Capítulo 5. Planeamento de um Projecto de Reforço

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1 Capítulo 5 Planeamento de um Projecto de Reforço A partir do trabalho de investigação sobre materiais compósitos na construção civil, em curso no DECivil da FEUP desde 1996, neste Capítulo, propõe-se equacionar algumas acções de recomendação de modo a prevenir, a atenuar ou a melhorar os pontos críticos esperados num reforço com FRP. Simultaneamente, pretende-se implementar a confiança no uso de sistemas compósitos pelos técnicos, através da enumeração de medidas de controlo e de segurança presentes no caderno de encargos dum projecto de execução de reforço, pela técnica de colagem de armaduras de CFRP ao betão. No conjunto, os principais aspectos em questão são sumariados ao nível da selecção do sistema de CFRP, das recomendações para projecto, dos procedimentos para execução e do controlo e garantia de qualidade da totalidade INTRODUÇÃO Embora a necessidade de reforçar e/ou reabilitar as estruturas de betão armado seja crescente nestes últimos anos, ainda não se dispõe de experiência suficiente sobre o uso de materiais compósitos de FRP (Polímeros Reforçados com Fibras), que permita fundamentar a definição de disposições e regras de dimensionamento e de execução dos projectos de reforço. A informação divulgada nas fichas técnicas dos fornecedores de sistemas compósitos de CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono) não é suficiente, principalmente no que diz respeito ao seu comportamento a longo prazo, à interpretação da aderência na junta de ligação, à prevenção de ruínas prematuras sobretudo por efeito de peeling nas extremidades livres e à utilização de códigos e normas de procedimentos, para os projectos e para a execução de estruturas. Os critérios de dimensionamento e os procedimentos de construção de reforços com colagens de sistemas de FRP são, actualmente, vagos e dispersos devido a factores como a novidade, a diversidade de formas do produto, os múltiplos campos de aplicação e a divergência de opiniões quanto aos seus objectivos. De um modo geral, os países sem documentações específicas sobre compósitos de FRP têm adoptado os critérios estabelecidos para os reforços colados com armaduras metálicas, recorrendo nos casos mais duvidosos, as conclusões e sugestões dos países mais avançados nesta área. Nesse sentido, o principal motivo que norteia o trabalho desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil da FEUP é o de criar, entre investigadores, o espírito de divulgação e de discussão

2 5.2 Planeamento de um Projecto de Reforço dos seus sucessos e deficiências, em benefício da integração efectiva e segura dos novos materiais de FRP na construção. Como tal, discriminam-se a seguir os principais requisitos de planeamento de um projecto de reforço e tecem-se algumas considerações sobre as ideias actuais de dimensionamento de reforços com base em sistemas de FRP PRINCIPAIS REQUISITOS DE UM PROJECTO Os principais requisitos que podem contribuir para o planeamento de um projecto de reforço resumem-se a quatro nívei (Juvandes et al, 2000): à selecção do sistema compósito de FRP, às recomendações para dimensionamento e segurança, aos procedimentos para execução e ao controlo e garantia de qualidade da totalidade do processo. Como definição de critérios de dimensionamento e de procedimentos adicionais de verificação de segurança, para projectos de reforço e/ou reabilitação de estruturas, são dignas de registo as publicações como: Documentos de homologação do DIBt (Alemanha) para sistemas laminados préfabricados de CFRP: Nr.Z e Nr.Z (1997); Documentos da série SIA (Suiça): D0128 e D0144 (1997); Documentos sobre sistemas contínuos de FRP (Japão): JSCE e JCI TC 952 (1997); Documentos técnicos do ACI-Committee 440 (EUA): ACI 440R-96, ACI 440F e ACI 440H (2000); Documentos do Fib: Fib Task Grup Bulletin 14 (2001). Em qualquer um dos sistemas de reforço está implícita a necessidade eventual de melhorar a resistência à flexão, ao corte, à compressão ou à tracção (Figuras 5.1). Figura Formas gerais de reforços exteriores (Sika, 2000).

3 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo Selecção do sistema compósito de FRP No caso geral, um sistema compósito de FRP, utilizado na técnica de colagem de armaduras de reforço, é constituído por três componentes principais, ou seja, o compósito FRP propriamente dito, o adesivo de ligação betão-frp e as resinas de preparação da superfície do betão (primário, "putty"). Das várias fibras disponíveis no mercado, os sistemas reforçados com fibras de carbono CFRP apresentam as características que melhor se ajustam aos compromissos exigidos pelo reforço de estruturas de betão com a técnica de colagem Forma As principais formas comercializadas para os FRP podem ser classificadas em dois grandes grupos, os sistemas pré-fabricados ( pre-cured system ) e os sistemas curados in situ ( wet lay-up systems e prepreg systems ) e estes, ainda, em sistemas unidireccionais (1D), bidireccionais (2D) e multidireccionais (3D) devido à disposição das fibras no compósito. (i) - Sistemas pré-fabricados Estes resultam da impregnação de um conjunto de feixes ou camadas contínuas de fibras por uma resina termo endurecível, consolidadas por um processo de pultrusão com controlo da espessura e da largura do compósito. A orientação unidireccional das fibras confere ao FRP a maximização da resistência e da rigidez na direcção longitudinal. Tratam-se de produtos finalizados do tipo FRP, com as características mecânicas e físicas garantidas pelos seus produtores, sendo o laminado a forma comercial mais corrente (Figura 5.2). O agente adesivo (ou cola) é um material distinto do compósito sendo, geralmente, do tipo epóxido. Acabamento superficial Fibra contínua (em bruto) Matriz de impregnação Acabamento superficial Figura Um sistema pré-fabricado de CFRP unidireccional - o laminado

