A UTILIZAÇÃO DE PERFIS PULTRUDIDOS DE FIBRA DE VIDRO (GFRP) NA CONSTRUÇÃO

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1 A UTILIZAÇÃO DE PERFIS PULTRUDIDOS DE FIBRA DE VIDRO (GFRP) NA CONSTRUÇÃO João Ramôa Correia Instituto Superior Técnico / ICIST 1/17 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 14 de Maio de 27 ÍNDICE: 1. OS MATERIAIS PLÁSTICOS REFORÇADOS COM FIBRAS (FRP) 2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS DE GFRP 3. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DOS PERFIS DE GFRP 4. COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES ENTRE PERFIS DE GFRP 5. TRABALHO DE INVESTIGAÇÃO REALIZADO NO IST 6. CONCLUSÕES 7. INVESTIGAÇÕES EM CURSO 2/17 Coordenação de Luís Juvandes 1

2 1. OS MATERIAIS PLÁSTICOS REFORÇADOS COM FIBRAS 3/17 Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Os Compósitos ao longo da História 8 a.c Utilização de tijolos reforçados com palha na Babilónia para reduzir a fissuração 194 Aparecimento de compósitos modernos em aplicações estruturais Indústrias naval e aeroespacial 195 Introdução de compósitos na indústria automóvel e indústria petrolífera 196 Aparecimento dos compósitos avançados (sobretudo indústria da defesa) 197 Esforço de redução dos custos de produção e alargamento a outros mercados 4/17 Coordenação de Luís Juvandes 2

3 Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Os Compósitos ao longo da História 198 e 199: Evolução tecnológica dos processos de produção (pultrusão) Necessidade de renovação de infra-estruturas (durabilidade dos materiais tradicionais; aumento das cargas de serviço) Exigência de velocidades de construção crescentes Aceitação cada vez maior pela indústria da construção (crescimento da investigação e desenvolvimento de projectos-piloto) Elevada resistência Baixo peso próprio 5/17 Durabilidade Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) ÁREAS DE APLICAÇÃO Varões e cabos para reforço do betão Laminados, mantas e cabos para reforço Perfis de GFRP Vigas/pilares de edifícios/pontes Painéis de GFRP Elementos de laje/parede CFRP/ GFRP Betão com varões de GFRP Reforço com laminados de CFRP Ponte 1% compósita Perfis de GFRP (Kolding Bridge) 6/17 Tabuleiro pré-fabricado em FRP (Mill Creek Bridge) Coordenação de Luís Juvandes 3

4 Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Plásticos reforçados (FRP) - 2 fases: 1. Fibras de reforço Muito resistente Frágil 2. Matriz polimérica (resina + filler + aditivos) Muito pouco resistente Transferência e distribuição das cargas pelas fibras Protecção das fibras das acções ambientais Mantém fibras na sua posição e evita a sua encurvadura quando solicitadas em compressão 7/17 NOTA: FRP Fiber Reinforced Polymer Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Fibras de reforço Vidro (E, S, AR, C) Carbono Aramida Resinas Termoendurecíveis (poliéster, viniléster, epóxi, fenólicas) Termoplásticas (polietileno, polipropileno) 8/17 Coordenação de Luís Juvandes 4

5 Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Propriedade Un. Vidro - E Carbono Aramida Resistência à tracção MPa Módulo de elasticidade GPa Extensão na rotura % 4,5,6 1,5 2, 4, Densidade g/cm 3 2,6 1,7 1,9 1,4 Coef. dilatação térmica 1-6 /K 5/6 Axial: -1,3 a -,1 Radial: 18-3,5 Diâmetro das fibras µm Estrutura das fibras - isotrópica anisotrópica anisotrópica Propriedades das fibras Propriedade Un. Poliéster não-saturado Viniléster Epóxi Resistência à tracção MPa Módulo de elasticidade GPa 2 3 3,5 2 4 Extensão na rotura % /17 Densidade Temp. transição vítrea g/cm 3 ºC 1,2 1, ,12 1, ,2 1, Propriedades das matrizes Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Filler materiais de enchimento inorgânicos: Redução dos custos de produção Melhorias de desempenho: - Situação de incêndio (conteúdo orgânico ) - Diminuição da retracção - Aumento da dureza - Aumento da resistência química Exs: carbonato de cálcio, caulino, alumina, sulfato de cálcio Inflamabilidade Produção de fumo 1/17 Coordenação de Luís Juvandes 5

6 Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Aditivos: Melhoria do processamento Melhorias de desempenho: - Diminuição da retracção - Diminuição do teor em vazios 11/17 - Diminuição da inflamabilidade e produção de fumos tóxicos em situação de incêndio (retardadores de chama) - Aumento da dureza (elastómeros) - Diminuição da densidade (precursores de espumas) - Alteração da cor (corantes) - Prevenção da perda de cor/brilho devido à radiação UV (estabilizadores UV) Os Materiais Plásticos Reforçados com Fibras (FRP s( FRP s) Características Gerais dos FRP s Filosofia de base no desenvolvimento de FRPs: Em função dos requisitos específicos, possível combinar: Varias técnicas de processamento Diversidade de fibras de reforço (tipo, orientação e teor) Perfil híbrido Variedade de resinas como matriz Aditivos e filler na matriz (propriedades específicas) 12/17 Coordenação de Luís Juvandes 6

