REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS

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1 REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS Júlio Appleton; António Costa Instituto Superior Técnico 1/215

2 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO Enquadramento Avaliação do comportamento da estrutura Concepção e dimensionamento do reforço Tipos de reforço estrutural 2/215

3 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO Enquadramento Avaliação do comportamento da estrutura Concepção e dimensionamento do reforço Tipos de reforço estrutural 3/215

4 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 4/215

5 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 raro encontrar na literatura situações semelhantes. 5/215

6 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 Tipos de Intervenção Demolição Total ou Parcial Limitar o Uso Substituir ou Introduzir Novos Elementos Reparar os Elementos Danificados Reforçar os Elementos Existentes 6/215

7 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. 7/215

8 Avaliação da situação 2 Inspecção Visual Exame visual da superfície do betão qualidade do betão defeitos de execução fendilhação deformação deterioração Percepção do funcionamento estrutural erros de concepção e execução deficiente utilização tipos de apoios. Registo de danos danos estruturais deterioração do betão corrosão das armaduras. 8/215

9 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 9/215

10 Avaliação da situação 4 Avaliação da segurança da estrutura 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 10/215

11 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO Enquadramento Avaliação do comportamento da estrutura Concepção e dimensionamento do reforço Tipos de reforço estrutural 11/215

12 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) 1961 Dec Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes 1983 Dec. 235/83 Regulamento de Segurança e Acções 12/215

13 Regulamento Sobrecarga Rodoviária Regulamento das Pontes Metálicas 1897 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 13/215

14 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) 14/215

15 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 Betão dosagem tipo Princípios básicos do betão armado Critérios de segurança Tensões limites admissíveis Execução de trabalhos Recobrimentos - 20 mm (vigas e pilares em geral) - 40 mm (protecção contra o ataque da água do mar) 15/215

16 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, ) Bases de Cálculo - Acções (cargas) - Cálculos de Resistência - Tensões limites e admissíveis (limites de fadiga) - Lajes - indicações pormenorizadas - Encurvadura - Modelação: análise linear 16/215

17 RBA /215

18 RBA /215

19 1967 Regulamento de Estruturas de Betão Armado REBA Dec de 20/5/1967 Preparado por uma Comissão criada no Conselho Superior de Obras Públicas com base em trabalho preliminar do LNEC Nova concepção da verificação da segurança em relação a estados de ruína Conceitos de valores característicos, Novos tipos de aços A24/A40/A50/A60 Liso/Nervurado Betão - B180 B400 Bases de Cálculo - Cálculo da Resistência - Estados de Rotura - Modelação - Conceitos de análise não linear, redistribuição, cálculo plástico - Recobrimentos - baixos - Evolução nos modelos de comportamento do betão armado 19/215

20 20/215

21 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) 21/215

22 ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935) E REBAP (1983) FLEXÃO SIMPLES 22/215

23 ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935) E REBAP (1983) ESFORÇO TRANSVERSO 23/215

24 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 τ 1 = 0.75MPa 0.6 d [m] 24/215

25 ANÁLISE COMPARATIVA REBA (1967) E REBAP (1983) FLEXÃO COMPOSTA FLEXÃO SIMPLES 25/215

26 Regulamento Betões Aços Recobrimentos Cálculo 1918 Regulamento para o Emprego do Beton Armado Dec de 28/ Regulamento do Betão Armado Dec de 16/10 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 Regulamento de Estruturas de Betão Armado Dec de 20/ 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 2 f ck (Kgf/cm 2 ) + RBLH (Dec. 404/71 de 23/6) 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 Tensões (Fadiga) Limites Admissíveis Tensões Admissíveis 4cm C Estados Limites 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 + RSEP (Tipo I/II) Estados Limites + RSA Estados Limites + EC1/EC8 26/215

27 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO E.L. Utilização Modelo elástico linear com K ajustado E.L. Últimos Modelo elástico linear Modelo elástico linear com redistribuição de esforços Modelo plástico Modelo não linear S PLÁSTICO ELÁSTICO LINEAR LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS NÃO LINEAR δ 27/215

28 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Exemplos: ANÁLISE ELÁSTICA COM REDISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS E 2 E 1 28/215

29 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Exemplos: ANÁLISE PLÁSTICA Carga última de uma viga 29/215