4 5.4 Planeamento de um Projecto de Reforço (ii) - Sistemas curados "in situ" Outro processo credível nas aplicações de colagem a elementos de betão consiste na aplicação de feixes de fibras contínuas, com a forma de fios, mantas ou tecidos (Figura 5.3) em estado seco ou pré-impregnado, sobre um adesivo epóxido previamente espalhado na superfície a reforçar. O adesivo (resina de saturação) tem as funções de impregnar o grupo de fibras, proporcionar a polimerização do conjunto num compósito de FRP e, por fim, desenvolver propriedades de aderência na ligação do FRP ao material existente. Segundo o conceito de FRP, este sistema só o será fisicamente após a execução do reforço, isto é, polimerizado ou endurecido in situ. A sua correcta caracterização deve reportar-se a ensaios de provetes executados nas condições de aplicação in situ. Fio Manta Tecido Figura Sistema de FRP curados "in situ" Propriedades Um sistema deve apresentar soluções em face das exigências de um projecto de reforço específico, sobretudo, informação sobre o comportamento esperado para os materiais a curto e longo prazo. Os valores característicos (valores garantidos) das propriedades de um sistema FRP são em geral fornecidos pelo fabricante, sendo baseados em testes à tracção de vários provetes (normas ISO e ASTM). Estes valores devem ser considerados como uma referência inicial porque não contabilizam a exposição ambiental do material a longo prazo. O valor médio da resistência à tracção e da deformação de rotura deve ser reduzido de três vezes o desvio padrão ( ), para ter em conta a dispersão dos resultados. O módulo de Young deve ser calculado para um valor da tensão correspondente a uma deformação característica de 5.0 o / oo (Equação 5.1) fluk Lum Luk Lum Lk = f 3 ; ε = ε 3 ; E = σ / [Eq-5.1]

5 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo O valor de cálculo das propriedades à tracção de um sistema FRP é obtido afectando os valores característicos dos efeitos de redução devido à intervenção da durabilidade (exposição ambiental), da história de carga e do tipo de aplicação (flexão, corte, etc.). Factores de redução indicativos estão especificados na Tabela 5.1. Estes factores de redução aplicam-se apenas à tensão e à deformação última e não ao módulo de elasticidade. f Lud C Ef Luk ; ε Lud = C Eε Luk ; E L = f Lud / = ε [Eq-5.2] Lud Tabela Factores de redução C E função das condições de exposição propostos pelo ACI (2000). Condições de exposição Tipo de sistema de FRP Valor indicativo do factor C E Carbono 0.95 Interior Vidro-E 0.75 Aramida 0.85 Exterior (pontes, parques exteriores de estacionamento, etc) Ambientes agressivos (zonas químicas, tratamentos de águas, etc) Carbono 0.85 Vidro-E 0.65 Aramida 0.75 Carbono 0.85 Vidro-E 0.50 Aramida 0.70 Os materais compósitos quando sujeitos a uma tensão elevada que se mantenha por um determinado período de tempo podem romper subitamente. É a chamada rotura por fluência, à qual as fibras de vidro são muito sensíveis e as de carbono relativamente imunes. Os compósitos reforçados com fibras, devido às propriedades viscoelásticas do material (polímeros termoendurecíveis), podem apresentar diferentes comportamentos à fluência e à relaxação quando sujeitos a acções constantes no tempo. Desse modo, num projecto, é fundamental definir critérios de correcção e limitação de determinados parâmetros, afectos a esses comportamentos dos materiais, de modo a traduzirem a deformação e a tensão esperadas no compósito, ao longo do tempo. Como exemplo, para os primeiros salienta-se a redução do módulo de elasticidade e da resistência à tracção e, para os segundos, menciona-se a limitação da deformação e da tensão aplicada e o controlo da temperatura ambiente.

6 5.6 Planeamento de um Projecto de Reforço O tipo de solicitação, natureza estática, dinâmica ou sistema cíclico, pode intervir nas propriedades dos compósitos, podendo estes romper subitamente devido à fadiga. Referira-se que as propriedades à fadiga de um material compósito são bastante boas quando as solicitações actuam na direcção das fibras, mas insuficientes para carregamentos transversais ou de corte. Quando se projecta um reforço com FRP, os níveis de tensão última de cálculo devem ser mantidos abaixo do limite de rotura por fluência e do limite máximo de tensão recomendado para as acções cíclicas (fadiga). Para estruturas nestas condições, o ACI (2000) propõe que a tensão no compósito seja limitada pelos máximos de 20%, 30% e 55% da resistência f Lud para os sistemas com fibras de vidro GFRP, aramida AFRP e carbono CFRP, respectivamente. Especial atenção deve ser dado ao efeito negativo da acção de temperaturas elevadas nos polímeros (resinas e adesivos) e nos compósitos de FRP, principalmente, em relação aos primeiros. A aproximação da temperatura para o nível do valor da temperatura de transição vítrea (Tg), do adesivo ou do FRP, torna a componente polimérica muito macia e as principais propriedades mecânicas, como a resistência e a rigidez, diminuem acentuadamente. Todas as formulações poliméricas são, também, susceptíveis de absorver humidade. Em geral, isto resulta numa redução do valor da temperatura de transição vítrea e das suas propriedades mecânicas (ver Capítulos 2 e 3) ºC 1,20 Estado vítreo E' Tc (1) Tg (1) Tg (2) E' (1) tan δ (1) 1,00 Região de transição Seco Módulo E (MPa) ,80 0,60 0,40 Tanδ Rigídez Húmido Aumento do teor de humidade ,20 Estado plástico 0 0, T (ºC) Temperatura a) Efeito da temperatura. b) Efeitos higrotérmicos. Figura Efeitos higrotérmicos no comportamento de uma resina (ensaio DMTA). Estes efeitos estão representados nas Figuras 5.4-a e 5.4-b, através das curvas típicas de variação do módulo de elasticidade E' e do desenvolvimento do coeficiente de perda tang δ = E''/E' com a temperatura. O EUROCOMP (1996) recomenda a fixação de um valor inferior ao Tg, reduzido de 10ºC a 20ºC, para o limite superior da amplitude térmica esperada numa aplicação normal na construção [T C Tg-10 o C (a 20 o C)]. Esta temperatura limite Tc depende do tipo de resina e o seu valor efectivo tende a aumentar, no caso dos compósitos de CFRP, devido à presença das fibras. Em

