101, Lisboa MOURA, JOSÉ PEDRO STAP, SA, Pedro Nunes, 27 1º, Lisboa CÓIAS E SILVA, VÍTOR STAP, SA, R. Pedro Nunes, 27 1º, Lisboa (vicsilva@mail.telepac.pt) RESUMO Apresenta-se nesta comunicação uma panorâmica da utilização de polímeros reforçados com fibras no reforço local de elementos estruturais de madeira. As técnicas desenvolvidas, em diversos casos já com ampla aplicação prática, destinam-se quer à optimização de elementos ou ligações em novos sistemas construtivos, quer ao reforço ou reparação de estruturas antigas. Dá-se conta igualmente de um projecto de investigação em curso nesta área. 1. INTRODUÇÃO Um pouco por todo o mundo (sobretudo na Europa, Estados Unidos e Japão), existem numerosos exemplos de intervenções de reforço estrutural, principalmente de estruturas de betão armado ou pré-esforçado, mediante a aplicação exterior de compósitos, nomeadamente polímeros reforçados com fibras (FRP) de vidro ou de carbono. Estas técnicas apresentam igualmente boas potencialidades para o reforço e a reabilitação de estruturas de madeira, e têm sido usadas na prática em situações de deterioração localizada, ou ainda face a um aumento efectivo das cargas ou à necessidade de melhorar as respectivas condições de segurança ou de serviço. Os polímeros reforçados com fibras de vidro têm ainda sido usados com sucesso para a realização de ligações e o reforço de elementos novos. Destacam-se as aplicações em lamelados colados em zonas sujeitas a esforços muito elevados, evitando um aumento incomportável da sua secção transversal, na melhoria de elementos fracos, reduzindo a sua variabilidade, bem como genericamente para aumentar a resistência da madeira à tracção transversal às fibras, em diversas situações em que este factor poderá determinar uma rotura prematura, como sejam zonas de entalhes ou de cravação de ligadores.

2 Tendo em conta o âmbito da presente Conferência, referem-se algumas técnicas correntes de reforço de estruturas em serviço (aumento de resistência ou rigidez), e a reparação de elementos com degradação local devida a esforços excessivos ou agentes biológicos. Referem-se igualmente algumas técnicas, baseadas na utilização de FRP, desenvolvidas a pensar em construção de raiz mas cujos princípios se poderão estender à recuperação de construções existentes, permitindo intervenções mais ligeiras e menos intrusivas, quer do ponto de vista dos utentes, quer do ponto de vista do funcionamento do edifício. 2. MATERIAIS USADOS Os polímeros reforçados com fibras de vidro são materiais compósitos relativamente recentes que têm sido usados em diversas aplicações industriais. São constituídos por um material de reforço (fibras) envolvidas e ligadas por uma matriz polimérica. As matrizes mais utilizadas podem ser resinas termoplásticas (polietileno, polipropileno, poliéster, policarbonatos) ou termoendurecíveis (de epóxido, fenólicas, de poliéster, de poliuretano ou de poliamida). Estes compósitos têm a vantagem de apresentar valores de resistência e rigidez muito elevados para uma baixa massa volúmica, e o facto de serem materiais não metálicos, com boa resistência à corrosão e fáceis de maquinar. A principal desvantagem é o seu ainda elevado custo, apesar de nos últimos dez anos o preço de fibras altamente resistentes e duráveis ter sofrido uma redução significativa. As propriedades finais do compósito são influenciadas pela natureza dos constituintes, pela quantidade de fibras presentes e pela sua orientação: unidireccional, tecido, em camadas com orientações alternadas, ou aleatória. Geralmente, para efeitos de reforço estrutural, prefere-se que o material compósito tenha também alguma resistência na outra direcção, embora possa apresentar predominância clara numa das direcções. A percentagem máxima de fibras que é possível incorporar depende da respectiva orientação, sendo no máximo da ordem dos 70 a 80% para fibras dispostas numa só direcção, 45 a 65% para tecidos e 20 a 40% para distribuições aleatórias. As fibras mais utilizadas são as de vidro, de carbono e aramídicas (Kevlar, por exemplo). São fornecidas aos fabricantes de compósitos, quer sob a forma de fibras curtas (alguns milímetros ou décimas de milímetro) usadas na constituição de feltros ou para injecção de moldes, quer sob a forma de filamentos longos ou contínuos, os quais são tecidos ou cortados para a fabricação do material compósito. As fibras de vidro são as mais utilizadas, devido ao seu custo moderado face a boas propriedades mecânicas. Podem apresentar-se nas seguintes formas: bobinas de filamentos ou de fios de base (eles próprios constituídos pela aglutinação de filamentos, produzidos por estiramento do vidro fundente, a grande velocidade através de fieiras) que receberam um revestimento plástico; mantas (fios cortados ou contínuos aglomerados entre si por meio de um ligante químico); tecidos (conjuntos de fios entretecidos, como num tear, podendo variar o tipo de fio utilizado e a forma de entrecruzamento dos fios).

