REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS

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1 REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS António Costa Instituto Superior Técnico

2 OBJECTIVO DAS INTERVENÇÕES DE REABILITAÇÃO Eliminar / corrigir anomalias existentes nas estruturas Melhorar o desempenho das estruturas Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado - Comportamento estrutural deficiente capacidade resistente funcionamento inadequado deformações elevadas fendilhação excessiva Reforço - Deterioração dos materiais betão aço Reparação

3 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado - Comportamento estrutural deficiente capacidade resistente Cargas verticais Acções horizontais

4 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado funcionamento inadequado

5 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado deformações elevadas

6 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado fendilhação excessiva

7 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado - Deterioração dos materiais Ataque químico do betão - Reacções expansivas álcalis-agregados reactivos sulfatos - Acção da água do mar Corrosão das armaduras -Carbonatação -Cloretos

8 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado Ataque químico do betão Reacções álcalis-sílica Exemplo: Viaduto Duarte Pacheco Arco Pilares

9 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado Acção da água do mar Exemplo: Pontes Cais

10 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado Corrosão das armaduras - Carbonatação Corrosão uniforme - processo lento dezenas de anos

11 Principais Anomalias das Estruturas de Betão Armado Corrosão das armaduras - Cloretos Corrosão localizada - processo rápido alguns anos

12 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO Enquadramento Avaliação do comportamento das estruturas Concepção e dimensionamento do reforço Tipos de reforço estrutural

13 Enquadramento A intervenção numa estrutura existente com o objectivo de melhorar ou corrigir o seu comportamento estrutural está geralmente associada às seguintes situações: Alteração das acções actuantes Ex: Aumento das acções actuantes devido a uma nova utilização Adequação do nível de segurança da estrutura para as acções especificadas na nova regulamentação (p.e. sobrecargas rodoviárias e ferroviárias) Alteração geometria da estrutura ou modificação do sistema estrutural Ex: necessidade de eliminar elementos estruturais Correcção de anomalias associadas a deficiências de projecto de execução ou de exploração Ex: Deficiente capacidade resistente para as acções previstas Deficiente comportamento em serviço (fendilhação, deformação, vibração,...) Danos causados por uma utilização não prevista da estrutura. Aumento do nível de segurança Ex: melhorar o comportamento estrutural para a acção sísmica de obras antigas

14 Enquadramento Principais dificuldades Informação relativa ao projecto, execução e exploração das obras difícil de obter e, frequentemente, inexistente. Com excepção de alguns tipos de intervenção, verifica-se uma ausência genérica de regulamentação sobre reforço de estruturas. Ausência de documentação de apoio que trate de forma integrada o projecto e execução do reforço nas suas diversas componentes: metodologias de intervenção, dimensionamento, procedimentos de execução, especificação e controlo de qualidade. Dificuldades relativas à análise estrutural e avaliação da segurança das obras a reforçar e ao dimensionamento do próprio reforço. Em obras de reforço cada caso constitui uma situação particular com as suas próprias especificidades, sendo difícil encontrar na literatura situações semelhantes.

15 Enquadramento Geral de uma Intervenção de Reforço Avaliação da situação Inspecção Registo e análise das anomalias Avaliação do comportamento estrutural Diagnóstico Causas e explicações das anomalias Definição dos objectivos a atingir com a intervenção Selecção do Tipo de Intervenção Demolição Total ou Parcial Limitar o Uso Substituir ou Introduzir Novos Elementos Reparar os Elementos Danificados Reforçar os Elementos Existentes Projecto e Execução do Reforço Concepção e Dimensionamento do Reforço Definição das Especificações Técnicas Controlo de Qualidade

16 Avaliação da situação 1 Recolha de informação Elementos do projecto Desenhos Cálculos Especificações técnicas Elementos de Obra Controlo de qualidade Livro de registo de obra Alterações ao projecto Planos de betonagem. Exploração da Obra Acções actuantes Manutenção e reparação.

17 Avaliação da situação 2 Inspecção Visual Exame visual da superfície do betão qualidade do betão defeitos de execução fendilhação deformação deterioração erros de concepção e execução Percepção do funcionamento estrutural deficiente utilização tipos de apoios existentes. Registo de danos danos estruturais deterioração do betão corrosão das armaduras.