7 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo termos globais, os compósitos são mais duráveis no tempo do que os materiais tradicionais, salientando-se a melhor resistência global registada pela família dos compósitos de CFRP. O comportamento ao fogo do sistema compósitos colados deve ser analisado segundo três níveis, ou seja, o efeito das elevadas temperaturas próximas ou superiores à temperatura Tg, o efeito da combustividade dos materiais e o efeito da toxicidade e desenvolvimento de fumos. Sob o ponto de vista da resistência, o efeito da temperatura e o seu tempo de permanência constituem factores deveras preocupantes. Normalmente, a literatura internacional recomenda que, nos casos de exposição directa ao fogo, não se deva executar reforços com sistemas de CFRP, a menos que se apliquem procedimentos adicionais de prevenção (ver Figura 5.5 no item ). Estes procedimentos devem ser estudados em conformidade com as informações dos fornecedores dos sistemas (compósitos de CFRP e colas) e de acordo com as exigências estabelecidas no projecto (Regulamento de Segurança contra Incêndios, Eurocódigo 2) Conceitos de dimensionamento e segurança Aspectos gerais (i) - Filosofia de cálculo O dimensionamento de elementos estruturais de betão reforçados por colagem externa de sistemas de FRP deve ser baseado na filosofia dos estados limites, de acordo com a regulamentação portuguesa e europeia para estruturas novas (Eurocódigo 1 e Eurocódigo 2). Esta metodologia define níveis de segurança aceitáveis em relação à ocorrência, quer de estados limites de utilização (ELS - deformação e fendilhação), quer de estados limites últimos (ELU - rotura e fadiga). Na verificação da resistência última do elemento, todos os possíveis modos de rotura devem ser analisados. Por exemplo, a contribuição do sistema compósito no reforço à flexão de uma secção deve manter a ductilidade, assegurando que a capacidade resistente ao esforço transverso não controle a rotura. A área da secção transversal do compósito necessária para o reforço deve ser determinada com base na força de tracção requerida e nas tensões de cálculo. As tensões de cálculo do material são muitas vezes determinadas pela lei de Hooke e com imposição de um valor limite para as deformações. Este valor limite da deformação, designado por deformação última efectiva, depende essencialmente da eficiência da ligação colada e da compatibilidade da deformação do compósito e da base (betão). A experiência internacional recomenda a aplicação de factores adicionais de redução na contribuição de um reforço com sistemas de FRP, no sentido de reflectir o conhecimento parcial do

8 5.8 Planeamento de um Projecto de Reforço comportamento das estruturas reforçadas a longo prazo. Como geralmente o reforço envolve estruturas existentes, com algum grau de incerteza nas propriedades dos materiais ou no estado de deterioração das suas superfícies, também aqui se recomenda a aplicação de factores de redução nas propriedades destes, mais conservativos do que nas edificações de estruturas novas (Monteiro, 1999). No dimensionamento de sistemas de FRP para a reabilitação de estruturas ao sismo, pode ser apropriado o uso do método Capacity Design porque se admite que a estrutura deve desenvolver a sua capacidade elástica total, desde que se garanta a resistência ao corte dos elementos estruturais. No projecto de reforço admite-se os princípios básicos seguintes: i) é válido o princípio da perfeita compatibilidade de deformações entre os materiais; ii) verifica-se o princípio de Navier-Bernoulli; iii) em qualquer instante, é satisfeito o princípio do equilíbrio entre forças na secção. Assumindo estes princípios, considerando o estado inicial de tensão e deformação do elemento no acto do reforço e o conhecimento das leis constitutivas dos materiais e dos critérios de cedência, é possível prever o comportamento de uma estrutura reforçada. Complementarmente, deve ter-se em consideração alguns critérios especiais de verificação de segurança para a zona da junta de colagem. (ii) Critérios de segurança Comparado com o processo de dimensionamento de estruturas novas, o cálculo do reforço de estruturas existentes através da técnica de colagem de armaduras exteriores deve incluir, para além dos critérios definidos no ponto anterior (i), considerações especiais de verificação de segurança que traduzam as condições "in situ" do projecto de reforço. Estes podem influenciar o dimensionamento e o processo de execução do reforço, de modo a garantir a segurança global da estrutura. a) Condição de reforço máximo Geralmente, exige-se que a estrutura, com a ruína do reforço, possa suportar a combinação de acções estabelecida nesta situação, isto é, resista às acções permanentes e a uma percentagem das acções variáveis. Por isso, recomenda-se que o reforço posterior de estruturas existentes não exceda mais de 50% da sua resistência actual e que, no caso da ruína acidental do reforço, a estrutura remanescente tenha uma segurança residual superior ou igual a 1.0 para se evitar o colapso geral. b) Condição imposta pela capacidade global da estrutura É importante garantir que o comportamento global de uma estrutura resista ao acréscimo de acções contempladas no projecto de reforço de elementos discretos desta.

9 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo c) Tolerância ao fogo No caso de compósitos inseridos em elementos de betão, a estrutura tem um comportamento de risco reduzido, semelhante ao exigido para as estruturas de betão armado e pré-esforçado em situações de incêndio. Na hipótese de exposição directa refiram-se duas situações possíveis em termos de critérios de segurança. Em qualquer dos casos, as consequências de perda do reforço devem ser interpretadas como uma situação de risco possível, garantindo-se o coeficiente de segurança residual de pelo menos 1 proposto no ponto (a): Reforços sem protecção ao fogo - o critério de resistência é o da estrutura não reforçada, aplicando-se os princípios definidos no Eurocódigo 2; Reforços com protecção ao fogo - deve determinar-se a envolvente térmica e estudar-se as implicações mecânicas nos materiais. O critério baseia-se em limitar a temperatura no adesivo (T < TC < Tg) durante um certo tempo (tolerância) (Figura 5.5). Pintura retardadora Revestimento directo para proteção ao fogo Elemento de betão Figura Procedimentos adicionais de prevenção ao fogo (Sika e S&P). c) Restrições para reforços ao sismo Como é deficiente a informação actual sobre o comportamento de estruturas reforçadas às acções sísmicas, o ACI (2000) recomenda algumas restrições ao uso dos FRP no reforço ao corte e à flexão de estruturas sob condições sísmicas.