30 Exemplos: ANÁLISE PLÁSTICA Carga última de uma laje 30/215

31 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Exemplo: Avaliação da segurança do tabuleiro de uma ponte VIGAS LONG. 31/215

32 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Anomalias 32/215

33 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO 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 33/215

34 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO 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 34/215

35 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Análise Não Linear Modelo de Elementos Finitos Reabilitação e Reforço de Estruturas Fendilhação (carga permanente) 35/215

36 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Momentos flectores [MNm] (carga permanente) 2.438E E E E E E E E E E E E E E E+00 Esforços axiais [MN] E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+00 36/215

37 MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO Análise Não Linear avaliação da capacidade de carga - Configuração de rotura (CP x VT) VT 37/215

38 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: Coeficiente 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 38/215

39 Danos provocados por sismos Construção Reabilitação e Reforço de Estruturas 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 ligeiros Níveis de danos nos pilares Danos severos Danos 39/215

40 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. 40/215

41 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 Danos ligeiros 41/215

42 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. 42/215

43 Danos provocados por corrosão de armaduras Reabilitação e Reforço de Estruturas 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 43/215

44 Classificação dos elementos estruturais Reabilitação e Reforço de Estruturas [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. 44/215

45 Aspectos a considerar : Reabilitação e Reforço de Estruturas Concepção e Dimensionamento do Reforço Concepção da Intervenção Reforço Selectivo Minimizar a intervenção explorando de forma eficiente a ductilidade e a capacidade resistente da estrutura 45/215

46 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 46/215

47 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 Valores a título indicativo função da tecnologia de reforço Responsabilidade do projectista 3 Verificar a ligação entre o material de reforço e o elemento existente τ Sd τ Rd σ Sd σ Rd 47/215

48 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 ) 48/215

49 MODELO DE COMPORTAMENTO Reabilitação e Reforço de Estruturas 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 49/215

50 Avaliação das tensões na interface da ligação Reabilitação e Reforço de Estruturas A Modelo elástico B τ Tensões de corte na interface p2 (x3) τ = σ 23 = V S 2 x2 I b 1 0,1 p2 (x3) x3 x1 A x2 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. Hipótese Linha Neutra acima da Interface f b V 2 τ = = b z 50/215

51 Dimensionamento das ligações Reabilitação e Reforço de Estruturas 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) 51/215

52 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) 52/215

53 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 atrito efeito de costura ρ b 0.10% percentagem da área dos conectores τ w σn σn σs s τ Efeito de Costura 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. 53/215

54 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] 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 54/215

55 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 55/215

56 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] 56/215

57 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 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 57/215

58 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] 58/215

59 TIPOS DE INTERVENÇÃO DE REFORÇO ESTRUTURAL Reforço por Adição de Armaduras Exteriores 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 59/215

60 REFORÇO POR ADIÇÃO DE ARMADURAS EXTERIORES Reforço por colagem de chapas metálicas 60/215

61 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) 61/215

62 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. 62/215

63 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) 63/215

64 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 64/215

65 EXECUÇÃO Jacto de areia Preparação de superfícies Martelo de agulhas Jacto de água 65/215

66 EXECUÇÃO Preparação de superfícies Jacto de água de alta pressão Diferentes níveis de preparação de superfície 66/215

67 EXECUÇÃO Preparação de superfícies Jacto de areia e água 67/215

68 EXECUÇÃO Colocação e colagem das chapas 68/215

69 CONTROLO DE QUALIDADE ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA - BETÃO 69/215

70 CONTROLO DE QUALIDADE ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA CHAPA METÁLICA 70/215

71 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 = /215

72 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) 72/215

73 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 2 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 73/215

74 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 74/215

75 Verificação da segurança de vigas ao esforço transverso Reabilitação e Reforço de Estruturas 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 = /215

76 Soluções de reforço 76/215

77 REFORÇO DE PILARES Reabilitação e Reforço de Estruturas Pormenores de ligações Pormenores de ligação das armaduras nos nós 77/215

78 REFORÇO DE PILARES Reabilitação e Reforço de Estruturas 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 = /215

79 ENSAIO M Rd (KNm) M R,i (KNm) M R,r2 (KNm) M u (KNm) /215

80 REFORÇO DE ESTRUTURAS COM FRP Reabilitação e Reforço de Estruturas 80/215

81 Campos de aplicação Quando há deficiência de armaduras O betão é de boa/média qualidade O aspecto estético é importante 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 Reforço de pilares por confinamento do betão Acções monotónicas em vigas e lajes Não se aplica no reforço à compressão excepto no reforço por confinamento do betão Pouco eficaz para o reforço à acção sísmica excepto no que se refere ao aumento da ductilidade 81/215