3 A vantagem das fibras de carbono relativamente às outras fibras resulta das respectivas propriedades mecânicas, em particular do módulo de elasticidade em tracção que é muito elevado. O produto de base é o fio contínuo de carbono. Os fios podem ser utilizados directamente para a fabricação de produtos por pultrusão, podendo igualmente ser tecidos para obter: fitas, entrançados, tecidos, tecidos híbridos (vidro-carbono ou aramídicas-carbono), podendo ainda ser cortados em comprimentos de alguns milímetros e incorporados como cargas em resinas. As fibras aramídicas são fibras orgânicas obtidas por extrusão e fiação a partir de poliamidas aromáticas. A fibra aramídica mais conhecida é o Kevlar produzido pela Dupont (EUA). Estas fibras são comercializadas sob várias formas, incluindo folhas, tecidos, cordas e fitas. Quadro 1. Propriedades físicas e mecânicas médias do material de reforço, antes da incorporação em compósitos Propriedades Vidro E Vidro R Carbono HS Carbono HE Kevlar 49 Massa volúmica (kg/m 3 ) Módulo de elasticidade (GPa) Módulo específico (MPa)/(kg/m 3 ) Tensão de rotura à tracção (MPa) Extensão na rotura (%) Quadro 2. Valores típicos de alguns polímeros de uso corrente como matriz Termoplásticas comuns Termoendurecíveis comuns M. volúmica (kg/m 3 ) Mód. Elast. (GPa) Resist.tracção (MPa) Ext. na rotura (%) Polietileno Poliropileno Poliester Policarbonato Epóxido Fenólica Poliester poliuretano poliamida Os processos de fabrico adoptados para a produção dos compósitos dependem da natureza das peças a produzir, das fibras e da resina escolhidas.

4 A pultrusão é um processo corrente que permite a obtenção em contínuo de perfis, rectilíneos ou não, de secção constante aberta ou fechada. As fibras de reforço (em fio, manta ou tecido) são previamente impregnadas com uma resina líquida e seguidamente puxadas através de uma fieira quente que confere a forma e assegura a polimerização. A impregnação do reforço faz-se por imersão numa tina ou por injecção da resina à entrada das fieiras. Estes perfis pultrudidos apresentam resistência mecânica elevada, leveza, flexibilidade e boa estabilidade dimensional, podendo ser produzidos em grandes quantidades a custos relativamente baixos (figura 1). Quadro 3. Algumas propriedades de polímeros reforçados com fibras de vidro Poliester reforçado com fibras de vidro contínuas poliamida reforçado com fibras de vidro curtas Massa volúmica (kg/m 3 ) M. elasticidade (GPa) Resistência à tracção (MPa) ALGUMAS APLICAÇÕES CORRENTES 3.1. Aspectos gerais Consoante os objectivos, os elementos de madeira podem ser reforçados de duas formas distintas. Num dos casos, o elemento de madeira é reforçado pela colagem de perfis pultrudidos ou chapas prefabricadas de FRP, colados à face ou no interior da madeira, com a direcção principal do compósito orientada paralelamente às fibras da madeira. Deste modo, a rigidez e a resistência à flexão são aumentadas, o que é aplicado com grande sucesso na reabilitação de estruturas de madeira. O outro tipo de reforço passa pela colagem de tecidos, geralmente de fibras de vidro, directamente sobre a madeira, constituindo assim o compósito no local. Não se pretende neste caso aumentar a resistência do elemento paralelamente às fibras, mas a sua resistência ao corte e à tracção perpendicular às fibras Reforço de elementos para construção nova Ligações de topo entre elementos de madeira Ligações coladas bem dimensionadas e executadas podem ser extremamente eficientes, com reconhecidas vantagens em termos de facilidade de realização, desempenho, estética e custo.