7 2. CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PERFIS DE GFRP 13/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Constituição e Formas Estruturais Fibras de vidro: - Fibras longitudinais contínuas aglomeradas em mechas - Mantas de reforço com fios tecidos em várias direcções - Véu de superfície com fios dispersos aleatoriamente Fibras longitudinais 14/17 Matriz polimérica: - Resina (poliéster, viniléster) - Material de enchimento (filler) -Aditivos Mantas de reforço Coordenação de Luís Juvandes 7

8 Características Gerais dos Perfis de GFRP Constituição e Formas Estruturais Manta de reforço Fibras longitudinais 15/17 Microscópio de alta definição Características Gerais dos Perfis de GFRP Formas Estruturais Perfis de 1ª Geração Durante muito tempo copiados da construção metálica 16/17 Problemas de instabilidade quando sujeitos a compressões Perfis de 1ª geração Coordenação de Luís Juvandes 8

9 Características Gerais dos Perfis de GFRP Formas Estruturais Novos sistemas estruturais Sistema Superdeck 23 sobretudo para elementos de laje Sistema DuraSpan 19 (construções novas ou substituição) Sistema EZ Span 216 Painéis ligados a vigas longitudinais Sistema Asset 225 por colagem/aparafusamento Sistema ACCS 8 Baixo peso próprio Rápida instalação Fácil manutenção 17/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Processo de Fabrico - Pultrusão 1ª Fase: Impregnação das fibras de reforço e aquisição da forma no interio de um molde, com a matriz no estado líquido 2ª Fase: Solidificação da matriz no molde, resultando um perfil com a geometria pretendida Fibras de reforço longitudinal Guias Estação de impregnação de resinas Véu de superfície Molde aquecido Sistema de tracção Sistema de corte Mantas de reforço Pré-forma 18/17 Coordenação de Luís Juvandes 9

10 Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Tensão de rotura longitudinal Relação tensão-extensão Módulo de elasticidade Comportamento elástico-linear até à rotura Tensão de rotura semelhante/superior à do aço 19/17 Módulo de elasticidade 1 a 2% do aço Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Densidade Coeficiente de dilatação térmica Coeficiente de condutibilidade térmica Densidade 4 vezes inferior à do aço Coeficiente de dilatação térmica semelhante ao do aço Coeficiente de condutibilidade térmica muito baixo (semelhante ao da madeira e muito inferior ao do aço) 2/17 Coordenação de Luís Juvandes 1

11 Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis de GFRP ORTOTROPIA Propriedade Resist. à tracção Resist. à compressão Resist. ao corte Módulo de elasticidade Módulo de distorção Densidade Teor em fibras Un. MPa MPa MPa GPa GPa g/cm 3 % Direcção paralela Direcção transversal às fibras às fibras ,8 1,9 5 7 Propriedades físicas e mecânicas dos perfis de GFRP 21/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Comportamento ao fogo FRP são combustíveis e susceptíveis à ignição, mas apresentam baixo coeficiente de condutibilidade térmica Propriedades dos FRP muito dependentes da temperatura: 22/17 - Propriedades mecânicas diminuem para T g (temperatura de transição vítrea) - Decomposição da resina para T d (temp. de decomposição) - Condutib. térmica (λ), densidade (ρ) e calor específico (C p ) - Mecanismos de degradação: (i) Carbonização; (ii) Fendilhação; (iii) Delaminação; (iv) Ablação/efeito de escudo Coordenação de Luís Juvandes 11

12 Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Soluções 1. Medidas passivas: redução carga de incêndio, limitar emissão e propagação de chamas, calor e fumos - Aditivos retardadores de chama e/ou fillers - Resinas retardadoras de chama (ex: fenólicas) - Camadas de protecção superficiais (ex: tintas intumescentes, materiais projectados, painéis de gesso ou silicato de cálcio) 2. Medidas activas: Extinguir o fogo, dissipar o calor e o fumo (ventilação) - Sprinklers 23/17 - Arrefecimento por (circulação) de água Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Durabilidade Excelente desempenho comprovado em ambientes quimicamente agressivos Degradação devido a agentes ambientais compatível com a sua utilização: Temperatura Humidade Radiação UV Factor decisivo: Escolha adequada da matriz 24/17 Considerar o tipo de ambiente a está sujeita!!! Coordenação de Luís Juvandes 12