82 Aspectos principais da solução 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 de resina, execução dos trabalhos,... Requer empresas e pessoal técnico especializado O reforço é realizado com laminados ou mantas A colagem é feita com resina epóxi aplicada por espatulamento ou a rolo Resistência à tracção muito superior à do aço, ausência de corrosão, baixa densidade, dimensões contínuas Grande rapidez e facilidade de execução 82/215

83 MATERIAIS FIBRAS Material Módulo de Elasticidade [GPa] Tensão de Rotura [MPa] Extensão Última [%] Carbono Alta resistência Res. ultra elevada E elevado E ultra elevado Vidro E S Aramida E baixo E elevado LAMINADOS Incorporam cerca de 50 70% de fibras (em volume) Espessura: mm E f = 150 / 200 / 300 GPa MANTAS Incorporam cerca de 25 35% de fibras Espessura: 200 g/m mm 300 g/m mm E f = 240 / 390 / 640 GPa 83/215

84 LAMINADOS 84/215

85 MANTAS 85/215

86 REFORÇO À FLEXÃO E ESFORÇO TRANSVERSO LAMINADOS LAMINADOS E MANTAS 86/215

87 Tipos de Rotura Reforço à Flexão Arrancamento na zona de ancoragem Arrancamento devido a fendas de corte 87/215

88 Arrancamento nas fendas de flexão Reabilitação e Reforço de Estruturas Outros tipos de rotura Rotura por corte na extremidade do reforço Arrancamento devido a Imperfeições no suporte 88/215

89 Documentos de referência: DIMENSIONAMENTO Reabilitação e Reforço de Estruturas Bulletin 14 fib Bulletin 55 Concrete Society ACI 440 Japanese Standard ISIS - Canadá S&P Bases para o dimensionamento: Modelos analíticos ou semi-empíricos Calibração dos modelos com trabalhos experimentais Hipóteses semelhantes às utilizadas em B.A. Filosofia de verificação baseada em Estados Limites 89/215

90 DIMENSIONAMENTO Coeficientes de Segurança Reabilitação e Reforço de Estruturas Bulletin 14 FIB Factores de segurança γ M Tipo de sistema Sistemas Sistemas FRP Pré-fabricados "in situ" CFRP 1,2 1,35 ACI Quadro Valores de C E (ACI ) Condições de exposição Ambientes interiores Ambientes exteriores Ambientes agressivos Factor C E Sistemas CFRP 0,95 0,85 0,85 Os valores nominais da resistência à flexão, M n e ao corte, V n são ainda multiplicados por um factor φ K global 0.8 γ M /215

91 fib bulletin 14 - Abordagem 1 DIMENSIONAMENTO Zonas afastadas da ancoragem Limitação da extensão última das fibras de CFRP ε f,lim 0.65% a 0.85% Zona de ancoragem Reabilitação e Reforço de Estruturas As A f A f E f ε f,lim l b,máx = [mm] Ef t 2 f f ctm T = α 0,64 b K K E t f m, máx f b c f f ctm 91/215

92 α = factor de redução que tem em conta a influência das fendas de corte na resistência da aderência (α =1 em lajes e vigas com resistência inicial ao esforço transverso suficiente) K b - factor que tem em conta a influência da geometria da zona de ancoragem K = 1,06 (2 - b / b) /(1 + b b f f / 400) 1 K b 1.29 b f / b 0.3 K c Condições Exemplo 1 Muito boas Condições de laboratório Boas Ambientes fechados, boas condições de trabalho Normais Ambientes abertos, boas condições de trabalho Más Ambientes poeirentos, húmidos, más condições de trabalho 92/215

93 Ensaios de ancoragens de laminados Existe um comprimento de ancoragem máximo a partir do qual a força resistente da ancoragem não aumenta mais 93/215

