REFORÇO DE ESTRUTURAS COM FRP. Reabilitação e Reforço de Estruturas Diploma de Formação Avançada em Engenharia de Estruturas

Transcrição

1 REFORÇO DE ESTRUTURAS COM FRP

2 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

3 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

4 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

5 LAMINADOS

6 MANTAS

7 REFORÇO À FLEXÃO E ESFORÇO TRANSVERSO LAMINADOS LAMINADOS E MANTAS

8 Reforço à Flexão Tipos de Rotura Arrancamento na zona de ancoragem Arrancamento devido a fendas de corte

9 Arrancamento nas fendas de flexão Outros tipos de rotura Rotura por corte na extremidade do reforço Arrancamento devido a Imperfeições no suporte

10 DIMENSIONAMENTO Documentos de referência: 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

11 Coeficientes de Segurança DIMENSIONAMENTO 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 1.25

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

13 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

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

15 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 = 1 ε f, lim 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

16 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

17 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

18 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 = 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 Expressões de fácil aplicação Considera um maior número de parâmetros relacionados com o arrancamento: A s, A f, E s, E f, b f e f cbd Constata-se alguma coerência com o proposto pelo ACI 440 Por vezes conduz a valores com tendência conservativa.

19 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 0.95db 1 f + d A E s1 A E f f s 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

20 Reforço ao Esforço Transverso 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

21 - 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 ε fk,e = 0.8 ε f,e γ f = 1.2 laminados γ f = 1.35 mantas ε f,e - Extensão efectiva de referência

22 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 Reforço contínuo ρ f = (2t f /b w ) b f /s f Reforço espaçado Reforço em forma de U 2/ / f f cm 3 cm ε = min , 0.17 ε f,e E ρ fu f E ρ fu f fu f cm [MPa] E fu [GPa] descolamento rotura Proposta: ε fk,e 0.6 % ACI 440: ε fk,e 0.4 %

23 Ensaios sistema laminados L

24 Beam T3

25

26 Sistema laminados L

27 Reforço de Pilares

28 Reforço de Pilares por Confinamento do Betão

29 Aplicação de mantas de carbono no confinamento de pilares

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

31 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 3 camadas 2 camadas 1 1 camada 2 3 Sem reforço 4,00 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 (%)

32 ENSAIOS Reforço à Flexão VIGA DE REFERÊNCIA

33 VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS CFRP

34 VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS E MANTAS CFRP

35 VIGA REFORÇADA COM CHAPAS METÁLICAS E MANTAS CFRP

36 Montagem do ensaio

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

38 Viga reforçada com laminados e mantas U

39 Viga reforçada com chapas metálicas

40 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)

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

42 ENSAIOS EXPERIMENTAIS Ref. Comportamento de pilares de betão armado reparados ou reforçados com encamisamento local António Cardoso, IST, 2003

43 EXECUÇÃO DO REFORÇO Preparação da superfície Aplicação do sistema de reforço com mantas de fibras de carbono

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

45 P4 Pilar reforçado com duas camadas de fibra de carbono P7 Pilar reforçado com quatro camadas de fibra de carbono

46 Energia dissipada acumulada [knm]

47 Metodologias REFORÇO COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS a) Método Indirecto: Aplicação de contra-flecha à estrutura 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

48 Metodologias b.1) Método Directo: PE do FRP contra uma estrutura auxiliar 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

49 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

50 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.

51 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.

52 ENSAIOS

53 Resultados dos ensaios

54 TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS

55 TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS

56

57 LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS NÃO ADERENTES

58 Aplicação no reforço de uma laje

59 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)

60 Resultados dos ensaios

61 Ensaio do sistema de pré-esforço SIKA

62 Resultados dos ensaios