10 5.10 Planeamento de um Projecto de Reforço Reforço à flexão (i) Critérios de cálculo Admitindo-se uma aderência perfeita entre os materiais, espera-se um diagrama de momento vs curvatura com a forma ilustrada na Figura 5.6, evidenciando três estados (I, II, III) principais de comportamento (betão não fendilhado, betão fendilhado mais comportamento elástico do aço e último compreende o início de plastificação da armadura até à rotura) e pressupondo que o colapso da estrutura ocorre por ruína do compósito, após cedência da armadura de aço ou por esgotamento da extensão no diagrama do aço. No cálculo da resistência à flexão de uma secção reforçada devem ser consideradas as hipóteses usuais de cálculo de secções de betão armado ou pré-esforçado flectidas, admitindo para o sistema FRP um comportamento linear até à ruína, sem reserva plástica de deformação (Figura 5.7). Momento Mu M y M f betão fendilhado Estado I Cedência do Aço Estado II X Rotura do CFRP betão Estado III M f - início de fendilhação M y - cedência da armadura M u - colapso σ CFRP % Rotura do laminado 1.3 % Destacamento do laminado (Rotura da estrutura) % problemas de aderência interna entre aço e betão devido a deformação plástica w adesivo CFRP Aço ε % Curvatura Figura Diagrama de momento vs curvatura de uma estrutura de betão reforçada exteriormente FRP. Figura 5.7 Diagrama de tensão vs extensão do compósito de CFRP (S&P). Estado Limite Último (ELU) O cálculo deve reportar-se aos vários modos de ruína observados nos trabalhos de investigação publicados até hoje, podendo sintetizar-se em três grupos (Juvandes, 1999): 1) as ruínas clássicas das estruturas de betão armado ou pré-esforçado; 2) a ruína dos novos materiais que são adicionados (coesiva no adesivo e tracção no CFRP); 3) as ruínas de cedência da ligação na interface betão-adesivo-cfrp (Figura 5.8). Sob o ponto de vista de cálculo ao ELU, convém excluir alguns dos modos de ruína frágeis como o caso do corte, da torção e das ruínas prematuras. Pela mesma razão, é necessário garantir que

11 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo o aço da armadura interna do elemento tenha suficiente patamar de cedência (Eurocódigo 2), para garantir ductilidade à estrutura antes do seu colapso. CFRP Figura Resumo dos modos de ruína prematuros (Juvandes, 1999). Deste modo, o cálculo ao ELU pode ser estabelecido impondo para a secção crítica (Equação 5.3 e Figura 5.9): M M Sd Rd M Rd = A f s s ( d 0.4x) + γ A f ( h 0.4x) L L Lud [Eq-5.3] f L f L Figura Tensões e extensões na secção crítica em ELU. Na Equação 5.3 é proposto um factor de redução γ L, para a contribuição da resistência à flexão do reforço com FRP, recomendando-se para este um valor médio de 0.85 (ACI, 2000).

12 5.12 Planeamento de um Projecto de Reforço CASO 1 - Admite-se ligação perfeita entre os materiais e estabelece-se como modos de ruína desejáveis para a secção crítica à flexão os que, após cedência da armadura de aço, ocorram por: 1) esmagamento à compressão do betão (ε cu = 3.5 o / oo ); 2) ruína à tracção do compósito de CFRP (ε L = ε Ld ); 3) efeito simultâneo dos dois anteriores (ideal). CASO 2 - Admite-se os modos de ruína prematuros como principais. Apesar de não ser recomendável, este caso aplica-se às situações em que, a nível de projecto de reforço, há limitação na implementação de alguns critérios de prevenção de ruínas, por destacamento do CFRP na interface (ex. aspectos económicos e geométricos). Esses modos estão relacionados com a integridade e resistência do substrato de betão, com o nível de deformação no compósito e com a concentração de tensões desenvolvidas na extremidade da colagem e junto às fendas de flexão e corte. Para prever estes modos frágeis de ruína do elemento reforçado, é necessário desenvolver novos modelos de cálculo para o apoio ao projecto. Como o modo de ruína pode ocorrer em vários locais da interface betão-adesivo-cfrp (Figura 5.7), é indispensável recorrer a verificações suplementares de segurança a estudar. Para aceitar estes dois CASOS e garantir um grau de ductilidade suficiente (curvatura da secção), recomenda-se que seja verificada a deformação na armadura para o estado limite (rotura) correspondente, quer à rotura da interface, quer à rotura do sistema FRP. Pode considerar-se que será atingido um grau adequado de ductilidade se a deformação na armadura correspondente à rotura for pelo menos ε s 5 o / oo (ACI, 2000). Estado Limite de Utilização (ELS) A verificação aos ELS reflecte o bom desempenho em serviço da estrutura reforçada, sendo em algumas circunstâncias, mais condicionante que o ELU. Neste caso, o valor do módulo de elasticidade dos compósitos é fundamental para introduzir a condição de rigidez desejada pelo critério de serviço para a estrutura. Os principais critérios de prevenção a estabelecer no ELS são do tipo: 1) limitação das tensões nos materiais para condicionar a fluência no betão, no FRP e atrasar o início de plastificação das armaduras de aço; 2) limitação da deformação do compósito para controlar as tensões de aderência na interface betão-adesivo-cfrp, em particular, nas zonas de formação de fendas (ver Figura 5.7);

13 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo ) limitação da largura de fendas no betão de modo a proteger a armadura interna e a reduzir o risco de destacamento precoce do CFRP; 4) limitação na formação das fendas de corte, na medida em que são as principais responsáveis pela degradação da resistência de uma junta. A eficácia do desempenho em serviço de uma estrutura pode ser melhorada se se aplicar um sistema compósito pré-esforçado. A tensão de pré-esforço no compósito alivia o esforço na armadura de aço no interior do betão e reduz a flecha e a largura de fendas (Figura 5.10). Figura 5.10 Laminados de CFRP pré-esforçados (Sika, 2000). O efeito do reforço de FRP na verificação dos estados limites de utilização (abertura de fendas e flechas) pode ser avaliado usando uma área de FRP transformada em aço por meio do coeficiente de homogeneização (α=e L /E s ). (ii) Critérios de segurança adicionais Como está em causa sobretudo o reforço ou a reabilitação de estruturas existentes, mais problemáticas do que as estruturas novas, de um modo geral, os critérios de segurança reportam-se às condições de interacção betão-adesivo-cfrp na junta de colagem e às condições especiais em