18 Avaliação da situação 3 Inspecção detalhada Dependendo do tipo e extensão das anomalias observadas pode ser necessário efectuar uma inspecção visual mais minuciosa e realizar diversos tipos de ensaios. Principais aspectos a analisar: Verificação das dimensões dos elementos estruturais (relação projecto/obra) Propriedades mecânicas do betão e do aço Resposta estática e dinâmica da estrutura Avaliação do nível e tipo de deterioração da obra Avaliação das condições de fundação

19 Avaliação da situação 4 Avaliação da segurança da estrutura Definição do modelo de comportamento estrutural Verificação aos estados limites últimos Verificação aos estados limites de utilização Analisar duas situações: Capacidade da estrutura para cumprir as exigências para as quais foi projectada Capacidade da estrutura para cumprir as novas exigências de exploração

20 Avaliação do Comportamento Estrutural REGULAMENTAÇÃO ANTIGA Regulamentação no domínio das acções 1897 Regulamento para projecto, provas e vigilância das pontes metálicas 1929 Dec Regulamento das pontes metálicas (diversas alterações até 1958) 1958 Dec Regulamento de Segurança das Construções Contra os Sismos 1961 Dec Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes 1983 Dec. 235/83 Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes

21 Avaliação do Comportamento Estrutural SOBRECARGAS EM EDIFICIOS Regulamento do Betão Armado (RBA) Casas de habitação 200 kg/m 2 Escritórios 300 kg/m 2 Edifícios públicos 400 kg/m 2 Salas de espectáculo, kg/m 2 Garagens públicas 600 kg/m Regulamento de Segurança e Acções (RSA) Casas de habitação kg/m 2 Escritórios 300 kg/m 2 Edifícios públicos 300 / 400 kg/m 2 Salas de espectáculo, / 600 kg/m 2 Garagens públicas 500 kg/m Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes (RSEP) Casas de habitação 200 kg/m 2 Escritórios 300 kg/m 2 Edifícios públicos 300 / 400 kg/m 2 Salas de espectáculo, / 600 kg/m 2 Garagens públicas 600 kg/m 2 Conclusão: Não existem alterações significativas no que se refere às sobrecargas para dimensionamento de edifícios

22 SOBRECARGAS EM PONTES Regulamento Regulamento das Pontes Metálicas 1897 Sobrecarga Rodoviária Sobrecarga uniforme 400 kg/m 2 (l > 30m) Para l < 30 m: sobrecarga mais elevada numa faixa com 2.5 m Veículos de 12 ton com 4 rodas Regulamento das Pontes Metálicas 1929 (alterado em 1958) Sobrecarga uniforme variável com o vão 500 kg/m 2 x coef. dinâmico 400 kg/m 2 no passeio Veículos de 32 ton (alterado em 1958 para 60/45/30 ton para as classes A, B e C) RSEP 1961 Sobrecarga uniforme 300 kg/m 2 Carga de faca 5 ton/m Veículos de 60/45/30 ton para as classes A, B e C (coef. dinâmico 1.2) RSA 1983 Sobrecarga uniforme 4 kn/m 2 Carga de faca 50 kn/m Veículos de 600/300 kn para as classes I e II

23 ACÇÃO SÍSMICA Regulamento de Segurança das Construções Contra os Sismos Acção sísmica tratada como força estática equivalente F h = c W c coeficiente sísmico

24 ACÇÃO SÍSMICA Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes Acção sísmica tratada como força estática equivalente F h = c W

25 ACÇÃO SÍSMICA Regulamento de Segurança e Acções Determinação dos efeitos da acção sísmica - Métodos de análise dinâmica - Forças estáticas equivalentes D Zonamento sísmico mais detalhado Natureza do terreno 3 tipos Introdução dos coeficientes de comportamento C B f [Hz] β Coeficientes sísmicos Ex. Zona A, terreno II, η= A

26 ACÇÃO SÍSMICA Eurocódigo 8 (2010) Determinação dos efeitos da acção sísmica - Métodos de análise dinâmica (linear e não linear) - Forças estáticas equivalentes (linear e não linear) Sismo próximo Zonamento sísmico muito mais detalhado Natureza do terreno 5 tipos Coeficientes de comportamento definidos com maior rigor

27 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Faro 4,0 3,5 3,0 2,5 *RSA EC8 / 1.5* 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

28 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Lisboa 4,0 3,5 3,0 2,5 EC8 / 1.5*R RSA 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

29 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Évora 4,0 3,5 3,0 2,5 EC8 / 1.5*R RSA 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

30 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Santarém 4,0 3,5 3,0 2,5 *RSA EC8 / 1.5* 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

31 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Coimbra 4,0 3,5 3,0 2,5 *RSA EC8 / 1.5* 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

32 ACÇÃO SÍSMICA Comparação EC8 - RSA Porto 4,0 3,5 3,0 2,5 EC8 / 1.5*R RSA 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Período (s) Env EC8 (terreno A) / Env 1.5*RSA (terreno I) Env EC8 (terreno D) / Env 1.5*RSA (terreno III) Env EC8 (terreno C) / Env 1.5*RSA (terreno II)

