REFORÇO SÍSMICO DE EDIFÍCIOS DE ALVENARIA COM APLICAÇÃO DE REFORÇOS DE FIBRA DE VIDRO (GFRP)

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1 REFORÇO SÍSMICO DE EDIFÍCIOS DE ALVENARIA COM APLICAÇÃO DE REFORÇOS DE FIBRA DE VIDRO (GFRP) A. Campos COSTA Investigador Principal LNEC P. CANDEIAS Bolseiro de Investigação LNEC B. MASSENA Bolseira de Investigação LNEC V. CÓIAS E SILVA Engenheiro STAP SUMÁRIO Nesta comunicação são apresentados os procedimentos de ensaio, a instrumentação utilizada e os resultados obtidos com diversos modelos representativos de nembos de alvenaria de pedra, não reforçados e reforçados, sujeitos a flexão composta resultante da actuação simultânea de acções verticais estáticas e de acções horizontais cíclicas e alternadas. Eventuais melhorias do comportamento cíclico introduzidas pelas técnicas de reforço podem reflectir-se em acréscimos da capacidade resistente, do deslocamento máximo e da capacidade de dissipação de energia. Estes parâmetros constituíram portanto elementos finais de apreciação na eficácia do sistema de reforço proposto. 1. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS 1.1. Objectivo O objectivo global do estudo efectuado é o da avaliação da eficiência de várias técnicas de reforço no comportamento sísmico de paredes de alvenaria, pelo que os ensaios realizados incidiram sobre dois tipos de modelos: modelos sem reforço e modelos reforçados. O dispositivo experimental foi idealizado e proposto pelo LNEC, incluindo a definição geral das características dos modelos a ensaiar (atendendo à capacidade de ensaio disponível) e o estabelecimento dos procedimentos de ensaio, enquanto os modelos foram fornecidos pela STAP.

2 652 SÍSMICA 24-6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Os ensaios têm por finalidade a caracterização do comportamento de nembos de alvenaria de pedra, não reforçados e reforçados, sujeitos a flexão composta resultante da actuação simultânea de acções verticais estáticas e de acções horizontais cíclicas e alternadas. As características geométricas dos modelos e as cargas verticais aplicadas durante o ensaio procuram reproduzir as condições reais de um nembo de alvenaria de uma tipologia de edifícios de Lisboa, vulgarmente designados por gaioleiros [1]. Um parâmetro fundamental que condiciona o comportamento dos nembos é a carga vertical devida à acção das forças gravíticas e que, naturalmente, apresenta grandes variações decorrentes de diferentes factores relacionados com a altura e a utilização dos edifícios. Assim, com o intuito de identificar a influência deste parâmetro no comportamento cíclico deste tipo de elementos estruturais, variou-se a força vertical aplicada nos modelos. Outro aspecto fundamental foi a preocupação de, na concepção dos modelos e dispositivos de ensaio, reproduzir os modos de rotura por esforço transverso típicos deste tipo de elementos estruturais, muitas vezes observados após a ocorrência de sismos intensos Modelos a) Modelos não reforçados M1, M2 e M3 Os modelos possuem 2,6m de altura, 1,7m de largura e,22m de espessura, a que corresponde um nembo com uma altura de 1,56m, uma largura de 1,25m e uma espessura de,22m, e apresentam ranhuras nos paramentos, com o intuito de simular rugosidade, tendo em vista a aplicação de telas de reforço nos modelos reforçados. Os modelos foram construídos sobre uma base em betão armado com 2,2m x 1,7m x,7m, que é utilizada para os fixar à laje de pavimento da sala de ensaios do NESDE. As características geométricas dos modelos e da base estão ilustradas na Figura 1. Figura 1 Características geométricas dos modelos não reforçados