94 Abordagem 1 Outros documentos S&P, 2008 ε f,lim = 0.75% para E f = 150 Gpa ε f,lim = 0.65% para E f = 200 Gpa Japanese standard ε f,lim = 0.4 a 0.8% depende de E f ACI 440 ne t f f ε f, lim = 1 ε ε = ne t f, lim f f ε fu fu para n E f t f para n E f t f Reforços com maior rigidez, menor ε f,lim 94/215

95 Abordagem 1 Método baseado em observações experimentais Não considera as propriedades do CFRP (espessura e área de colagem), do betão, espaçamento entre fendas, etc Diferentes autores diferentes valores sugeridos Apenas o ACI têm explicitamente em conta a rigidez dos sistemas CFRP Zona de ancoragem Método calibrado apenas para sistemas Laminados 95/215

96 fib bulletin 14 - Abordagem 2 Espaçamento entre fendas de flexão; Variação de tensão no CFRP entre duas fendas ( σ fd ); Comparação com valor admissível da variação de tensão (máx σ fd ); É um método fundamentado Sistemas laminados ε f,lim 2,6 o / oo Aplicação prática complexa 96/215

97 fib bulletin 14 - Abordagem 3 Zona de Ancoragem = abordagem 1 Zona de flexão - ε f < ε fu - (Extensão última do laminado) - Tensão de corte na ligação τ b f cbd valor limite - tensão de corte na ligação - τ b Armadura fora da cedência: ε s < ε yd τ b = Vd A E s1 s 0.95db 1 f + A E f f f cbd Armadura em cedência: ε s > ε yd τ b = Vd 0.95db f f cbd Tensão resistente de aderência: f cbd = 1.8 f ctk /γ c Expressões de fácil aplicação Considera um maior número de parâmetros relacionados com o arrancamento: A s, A f, E s, E f, b f Constata-se alguma coerência com o proposto pelo ACI 440 Por vezes conduz a valores com tendência conservativa. e f cbd 97/215

98 Reforço à Flexão Proposta Zonas afastadas da ancoragem Limitação da extensão última das fibras de CFRP ε f,lim 0.65% Tensão de corte na ligação τ b f cbd Armadura fora da cedência: ε s < ε yd τ b = V s1 s 0.95db f 1 A E + f f d + A E f cbd Armadura em cedência: ε s > ε yd τ b = Vd 0.95db f f cbd Tensão resistente de aderência: f cbd = 1.8 f ctk /γ c Zona de ancoragem l b,máx = E t f 2 f f ctm T = α 0,64 b K K E t f m, máx f b c f f ctm 98/215

99 Reforço ao Esforço Transverso Reabilitação e Reforço de Estruturas Adaptação dos modelos utilizados para armaduras V Rd = V wd + V fd - Armaduras V wd = (A s /s) f yd z cotg θ - Reforço CFRP contínuo V fd = (2 t f ) E f ε fd,e z (cotgθ + cotgα ) senα 99/215

100 - Reforço CFRP espaçado V fd = (2 t f b f / s f ) E f ε fd,e z (cotgθ + cotgα ) senα Extensão efectiva de cálculo: ε fd,e = ε fk,e / γ f γ f = 1.2 laminados γ f = 1.35 mantas 100/215

101 ε f,e pode ser determinada por: (fib bulletin 14) Reforço envolvendo a secção 2/3 0.3 f f, e = 0.17 ε fu E fuρ f cm ε ρ f = (2t f /b w ) sen α ρ f = (2t f /b w ) b f /s f Reforço contínuo Reforço espaçado Reforço em forma de U ε f = min 0.65 E ρ fu 2/ / cm 3 cm 10, ε f, e fu f f 0.17 E ρ fu f f cm E fu [MPa] [GPa] descolamento rotura Proposta: ε fk,e 0.6 % ACI 440: ε fk,e 0.4 % 101/215

102 Ensaios sistema laminados L 102/215

103 Beam T3 103/215

104 104/215

105 Sistema laminados L 105/215

106 Reforço de Pilares Reabilitação e Reforço de Estruturas 106/215

107 Reforço de Pilares por Confinamento do Betão 107/215

108 Aplicação de mantas de carbono no confinamento de pilares 108/215

109 Reforço com Mantas CFRP Pilar com dano originado por corrosão de armaduras Secção tipo do estado actual Secção tipo reparada 109/215

110 Reforço de pilares por confinamento do betão juntas de betonagem 20,00 18,00 16,00 14,00 fc (MPa) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 Sem reforço 3 camadas 2 camadas camada 3 2,00 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 εc (%) 110/215