33 Avaliação do Comportamento Estrutural Regulamentação no domínio das estruturas de betão armado 1918 Dec de 28/3/1918 Regulamento para o emprego do beton armado 1935 Dec de 16/10/1935 Regulamento do Betão Armado (RBA) 1967 Dec de 25/5/1967 Regulamento de Estruturas de Betão Armado (REBA) 1983 Dec. 349-c/83 de 30/7/1983 Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado (REBAP)

34 1918 Regulamento para o emprego do beton armado Dec de 28/3/1918 Preparado pela Associação dos Engenheiros Civis Portugueses Necessidade de regulamentar as construções de beton que tinham uma grande aplicação Obrigatoriedade de aprovação do projecto pelas repartições técnicas do estado ou dos corpos administrativos. Os projectos devem compreender: Memória descritiva, cálculos justificativos, desenhos cotados, indicar a qualidade dos materiais e a dosagem do beton. Betão dosagem tipo: 300kg de cimento, 400 litros de areia, 800 litros de pedra resistência mínima: 120 kg/cm 2 aos 28 dias, 180 kg/cm 2 aos 90 dias Aço resistência mínima à rotura 3800 a 4600 kg/cm 2 limite de elasticidade 50% da resistência à rotura (1900 a 2300 kg/cm 2 ) Princípios básicos do betão armado Critérios de segurança Tensões limites: betão 40 kg/cm 2 ; aço 1100 kg/cm 2 (1400 nos aços melhores) Execução de trabalhos Recobrimentos - 20 mm (vigas e pilares em geral) - 40 mm (protecção contra o fogo e o ataque da água do mar)

35 1935 Regulamento do Betão Armado RBA Dec de 16/10/1935 Preparado por uma Comissão nomeada pelo Ministério das Obras Públicas e Comunicações Análise da Regulamentação Europeia (Reg. Francesa, Belga, Suiça, Italiana, E.U.A., Alemanha, ) Materiais Betão Bases de Cálculo dosagem tipo: 300kg de cimento, 400 litros de areia, 800 litros de pedra resistência mínima: 180 kg/cm 2 aos 28 dias Aço resistência mínima à rotura 3700 kg/cm 2 limite de elasticidade 60% da resistência à rotura (2220 kg/cm 2 ) Acções em edifícios (cargas) Cálculos de Resistência - Tensões admissíveis (limites de fadiga) Betão: 40 a 50 kg/cm 2 (edifícios) ; 30 a 60 kg/cm 2 (pontes) dependendo da resistência do cimento e do tipo de elemento estrutural Aços: 1200 kg/cm 2 (até1500 kg/cm 2 nos aços de maior resistência) Modelação: análise linear Lajes - indicações pormenorizadas

36 RBA Varões lisos

37 1967 Regulamento de Estruturas de Betão Armado REBA Dec de 20/5/1967 Nova concepção da verificação da segurança em relação a estados de ruína Conceitos de valores característicos, valores de cálculo das propriedades mecânicas dos materiais, solicitações de cálculo, resistências de cálculo Aços novos aços, introdução das classes de resistência e dos varões de alta aderência A24/A40/A50/A60 Betão introdução das classes de resistência Bases de Cálculo B180 B400 -Cálculo da Resistência - Estados de Rotura Liso/Nervurado - Diagramas tensões-extensões não lineares para o betão - Extensão limite de 10 para as armaduras - Modelação - Conceitos de análise não linear, redistribuição de esforços, cálculo plástico - Recobrimentos - baixos - Evolução nos modelos de comportamento do betão armado

38 1967 Regulamento de Estruturas de Betão Armado REBA ACÇÕES (RSEP) Solicitações permanentes peso dos elementos, revestimentos, equipamentos fixos Solicitações acidentais habituais sobrecargas, vento habitual, neve, temperatura, retracção, fluência,.. Solicitações acidentais excepcionais vento excepcional (ciclónico), sismos COMBINAÇÃO DE ACÇÕES Combinações tipo I solicitações permanentes e acidentais habituais Combinações tipo II solicitações permanentes e acidentais excepcionais COEFICIENTES DE MAJORAÇÃO DAS SOLICITAÇÕES Combinações tipo I γ S = 1.5 Combinações tipo II γ S = 1.0 COEFICIENTES DE MINORAÇÃO DOS MATERIAIS Betão γ m = 1.5 Aço γ m = 1.15

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40 1983 Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado REBAP Estruturas Pré-Esforçadas, tratadas de forma unificado (Betão Armado Pré-Esforçado) Sistema Internacional de Unidades e Simbologia (ISO3898) Conceito de Níveis de Tolerância da Execução dos Trabalhos e Controlo da Qualidade Disposições Construtivas mais detalhadas e Conceito de Estruturas de Ductilidade Melhorada cintagem adequada nos pilares E.L.U. do Punçoamento Redes Electrosoldadas Conceito de durabilidade ainda não suficientemente desenvolvido (assim como recobrimento insuficientes)