3 A. Campos COSTA, P. CANDEIAS, B. MASSENA, V. CÓIAS E SILVA 653 b) Modelos reforçados com a 1ª Técnica de reforço M4, M5, M6 e M7 As características geométricas dos modelos e da base estão ilustradas na Figura 2, sendo estas idênticas às dos modelos anteriores, bem como uma indicação esquemática da localização das faixas de material compósito que constituem o sistema de reforço. Genericamente, o reforço dos modelos é superficial, sem conectores de ligação, sendo constituído por faixas de material compósito (fibra de vidro com matriz em resina epoxídica) com cerca de 1cm de largura, aplicadas em duas camadas que trabalham em conjunto formando uma membrana resistente. São colocadas duas faixas, em que a primeira camada acompanha as irregularidades da parede, sendo estas preenchidas por argamassa de forma a criar uma superfície regular para aplicação da segunda camada, como se pode observar na Figura 2, melhorando assim a aderência do sistema de reforço à parede [3]. Estas faixas, coladas em ambos os paramentos da parede, destinam-se a conferir maior resistência da parede às tensões de tracção que se desenvolvem segundo direcções principais, não verticais, que decorrem da presença de esforços transversos elevados, resultantes da acção de ciclos repetidos e alternados de carga horizontal. Tela 1ª camada Dente de argamassa Tela 2ª camada Figura 2 Pormenor de aplicação das faixas de reforço sobre as nervuras [3]. c) Modelos reforçados com a 2ª Técnica de reforço M8, M9, M1 e M11 As características geométricas dos modelos e da base estão ilustradas na Figura 3, sendo estas idênticas às dos modelos anteriores, bem como uma indicação esquemática da localização das faixas de material compósito e dos conectores de ligação entre reforços colados em faces opostas [4]. De acordo com a observação dos modos de colapso e conclusões dos ensaios realizados na 2ª fase ficou evidenciada a necessidade de conferir uma ligação mais eficiente entre as faixas de reforço e a parede de alvenaria. Atendendo a este facto utilizaram-se conectores metálicos para aperfeiçoar aquela ligação, constituídos por duas chapas de aço colocadas em faces opostas do modelo, com φ1mm 3mm no caso do modelo M8 e com 1mm 1mm 3mm no caso dos modelos M9, M1 e M11, furadas no centro e aparafusadas a varões roscados com 8mm de diâmetro que atravessam a parede, cuja disposição esquemática se encontra na Figura 3. Devido às irregularidades existentes nas superfícies do modelo e das

4 654 SÍSMICA 24-6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica faixas de reforço, colocaram-se placas de borracha com 1mm de espessura entre aquelas e as chapas metálicas de forma a garantir um contacto uniforme. Figura 3 Características geométricas dos modelos reforçados com indicação do sistema de reforço 2ª Técnica A argamassa utilizada na construção dos modelos, cuja composição foi estabelecida pela STAP, pretende simular o comportamento da alvenaria de pedra. As suas características mecânicas foram determinadas por meio de ensaios laboratoriais sobre provetes com a idade de 32 dias na 1ª Fase, 16 dias na 2ª Fase e 59 dias na 3ª Fase. Apresentam-se no Quadro 1 as estatísticas relativas aos resultados dos ensaios de caracterização, podendo constatar-se que, regra geral, as argamassas da primeira fase de ensaios são mais resistentes e apresentam menor dispersão de resultados que as utilizadas na segunda e terceira fases. Quadro 1 Estatísticas dos resultados dos ensaios laboratoriais Grandezas Nº de provetes Valor médio Desvio padrão 1ª F 2ª F 3ª F 1ª F 2ª F 3ª F 1ª F 2ª F 3ª F Tensão de rotura por flexão [MPa] ,29,17 -,3,9 - Tensão de rotura por compressão [MPa] (1) ,8,84 -,8,4 - Resistência à compressão [MPa] ,93 1,54,81,7,15,6 Tensão máxima de corte [MPa] (2) 4 2 -,28, Rigidez corte-distorção [MPa/mm] (2) 4 2-1,21 1, (1) Ensaio complementar ao ensaio de flexão. (2) Não foram estimados desvios padrões em virtude da reduzida dimensão da amostra.