111 ENSAIOS Reforço à Flexão Reabilitação e Reforço de Estruturas VIGA DE REFERÊNCIA 111/215

112 VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS CFRP 112/215

113 VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS E MANTAS CFRP 113/215

114 VIGA REFORÇADA COM CHAPAS METÁLICAS E MANTAS CFRP 114/215

115 Montagem do ensaio 115/215

116 Rotura do reforço por corte na ligação à viga interface betão/armadura- 116/215

117 Viga reforçada com laminados e mantas U 117/215

118 Viga reforçada com chapas metálicas 118/215

119 RESULTADOS DOS ENSAIOS Gráfico P- δ a meio vão das 4 vigas Viga ε,máx (x10-3 ) CFRP 7,4 CFRP + U 8,9 P (kn) 360,0 340,0 320,0 300,0 280,0 260,0 240,0 220,0 200,0 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 CFRP e U CFRP Referência Chapa e U δ (mm) 119/215

120 REFORÇO DE PILARES PARA ACÇÕES CÍCLICAS POR CONFINAMENTO DO BETÃO COM CFRP Resposta de um oscilador à acção sísmica Resposta elástica Maior confinamento maior ductilidade maior capacidade de dissipação Resposta inelástica 120/215

121 ENSAIOS EXPERIMENTAIS Ref. Comportamento de pilares de betão armado reparados ou reforçados com encamisamento local António Cardoso, IST, /215

122 EXECUÇÃO DO REFORÇO Preparação da superfície Aplicação do sistema de reforço com mantas de fibras de carbono 122/215

123 Diagramas carga deslocamento P1 Pilar de referência P3 Pilar danificado, reparado com argamassa e reforçado com duas camadas de fibra de carbono 123/215

124 P4 Pilar reforçado com duas camadas de fibra de carbono P7 Pilar reforçado com quatro camadas de fibra de carbono 124/215

125 Energia dissipada acumulada [knm] 125/215

126 REFORÇO COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS Metodologias a) Método Indirecto: Aplicação de contra-flecha à estrutura Reabilitação e Reforço de Estruturas 1) Aplicar força vertical para cima utilizando grandes macacos hidráulicos. 2) Colar o FRP à estrutura. 3) Retirar os macacos hidráulicos. Não é fácil de controlar o nível de PE instalado A relação PE instalado vs esforço para aplicar contra-flecha à estrutura em geral não compensa 126/215

127 Metodologias b.1) Método Directo: PE do FRP contra uma estrutura auxiliar Reabilitação e Reforço de Estruturas 1) Colar as extrem. do FRP em ancoragens e aplicar o PE num pórtico auxiliar. 2) Aplicar o FRP PE à estrutura. Deixar o pórtico aux. até a resina endurecer. 3) Cortar o FRP PE das ancoragens e transferir o PE para a estrutura. Fácil de aplicar em pequenas estruturas Necessita de pórtico auxiliar de grandes proporções em estruturas de grande porte 127/215

128 Metodologias b.2) Método Directo: PE do FRP contra a própria estrutura 1) Montar ancoragens na estrutura. 2) Aplicar PE no FRP. As ancoragens são uma vantagem para contrariar o arrancamento prematuro por corte do FRP Este método só necessita de equipamento mais leve pelo que o torna mais versátil É o mais promissor para aplicações in situ Encontrados exemplos de aplicações in situ em: Inglaterra, Suiça, Alemanha, Holanda, EUA, Itália, Áustria e Coreia 128/215

129 REFORÇO COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS Tecnologia 1. Ancoragem fixa Chapa de aço ligada ao elemento estrutural por meio de conectores. O laminado é colado à chapa e ao betão com resina epóxi. 2. Ancoragem móvel Laminado colado entre duas chapas de aço ligadas por parafusos. 3. Sistema de aplicação do pré-esforço Macaco hidráulico ligado a uma chapa de aço fixada por conectores ao betão que funciona como elemento de reacção. Após a aplicação do pré-esforço esta chapa funciona como ancoragem do laminado. 129/215