41 ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935) E REBAP (1983) FLEXÃO SIMPLES

42 ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935) E REBAP (1983) ESFORÇO TRANSVERSO

43 ANÁLISE COMPARATIVA REBA (1967) E REBAP (1983) ELEMENTOS COM ARMADURAS TRANSVERSAIS ELEMENTOS SEM ARMADURAS TRANSVERSAIS τ = V V bd τ 1,bd 2.0 V - LAJES B 300 REBA V cd = τ 0 bd τ 0 = 1.5MPa REBAP V cd = 0.6 τ 1 (1.6 d) bd 0.6 d [m] τ 1 = 0.75MPa

44 ANÁLISE COMPARATIVA REBA (1967) E REBAP (1983) FLEXÃO COMPOSTA FLEXÃO SIMPLES

45 ANÁLISE COMPARATIVA REBAP - EC2 FLEXÃO SIMPLES

46 ANÁLISE COMPARATIVA REBAP - EC2 FLEXÃO COMPOSTA

47 ANÁLISE COMPARATIVA REBAP - EC2 Esforço Transverso sem armaduras transversais (B35 e A400) (Influência da % de armadura longitudinal) cd ) V Rd / (b w d f c REBAP EC2 (Asl = 0,5%) EC2 (Asl = 1,0%) EC2 (Asl = 1,5%) EC2 (Asl = 2,0%) d (m)

48 ANÁLISE COMPARATIVA REBAP - EC2 V Rd com armaduras transversais (B35 e A400) 0,8 0,6 V Rd / (b w d f cd ) 0,4 REBAP EC2 (t et a = 22º) EC2 (t et a = 30º) EC2 (t et a = 45º) 0,2 0,0 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 A sw / (s b w )

49 ANÁLISE COMPARATIVA REBAP - EC Punçoamento centrado - Capacidade resistente (B35 e A sl = 1,0%) 2500 kn) VRd (k REBAP (a = 0,2m) EC2 (a = 0,2m) REBAP (a = 0,4m) EC2 (a = 0,4m) REBAP (a = 0,6m) EC2 (a = 0,6m) ,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 d (m)

50 Regulamento Betões Aços Recobrimentos Cálculo 1918 Regulamento para o Emprego do Beton Armado Dec de 28/ Regulamento do Betão Armado Dec de 16/ Regulamento de Estruturas de Betão Armado dosagem c = 300Kg ag = 400 l br = 800 l σ 120Kg/cm 2 (28d.) 180Kg/cm 2 (90d.) apiloamento/cura húmida 7 d. dosagem σ 180Kg/cm 2 (28d.) apiloamento ou vibração cura húmida 8 d. B180/225/300/350/400 f ck (Kgf/cm 2 ) Dec de 20/5 + RBLH (Dec. 404/71 de 23/6) 1983 Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré- Esforçado Dec. 349 c/83 de 30/ Eurocódigo 2 Parte 1 Projecto de Estruturas de Betão DNA Betões Tipo B/BD B15/...B55 f ck (MPa) + RBLH cura húmida controlo A/C... C12/15;... C90/105 f ck (MPa) + EN 206 cil/cubos f su = 3800 a 4600 Kgf/cm 2 f sy f su /2 ε u = 22% evitar soldaduras f su = 3700 Kgf/cm 2 f sy 0.6 f su ε u = 24% evitar soldaduras A24/A40/A50/A60 f sk Kgf/mm 2 (Liso/Nervurado) + Doc Homol LNEC A235/A400/A500 f sk (MPa) + Esp LNEC A400/A500 + Esp LNEC + EN e C 1.5 2cm (vigas/pil.) 1cm (lajes) C duplo junto ao mar prot. fogo lajes viga/pil. C (ar livre) 2.0 Líquidos, t 4.0 ág. mar 4cm C ñ.protegid C corrosão/fogo... Tipo Ambiente B C Pouco agress Moder agress Muito agress Classes Exposição X0; XC; XS; XD; XF; XA C = 15 a 65mm Qualidade do betão de recobrimento Tensões (Fadiga) Limites Admissíveis Tensões Admissíveis Estados Limites + RSEP (Tipo I/II) Estados Limites + RSA Estados Limites + EC1/EC8

51 Avaliação do Comportamento Estrutural MODELOS DE ANÁLISE E.L. Utilização Modelo elástico linear com K ajustado S ELÁSTICO LINEAR E.L. Últimos Modelo elástico linear Modelo elástico linear com redistribuição de esforços PLÁSTICO LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS Modelo plástico Modelo não linear NÃO LINEAR δ