5 Embora as colas estruturais permitam a realização de ligações simples entre elementos de madeira com elevada eficácia, como é o caso da ligação entre lamelas de elementos lamelados colados e as ligações do tipo finger-joint (de entalhes múltiplos), o recurso a cavilhas é normalmente usado para obter ligações estruturais coladas. Estas cavilhas, tradicionalmente metálicas (aço) ou de madeira rija, têm sido substituídas com algumas vantagens por cavilhas pultrudidas de materiais compósitos. Uma das técnicas de realização de ligações de madeira topo a topo envolve a perfuração e colagem à madeira de cavilhas de FRP pultrudidas, em ambos os topos a ligar, actuando pelo desenvolvimento de força axial segundo o eixo longitudinal da peça. É referida para este fim a utilização de colas de epóxido, de poliuretano, de poliester, ou ainda acrílicas (Mettem et al, 1999). A ligação de topo é eventualmente complementada com a aplicação de cavilhas secundárias do mesmo tipo, neste caso introduzidas transversalmente para melhorar o comportamento da madeira na direcção perpendicular às fibras (figura 2). Figura 1 Perfis pultrudidos de FRP Figura 2 Ligações de topo entre elementos Esta técnica tem vindo a ser desenvolvida com vista à ligação de série incorporada em sistemas construtivos novos, embora possa em princípio ser estendida à ligação entre madeira velha e madeira nova numa situação de substituição parcial de elementos de madeira com degradação biológica, por exemplo, particularmente em situações em que se pretende reduzir a visibilidade dos ligadores Reforço local de elementos de madeira lamelada colada Os furos e entalhes existentes nas zonas de ligação de elementos estruturais provocam a concentração de tensões, reduzindo a sua resistência. Esse efeito depende naturalmente das propriedades da madeira e da geometria do elemento nessa zona. Por essa razão tem vindo a ser tentado o reforço local desta zona de entalhe, no sentido de melhorar o comportamento da madeira em tracção perpendicular às fibras, impedindo a

6 abertura e propagação de fendas. Este reforço faz-se geralmente mediante a colagem de tecido de fibra de vidro, no interior da viga, abrangendo pouco mais do que a zona do entalhe (fig. 3). De acordo com ensaios realizados em vigas lameladas coladas, por Coureau et al (1999), dependendo da quantidade do reforço, a força de rotura da viga pode atingir mais do dobro de vigas sem reforço. Outros autores referem um aumento de capacidade de carga para o triplo (Larsen e Gustafsson, 1994). Figura 3 Reforço local de vigas Figura 4 Reforço de zonas de ligação Um outro tipo de aplicação poderá ser o reforço da zona da ligação de topo entre elementos de madeira, do tipo finger-joint para incorporação em estruturas lameladas coladas, em situações em que a madeira é muito resistente mas cola com dificuldade, sendo a ligação decisiva para a eficácia do sistema de fabrico. Bui et al (1996) demonstrou que o reforço de lamelas na zona dos finger-joints com manta de fibra de vidro colada com epoxi pode aumentar, entre 40 a 60% a respectiva resistência em tracção Reforço local de zonas de ligação mecânica As ligações mecânicas são frequentemente o ponto mais delicado das estruturas de madeira. Na maioria dos casos, a transmissão e distribuição de esforços é feita através de chapas aplicadas à face ou embebidas nos elementos de madeira, presas a estes através de ligadores do tipo cavilha (cavilhas, pregos ou parafusos de porca). O desenvolvimento de esforços de corte e de tracção transversal às fibras na madeira sob a acção dos ligadores pode conduzir à rotura frágil da ligação, antes que consiga desenvolver-se plasticidade nos ligadores metálicos