130 Aspectos Principais Equipamento de aplicação do pré-esforço leve e fácil de operar Possível aplicar pré-esforço correspondente a alongamentos do laminado da ordem de 0.4 a 0.6% Forças de pré-esforço da ordem de kn Redução das deformações e abertura de fendas nos elementos reforçados (reforço activo) Maior exploração da capacidade resistente dos laminados Melhor comportamento do reforço devido às ancoragens nas extremidades do laminado Aumento de custo do reforço devido às chapas de ancoragem. 130/215

131 ENSAIOS 131/215

132 Resultados dos ensaios 132/215

133 TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS Reabilitação e Reforço de Estruturas 133/215

134 TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS Reabilitação e Reforço de Estruturas 134/215

135 135/215

136 LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS NÃO ADERENTES Reabilitação e Reforço de Estruturas 136/215

137 Aplicação no reforço de uma laje 137/215

138 Ensaio do sistema de pré-esforço S&P 0,10 0,40 Laminado CFRP 0,220 0,145 4,60 0,70 0,40 3,80 0,40 0,70 0,35 6,00 0,35 [m] Chapas de ancoragem (400 x 220 x 8 mm³) 8 Buchas metálicas (M10) 138/215

139 Resultados dos ensaios 139/215

140 Ensaio do sistema de pré-esforço SIKA 140/215

141 Resultados dos ensaios 141/215

142 REFORÇO DE ESTRUTURAS POR ENCAMISAMENTO DE SECÇÕES Aumento da secção transversal através da adição de armaduras suplementares e betão 142/215

143 Campos de aplicação Aumentar a resistência de zonas comprimidas Necessidade de grande aumento de resistência/rigidez Necessidade de garantir boa protecção ao fogo das armaduras de reforço Reforço de lajes, vigas, pilares e paredes para todos os esforços, em especial os devidos à acção sísmica Aspectos principais da solução Implica um aumento das dimensões das secções transversais Grande interferência na utilização da estrutura Relativamente ao reforço com chapas metálicas apresenta as vantagens do reforço à acção sísmica, melhor protecção ao fogo e à corrosão das armaduras de reforço Requer preparação de superfície cuidada do betão existente 143/215

144 Execução de um Encamisamento 1 Escoramento - Controlar: deformação das secções; deslocamentos - Evitar colapsos durante a reparação Reabilitação e Reforço de Estruturas 2 - Preparação da superfície - garantia de melhor ligação entre o material de adição e o inicial; - remoção de betão alterado a) tornar as superfícies rugosas martelo de agulhas; jacto de areia; jacto de água de alta pressão b) limpeza jacto de água 144/215

145 3 - Colocação das armaduras adicionais (reposição no caso de deterioração das armaduras iniciais) Reabilitação e Reforço de Estruturas 4 - Betonagem Materiais: betão argamassa Tecnologia de aplicação: Cofrado Projectado Aplicação directa (à colher) (Utilização de resinas de colagem) e min 50 mm betão projectado = 70 a 100 mm betão cofrado 30 a 50 mm argamassa especial 5 - Cura 145/215

146 Ensaios relativos ao desempenho de diferentes tipos de preparação de superfície Martelo de agulhas Martelo de guilho Jacto de areia e água Jacto de água de alta pressão 146/215

147 Resultados dos ensaios Ligação por adesão Poly. (ADS-PS1-Prov_1) Poly. (ADS-PS2-Prov_1) Poly. (ADS-PS3-Prov_1) Poly. (ADS-PS4-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-R1-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-R2-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-Prov_2) Poly. (ADS-PS2-Prov_2) Poly. (ADS-PS3-Prov_2) Poly. (ADS-PS4-Prov_2) Poly. (ADS-PS1-R1-Prov_2) Poly. (ADS-PS1-R2-Prov_2) Jacto de areia e água V (kn) Martelo de agulhas Martelo de guilho Jacto de água de alta pressão ,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 s (mm) 147/215

148 Materiais de Encamisamento Materiais de alta qualidade - elevada resistência à compressão - boa aderência - boa trabalhabilidade - baixa retracção - compatibilidade de deformações com os materiais iniciais Betões e argamassas moldados - materiais à base de ligantes hidráulicos - materiais à base de ligantes sintéticos (resinas) sensibilidade à humidade retracção por vezes elevada não passivam as armaduras baixa resistência ao fogo preço elevado Betões e argamassas projectadas fácil de colocar boa aderência elevada resistência acabamento irregular sujidade 148/215