13 Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Sustentabilidade 1.1 Fibra de vidro Recurso inextinguível + Reciclagem 1.2 Matriz polimérica Resinas não são reprocessáveis, mas: Resultam de co-produtos da indústria petrolífera Quantidades exigidas bastante reduzidas Resinas Termoendurecíveis Resinas Termoplásticas? 2. Energia requerida na produção é baixa ( ¼ aço; 1 / 6 alumínio) 3. Durabilidade muito superior aos materiais tradicionais 4. Reciclabilidade só com resinas termoplásticas! 25/17 Adopção de resinas termoplásticas? Sustentabilidade Materiais tradicionais Características Gerais dos Perfis de GFRP Propriedades dos perfis Vantagens: Baixo peso próprio Elevada resistência mecânica Elevada resistência à corrosão (durabilidade) Fácil manutenção Propriedades eléctricas e térmicas Dificuldades: 26/17 Deformabilidade Instabilidade Comportamento frágil Regulamentação Custo inicial LIGAÇÃO AO BETÃO? Coordenação de Luís Juvandes 13

14 Características Gerais dos Perfis de GFRP Campo de aplicação Elementos não estruturais e estruturas secundárias Saneamento e ETAR s; Ind. Pesca, Portos e Petroquímica; Transporte ferroviário e Metro; Centrais térmicas e eléctricas. Estruturas de edifícios e pontes 27/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Bancos de jardim Escadas isolantes Gradis para plataformas 28/17 Escadas com guarda-corpos Coordenação de Luís Juvandes 14

15 Características Gerais dos Perfis de GFRP Painéis de fachada 29/17 Elementos estruturais de edifícios Características Gerais dos Perfis de GFRP Exemplos de aplicação em Portugal Centro Comercial Colombo Oceanário 3/17 Estação do Rossio Marina de Vilamoura Coordenação de Luís Juvandes 15

16 Características Gerais dos Perfis de GFRP Exemplos de aplicação em Portugal Encamisamento dos pilares da ponte Vasco da Gama (medida de controle da corrosão das armaduras) 31/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Exemplos de aplicação em Portugal 32/17 Escultura (Av. da Boavista, Porto) Coordenação de Luís Juvandes 16

17 Características Gerais dos Perfis de GFRP Exemplos de aplicação no estrangeiro 1. Ponte de Pontresina (1997) - 2 vigas treliçadas simplesmente apoiadas - Ligações aparafusadas numa das vigas e coladas na outra (coladas 15% mais rígidas) - Instalação: 4 horas 33/17 Características Gerais dos Perfis de GFRP 2. Ponte de Lérida (21) Exigências: - Manutenção mínima - Rapidez de montagem - Sem interferência magnética com a linha eléctrica Alçado - Ponte em arco, 38 m de vão, 6.2 m de altura e 3 m de largura - Utilizados apenas perfis GFRP - Rampas de acesso em betão 34/17 - Peso total de 19 ton. Vista lateral Vista inferior Coordenação de Luís Juvandes 17

18 Características Gerais dos Perfis de GFRP - Ligações (parafusos inox) executadas em 3 meses (8 homens) - Ensaio de carga comportamento linear e recuperação da deformação - Colocação em 3 horas Ligações aparafusadas 35/17 Ensaio de carga Elevação da ponte Características Gerais dos Perfis de GFRP 3. Ponte de Kolding (1997) - Ponte atirantada (8 tirantes) - 1% GFRP - 4 m de comprimento (2 tramos de 27 e 13 m) - Tabuleiro com 3.2 m de largura - Pilares com 18.5 m de altura - Peso total 12.5 ton (5% da solução em aço) - Custo total inicial 5 a 1% superior ao das soluções alternativas (aço e betão) 36/17 Perfis utilizados Ligações aparafusadas em fábrica Coordenação de Luís Juvandes 18

19 Características Gerais dos Perfis de GFRP Transporte de um tramo de 27 m Instalação da ponte em 3 peças 18 horas 37/17 Vista inferior da ponte Vista superior Estação meteorológica no topo dos pilares Instrumentação Características Gerais dos Perfis de GFRP 4. Eyecatcher Building (1999) 38/17 - Edifício mais alto do mundo com estrutura em FRP (5 pisos) - Estrutura 3 treliças trapezoidais (ligações coladas e aparafusadas) - Fachada em painéis sandwich isolamento térmico e translucidez (integração de funções) Coordenação de Luís Juvandes 19

20 SCALE 1 : 1 61/2 ROOMS SKY GARDEN Licenciatura em Engenharia Civil - Mestrado em Estruturas de Engenharia Civil Características Gerais dos Perfis de GFRP 5. Dock Tower (em estudo) - 36 pisos (18 m), planta circular - Lajes e paredes resistentes em painéis celulares pultrudidos GFRP - Fachada em painéis sandwhich translúcidos OFFICE OFFICE DUPLEX 31/2 ROOMS APARTMENT 39/17 3. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DOS PERFIS DE GFRP 4/17 Coordenação de Luís Juvandes 2