e a capacidade de carga consequentemente prevista. Os FRP são frequentemente usados na zona da ligação, com o objectivo de aumentar a sua resistência, através da melhoria do comportamento em tracção perpendicular às fibras da madeira abrangida pela ligação. Desta forma, evita-se a ocorrência da rotura na madeira, passando o desempenho da ligação a ser determinado pela capacidade de carga da madeira, bem como pela resistência e qualidade dos ligadores. A ductilidade naturalmente é também aumentada, por vezes de forma notável. A técnica de reforço mais correntemente estudada passa pela utilização de um tecido ou tela de fibra de vidro que é enrolado em torno da zona abrangida pela ligação mecânica (figura 4).

7 Previamente à aplicação do material de reforço, é conveniente aplicar à madeira um primário destinado a melhorar a aderência do sistema. Duas ou mais camadas de tecido de fibra de vidro são normalmente enroladas à mão em torno da madeira, pressionando-o sobre uma cola de epóxido de dois componentes, previamente espalhada sobre a superfície. O emprego de resinas de epóxido evita a necessidade de aplicar pressão elevada para a colagem. Haller e Wehsener (1999) descrevem um conjunto de ensaios de ligações reforçadas deste modo com tecido de fibra de vidro do tipo E, com 200g/m 2. Os ensaios mostraram que este reforço é capaz de aumentar a resistência da ligação em cerca de 50% em flexão, 50% em tracção, e 35% no ensaio de corte. Mostraram ainda que a orientação do tecido relativamente às fibras da madeira é igualmente importante, sendo que a disposição +45º/-45º é mais eficaz no reforço relativamente à transmissão de esforços de corte e tracção paralela às fibras, enquanto a disposição 0º/90º é mais eficaz no reforço de ligações sujeitas à flexão. De acordo com Larsen (1994) para ligações com cavilhas ou parafusos de porca sujeitas a esforços perpendiculares às fibras da madeira, o reforço permite mobilizar a total capacidade de carga da ligação, mesmo para espaçamentos entre ligadores e distâncias destes aos bordos e topos da madeira muito reduzidos. Os resultados dos ensaios sugerem ainda que as ligações apresentam uma relação entre a resistência e o tempo de actuação das cargas semelhante à determinada para a madeira sem reforço, aspecto que é determinante em questões de dimensionamento das ligações Reforço de estruturas existentes Substituição parcial de elementos deteriorados Uma aplicação, que constitui desde há algumas décadas prática corrente em acções de reforço / consolidação de estruturas de madeira, envolve a substituição de troços degradados de elementos estruturais (por exemplo na zona das entregas em paredes exteriores) por argamassas de resina de epóxido, ou por novos troços inteiramente de madeira. A ligação entre a madeira nova ou a argamassa e a madeira existente é estabelecida por meio de varões, que podem ser de aço inox ou de FRP (fibras de vidro / poliester) colados à madeira geralmente por meio de uma resina de epóxido ou de poliester (figura 5). As reparações podem ser feitas sem perturbar as restantes partes do edifício, envolvendo o mínimo de substituição de materiais. Frequentemente, o troço refeito é formado por uma zona central de argamassa de resina de epóxido envolvida por madeira, a qual constitui assim uma cofragem perdida, com as vantagens da redução de peso e de custo e de ser mantida a aparência do elemento original de madeira. Em relação a esta técnica, os resultados da caracterização dos materiais e da eficiência da ligação, a curto e a longo prazo, são pouco divulgados, havendo em contrapartida numerosos casos de estudo relatados na bibliografia, com muitas variantes de aplicações do sistema.