52 MODELOS DE ANÁLISE Exemplos: ANÁLISE ELÁSTICA COM REDISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS E 2 E 1

53 MODELOS DE ANÁLISE Exemplos: ANÁLISE PLÁSTICA Carga última de uma viga

54 Exemplos: ANÁLISE PLÁSTICA Carga última de uma laje

55 MODELOS DE ANÁLISE Exemplo: Avaliação da segurança do tabuleiro de uma ponte VIGAS LONG.

56 MODELOS DE ANÁLISE Anomalias

57 MODELOS DE ANÁLISE Análise estrutural Verificação da segurança Momentos flectores - Análise elástica (carga permanente) -200 KNm 327 KNm -628 KNm Esforços axiais - Análise elástica 736 KN -787 KN

58 MODELOS DE ANÁLISE Análise estrutural Verificação da segurança Momentos flectores - Análise elástica c/ redistribuição de esforços -390 KNm 0 KNm KNm Esforços axiais - Análise elástica c/ redistribuição de esforços 836 KN -911 KN

59 MODELOS DE ANÁLISE Análise Não Linear Modelo de Elementos Finitos Fendilhação (carga permanente)

60 MODELOS DE ANÁLISE Momentos flectores [MNm] (carga permanente) 2.438E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-01 Esforços axiais [MN] E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+00

61 MODELOS DE ANÁLISE Análise Não Linear avaliação da capacidade de carga - Configuração de rotura (CP x VT) VT

62 Consideração do efeito do nível de danos na avaliação da segurança [CEB-Bul. 162] Método simplificado Em função do tipo e nível de danos da estrutura são estabelecidos coeficientes empíricos para redução da resistência e rigidez: Coeficientes r R e r k r R = R res R i r k = K res K i R res resistência residual R i resistência inicial K res rigidez residual K i rigidez inicial

63 Danos provocados por sismos r = R res / R i R Construção Nível A Nível B Nível C Nível D Nova Antiga r K = K res / K i = 80% r R Níveis de danos nos pilares Danos severos Dano os ligeiros

64 Danos provocados por sismos Nível A fissuras de flexão isoladas com larguras inferiores a 1 2 mm, desde que um cálculo simples demonstre que estas fissuras não são devidas a deficiência da armadura para as acções de dimensionamento, mas sim devidas a efeitos localizados (juntas de construção, restrições devidas a paredes divisórias, choques ligeiros, acções térmicas iniciais, retracções, etc.). Nível B várias fissuras de flexão largas, ou fissuras de corte diagonais isoladas com larguras inferiores a cerca de 0.5 mm, não existindo deslocamentos residuais. Nível C fissuras de corte bi-diagonais e/ou esmagamento localizados no betão devidos a corte e compressão, não existindo deslocamentos residuais apreciáveis; ocorrência de fendilhação em nós de ligação viga/pilar. Nível D rotura do núcleo de betão do elemento, encurvadura dos varões (o elemento perdeu a continuidade mas não colapsou), existindo apenas pequenos deslocamentos residuais (verticais e horizontais); ocorrência de danos severos em nós de ligação pilar/viga. Nível E colapso parcial de um ou mais elementos verticais. Nota: se as condições relativas aos deslocamentos residuais não forem cumpridas num dado nível de dano, este é aumentado para o nível seguinte.

65 Danos provocados por incêndios Construção r R = R res / R i Nível A Nível B Nível C Nível D Nova Antiga r K = K res / K i = 80% r R Níveis de danos nos pilares Danos severos Dano os ligeiros

66 Danos provocados por incêndio Nível A sem danos, excepto algum descasque mínimo do acabamento e/ou do betão. Nível B acabamento bastante afectado, algum descasque do betão; microfissuração generalizada da superfície do betão e eventual cor rosada, o que dependerá dos agregados. Nível C arranque generalizado do acabamento, descasque significativo do betão e eventual cor cinzento avermelhado/esbranquiçado; os varões ainda estão aderentes ao betão, sem que mais que um varão no caso de pilares ou até 10% da armadura principal no caso de vigas e lajes, tenha encurvado. Nível D danos severos, descasque generalizado do betão deixando à vista praticamente toda a armadura; o betão possui uma cor amarelo acastanhado; mais do que um varão no caso de pilares ou até 50% da armadura principal no caso de vigas e lajes encurvou, podendo existir distorção dos pilares; eventuais fissuras de corte com poucos mm de largura dos pilares; eventuais fissuras de flexão/corte com vários mm de largura nas vigas e lajes e possíveis flechas apreciáveis. Nível E colapso parcial de elementos verticais.