5 A. Campos COSTA, P. CANDEIAS, B. MASSENA, V. CÓIAS E SILVA Dispositivo de ensaio e instrumentação No ensaio dos modelos utilizou-se o simulador sísmico uniaxial do NESDE [2] para impor deslocamentos horizontais relativos entre a base e o topo do modelo. A força vertical foi aplicada no topo do modelo através de dois actuadores hidráulicos colocados sobre uma peça metálica em forma de L visível na Figura 4. O sistema idealizado garante um funcionamento no plano da parede e impõe um diagrama de momentos flectores, ao longo da mesma, com um ponto de inflexão a meia altura. Desta forma procura-se reproduzir a situação de biencastramento do nembo nas duas extremidades, situação típica do funcionamento destes elementos estruturais. Induzem-se, também, modos de colapso frágeis provocados por esforço transverso que se iniciam por uma fendilhação diagonal, situação muitas vezes observada após sismos intensos neste tipo de estruturas. Para além do equipamento utilizado para a medição das forças horizontal e vertical, os modelos foram também instrumentados com medidores de deslocamentos, nomeadamente transdutores indutivos LVDT e transdutores ópticos. A instrumentação utilizada permite uma identificação adequada dos diferentes parâmetros de controlo do comportamento cíclico utilizado neste tipo de ensaios, designadamente, caracterizações dos esforços aplicados nos modelos e do campo de deslocamentos ao longo da altura da parede. A utilização de alguns transdutores de deslocamentos de forma redundante permitiu ainda verificar a eficiência do sistema de medida. Na Figura 4 ilustra-se o aspecto geral do modelo M2 antes da realização do ensaio, podendo observar-se o dispositivo de ensaio e a instrumentação utilizada. Figura 4 Aspecto geral do modelo M2 (lado Sul) e instrumentação 1.4. Procedimento de ensaio Os ensaios dos modelos tiveram por objectivo a caracterização do seu comportamento para cargas repetidas e alternadas, compreendendo duas etapas distintas. Numa primeira etapa, Fase, é aplicada uma força vertical no topo do modelo que é mantida aproximadamente constante ao longo do ensaio. Dadas as diferentes condições de carregamento vertical em que

6 656 SÍSMICA 24-6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica se podem encontrar nembos nos edifícios existentes, optou-se por empregar diferentes forças verticais nos modelos de modo a avaliar a influência da compressão no seu comportamento, conforme se apresenta no Quadro 2. Numa segunda etapa são impostas séries de deslocamentos horizontais no topo do modelo, como as que se apresentam na Figura 5. Quadro 2 Forças verticais e tensões de compressão aplicadas no topo dos modelos Modelo M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M1 M11 Força [kn] Tensão de compressão [MPa],65,36,35,67,54,36,27,69,37,55,7 Deslocamento imposto [mm] Fase1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase Tempo [segundo] Deslocamento imposto [mm] 25 F.1 F.2 F.3 F.4 F.5 F.6 F.7 F.8 F Tempo [segundo] Figura 5 Séries de deslocamento horizontal impostas nos modelos M3 e M9 2. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS 2.1. Fase Atendendo ao procedimento de ensaio, os resultados que são possíveis analisar nesta fase dizem respeito ao módulo de elasticidade tangente (E t ). Este é estimado para cada modelo como sendo o declive da recta de regressão das tensões e extensões verticais médias calculadas no início da aplicação da carga vertical: E t σ média = (1) ε média em que σ média é a tensão vertical média, estimada a partir dos valores da força vertical e da área da secção transversal do modelo, e ε média é a extensão vertical média, estimada a partir dos valores dos deslocamentos verticais e da distância vertical medida entre os alvos de medida. Na Figura 6 apresentam-se as relações entre as tensões verticais médias e as extensões verticais médias, de cujo declive da recta de regressão linear resulta o módulo de elasticidade tangente.

7 A. Campos COSTA, P. CANDEIAS, B. MASSENA, V. CÓIAS E SILVA 657 Tensão média [kpa] y = 9.18E+2x ER t 2 =,92GPa = 9.59E-1 R 2 =, Extensão média [%] Tensão média [kpa] 3 y = 1987,4x 25 ER 2 t =1,9GPa =, R 2 =, ,2,4,6,8,1,12,14 Extensão média [%] Figura 6 Relação entre tensão vertical média e extensão vertical média dos modelos M3 e M Fases seguintes Atendendo ao procedimento de ensaio, os resultados que são possíveis analisar nestas fases dizem respeito às relações força-deslocamento horizontais no topo do modelo, à envolvente de deslocamento horizontal imposto no topo do modelo, à evolução da energia dissipada ao longo do tempo e à evolução da energia dissipada com a envolvente dos deslocamentos horizontais impostos no topo do modelo. A energia dissipada pelo modelo no instante t i é estimada a partir da seguinte expressão: En diss t i t= s ( t ) + F( t ) F i i 1 ( ti ) = ( D( ti ) D( ti 1 )) (2) 2 em que En diss (t i ) é a energia dissipada pelo modelo no instante t i, F(t i ) e F(t i-1 ) são as forças horizontais aplicadas nos instantes t i e t i-1 no topo dos modelos, e D(t i ) e D(t i-1 ) são os deslocamentos horizontais impostos nos instantes t i e t i-1 no topo dos modelos. Apresentam-se nas Figuras 7 e 8 alguns exemplos destas relações para os modelos M3 e M9. Em cada uma destas Figuras está igualmente representado o ponto onde se inicia a rotura teórica do modelo, definido como o ponto onde a força horizontal atinge no último ciclo, antes do colapso, 85% do máximo registado ao longo de todo o ensaio. Força horizontal [kn] Força Vertical = 97kN 75 5 rotura Deslocamento horizontal [mm] Força Vertical = 13kN Força horizontal [kn] 75 rotura Deslocamento horizontal [mm] Figura 7 Relações força-deslocamento horizontais no topo dos modelos M3 e M9