21 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.1 Princípios Gerais do Dimensionamento Comportamento elástico-linear para grandes deformações Dimensionamento aos ELS condicionado pela deformabilidade Contribuição do corte para a deformabilidade é importante Dimensionamento aos ELU condicionado por fenómenos de instabilidade (resistência última pouco condicionante) 41/17 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 1. Modelos de análise a) Modelos 2D ou 3D b) Modelos de viga σ 11 M 33 42/17 Ortotropia (complexidade das distribuições de tensões/extensões) Isotropia aparente na direcção longitudinal Em geral, bons resultados Coordenação de Luís Juvandes 21

22 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 1. Modelos de análise ε1 1/ E1 ε 2 υ12 / E ε3 υ13 / E = γ 23 γ 31 γ υ υ 21 1/ E 23 / E 2 2 / E 2 υ υ / E / E 3 3 / E 3 1/ G 23 1/ G (Comportamento ortotrópico em cada laminado...) 31 σ1 σ2 σ3 τ23 τ 31 1/ G12 τ12 z x E x, G x ( Isotropia aparente ) 43/17 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 2. Teoria de vigas e influência do corte E/G Em geral, considerar deformabilidade por corte a) Teoria de Euler. L δ = 48 EI P 3 b) Teoria de Timoshenko δ = 3 P. L P. L + 48 EI 4 GA v 44/17 Coordenação de Luís Juvandes 22

23 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 2. Teoria de vigas e influência do corte δ = Euler 3 P. L 48 E. I a = δ = Timoshenko 3 P. L P. L + 48 E. I 4 G. A e e v 1 E a = 1 E e Ee G i e ( ) 2 L Ea/Ee Secção I Poliéster/viniléster Secção H viniléster Secção H - Poliéster 45/17 Influência do corte E/G L/i L/i Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 3. Determinação das constantes elásticas (E e G efectivos ) Aço (homogéneo e isotrópico) Perfis de GFRP Propriedades intrínsecas do material Depende em geral, do tipo de secção e arranjo de fibras nas várias camadas do perfil E provetes E perfil 46/17 Coordenação de Luís Juvandes 23

24 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.2 Comportamento em serviço 3. Determinação das constantes elásticas (E e G efectivos ) Teoria clássica dos compósitos laminados MICROMECÂNICA MACROMECÂNICA ANÁLISE ESTRUTURAL Matriz Fibra Camada Laminado Estrutura Ensaios experimentais em perfis variar L e registar P e δ δ = 3 P. L P. L + 48 E. I 4 G. A e e v 47/17 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.3 Modos de rotura 1. Estados limites últimos Resistência à flexão Resistência axial Resistência ao corte Resistência ao esmagamento Encurvadura da alma por flexão Encurvadura da alma por corte Encurvadura do banzo de compressão Encurvadura lateral por flexão-torção Encurvadura por flexão Perfis com secção de parede fina (secções I, H, U): Fenómenos de instabilidade (local ou global) 48/17 Coordenação de Luís Juvandes 24

25 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.3 Modos de rotura 1. Estados limites últimos Vigas Esbelteza Esbelteza Encurvadura lateral por flexão-torção (instabilidade global) Encurvadura local do banzo comprimido (instabilidade local) Colunas Esbelteza Esbelteza Encurvadura por flexão (global) Encurvadura local Esbelteza Esmagamento do material 49/17 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.3 Modos de rotura 2. Encurvadura lateral em vigas flectidas - Fenómeno: Instabilidade da viga devido a uma combinação de flexão lateral e torção (importante em secções abertas) - Expressões do EC3: Bons resultados para vigas GFRP (Mottram) adaptadas a um material ortotrópico 2, π E x, zzizz k I ( kl) G J = w yz 2 C1 + + ( C2e) C e 2 2 ( kl) π k w Izz E x, zzizz Mcr 2 - Importância do fenómeno: E e E/G M cr << M u 5/17 Coordenação de Luís Juvandes 25

26 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3. Instabilidade local de elementos comprimidos - Fenómeno: Encurvadura do elemento comprimido num modo que consiste numa sucessão de ondas - Rotura: Grandes deformações no regime de pós-encurvadura Rotura do banzo em compressão com delaminação Separação banzo-alma 51/17 - Expressões e curvas de dimensionamento: Várias (Pecce e Cosenza) Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.3 Modos de rotura 4. Encurvadura de flexão em colunas comprimidas - Importância do Fenómeno: Colunas esbeltas (L/i > 5) - Expressão de Euler: Bons resultados para colunas de GFRP (adaptadas a um material ortotrópico) P E 2 π E = L c, x Imin 2 Deformação por corte (Zureick e Scott) 52/17 P = e P E η s 1 ηs = 2 ns π E L G eff yz A i NOTA: n s depende da secção transversal e eixo de flexão (tabelado) c, x Coordenação de Luís Juvandes 26