67 Danos provocados por corrosão de armaduras Nível A manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudinal, perda de secção de armadura 1%. Nível B manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudinal e transversal, algum descasque do betão, perda de secção da armadura a 5%. Nível C manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque significativo do betão, perda de secção da armadura a 10%. Nível D manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque do betão em algumas zonas deixando a armadura à vista, perda de secção da armadura a 25%, eventuais deslocamentos residuais. Nível E manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque do betão em algumas zonas deixando a armadura à vista, encurvadura da armadura em pilares, rotura de algumas cintas e estribos, deslocamentos residuais nítidos. Idade do Betão r R = R res /R i Nível A Nível B Nível C Nível D Novo Velho r k = K res /K i = 80% r r

68 Classificação dos elementos estruturais [CEB GTG21] Coeficiente de capacidade: φ = R ' d S ' d R ' d S ' d Esforço residual resistente Esforço actuante Aceitáveis φ 1 Toleráveis 0.5 < φ < 1 Não aceitáveis φ 0.5 Não reparáveis φ << são aceitáveis sob certas condições, tendo em atenção aspectos sociais, históricos e económicos. No caso de estruturas correntes a reparação/reforço deverá ser realizada dentro de 1 a 2 anos. é necessário intervir de imediato devem ser demolidos Em função da importância e tipo de utilização da estrutura e do nível de danos verificado serão definidos os tipos de intervenção a implementar.

69 Concepção e Dimensionamento do Reforço Aspectos a considerar : Concepção da Intervenção Reforço Selectivo Minimizar a intervenção explorando de forma eficiente a ductilidade e a capacidade resistente da estrutura

70 Concepção e Dimensionamento do Reforço Dimensionamento do Reforço Métodos simplificados Método dos coeficientes globais Modelos numéricos completos - simulação das tensões iniciais dos materiais existentes - simulação dos mecanismos de transferência de tensões entre os materiais de reforço e os existentes

71 Método dos coeficientes globais 1 Determinação da resistência como se a estrutura fosse monolítica e sem danos: R i 2 Aplicar coeficiente de monolitismo γ n,r : R r = γ n,r R i γ n,r a título indicativo função da tecnologia de reforço Valores Responsabilidade do projectista 3 Verificar a ligação entre o material de reforço e o elemento existente τ Sd τ Rd σ Sd σ Rd

72 MODELO DE COMPORTAMENTO ESTADO LIMITE ÚLTIMO DE FLEXÃO VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA: Método coeficientes globais M sd < M rd = M rd + M rd M rd = γ n,r M rd (A s + A sr )

73 MODELO DE COMPORTAMENTO E. L. ÚLTIMO DA LIGAÇÃO DA ARMADURA DE REFORÇO À ESTRUTURA O dimensionamento pode ser realizado adoptando um modelo plástico ou modelo elástico dependendo da ductilidade da ligação Modelo elástico Modelo plástico 4F SR l 0

74 Avaliação das tensões na interface da ligação Modelo elástico A B τ Tensões de corte na interface p2 (x3) p2 (x3) x3 x1 A B As A 0 é a área da secção acima da interface; S 0,1 é o momento estático da área A 0 em relação ao eixo x 1 ; I 1 é o momento de inércia da secção em relação ao eixo x 1. x2 τ = σ 23 = V S 2 I b 1 0,1 x2 As tensões de corte na interface variam linearmente com o esforço transverso

75 Avaliação das tensões na interface da ligação Estado fendilhado Hipótese 1 Interface abaixo da linha neutra Equilibrio: F c + dr (F c + df c ) = 0 dr = df c = dm / z dr = f.dx f.dx = dm / z f = 1/z. dm / dx = V 2 / z f V 2 τ = = b b z F c F S dx dr F S + df S F c + df c Hipótese 2 Interface acima da linha neutra Necessário calcular a variação da força de compressão na área do material de reforço A A

76 Dimensionamento das ligações 1. Ligação entre superfícies de betão existente/betão novo sem conectores Aplicação restrita Ausência de tracções Tensões de corte baixas Carregamentos monotónicos Necessidade de colocar conectores no perímetro da zona de ligação Requer um nível de controlo de qualidade elevado Preparação de superfícies Composição do betão baixa retracção Cura do betão A ligação é feita por ADERÊNCIA Aderência Adesão (natureza química) Atrito (natureza física)

77 Adesão τ rd,a = η f' ctd f' ctd tensão de rotura à tracção do betão existente η = 0.25 a 1.0 consoante o tipo de superfície [EC8-part 1.4, 1995] η = 0.2 superfícies lisas 0.4 superfícies rugosas [MC90] Atrito Interfaces lisas τ Rd,f = 0.4 σ cd [MC90; EC8] Interfaces rugosas τ Rd,f = 0.4 (f cd ) 4/3 (σ cd ) 2/3 σ cd tensão de compressão na interface τ ATRITO As parcelas de adesão e atrito não devem ser somadas directamente com os seus valores máximos pois envolvem deslizamentos diferentes na interface. ADESÃO S (deslizamento)