14 5.14 Planeamento de um Projecto de Reforço circunstâncias como o fogo, o vandalismo, os agentes agressivos do ambiente, as acções cíclicas, etc. Em qualquer caso, as consequências da perda do reforço devem ser sempre encaradas como uma situação de risco possível, recomendando-se os critérios de segurança do item A prevenção face à possível intervenção in situ de agentes do ambiente (Figura 5.11) conduz ao estabelecimento de coeficientes de redução das propriedades dos materiais descritos no item Figura 5.11 Exposição a ciclos higrotérmicos (Sika, 2000). A análise dos principais condicionantes da ligação colada betão-adesivo-cfrp pode resumir-se à verificação dos aspectos descritos a seguir. F CFRP extensómetros chapa de aço F Corte P P betão betão Adesivo L1 CFRP L1 Arrancamento Flexão Figura Ensaios de aderência. a) Aderência da ligação - A resistência de uma ligação colada é ditada pelo valor máximo da aderência entre os materiais envolvidos na ligação. Na interface betão-adesivo-compósito e atendendo aos modos de ruína teoricamente possíveis, o problema surge ao nível da comparação dos valores das resistências ao corte e à tracção na camada superficial do betão, da resistência coesiva do

15 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo adesivo e da resistência interlaminar do compósito. Dos três casos, o condicionante será o que apresentar menor valor, adiantando-se que nos casos correntes observados o betão tem sido o principal responsável. A melhor forma para determinar a resistência à aderência é recorrer a modelos de aderência experimentais ilustrados na Figura 5.12 do tipo ensaios de corte, ensaios de flexão ou ensaios de arrancamento (tracção, torção) (Juvandes, 1999). Segundo a literatura internacional temse a informação de que a resistência à aderência com o betão (ensaios de arrancamento por tracção ou pull-off ) é aceitável para valores médios iguais ou superiores a 1.5 MPa, admitindo-se no máximo 3 MPa para efeitos de dimensionamento, no caso daquela ser superior. b) Controlo de fendilhação e das tensões de corte - As previsões teóricas para a evolução dos esforços (tracção, corte) na interface são aproximações da realidade porque, geralmente, não contemplam os mecanismos pontuais na interface que ditam o estado limite último das estruturas reforçadas. O controlo desses mecanismos depende da integridade da interface, isto é, da compatibilidade entre a distribuição das tensões rasantes e a resistência ao corte do betão adjacente à interface. Para prevenir o destacamento do laminado do betão junto às fendas e para evitar que o aço plastifique em serviço, em pré-dimensionamento recomenda-se limitar a extensão máxima no compósito ε Lud (ver Figura 5.7) para o menor valor sugerido na homologação (1997): ε ε Lud Lud 5ε ε sy Luk / 2 [Eq-5.4] c) Zona de ancoragem - Na perspectiva de vários autores (Costeira, 1999), existe uma força máxima de tracção no CFRP que provoca a ruína da ligação (F L T u,max ), valor esse transferido para o betão segundo um comprimento efectivo de colagem da interface betão-adesivo-reforço ( l ). t, max Um critério de cedência possível para a amarração das extremidades dos CFRP (sem fixações exteriores adicionais) é baseado nas regras propostas pelo IBMB (1997). Caso não se domine o mecanismo de ancoragem, deve optar-se por adição de sistemas exteriores de fixação das extremidades do compósito. Quanto à extensão e localização, a proposta é que, além da zona de ancoragem, os mecanismos de fixação exterior devem estender-se ao longo do comprimento da junta de colagem. Quanto à forma, realçam-se os sistemas metálicos "standard" e alguns sistemas de material compósito em fase embrionária (mantas ou tecidos de GFRP/CFRP, laminados préfabricados de CFRP em "L") (Figura 5.13). A adição de sistemas de fixação dos laminados traccionados criam forças de compressão transversais à ligação com efeitos benéficos, frente aos mecanismos de delaminação e de "peeling", que se vão formando na interface durante a solicitação da estrutura (Figura 5.14).

16 5.16 Planeamento de um Projecto de Reforço Reforço com Chapas Metálicas S235 (DIN EN ) Vigas em T As As Chapas em L de aço S235 A ncoragem dos estribos na zona comprimida do betão As As CFRP CFRP ESTRIBOS EXTERIORES ESTRIBOS EXTERIORES ANCORADAS Chapas metálicas L propostas pelo DIBt (Nr. Z ) Zona de ancoragem Zona da curva Zona da curva Zona de ancoragem Laminado em "L" de CFRP (Meier, 1998) 0º + 90º Presilhas executadas com manta de CFRP (FEUP,2001) Fixação com chapas metálicas aparafusadas (S&P, 2000; Poulsen et al, 2001) Figura 5.13 Sistemas de fixação das extremidades do compósito.

17 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo Reforço ao corte Os sistemas de FRP com as fibras orientadas transversalmente ao eixo da peça ou segundo a normal às potenciais fendas de corte são eficientes para o reforço adicional da capacidade resistente ao esforço transverso. Este reforço ao corte, que é muitas vezes necessário para aumentar a ductilidade à flexão, pode ser colocado de forma contínua ao longo da peça (viga ou pilar) ou em faixas com espaçamento limitado (ver espaçamento dos estribos nos documentos referidos no início do item 5.2) (Figura 5.14). Estribos laminados F F Figura Esquemas de reforço ao corte e mecanismos de fixação (manta e laminado) A resistência ao corte fornecida pelo sistema FRP pode ser determinada calculando a força de tracção instalada no compósito. No cálculo desta força em estado limite último, a deformação no sistema FRP deve ser limitada a ε l 4%o (ACI, 2000) para conservar a interacção entre os bordos rugosos da fenda de corte (aggregate interlock) e reduzir as flechas. Se o reforço de FRP não abraça completamente toda a secção (cinta) deve, então, existir uma área de aderência, para além da potencial fenda, suficiente para desenvolver as tensões de tracção através da fenda. A capacidade resistente da secção ao esforço transverso corresponde à soma das resistências atribuídas ao betão e armadura convencional e da contribuição do reforço de FRP. Contudo, aquela deve ser sempre limitada pela resistência correspondente ao esmagamento das escoras de betão da alma.