27 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3.4 Regulamentação Ainda não existe regulamentação específica oficial Dimensionamento baseado em manuais dos fabricantes tabelas de cálculo (informação fornecida limitada): - Europa: Fiberline Composites Design Manual (1995) -E.U.A: Strongwell, EXTREN Design manual (1983) Creative Pultrusions, The New and Improved Pultrex Pultrusion Design Manual (1999) EUROCOMP (1996) Pré-eurocódigo (filosofia semelhante) 53/17 EN1376 (22) Reinforced plastics composites Specifications for pultruded profiles (2 classes de materiais) 4. LIGAÇÕES ENTRE PERFIS DE GFRP 54/17 Coordenação de Luís Juvandes 27

28 Ligações entre Perfis de GFRP 4.1 Tipos de ligações Aparafusadas Coladas Aparafusadas e coladas Interlock ou encaixe mecânico 55/17 Ligações Aparafusadas Ligações Coladas Ligações por interlock Ligações entre Perfis de GFRP 4.2 Ligações aparafusadas Copiam a geometria da ligações da construção metálica pela sua flexibilidade e familiaridade dos agentes da construção. Algumas diferenças: Ausência de ductilidade Concentrações de tensões elevadas nas zonas dos furos Anisotropia Dificuldades nas direcções transversais Modos de rotura semelhantes mas os mecanismos que os provocam são diferentes 56/17 Critérios de rotura da construção metálica não são directamente aplicáveis!! Coordenação de Luís Juvandes 28

29 Ligações entre Perfis de GFRP 4.2 Ligações aparafusadas Ensaios em ligações monoaparafusadas Modos de rotura Esmagamento (E/D e W/D ) Corte local (E/D e W/D ) Tracção (E/D e W/D ) Modo de rotura mais benigno (dúctil) Corte em bloco (E/D e W/D ) Corte do parafuso 57/17 Ligações entre Perfis de GFRP 4.2 Ligações aparafusadas Ensaios em ligações viga-coluna Modos de rotura específicos: Delaminação dos vértices das cantoneiras Separação alma - banzo na coluna por delaminação na zona de junção 58/17 Coordenação de Luís Juvandes 29

30 Ligações entre Perfis de GFRP 4.2 Ligações aparafusadas Dimensionamento de ligações aparafusadas Muitas vezes condicionante para a escolha dos perfis Manuais dos fabricantes: Tabelas de cálculo (esquemas simples) Fórmulas empíricas, gráficos e recomendações de investigadores (procuram garantir rotura da ligação por esmagamento) Fonte t (mm) D/t E/D S/D W/D D furo -D (mm) D anilha /D Strongwell (1989) 6,35 a 19,5 1, a 3, 2, a 4,5 1,5 a 3,5 4, a 5, 1,6 - Fiberline (1995) 3 a 2,5 a 16, 2,5 e 3,5 2, 4, 1, 2, Eurocomp (Clarke, 1996) - 1, a 1,5 3,,5 W/D 3,,5D > 2, Creative Pultrusions (1999) 6,35 a 12,7-2, a 4,5 1,5 a 3,5 4, a 5, 1,6 2,5 Rosner e Rizkalla (1995) 9,35 a 19,5,5 a 1, 5, Monoaparafusada 5, 1,6-59/17 Cooper e Turvey (1995) 6,35 1,6 3, Monoaparafusada 4,,1 a,3 - Ligações entre Perfis de GFRP 4.2 Ligações aparafusadas Dimensionamento de ligações aparafusadas Rigidez da ligação: Abordagem corrente Ligações rotuladas Vários estudos em curso para contabilizar rigidez das ligações Ligações semi-rígidas Diminuição da deformabilidade 6/17 Coordenação de Luís Juvandes 3

31 Ligações entre Perfis de GFRP 4.3 Ligações coladas 61/17 Melhor adaptadas às características específicas do material (forças transmitidas à matriz de uma forma mais uniforme) e, em geral, mais resistentes e mais rígidas Questões: Durabilidade das colas a longo prazo / incêndio Elevada espessura dos elementos a ligar Qualidade de execução em obra Dimensionamento: MEF ou Expressões analíticas (EUROCOMP) que implicam conhecer as propriedades das peças a ligar e da cola Não adaptadas a perfis pultrudidos de GFRP! Ligações entre Perfis de GFRP 4.4 Ligações aparafusadas e coladas Situações em que se justificam: Parafusos para prevenir efeitos de uma execução deficiente da colagem ou deterioração em serviço da cola Melhorar o processo de colagem pela pressão de aperto dos parafusos Satisfazer exigências de deformabilidade com a cola e as de resistência com os parafusos Dimensionamento: MEF ou Abordagem simplificada (tomar apenas a resistência de um dos elementos) 62/17 Coordenação de Luís Juvandes 31