78 2. Ligações entre superfícies de betão existente/betão novo com conectores Ligação mais fiável Mecanismos de resistência Adesão Atrito Efeito de costura dos conectores Resistência ao corte dos conectores τ Rd = η f ctd + µ (σ cd + ρ b f syd,b ) 0.25 f cd [MC90] σs coesão atrito efeito de costura ρ b 0.10% percentagem da área dos conectores τ w σn σn σs s τ Efeito de Costura 0.6 superfícies lisas µ = 0.9 superfícies rugosas s Deslizamento entre Faces w Afastamento entre Faces τ Tensão de Corte na Interface σ s Tensão de tracção nas Armaduras Transversais à Interface σ n Tensão de Compressão sobre a Interface.

79 v Rd,i = c f ctd + µ σ n + ρ b f yd,b (µ sen α + cos α) 0.5 ν f cd [EC2] coesão atrito efeito de costura Distribuição da armadura de costura α Tipos de superfície Muito lisa Lisa Rugosa Descrição c µ Cofragem metálica; plástico; madeira lisa (Superfícies cofradas) Superfícies não cofradas ou com cofragem rugosa Superfície com rugosidade mínima de 3mm e espaçamento 40mm Indentada Indentações com geometria definida (EC2) Para cargas dinâmicas ou cíclicas os valores de C devem ser reduzidos a metade

80 Resistência ao corte dos conectores V Rd,b = φ b 2 [ 1 + (1.3 ε) ε ] f cd f syd.b (1 τ 2 ) < A s.b f syd.b 3 [MC 90] ε = 3 l φ b f cd f syd.b τ = σ π φ s.b b 2 A f s,b = syd.b 4 φ b diâmetro do conector A s,b área da secção do conector l excentricidade da carga σ s,b tensão de tracção no conector

81 3. Ligação entre superfícies de betão existente/resina/chapas metálicas sem conectores A ligação é feita por ADESÃO Adesão resina/betão Adesão resina/aço Aspectos a considerar necessário colocar conectores ou outros dispositivos de amarração nas extremidades das chapas para absorver as forças de arranque que aí se geram amarração fora das zonas críticas de potencial formação de rótulas plásticas protecção contra o fogo controlo de qualidade elevado: preparação de superfícies, resina, injecção ou colagem τ rd,g = f ' ctk γ m = f ' ctd [CEB GTG21]

82 Amarração nas extremidades [EC8] N Sd,r = A s,r f syk N Rd,g + N Rd,b,n N Rd,b,n max N sd.r N Rd.g N sd.r 2 adesão conectores N Rd.g = l g b f ctd ' l g comprimento da amarração b largura da chapa N Rd,b,n = n N Rd,b n número de conectores

83 4. Ligação entre superfícies de betão existente/resina/chapas metálicas com conectores Chapas metálicas com conectores Ligação mais fiável A ligação é feita por: Adesão resina/betão Resistência ao corte dos conectores τ Rd = τ Rd,g + τ Rd,b τ Rd,g = f ctd ' MPa [CEB GTG 21] implica 2 conectores por secção com espaçamentos 200mm Considerando que a mobilização da resistência das parcelas da adesão e conectores envolvem deslizamentos diferentes: Alternativa: τ Rd,b = γ n,r n V Rd.b A c V Rd,b resistência ao corte de cada conector n número de conectores A c área da interface γ n,r = [0.7] coeficiente de monolitismo τ Rd,g 0.5 Mpa e τ Rd,b = n V Rd.b A c [IST]

84 TIPOS DE INTERVENÇÃO DE REFORÇO ESTRUTURAL Reforço por Adição de Armaduras Exteriores Chapas Metálicas Fibras de carbono, vidro, aramida (CFRP; GFRP; AFRP) Reforço com Encamisamento (Armaduras e Betão/Argamassas) Pré-esforço Exterior Cabos de aço Laminados de carbono Substituição por Novos Elementos Adição de Novos Elementos

85 REFORÇO POR ADIÇÃO DE ARMADURAS EXTERIORES Reforço por colagem de chapas metálicas

86 Reforço por colagem de chapas metálicas Campos de aplicação Quando há deficiência de armaduras O betão é de boa/média qualidade É inconveniente o aumento das secções O reforço é moderado Reforço em vigas ao momento flector e esforço transverso Reforço em lajes ao momento flector Mais adequado para acções monotónicas (Não se aplica no reforço à compressão -tendência das chapas a encurvarem-) (Pouco eficaz para o reforço à acção sísmica)

87 Aspectos principais da solução Rapidez de execução e interferência mínima na utilização da estrutura Susceptibilidade à exposição solar, problemas de fluência para cargas permanentes, mau comportamento ao fogo e à fadiga Requer elevado controlo de qualidade: preparação de superfícies, características da resina, execução dos trabalhos,... Requer empresas e pessoal técnico especializado A espessura das chapas varia, em geral, de 3 a 10mm O aço deve trabalhar a baixas tensões por forma a não serem necessárias deformações excessivas para mobilizar a sua capacidade resistente Fe 360 A colagem é feita com resina epóxi aplicada por injecção ou por espatulamento A ligação deve ser complementada com conectores e as chapas devem ser convenientemente amarradas nas extremidades As chapas devem ser protegidas contra a corrosão e a acção do fogo.