149 Reforço de vigas Disposição de armaduras adicionais 149/215

150 Amarração dos varões nos nós Reabilitação e Reforço de Estruturas Amarração dos varões nos nós 150/215

151 Verificação da segurança de vigas à flexão Modelo de comportamento Método dos coeficientes globais M rd = γ n,m { A eq s zeq fsyd i = A s i zi fsyd i + As r zr fsyd r } 151/215

152 Verificação da segurança de vigas à flexão Reabilitação e Reforço de Estruturas A eq s = A i s + A r s f r syd f i syd z eq = A s i zi fsyd i + As r zr fsyd r As i f syd i + As r f syd r Admitindo z 0.9 d obtém-se: M rd γ n,m A eq s 0.9 deq fsyd i = f i syd A i s 0.9 di + A r s 0.9 dr f r syd fsyd i Utilização de tabelas correntes de dimensionamento de armaduras A r s = f r syd f i syd A eq deq s d r - As i di d r Coeficientes de monolitismo Em vigas γ n,m = 0.90 e γ n,k = 0.85 Em lajes γ n,m = 1.00 e γ n,k = 1.00 EC 8 (parte 1.4, 1995) Resistências γ n,m Deformabilidade γ n,k 152/215

153 Ligação entre o betão existente e o material de adição O funcionamento e eficiência de um reforço por encamisamento depende fundamentalmente da aderência entre os materiais Os valores das tensões tangenciais são dados por: τ rd,a = η f' ctd τ 1 = V sd b r z eq τ 2 = V sd b r z eq A r s f r syd A r s f r syd + A i s f r syd η = 0.2 superfícies lisas 0.4 superfícies rugosas [MC90] 153/215

154 Verificação da segurança de vigas ao esforço transverso Reabilitação e Reforço de Estruturas V sd V max rd = 0.6 f cd b i z i sen θ cos θ f cd (b r - b i ) z r sen θ cos θ V sd V rd = γ n,v ( V i rd + V r rd ) V rd = γ n,v 0.9 d A i i Recomendação: sw s cotg θ f i yd V final Rd < 2 V i Rd dr A r sw s cotg θ f r yd Coeficiente de monolitismo γ n,v = 0.80 ; γ n,k = 0.75 [Eurocódigo 8 parte 1.4, 1995] 154/215

155 Reforço de pilares Disposições de armaduras adicionais Reabilitação e Reforço de Estruturas 155/215

156 Verificação da segurança de pilares Método dos coeficientes globais γ n,m N = reforço ligeiro: A f c < 2 Ai c - reforço significativo: A f c > 2 Ai c (a secção inicial é desprezável) 156/215

157 Aumento da resistência à compressão devido à cintagem (confinamento) Resistência à compressão [MC90] σ * c = f cd ( α ω w ) para: σ 2 f cd < 0.05 ou: σ * c = f cd ( α ω w ) para: σ 2 > 0.05 f cd f cd σ 2 tensão de confinamento: σ 2 f cd = 1 2 ω w φest (b volume de estribos 0 + h 0 ) ω w = volume de betão = 4 s b 0 h 0 (no caso de pilares rectangulares com cintas no contorno) α - factor de eficiência (forma da secção e espaçamento das cintas) 157/215

158 EFEITO DO CONFINAMENTO LATERAL NO COMPORTAMENTO DO BETÃO À COMPRESSÃO CONFINAMENTO DEVIDO ÀS CINTAS 158/215

159 EMENDA DE VARÕES LONGITUDINAIS - emenda através de soldadura topo a topo - emenda por sobreposição simples - emenda por sobreposição lateral dupla - emenda por sobreposição com uma cantoneira 159/215

160 Reabilitação e Reforço de Estruturas COMPORTAMENTO DE PILARES REFORÇADOS SUJEITOS A ACÇÕES CÍCLICAS Ref - A. Gomes, IST 160/215

161 Reabilitação e Reforço de Estruturas Pilar reparado Varões emendados por soldadura Pilar reforçado por encamisamento 161/215

162 Pilar reparado (P1R) Pilar reforçado (P2R) 162/215

163 Modelo P1R Coeficiente de monolitismo Modelo P2R Coeficiente de monolitismo Rigidez 0.69 Rigidez 0.90 Força máxima 0.96 Força máxima 0.98 Energia dissipada 0.91 Energia dissipada 0.62 Ductilidade 1.00 Ductilidade /215