32 5. TRABALHO EXPERIMENTAL REALIZADO NO IST 63/17 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção Objectivos do trabalho realizado Utilização estrutural de perfis de GFRP na Construção Caracterização Comportamento Comportamento Durabilidade mecânica de elementos dos principais em ambientes do material estruturais tipos de ligações agressivos Ensaios em provetes Ensaios em vigas e colunas Ensaios em ligações Ensaios de envelhecimento Comportamento de estruturas mistas GFRP-betão Ensaios de conexão de corte Ensaio de uma viga mista GFPR-Betão 64/17 Coordenação de Luís Juvandes 32

33 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 5.1 CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DO MATERIAL DOS PERFIS DE GFRP 65/17 Caracterização Mecânica do Material dos Perfis de GFRP Caracterização mecânica do material (ortotrópico) Constantes elásticas Resistência do material 2 Alternativas Ensaios experimentais Perfis I 2x1x1 mm TopGlass (STEP) Teoria clássica dos compósitos laminados MICROMECÂNICA Matriz MACROMECÂNICA ANÁLISE ESTRUTURAL Fibra 66/17 Camada Laminado Estrutura ou elemento estrutural Coordenação de Luís Juvandes 33

34 Caracterização Mecânica do Material dos Perfis de GFRP 1. Determinação do teor em fibra (ISO 1172) Mufla ventilada a 625 ºC Balança de Precisão Mfinal Teor = 1 Teor = 62.2 % M inicial 67/17 Caracterização Mecânica do Material dos Perfis de GFRP 2. Ensaio de Tracção (ISO e 4) Tensão (MPa) Extensão (1E-3) TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 Propr. σ tu (MPa) E t (GPa) ε tu (1E-3) Long Ensaio de Compressão (ASTM D695) 7 Força (kn) ,5 1 1,5 Deslocamento (mm) CBL7 CBL8 CBL9 CBL1 CBL11 CBL12 Propr. σ cu (MPa) E c (GPa) ε cu (1E-3) Long Tran /17 Coordenação de Luís Juvandes 34

35 Caracterização Mecânica do Material dos Perfis de GFRP 4. Ensaio de Flexão (ISO 14125) Tensão (MPa) Extensão (1E-3) Propr. σ fu (MPa) E f (GPa) ε fu (1E-3) Long FA1 FA2 FA3 FA4 FA5 FA6 FA7 5. Ensaio de Corte Interlaminar (ASTM D2344) 12 1 Força (kn) Deslocamento (mm) Propr. F,sbs (MPa) Long. 35. CIBL1 CIBL2 CIBL3 CIBL4 CIBL5 69/17 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 5.2 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DOS PERFIS DE GFRP 7/17 Coordenação de Luís Juvandes 35

36 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 1. Ensaio da Viga V 1 (L = 4. m) Carga pontual a meio vão Contraventamentos laterais em 4 secções S3 S4 S5 S6 S1 S2 ε2 Secção contraventada Secção instrumentada ε1 Deflectómetro Extensómetro 71/17 ε3 ε4 δ1 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP Rotura por instabilidade local do banzo superior σ f,x(max) = MPa Estimativas Pecce e Cosenza: σ cr,x = MPa ASCE: σ cr,x = 23.9 MPa 72/17 Coordenação de Luís Juvandes 36

37 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP Força (kn) Deslocamento (mm) Momento (kn.m) ,,1,2,3,4,5,6,7 Curvatura (1/m) 3 P.L δ = 48 EaI E a = 33.9 GPa E e = 38.8 GPa 1 R M = EeI P L 3 P L δ = + 48 EeI 4 GeAv 12.6% Deformabilidade por corte (E/G ) 73/17 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 2. Ensaio das Vigas V 2 (L = 1.44 m) e V 3 (L = 1. m) 1 8 Viga V 2 Força (kn) Deslocamento (mm) 74/17 Rotura por esmagamento da alma V 2 : σ c,y (alma) = MPa V 3 : σ c,y (alma) = MPa Deformabilidade por corte (%) 7 V3 6 5 V V Esbelteza (L/i) Coordenação de Luís Juvandes 37

38 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP Determinação das constantes elásticas 3 P L P L δ = + 48 EeI 4 GeAv y = a + b.x ( δ/p) L = + L 4 GeAv 48 EeI 1 4 GeAv (δ/p)/l (kn/mm 2 ) 5,E-4 V 1 4,E-4 3,E-4 2,E-4 1 V 1,E-4 V E e I,E+,E+ 5,E+6 1,E+7 1,5E+7 2,E+7 L 2 (mm 2 ) 75/17 E e = 38.3 GPa G e = 3.58 GPa Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 3. Ensaio da Viga V 4 (L = 4. m) Força (kn) Deslocamento (mm) 76/17 Instabilidade lateral por flexão-torção Estimativa (expressão EC3), π E x,zzizz k I (kl) G J M = C w yz (C e) cr 1 C e (kl) k I 2 w zz π Ex,zzIzz σ f,x(max) = 58. MPa M, max = kn.m M cr = 6.83 kn.m Coordenação de Luís Juvandes 38

