UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS FRP NA REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS

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1 UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS FRP NA REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS João Ramôa Correia Instituto Superior Técnico / ICIST, Universidade Técnica de Lisboa 1/136 Reabilitação e Reforço de Estruturas IST, 16 de Abril de 2012

2 ÍNDICE: 1. OS MATERIAIS PLÁSTICOS REFORÇADOS COM FIBRAS (FRP) 2. UTILIZAÇÃO DE FRPs EM APLICAÇÕES ESTRUTURAIS 3. SISTEMAS CFRP PARA REFORÇO DE ESTRUTURAS 4. INVESTIGAGÃO EM CURSO NO IST 5. NOTAS FINAIS 2/136

3 1. OS MATERIAIS PLÁSTICOS REFORÇADOS COM FIBRAS 3/136

4 1.1. Os Compósitos ao longo da História 5000 a.c. Utilização de tijolos reforçados com palha na Mesopotâmia para reduzir a fissuração 1940 Aparecimento de compósitos modernos em aplicações estruturais indústrias naval e aeroespacial 1950 Introdução de compósitos na indústria automóvel e indústria petrolífera 1960 Aparecimento dos compósitos avançados (sobretudo indústria da defesa) e das primeiras aplicações na construção 4/136 Monsanto House of the Future Futuro House Icoshedron Classroom

5 1.1. Os Compósitos ao longo da História 1970 Esforço para reduzir custos de produção e alargamento a outros mercados (ex: desporto) 1980 e 1990: 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 5/136 Durabilidade

6 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Plásticos reforçados com fibras (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 as fibras na sua posição (e evita a sua encurvadura quando solicitadas em compressão) 6/136 NOTA: FRP Fiber Reinforced Polymer

7 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Fibras de reforço Vidro (E, S, AR, C) Carbono Aramida Resinas Termoendurecíveis (poliéster, viniléster, epóxi, fenólicas) Termoplásticas (polietileno, polipropileno) 7/136

8 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Propriedades e formas das fibras de reforço Propriedade Vidro - E Carbono Aramida Resistência [MPa] Módulo elasticidade [GPa] Extensão na rotura [%] Densidade [g/cm 3 ] Mechas de filamentos contínuos (rovings) Mantas (mats, fabrics) com filamentos curtos ou contínuos, dispostos aleatoriamente ou direccionados, tecidos ou não 8/136 Rovings Mats, fabrics

9 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Propriedades das matrizes poliméricas Resinas Termoendurecíveis (poliéster, viniléster, epóxidas) Termoplásticas (polietileno, polipropileno) Propriedade Poliéster Viniléster Epóxidas Resistência [MPa] Módulo elasticidade [GPa] Extensão na rotura [%] Densidade [g/cm 3 ] Temp. transição vítrea [ºC] /136

10 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP 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 10/136

11 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Aditivos: Melhoria do processamento Melhorias de desempenho: - Diminuição da retracção - Diminuição do teor em vazios - Diminuição da inflamabilidade e produção de fumos tóxicos em situação de incêndio (retardadores de incêndio) - 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) 11/136

12 1.2. Constituição e propriedades gerais dos FRP Filosofia de base no desenvolvimento dos FRP: Em função dos requisitos específicos, possível combinar: Varias técnicas de processamento Diversidade de fibras de reforço (tipo, orientação e teor) Variedade de polímeros como matriz Strongwell Perfil híbrido (fibras C e G) Aditivos e filler na matriz (propriedades específicas) 12/136

13 1.3. Processos de fabrico dos FRP Pultrusão Moldagem manual Enrolamento filamentar Centrifugação Moldagem por transferência de resina (RTM) Moldagem por infusão de resina (RIM) Moldagem por transferência de resina sob vácuo (VARTM) 13/136

14 1.3. Processos de fabrico dos FRP Pultrusão 1ª Fase: Impregnação das fibras de reforço e aquisição da forma no interior 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 14/136

15 1.3. Processos de fabrico dos FRP Moldagem manual Deposição sucessiva de camadas de fibras de reforço e sua posterior impregnação com a matriz polimérica que cura num molde (ou peça a reforçar) com a forma e dimensões pretendidas 15/136 S&P lstsystem