88 Características médias da resina Resistente à compressão 80 a 120 MPa Resistência à tracção 40 a 55 MPa Resistência à tracção por Flexão 25 a 35 MPa Resistência ao corte 12 a 20 MPa Adesão Aço-Resina 1 a 6 MPa Adesão Betão-Resina 2 a 8 MPa Módulo de Elasticidade 2 a 17 GPa Coeficiente de Poisson 0.27 Coeficiente de Fluência para uma compressão de 40 MPa 12 A espessura da camada da resina de colagem deverá ser a menor possível por forma a reduzir as deformações a longo prazo por fluência (e 1 a 3 mm)

89 EXECUÇÃO 1 Escoramento - Controlar: deformação das secções; deslocamentos - Evitar colapsos durante a reparação 2 Preparação da superfície garantir ligação adequada entre as chapas e o betão a) tornar as superfícies rugosas martelo de agulhas; jacto de areia; jacto de água de alta pressão b) limpeza jacto de água 3 Colocação das chapas furação do betão; colocação dos conectores 4 Colagem das chapas selagem e injecção de resina epóxi

90 EXECUÇÃO Jacto de areia Preparação de superfícies Martelo de agulhas Jacto de água

91 EXECUÇÃO Preparação de superfícies Jacto de água de alta pressão Diferentes níveis de preparação de superfície

92 EXECUÇÃO Preparação de superfícies Jacto de areia e água

93 EXECUÇÃO Colocação e colagem das chapas

94 CONTROLO DE QUALIDADE ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA - BETÃO

95 CONTROLO DE QUALIDADE ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA CHAPA METÁLICA

96 Recomendações: REFORÇO À FLEXÃO SEM CONECTORES t s 4mm t g 2mm 50 b s 300mm COM CONECTORES t s 12mm t g 2mm 80 b s (300mm) A s,r 3/4 A s,i M Rd,r 0.5 M Rd,i M Rd,r M Rd,I L a,min b s ; 200mm γ n,k = γ n,m = 1.0 γ n,k = 0.9; γ n,m = 1.0

97 REFORÇO À FLEXÃO - Dimensionamento Modelo de comportamento Método dos coeficientes globais M rd = A s,eq Z eq f yd,i = A s,i Z i f yd,i + A s,r Z r f yd,r admitindo z 0.9 d obtém-se: M rd A s,eq 0.9 d eq f yd,i = f yd,i A s,i 0.9 d i + A s,r 0.9 f yd,r dr f yd,i f yd,i A s,r = f A d eq s,eq A d i yd,r d s,i r d r Coeficientes de monolitismo: γ n,m = 1.0 (γ n,k = 0.9)

98 Verificação da ligação Distribuição plástica das tensões de aderência Ligação sem conectores Ligação com conectores F Sd = A s,r f syd,r τ rd b s L 4 τ Rd f ctd Mais ancoragem das chapas nas extremidades F Sd = A s,r f syd,r n V Rd,b + τ Rd b s L 2 τ Rd 0.5 MPa

99 REFORÇO AO ESFORÇO TRANSVERSO Recomendações: h s h s SEM CONECTORES COM CONECTORES t s 3 mm t s 8 mm t g 2 mm t g 2 mm h s 100 t s h s 100 t s V Sd 1/2 V sd,i

100 Verificação da segurança de vigas ao esforço transverso V sd V max rd = 0.6 f cd bz sen θ cos θ V sd V rd = γ n,v ( V rd,i + V rd,r ) V rd = γ n,v 0.9 d A sw,i i s cotg θ f yd,i d A sw,r r s cotg θ f yd,r Coeficiente de monolitismo γ n,v = 0.9

101 Soluções de reforço

102 REFORÇO DE PILARES Pormenores de ligações Pormenores de ligação das armaduras nos nós

103 REFORÇO DE PILARES Ligação das armaduras à fundação Verificação da Segurança Método dos coeficientes globais A s,eq = A s,i + A s,r f yd,r f yd,i Coeficiente de monolitismo: γ n,v = 0.9

104 ENSAIO M Rd (KNm) M R,i (KNm) M R,r2 (KNm) M u (KNm)