18 5.18 Planeamento de um Projecto de Reforço Reforço à compressão e aumento de ductilidade Pilares circulares ou rectangulares podem ser reforçados de forma a aumentar a sua capacidade resistente à flexão, corte e esforço axial, e a sua ductilidade (Figura 5.15). Os sistemas de FRP constituem uma técnica eficiente de reabilitação e reforço de pilares sujeitos à acção dos sismos. A capacidade resistente à compressão e a ductilidade podem ser aumentadas por confinamento do betão através do envolvimento de um sistema de FRP curado in situ. O confinamento resulta num aumento da resistência e da deformação axial do betão, podendo estes valores serem quantificados com base na tensão de confiamento exercida pelo sistema compósito. Ductibilidade Figura Reforços tipo mais comuns à compressão e ao aumento de ductilidade Procedimentos para a execução do reforço Na opinião de Taerwe et al. (1999) as principais tarefas da aplicação de cada um destes sistemas de reforço estão sumariadas na Figura Contudo, o objectivo desta secção é expor os critérios (especificações e requisitos) definidos nos procedimentos das três etapas de aplicação do reforço, de modo a implementar a confiança no uso

19 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo dos compósitos de FRP e instituir garantia de qualidade do reforço final. Estes critérios dependem do tipo de sistema de reforço usado e das condições locais do projecto de reforço. PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE Betão Remoção da leitada superficial do betão, regularização da superfície, arredondamento de arestas Controlo de qualidade: resistência, irregularidades, fendas e corrossão reparar se necessário CFRP Betão deve apresentar-se seco e isento de poeiras COLAGEM DO CFRP Limpar e cortar o CFRP, verificando a existência de irregularidades Sistema pré-fabricado: O laminado Aplicação do adesivo na superfície de betão a reforçar Aplicação do adesivo no CFRP Colagem do CFRP, comprimindo-o ao betão e retirando o adesivo em excesso Sistema curado in situ : A manta Aplicação do primário e do putty (opcional) Aplicação da resina Aplicação do CFRP Aplicação da resina (impregnação do CFRP) CONTROLO DE QUALIDADE (ANTES, DURANTE E APÓS A APLICAÇÃO) Nos materiais utilizados (testes normalizados) Nas condições de aplicação (condições ambientais) Durante a aplicação (direcção das fibras, qualidade da colagem e existência de vazios) ACABAMENTO (OPCIONAL) Pintura, betão projectado, (estética, protecção ao fogo,...) Figura Aplicação do reforço com sistemas compósitos de CFRP (Taerwe et al., 1999) Inspecção do betão e preparação da superfície O controlo da rugosidade, da humidade, da temperatura, do padrão de fendilhação e da deterioração da camada superficial do betão a reforçar origina um critério para o despiste das ruínas, por falta de aderência no contacto betão-adesivo (Figura 5.17).

20 5.20 Planeamento de um Projecto de Reforço INSPECÇÃO DA SUPERFÍCIE. Inspeccionar as condições da superfície.. Verificar as condições ambientais.. Registar as inspecções em relatórios diários.. Não prosseguir com a aplicação se se verificar alguma das seguintes condições: < 5 o C Poros da superfície cheios de água Figura 5.17 Alguns procedimentos de inspecção da superfície (MBrace, 1999). Potencial fuga de água Nos sistemas laminados pré-fabricados, recomenda-se a limpeza do betão com a passagem de jacto de areia e nos sistemas de mantas flexíveis curadas "in situ" o polimento com um esmeril, de modo a obter-se uma superfície lisa com exposição dos inertes. Neste, melhora-se a adesividade entre a resina de saturação e o betão, com o espalhamento obrigatório de um primário. Em qualquer dos dois sistemas, devem corrigir-se as irregularidades pontuais da superfície do betão, com o revestimento à espátula de uma argamassa de resina epóxida ("putty ). As superfícies com concavidades devem ser, igualmente, evitadas ou corrigidas, visto serem zonas propícias ao destacamento prematuro do FRP (consultar o Capítulo 4) Avaliação da aderência ao betão Os ensaios de arrancamento por tracção ou "pull-off" são admitidos na avaliação da aderência da ligação entre materiais compósitos e superfícies de betão (item ), mas sempre com o princípio comum de que se analisam características superficiais (pren 1542). Nestes termos, a tensão de aderência ao betão no ensaio de arrancamento por tracção é aceitável para valores médios de tensão de tracção f ctm,p MPa. Caso contrário, não é conveniente efectuar o reforço exterior com colagem. Para efeitos de estabelecimento de uma lei constitutiva da interface betão-adesivo-frp, constata-se que o uso adicional do ensaio de arrancamento por torção ou "torque-test" e o recurso a critérios do tipo Mohr-Coulomb, possibilite trabalhar os resultados dos dois ensaios, com o objectivo de ajustar uma lei de cedência para a junta (Figura 5.18).

21 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo Figura Ensaios de aderência in situ e lei de cedência para a junta Aplicação da armadura de reforço Os procedimentos estabelecidos nas especificações técnicas dos fornecedores devem ser rigorosamente cumpridos para evitar deficiências na aderência ou na polimerização do compósito. No sistema curado in situ, apesar de permitir a adição de várias camadas de mantas com fibras unidireccionais, não são reconhecidas vantagens significativas a partir de dez camadas coladas sucessivamente (JCI TC952, 1997). Figura 5.19 Aplicação de laminados e tecidos de FRP (S&P) Controlo e garantia de qualidade A garantia do êxito de um reforço com a técnica de colagem, passa por integrar verificações de conformidade a quatro níveis importantes, que se enquadram nos procedimentos de controlo e garantia de qualidade deste método. Essas conformidades incidem sobre as fases anterior, durante e posterior à execução de um reforço.