8 658 SÍSMICA 24-6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica Energia total [knmm] rotura Fase Fase 5 2 Fase 2 1 Fase 3 Fase 4 Fase Envolvente de deslocamento [mm] Energia total [knmm] 25 Fase rotura Fase 8 1 Fase 7 5 Fase 6 Fase 5 Fase Envolvente de deslocamento [mm] Figura 8 Evolução da energia dissipada com a envolvente dos deslocamentos horizontais impostos no topo dos modelos M3 e M9 3. ANÁLISE DE RESULTADOS No Quadro 3 [7] apresenta-se um resumo dos resultados obtidos em termos de valores globais de força vertical aplicada, deslocamento horizontal no ponto de rotura, força horizontal máxima e energia dissipada. A comparação destes valores com os obtidos para os modelos da primeira fase [5] e da segunda fase [6], igualmente apresentados no Quadro 3, permite avaliar o acréscimo do desempenho para níveis de carga vertical semelhantes. Quadro 3 Resumo dos resultados dos ensaios M8, M9, M1, M11 (3ªFase), M4, M5, M6, M7 (2ªFase), M1, M2 e M3 (1ªFase). Modelo Força Vertical aplicada [kn] Deslocamento Horizontal no ponto de rotura [mm] Força Horizontal máxima [kn] Energia Dissipada [knmm] M ,6-64,7 1729,1 M ,7 68,9 273,8 M8 (1) 189,9 4,6 4,3 M ,2 53,8 1633,3 M ,9-82,5 1714,8 M6 1 12,7 65,2 847,9 M ,1-67,4 691,4 M ,9-8,5 563, M3 97 7,5-46,8 537,2 M2 1 8,2-57,3 563,8 M1 18 5,8 6,7 462, (1) Ruptura prematura do modelo M8 devida a uma deficiente disposição dos conectores. A observação dos valores obtidos na última fase de ensaios, e a sua comparação com os das fases anteriores, permite concluir que a utilização dos conectores, da forma utilizada nos modelos M9, M1 e M11, conduziu a um comportamento cíclico, a carga repetida e alternada, inequivocamente mais dúctil que o resultante da técnica de reforço sem conectores utilizada nos modelos M4, M5, M6 e M7. Naturalmente, os acréscimos no deslocamento último são tanto mais

9 A. Campos COSTA, P. CANDEIAS, B. MASSENA, V. CÓIAS E SILVA 659 elevados quanto menor é o esforço axial. Além disso, o aumento substancial da energia dissipada até ao colapso, em particular nos modelos menos carregados axialmente, M9 e M1, revela que o comportamento cíclico é mais estável do que nos modelos M6 e M5, respectivamente. Este aspecto é tanto mais digno de realce quanto o facto dos modelos M8, M9, M1 e M11 possuírem as argamassas menos resistentes das três fases de ensaio realizadas no LNEC. Assim, com o intuito de apreciar e generalizar os resultados e as conclusões retiradas dos ensaios nas três fases, apresentam-se na Figura 9 os valores dos deslocamentos horizontais no topo do modelo, expressos em termos de um deslocamento relativo entre pisos de um edifício genérico onde estes modelos de nembos poderiam estar inseridos, e como função do esforço normal reduzido. Os pontos naquele gráfico foram calculados através das seguintes expressões: ν = N 1 2,275m fm (%) Du δ u = 156mm 1 (3) O esforço normal reduzido ν é determinado tomando o valor da secção transversal da parede e a tensão média de rotura à compressão fm dos provetes cúbicos dada no Quadro 1. O deslocamento último δu é normalizado em relação à altura livre do modelo. Deslocamento relativo entre pisos 1,6% 1,4% 1,2% 1,%,8%,6%,4%,2% Modelos M1, M2 e M3 Modelos M4, M5, M6 e M7 Modelos M9, M1 e M11,%,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Esforço normal reduzido Figura 9 Resultados dos ensaios das 1ª, 2ª e 3ª Fases em termos de Esforço normal reduzido e de Deslocamento relativo entre pisos A observação da Figura 9 reforça as conclusões acima mencionadas, pois é bem visível o efeito benéfico que as faixas de reforço têm no comportamento dos modelos, traduzidas em termos de acréscimos de capacidade dúctil, particularmente quando conjugadas com os conectores de ligação. Efectivamente, estimam-se acréscimos de ductilidade última cerca de três vezes para esforços normais reduzidos em torno de,5 quando se utilizam tais conectores. Conclui-se portanto, em face do comportamento evidenciado no conjunto das três fases, que a eficácia do sistema de reforço proposto, com a ancoragem efectiva das faixas de reforço nas suas extremidades, garante um aumento da capacidade dúctil e de dissipação de energia, e evita