8 Reforço / consolidação de elementos em serviço Uma outra situação corrente na prática é o reforço de elementos em serviço, por meio de perfis colados à face ou embebidos no interior dos elementos de madeira. Estas intervenções podem recorrer a elementos de reforço em aço macio (chapas aparafusadas ou coladas, ou varões de construção colados) ou, muito frequentemente, a materiais compósitos colados. Dependendo do problema específico a resolver, o método de reforço pode envolver a colocação de uma armadura distribuída atravessando a secção do elemento de madeira para absorção de esforços de corte, ou para impedir a propagação de fendas longitudinais, ou então o reforço das zonas de tracção e de compressão (figura 6). Refira-se que, contrariamente às intervenções em estruturas de betão armado, é corrente nos elementos de madeira o reforço simultâneo nas zonas superior e inferior das vigas, se houver condições de acesso, já que a resistência à tracção da madeira é da mesma ordem de grandeza que a sua resistência à compressão. Figura 5 Substituição parcial Figura 6 Consolidação de elementos em serviço 3. INVESTIGAÇÃO EUROPEIA NESTA ÁREA A optimização dos sistemas apresentados passa pela quantificação da influência de parâmetros como sejam o tipo e a espessura da linha de cola, a espécie de madeira usada e respectivo teor de água, as dimensões e características dos FRP e a eventual aplicação de primários adequados que melhorem a aderência de certas colas à madeira. Passa igualmente pelo pré-tratamento superficial dos perfis de FRP e a divulgação de perfis roscados e texturados que melhorem a ancoragem (ligação mecânica) dos perfis à cola. As técnicas referidas têm sido motivo de interesse e alvo de diversos estudos, em alguns casos há várias décadas, havendo já numerosas aplicações práticas com sucesso, quer ao nível de novos sistemas construtivos, quer ao nível de intervenções em estruturas existentes. Apesar disso, é difícil sistematizar o conhecimento, nomeadamente devido à grande evolução em matéria de colas e ao grande número de materiais disponíveis comercialmente, à falta de regras de cálculo amplamente aceites e ainda à falta de divulgação técnica sobre os aspectos práticos da sua implementação.

9 No sentido de colmatar as lacunas existentes relativamente ao comportamento das ligações com cavilhas coladas e respectivos métodos de cálculo, o Comité Europeu de Normalização (CEN) decidiu entretanto produzir normas de produto e de fabrico, bem como de métodos de ensaio, reconhecendo-se porém que factores como a durabilidade e a fluência, em particular da ligação colada, requerem mais investigação. Recentemente, tem havido alguma preocupação nesse sentido. Refira-se a título de exemplo o projecto europeu em curso GIROD Glued rods for timber structures (Reino Unido, Alemanha e Suécia), envolvendo ensaios físicos e a modelação numérica, cujos objectivos incluem o desenvolvimento de informação válida tendo em vista a derivação e a validação de métodos de dimensionamento das ligações topo a topo com cavilhas de FRP face aos estados limites. Encontra-se igualmente em curso o projecto COLORETIM-"COmposite LOcal REinforcement for TIMber structures", no âmbito de um programa de acções de apoio às PMEs envolvendo 15 participantes de três países (Reino Unido, França e Portugal), nos quais participa o LNEC e a STAP. Este projecto de investigação é dedicado ao reforço de estruturas de madeira, tendo como principais objectivos: Adquirir experiência e conhecimento sobre técnicas de reforço de estruturas de madeira por meio de compósitos, nomeadamente polímeros reforçados com fibras de vidro e de carbono, tendo em vista quer a construção de raiz quer a reabilitação de construções antigas; Desenvolver e disponibilizar ao meio técnico interessado nessas técnicas de reforço os meios necessários para o projecto e o dimensionamento, e as especificações