39 Comportamento Estrutural dos Perfis de GFRP 4. Ensaio de colunas curtas à compressão 25 2 Tensão (MPa) Extensão (1E-3) Rotura com delaminação do banzo e separação entre banzos e alma σ c,x(max) = MPa 77/17 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 5.3 COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES ENTRE PERFIS DE GFRP 78/17 Coordenação de Luís Juvandes 39

40 Comportamento das Ligações entre Perfis de GFRP Ensaios em ligações entre perfis de GFRP Aparafusadas Coladas Aparafusadas e Coladas Esquema das ligações:. Sobreposição dupla com cobrejunta (2 chapas interiores + 2 chapas exteriores). Parafusos M8 (f u = 48 MPa) e anilhas φ24. Cola epóxi (Bostik). Esforço axial de tracção 79/17 Comportamento das Ligações entre Perfis de GFRP Ligação aparafusada Rotura por corte τ u = 47.1 MPa 8/17 Coordenação de Luís Juvandes 4

41 Comportamento das Ligações entre Perfis de GFRP Ligação colada Rotura por delaminação das chapas interiores ( fiber-tear failure ) Ligação aparafusada e colada 1º Rotura por descolamento (chapas interiores) 81/17 2º Rotura final por corte do perfil Comportamento das Ligações entre Perfis de GFRP Comparação do comportamento das ligações Força (kn) 6 LC LP2 LPC Deslocamento relativo (mm) Aparafusada - LP2 Colada - LC3 Aparafusada e Colada - LPC3 Ligação F máx (kn) K (kn/mm) Aparafusada 24.3 ± ± 2.9 Colada 41.7 ± ± /17 Aparafusada + Colada 39. ± ± 9.4 Coordenação de Luís Juvandes 41

42 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 5.4 COMPORTAMENTO DE VIGAS MISTAS GFRP-BETÃO 83/17 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 1. Ensaio de conexão de corte Esquema da ligação:. Troço de perfil com 34 cm. 2 Cubos de betão de 2 cm. 2 Parafusos M1 8.8 em cada banzo Perfil GFRP Betão Betão Betão Betão Perfil GFRP Parafuso Parafuso 84/17 Planta Corte Coordenação de Luís Juvandes 42

43 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 1. Ensaio de conexão de corte Força (kn) Deslocamento relativo (mm) Rotura por corte dos parafusos (F u = kn) Ovalização dos furos (σ, comp = 4 MPa) F max = 12 kn (6 kn / banzo) 85/17 K = 8.7 kn/mm (4.3 kn/mm / banzo) Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 2. Concepção/Análise de Secções Mistas GFRP-betão Análise para momentos positivos e negativos Expressões para: Análise elástica vs Análise à rotura Situações de interacção/conexão: Completa vs Partial Ec n = Ep a) Análise a) Análise emelástica serviço b) Análise na à rotura a 1 ) a1) Interacção total completa a 2 a2) ) Interacção parcial ba1) 1 ) Conexão Interacção completa total ba2) 2 ) Conexão Interacção parcial b 3 ) Tensões ε ε ε ε σ εc σc = fc εc =,35 εc =,35 d p Xe,el Xe,u.8 Xe,u d c A w Betão Parafuso GFRP E c, A c, I c εf1 εw εslip εslip σf1 σw E p, A p, I p A f εf2 εp σf2 σp 86/17 Expressões para o dimensionamento X e, EI GFRP eq, δ (serviço) S c, X u, M u, V u (rotura) Coordenação de Luís Juvandes 43

44 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 3. Propriedades da viga mista GFRP-Betão Perfil GFRP: E p = 38.3 GPa 2φ8+2φ6 Betão: E c = 36. GPa φ6//,1 M1 M1 f c = 39.9 MPa Conectores: 2 parafusos M1 A f = 12.5 cm Rec = 1,5 cm EI,eq (não fendilhada) = 4956 kn.m 2 87/17 EI,eq (fendilhada) = 4631 kn.m 2 δ p /δ t = 1.13 M u = kn.m (188.5 kn.m com interacção completa) Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 4. Preparação da viga mista GFRP-Betão 88/17 Comprimento Total = 4.8 m Vão de ensaio = 4. m Coordenação de Luís Juvandes 44

45 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão Carga pontual a meio vão aplicada aos 28 dias 2 ciclos de carga com controlo da força aplicada S3 S1 S4 S2 ε7 ε5 ε6 ε8 δ3 δ2 ε3 ε4 δ4 δ5 Deflectómetro (vertical) Deflectómetro (horizontal) Extensómetro ε1 ε2 δ1 89/17 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão 1º Ciclo Esmagamento do betão Viga descarregada para F max = kn (Valor previsto: F,u = kn ) 9/17 Coordenação de Luís Juvandes 45