10 66 SÍSMICA 24-6º Congresso Nacional de Sismologia e Engenharia Sísmica a ocorrência de modos de colapso súbitos após o início de fendilhação do modelo. Refira-se ainda que o facto dos ensaios preliminares às argamassas dos modelos reforçados revelarem valores claramente inferiores aos das argamassas dos modelos não-reforçados (Quadro 1) realça ainda mais a importância da técnica de reforço aplicada na melhoria, de forma inequívoca, do desempenho das paredes ensaiadas nesta fase, quando sujeitas a cargas repetidas e alternadas. Finalmente, com base na progressão de danos observados até à rotura, e como forma de evitar o colapso dos modelos decorrente da fragmentação em blocos e consequente esmagamento da parte central do modelo, sugere-se a utilização de conectores, eventualmente só de confinamento, a meia altura dos nembos. Procura-se desta forma aumentar localmente a capacidade resistente à compressão da argamassa devido ao efeito benéfico do confinamento lateral. 4. AGRADECIMENTOS A realização destes ensaios, bem como a preparação dos relatórios, contaram com as seguintes colaborações: i) Artur Santos, técnico profissional principal; ii) Dulcina Marecos, auxiliar técnica de ensaios; iii) Ana Marques, bolseira auxiliar de investigação. 5. REFERÊNCIAS [1] Cóias e Silva, V., Soares, I. Vulnerabilidade sísmica dos edifícios Gaioleiros de Lisboa e medidas possíveis para a reduzir, 3º Encontro Sobre Sismologia e Engenharia Sísmica, IST, [2] Bairrão, R., Duque, J., Simulador Sísmico Uniaxial - Descrição e Operação, Relatório 94/98, LNEC, [3] Cóias e Silva, V., Salvaguarda da baixa pombalina através de métodos reduzidamente intrusivos de reabilitação sísmica Projecto COMREHAB, 4º Encontro Nacional sobre Sismologia e Engenharia Sísmica, Sísmica99, Faro, [4] Cóias e Silva, V., Viabilidade técnica de execução do Programa Nacional de Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, Encontro Sobre Redução da Vulnerabilidade Sísmica do Edificado, Ordem dos Engenheiros, 21. [5] Alfredo Campos Costa, Paulo Xavier Candeias, Beatriz Massena, Ensaios sísmicos de estruturas de alvenaria de pedra. 1ª Fase Caracterização do Comportamento de Nembos em Alvenaria de Pedra não Reforçada para Cargas Repetidas e Alternadas Modelos M1, M2 e M3, Relatório 199/1, LNEC, 21. [6] Alfredo Campos Costa, Paulo Xavier Candeias, Beatriz Massena, Ensaios sísmicos de estruturas de alvenaria de pedra. 2ª Fase - Caracterização do Comportamento de Nembos em Alvenaria de Pedra Reforçada para Cargas Repetidas e Alternadas - Modelos M4, M5, M6 e M7-1ª Técnica de Reforço, Relatório 24/1, LNEC, 21. [7] Alfredo Campos Costa, Paulo Xavier Candeias, Beatriz Massena, Ensaios sísmicos de estruturas de alvenaria de pedra. 3ª Fase - Caracterização do Comportamento de Nembos em Alvenaria de Pedra Reforçada para Cargas Repetidas e Alternadas - Modelos M8, M9, M1 e M11-2ª Técnica de Reforço, Relatório 244/1, LNEC, 21.