de execução. A par da caracterização experimental de um amplo conjunto de materais (colas e FRP) e do desenvolvimento de modelos numéricos adaptados a diversos tipos de reforço, este projecto contempla a realização de ensaios sobre diversas aplicações de reforço, em elementos novos e em intervenções de reabilitação. Neste âmbito estão previstos, nomeadamente, ensaios sobre a realização de nós estruturais, sobre o reforço de vigamentos e das ligações entre vigas e paredes, tentando-se ainda comparar a aplicação de FRP com outros materiais de reforço mais tradicionais. Esta tecnologia poderá apresentar importantes vantagens, como sejam permitir intervenções mais ligeiras, menos intrusivas, quer do ponto de vista dos utentes, quer do ponto de vista do funcionamento da estrutura original, e manter a autenticidade das construções antigas com valor histórico. Permite ainda reduzir custos, tempos de execução e o desperdício dos materiais originais, que muitas vezes se encontram em bom estado e passíveis de manutenção. 5. DISCUSSÃO As ligações ou intervenções de reforço realizadas por meio de compósitos colados à madeira asseguram uma boa transferência de esforços localizados, com elevada rigidez. Em especial, nos casos em que os componentes se encontram protegidos no interior da madeira, poderão

10 apresentar um bom comportamento ao fogo; tal como para outras soluções, a resistência ao fogo depende grandemente dos pormenores construtivos. As técnicas descritas que envolvem a utilização de perfis pultrudidos de FRP requerem a preparação prévia da sua superfície, ou em alternativa a escolha de perfis roscados ou fortemente texturados por forma a garantir uma ligação mecânica entre a cola e o compósito. A sua aplicação, tanto em sistemas construtivos novos como em intervenções in-situ, requer ainda a correcta especificação dos materiais e o dimensionamento das soluções a implementar, bem como uma preparação e prática correctas. O mesmo sucede aliás com outras técnicas de reforço, devendo ser levadas a cabo por empresas especializadas, com prática neste tipo de trabalho. As variações dimensionais, devidas a variações significativas do teor de água da madeira, poderão introduzir tensões consideráveis na ligação entre a madeira e o compósito (que não reage igualmente). Devem por isso estes sistemas ser usados com precaução em estruturas expostas em ambiente exterior. Considera-se que a principal limitação ao emprego de FRP em diversas situações de reforço estrutural de madeira reside ainda no desconhecimento geral, não só quanto às potencialidades destes produtos e suas aplicações, mas também quanto ao dimensionamento dos vários sistemas e aos procedimentos e técnicas de aplicação respectivos. Pretende-se que a investigação em curso, em particular no âmbito do Projecto COLORETIM possa contribuir para o conhecimento e a divulgação dessas técnicas. 6. REFERÊNCIAS Bui, Q D; Milner, H R; Williams, J M Fibre reinforced finger joints. International Wood Engineering Conference. New Orleans, 1996 ( ) Clemente, J S Consolidação de estruturas degradadas de madeira em edifícios. 1º Simpósio Nacional sobre Materiais e Tecnologias na Construção de Edifícios. IST, Lisboa, 1995 Coureau, J L; Niandou, H; Morlier, P Local reinforcement of structural element by composite material. 1rst RILEM Symposium on Timber Engineering. Estocolmo, Set ( ) Haller, P; Wehsener, J Use of technical textiles and densified wood for timber joints. Proceedings 1st RILEM Symposium on Timber Engineering. Estocolmo, Set ( ). Larsen, H; Gustafsson, P Glass fibre reinforcement perpendicular to grain. Pacific Timber Engineering Conference, Australia, 1994 ( ) Mettem, C J; Bainbridge, R J; Harvey, K; Ansell, M P; Broughton, J G; Hutchinson, A R Evaluation of material combinations for bonded in rods to achieve improved timber connections. CIB/W18 meeting 32th, Austria, (CIB/W18/32-7)