22 5.22 Planeamento de um Projecto de Reforço Certificação dos materiais de reforço A selecção dum sistema deve incidir sobre produtos comerciais credíveis, devidamente calculados, detalhados e executados. Deve evitar-se sistemas de qualidade insuficientes, a nível da constituição dos materiais, do sistema e da execução, que comprometam a segurança, exigindo-se, sempre que possível, a satisfação das especificações de controlo de qualidade destes (documento de homologação). Estes aspectos devem incidir sobre todos os constituintes do sistema de FRP. Os produtos devem vir, também, acompanhados de informação sobre a embalagem, transporte e armazenamento Qualificação das empresas A técnica de colagem, incluindo possíveis técnicas de reparação prévia da superfície, convém ser executada por técnicos qualificados e com experiência. Além disso, deve exigir-se o uso de equipamentos adequados de protecção e execução das tarefas de reforço Controlo de procedimentos de aplicação Este item integra quatro pontos executáveis durante os passos de aplicação do reforço e cujos procedimentos devem cumprir critérios / ensaios normalizados (Juvandes et al., 1996-a). (i) Inspecção das condições locais O controlo das especificações e dos requisitos descritos para as tarefas e , origina um critério para o despiste das ruínas por descolamento na superfície de contacto betão-adesivo. (ii) Inspecção do primário e do adesivo O controlo do tipo, da espessura, do estado de cura e das deficiências de espalhamento do sistema adesivo é importante, para estabelecer-se quais as características da junta de ligação (adesão e coesão). Durante a confecção e espalhamento do adesivo ou do primário e suas posterioes identificações, é imperativo registar-se por cada mistura realizada, a data, as proporções de combinação, as condições higrotérmicas do ambiente e da superfície e outros factores que possam afectar o estado de cura. Dessa mistura, devem constituir-se provetes, a curar "in situ", e ensaiados em seguida, para controlo da caracterização do adesivo (Figura 5.20).

23 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo Figura 5.20 Controlo do adesivo e construção de provetes. (iii) Inspecção do compósito de CFRP A nível de projecto, é fundamental o conhecimento completo das propriedades do material compósito, antes e depois de aplicado, na execução de um reforço estrutural. Assim se compreende a compatibilidade que existe entre as fases de projecto e de desempenho real da estrutura. A alteração das propriedades do material (entre o previsto e o medido), após a sua aplicação, pode implicar a incompatibilidade das duas fases, suscitando alguma desconfiança no comportamento esperado para a estrutura. Este aspecto é, sobretudo, crucial nos sistemas de FRP curados "in situ". É necessário realizarem-se ensaios com protótipos próximos das condições finais pretendidas, mas com algumas reservas que serão salvaguardas pelos coeficientes de segurança (Figura 5.21). Figura 5.21 Ensaios de provetes de CFRP moldados in situ (INEGI). (iv) Inspecção do estado de colagem Após a colagem da armadura adicional de material compósito, deve ser empreendida a detecção de anomalias, recorrendo a um método de inspecção que seja capaz de registar destacamentos, vazios

24 5.24 Planeamento de um Projecto de Reforço ou delaminações. Geralmente, estes métodos são do tipo análise acústica simples (suaves pancadas sobre o FRP), ultrasons e métodos termográficos. Teste acústico Teste de aderência Figura 5.22 Inspecção do estado de colagem Inspecção em serviço e manutenção O caderno de encargos deve estabelecer um manual com os procedimentos para observação e manutenção das estruturas reforçadas. Nesse sentido, sugere-se que a inspecção incida sobre as acções seguintes: 1) ensaios de carga na fase inicial de serviço; 2) monitorização e observação periódica da obra com vista a verificar a resistência à aderência, o estado do compósito, a interferência dos agentes ambientais na interface, etc. Figura 5.23 Monitorização do sistema de reforço.

25 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo Nota conclusiva Como conclusão, sublinha-se que as principais questões e recomendações expostas neste item 5.2, resultantes de um processo de pesquisa, divulgação e discussão de sucessos e deficiências entre investigadores, fornecedores e empresas aplicadoras, possam contribuir para o estabelecimento, em termos de qualidade e segurança, dos princípios de planeamento de um projecto de reforço com sistemas de FRP. 5.3 CASO DE APLICAÇÃO - REFORÇO DA PONTE DE NOSSA SENHORA DA GUIA Esta nova técnica de reforço de estruturas por colagem externa de sistemas FRP tem sido estudada no DECivil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e um conjunto alargado de ensaios de reforço de elementos estruturais de betão com sistemas de CFRP têm sido realizados no Laboratório de Estruturas com vista à exploração e validação desta técnica de reforço. Com o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia e do Instituto de Estradas de Portugal a aplicação desta técnica ao reforço de pontes tem sido explorada. O caso aqui tratado é o do reforço da laje superior do tabuleiro da Ponte de Nossa Senhora da Guia em Ponte de Lima Introdução No âmbito do projecto de I&D "Reforço de Pontes com Compósitos Avançados - Carboponte" tendo por parceiros para além da FEUP, o IEP, INEGI, LNEC e STAP foi estudada e efectuada uma experiência piloto com vista à aplicação de sistemas CFRP ao reforço da laje superior do tabuleiro da ponte de Nossa Senhora da Guia em Ponte de Lima. Trata-se de uma ponte em betão armado pré-esforçado com cinco tramos e comprimento total de 250 metros (ver Figura 5.24). O tabuleiro com cerca de 12 metros de largura é constituído por um caixão bicelular de altura variável (ver Figura 5.26). A ponte, construída à cerca de 20 anos, apresenta no interior do caixão uma extensa fendilhação longitudinal localizada na face inferior da laje do tabuleiro (ver Figura 5.25). Esta fendilhação, que é reportada ter sido detectada pouco tempo após a entrada em funcionamento da ponte, corresponde a fendas afastadas entre si de 25 a 30cm e com aberturas entre 0.2 e 0.5mm.