164 Reforço dos pilares de uma ponte 164/215

165 Reforço dos pilares por encamisamento Reabilitação e Reforço de Estruturas 165/215

166 Teste piloto 166/215

167 Aspecto final dos pilares 167/215

168 REFORÇO COM PRÉ-ESFORÇO EXTERIOR Alteração do sistema estrutural Aplicação Aumento da capacidade resistente Correcção do comportamento em serviço 168/215

169 Exemplos Alteração do sistema estrutural Reabilitação e Reforço de Estruturas Eliminar um apoio Introduzir um apoio elástico Alterar o sistema de pilares 169/215

170 Exemplos Corrigir comportamento deficiente Reabilitação e Reforço de Estruturas Controlo da fendilhação e deformação Aumento da capacidade resistente 170/215

171 Exemplo: aplicação de pré-esforço exterior no reforço do tabuleiro de uma ponte em caixão 171/215

172 Efeito do Pré-esforço g + q P P g, q γ g g + γ q q (N = P; σ P ) γ g g + γ q q Estrutura inicial Estrutura reforçada g g + P P (1) (2) (1) Antes do reforço (2) Após o reforço Aumento da capacidade de carga δ Melhoria do comportamento em serviço 172/215

173 Métodos simplificados (cargas equivalentes) Análise da estrutura (cabos de pré-esforço como elementos estruturais) Análise da secção Métodos de análise

174 Dimensionamento Pré-esforço exterior (não aderente) Pré-esforço interior (aderente) 174/215

175 Exemplo Reforço com Préesforço exterior Tensões antes do reforço Tensões após do reforço Ref: Pederson H. et al Strengthening of concrete bridges by use of external prestressing 175/215

176 Ancoragem dos cabos Ref: Pederson H. et al Strengthening of concrete bridges by use of external prestressing 176/215

177 Exemplo de reforço com pré-esforço exterior Reabilitação e Reforço de Estruturas Desviadores 177/215

178 Ancoragens 178/215

179 Exemplo de reforço de silos e depósitos com pré-esforço exterior Reabilitação e Reforço de Estruturas 179/215

180 REFORÇO DE ESTRUTURAS PARA A ACÇÃO SÍSMICA Causas que originam o reforço: Reabilitação e Reforço de Estruturas edifícios com valor patrimonial elevado edifícios estratégicos (hospitais, centrais de telecomunicações,...) pontes e viadutos em vias de acesso estratégicas estruturas dimensionadas com base em regulamentos anteriores valor de projecto da acção sísmica inferior ao actual estruturas com fraca resistência à acção sísmica devido a deficiências de concepção, projecto e/ou execução 180/215

181 Deficiências observadas no comportamento de estruturas em sismos anteriores: cintagem das zonas críticas resistência e ductilidade do betão confinado encurvadura dos varões longitudinais resistência ao esforço transverso roturas frágeis amarração das cintas amarração dos varões longitudinais emendas nos nós concepção geral dos edifícios resistência global insuficiente 181/215

182 Reforço de estruturas para a acção sísmica Aumento da capacidade resistente Aumento da ductilidade Redução dos efeitos da acção Redução dos efeitos da acção: sistemas de isolamento de base sistemas de dissipação de energia 182/215

183 Sistemas de isolamento de base Aparelhos de atrito tipo pendular Aparelhos de neoprene de alta distorção 183/215

184 Introdução do isolamento de base em pilares 184/215

185 Introdução do isolamento de base num edifício antigo Reabilitação e Reforço de Estruturas 185/215

186 Sistemas de dissipação de energia Amortecedores Viscosos 186/215

187 Influência do isolamento de base e do amortecimento Aceleração S e /a g % 5% 10% 15% 20% 30% Deslocamento S De /a g Período T (s) 2% 5% 10% 15% 20% 30% Período T (s) 187/215

188 Reforço baseado no acréscimo da capacidade resistente e de ductilidade face à acção sísmica Cuidados básicos na concepção do reforço Não aumentar as assimetrias Não fragilizar zonas da estrutura Tentar colmatar as deficiências encontradas O reforço pode ser realizado por: Introdução de novos elementos resistentes paredes de betão armado pórticos de betão armado pórticos metálicos Reforço de elementos existentes encamisamento adição de chapas ou perfis metálicos 188/215