46 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão 2º Ciclo Propagação da região esmagada em altura e comprimento da lâmina de betão Rotura final súbita por corte da alma do perfil, com delaminação e flexão na secção de ½ vão, para F u = 182. kn (σ f,máx(gfrp) = 386 MPa) 91/17 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão 92/17 Coordenação de Luís Juvandes 46

47 Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão 93/17 Força (kn) Deslocamento (mm) VIGA MISTA - 1º CICLO VIGA MISTA - 2º CICLO VIGA GFRP Melhorias em relação à viga de GFRP (V 1 ): - Rigidez aumentou 3.5 vezes - Resistência última aumentou 3 vezes - Aproveitamento da resistência do perfil aumentou 4% - Alguma pseudo-ductilidade (no 1º ciclo) Comportamento de Vigas Mistas GFRP-Betão 5. Ensaio à flexão da viga mista GFRP-Betão Força (kn) Deslocamento (mm) 1º CICLO 2º CICLO Modelo 3 δp P L P L δl / 2 = + t GFRP GFRP δ 48 E.Ieq 4 Gp.Aw Bons resultados 94/17 Flexão Corte Coordenação de Luís Juvandes 47

48 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 5.5 DURABILIDADE DOS PERFIS DE GFRP 95/17 Durabilidade dos Perfis de GFRP Ensaios de durabilidade em perfis de GFRP Água Temperatura Radiação UV Duração de 9 meses Aspecto Massa Propriedades em flexão Resistência Extensão na rotura Módulo de elasticidade 96/17 Coordenação de Luís Juvandes 48

49 Durabilidade dos Perfis de GFRP Ambientes de Envelhecimento Câmara de imersão Câmara de condensação Câmara QUV T = 2ºC HR = 1% (imersão) T = 6ºC HR = 1% (condensação) Ciclos de 4h: - T = 6ºC + UV - T = 5ºC + HR = 1% 3, 6 e 9 meses 3, 6 e 9 meses 2.4, 4.6, 6.7 e 9 meses 97/17 Durabilidade dos Perfis de GFRP Mudança de aspecto Câmara QUV Condensação a 6 ºC Imersão a 2 ºC Variação de massa Variação de massa (%),4,3,2,1, -, ,2 -,3 -,4 Período de exposição (horas) Ambiente Imersão Condensação QUV M (%) /17 Imersão em água Câmara de Condensação Câmara QUV Coordenação de Luís Juvandes 49

50 Durabilidade dos Perfis de GFRP Resistência à flexão (MPa) Resistência à flexão Período de exposição (meses) Imersão em água Câmara de Condensação Câmara QUV Extensão na rotura (µstrain) Extensão na rotura Período de exposição (meses) Imersão em água Câmara de Condensação Câmara QUV Módulo de elasticidade Módulo de elasticidade (GPa) Ambiente Imersão Condensação QUV σ fu,x (%) ε fu,x (%) E f,x (%) Período de exposição (meses) 99/17 Imersão em água Câmara de Condensação Câmara QUV Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção 6. CONCLUSÕES 1/17 Coordenação de Luís Juvandes 5

51 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção Conclusões Viabilidade da utilização estrutural dos perfis de GFRP Necessidade de redesenhar formas estruturais Necessidade de desenvolver a tecnologia das ligações Necessidade de estudar soluções de protecção ao fogo Viabilidade da utilização de vigas mistas 11/17 Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP) Aplicação de vigas mistas GFRP-Betão na Construção Conclusões Importância dos ensaios de caracterização à escala real Importância da deformabilidade Importância dos fenómenos de instabilidade Dificuldade em estimar cargas críticas de encurvadura local Melhor adaptabilidade das ligações coladas Alguma degradação das propriedades mecânicas 12/17 Coordenação de Luís Juvandes 51

52 7. INVESTIGAÇÃO EM CURSO 13/17 1. Desenvolvimento de soluções mistas GFRP-betão Estudo de soluções com conexão por colagem Comportamento estrutural para momentos negativos Desenvolvimento de soluções para o reforço dos apoios 14/17 Coordenação de Luís Juvandes 52

53 2. Comportamento de ligações coladas Influência da geometria e do tipo de cola (rigidez, resistência) Estado de tensão nos componentes da ligação Modos de rotura Desenvolvimento de um método de previsão da carga de rotura Parâmetros analisados: Geometria da ligação (overlap, t a, r f ) 15/17 Tipo de cola (epóxi, poliuretano) 2. Comportamento de ligações coladas Ensaios à tracção Modelo Numérico 16/17 Sequência de rotura filmada com câmara de alta velocidade (2 fps) Coordenação de Luís Juvandes 53

54 3. Comportamento ao fogo de perfis de GFRP* Caracterização das propriedades termo-mecânicas dos materiais Ensaios de reacção e resistência ao fogo em perfis de GFRP: - Sem protecção - Com diferentes tipos de protecção Desenvolvimento de modelos numéricos das soluções testadas: - Modelos termo-químicos - Modelos termo-mecânicos 17/17 Coordenação de Luís Juvandes 54