26 5.26 Planeamento de um Projecto de Reforço Figura Vista da Ponte de N. S. da Guia - Ponte de Lima. Figura Aspecto geral da fendilhação longitudinal na face inferior da laje do tabuleiro (vista do interior do caixão). Prospectando a armadura indicada no projecto e que se verificou corresponder à armadura colocada na obra, salienta-se a armadura inferior, para resistir aos momentos positivos da laje, de varões de 10mm de diâmetro com afastamento de 20 centímetros (φ10//0.20) (ver Figura 5.26). Figura Desenho do projecto - armadura ordinária na secção corrente do caixão. O aço colocado é da classe A400, correspondendo essa armadura a um momento resistente de cálculo de aproximadamente, m A f z = kn.m / m [Eq-5.4] Rd s syd = Análise da Laje Superior do Tabuleiro A ponte foi analisada para as várias acções intervenientes tendo sido estudada com mais pormenor a acção dos rodados do veículo tipo sobre a laje do tabuleiro. Na figura 5.27 estão

27 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo ilustrados alguns dos diagramas do momento flector transversal na laje superior do tabuleiro para a acção de base veículo tipo. A combinação 1 refere-se a uma posição central do veículo tipo e as combinações 2 e 3 correspondem à colocação dos rodados mais à esquerda e à direita respectivamente. As combinações 4, 5 e 6 referem-se respectivamente às combinações 1, 2 e 3 com a adição da sobrecarga nos passeios (Oliveira et al., 1999). Momento flector (kn.m/m) Momento flector segundo xx 80 69,866 comb.1 60 comb.2 40 comb.3 comb.4 20 comb.5 0 comb.6 0,06 1,06 2,06 3,06 4,06 5, , Distâncias (m) Figura Diagramas de momentos flectores de cálculo na laje para diferentes posições do veículo tipo Verifica-se assim que de acordo com o preconizado no RSAEEP o momento flector actuante de cálculo a meio vão da laje é de 44 kn.m/m, isto é, é duplo do correspondente momento flector resistente de cálculo. De referir ainda que o momento actuante para combinações raras de acções é de 30 kn.m/m, só por si superior à capacidade resistente garantida pelas armaduras inferiores. É de notar que as variações diferenciais de temperatura, com especial relevo para as iniciais resultantes da deposição do betão betuminoso, vêm ainda agravar estes esforços transversais da laje. Da análise efectuada conclui-se ser necessário duplicar a capacidade resistente à flexão da laje para momentos positivos. A armadura colocada para resistir aos momentos negativos transversais verifica-se ser suficiente. Ensaios 'in situ' Foram efectuados diversos ensaios não destrutivos ou ligeiramente intrusivos sobre o tabuleiro da ponte para indagar sobre a classe de betão (esclerómetro), a armadura colocada em obra (diâmetros e recobrimentos), a profundidade e abertura das fendas, e sobre a resistência à tracção superficial do betão (ensaios de pull-off) (OZ STAP, 1998). Sobre este último aspecto apresenta-se no Tabela 5.2 os resultados dos ensaios de arrancamento utilizando pastilhas de 50mm de diâmetro coladas à superfície do betão efectuando ou não o pré-caroteamento.

28 5.28 Planeamento de um Projecto de Reforço Tabela Resultados dos ensaios de arrancamento efectuados sobre a laje do tabuleiro. Critério Tensão Média (MPa) DP (MPa) Cv (%) Todas as zonas Zona Zona Zona Com pré-carregamento Sem pré-carregamento Foram ainda efectuados ensaios de carga com o objectivo de avaliar as flechas e o acréscimo na abertura de fendas devido à passagem do camião de ensaio (Oliveira et al., 1999).. Foi utilizado um veículo de 2 eixos com uma distância entre eixos de 5.2 metros e com um peso de 127 kn no eixo traseiro e 67 kn no eixo dianteiro. Foi possível observar a actividade das fendas que apresentaram um acréscimo da sua abertura em 10 a 20% da abertura inicial durante a passagem do veículo Ensaios de comprovação laboratorial Para testar a eficiência da nova técnica de reforço por colagem externa de CFRP, aplicada a este caso concreto, foram construídas e ensaiadas em laboratório um conjunto de faixas de laje a uma escala reduzida de aproximadamente 1:2.5 (Juvandes, 1999; Juvandes et al, 1998; Dias,2001). Foram construídas duas séries de lajes de betão armado de cerca de 8 centímetros de espessura, 44cm de largura e 180cm de comprimento em micro-betão com resistência média à compressão aos 28 dias de 52 MPa. Nas faixas de laje da primeira série a armadura de flexão era constituída por 3 varões de 6mm de diâmetro (3φ6) de aço A500 (f sy = 635 MPa, f su = 685 MPa), que corresponde a uma percentagem de armadura equivalente à percentagem de armadura de flexão instalada na laje do tabuleiro em análise (ρ 0.25%). Na segunda série de faixas de laje foi colocada uma armadura dupla da utilizada na primeira série, isto é, 6φ6 que corresponderia em termos de percentagem à armadura que deveria ter sido colocada na laje da ponte (dupla da existente). O reforço com dois sistemas diferentes de CFRP foi então aplicado (L - laminados e M - mantas) às faixas de laje da primeira série

29 Reforço e Reabilitação de Estruturas Módulo de forma a obter uma capacidade resistente aproximadamente dupla daquela fornecida pela armadura. Na Figura 5.28 estão representadas de forma esquemática os 3 tipos de faixas de lajes ensaiadas. Série MIN 3 6 0,01 3//0,24 0,01 0,08 m PLANTA - FACE SUPERIOR LVDT 8 e 9 Traseira 3 3 0,05 0,175m 0,175 0, ,225m 1 0,45m Série N 6 6 0,01 - localização dos LVDT S 1,80m Frente 3//0,24 0,01 0,08 m 3 3 0,05 0,07 0,07 0,07m 0,07 0,07 0,05 Série M (tipo de reforço: 1 e 2) LVDT 8 e 9 Traseira 0.45 m APOIO CFRP - faixa 2 CFRP - faixa 1 b 1(1ª camada) b 2 (2ª camada) m (0.2225) b 1(1ª camada) b 2 (2ª camada) Frente m APOIO m 0,070 b 1 = b 1 = Série M b2 b m // m b 1 b 1 Série L (tipo de reforço: 3, 4 e 5) LVDT 8 e 9 Traseira 0.45 m APOIO 7 6 CFRP - faixa APOIO m Série L 0.219m (0.22) CFRP - faixa // m Frente m m ARMADURA 6 6 (lajes LB3N, LB4N) 3 6 (restantes) ,06 0,24 0,24 0,24 0,24m 0,24 0,24 0,24 0,06 0,01 0,01 0,08 m Figura Informações sobre os 3 tipos de faixas de laje ensaiadas. As faixas de laje foram instrumentadas (medição de deslocamentos e extensões) e ensaiadas à flexão em 4 pontos como se apresenta na Figura A Figura 5.30 ilustra o modo de rotura da laje