16 2. CAMPO DE APLICAÇÃO DOS MATERIAIS FRP NA ENGENHARIA CIVIL 16/136

17 2.1. Utilização estrutural de materiais FRP Campo de aplicação de materiais FRP Armadura Reparação e Estruturas Estruturas interior de reforço mistas ou 100% betão exterior híbridas compósitas Varões de GFRP Laminados e mantas de CFRP 17/136 Perfis e painéis de GFRP

18 2.2. Varões de GFRP - geometrias e propriedades Constituição: Matriz polimérica (viniléster) e fibras de reforço axiais Diâmetros disponíveis: 6 a 36 mm Acabamento superficial: a) nervurado; b) revestido a areia; c) enrolado e revestido a areia Geometria: a) recta; b) recta com cabeça de ancoragem e dobrada; c) em U; d) em gancho 18/136 ACI Schöeck

19 2.2. Varões de GFRP - geometrias e propriedades Propriedade GFRP CFRP AFRP Densidade [g/cm 3 ] 1,25-2,10 1,50-1,60 1,25-1,40 Teor em fibras [%] Coef. de dilatação Térmica [ 10-6 /ºC] Axial 6,0-10,0-9,0 a 0,0-6,0 a -2,0 Transversal 21,0-23,0 74,0-104,0 60,0-80,0 Resistência à tracção axial [MPa] Módulo de elasticidade axial [GPa] Extensão na rotura axial [%] 1,2-3,1 0,5-1,7 1,9-4,4 19/136 ACI Schöeck

20 2.2. Varões de GFRP - recomendações FIB (2007): Fib Bulletin 40 - FRP reinforcement in RC structures ACI (2006): ACI 440.1R-06 - Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars CNR-DT (2007): Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars 20/136

21 2.3. Sistemas de reforço em CFRP - tipologias Laminados: Laminados de fibras de carbono unidireccionais, já endurecidos (pré-curados, prontos a usar), simplesmente colados com um adesivo de resina epóxida. Mantas: Manta de fibras contínuas contínuas uni/multi-direccionais, endurecidas in situ, aglutinadas e coladas com uma matriz epóxida. NOTA: Existem ainda varões e cordões/cabos de CFRP Bettor Bettor 21/136 Laminados de CFRP Mantas de CFRP

22 Varões para reforço de betão Christoffersen et al. Cabos de pré-esforço (Verdasio Bridge) 22/136 Keller

23 2.3. Laminados/mantas de CFRP - propriedades CFRP Folhas Tecidos Laminados Quantidade de fibras Espessura de cálculo Espessura do plástico Proporção de fibras no plástico Alinhamento das fibras 200 a 400 g/m² 300 a 500 g/m² 200 a 400 g/m² 0,11 a 0,23 mm 0,27 a 0,45 mm 1 a 1,4 mm 0,35 a 0,65 mm 0,9 a 1,6 mm 1 a 1,4 mm 25 a 40 % 20 a 35 % 65 a 75 % (aplicação manual) (lam. industrial.) Módulo para cálculo E/1,1 E/1,2 E Ripper 23/136

24 2.3. Laminados/mantas de CFRP - propriedades Laminados: - E = 165 a 300 GPa - σ u = 1500 a 3000 MPa - ε u = 0,5 a 1,7% u Mantas: - E = 240 a 640 GPa (em geral, 240 a 300 GPa) - σ u = 2500 a 3000 MPa - ε u = 0,4 a 1,55 % 24/136

25 2.3. Laminados/mantas de CFRP Vantagens Peso muito reduzido (96 a 288 g/m em laminados); Espessura reduzida; Fácil transporte e manuseamento; Aplicação rápida, sobretudo quando sem fixação mecânica; Pequena exigência ao nível de equipamento; Reduzida área de estaleiro; Elevada resistência à flexão e tracção (> 2800 MPa); Comercialização em rolos até 250 m (sem juntas); Possibilidade de aplicação directa de pintura; Boa resistência química, nomeadamente à corrosão; Bom comportamento à fadiga; Bom comportamento ao choque; Bom isolamento electromagnético. 25/136

26 2.3. Laminados/mantas de CFRP Desvantagens 26/136 Laminados funcionam apenas em 1 direcção (as mantas/tecidos podem ser bi- ou multi-direccionais); Só funcionam à tracção; Menor resistência ao esforço transverso; Não têm reserva plástica de deformação comportamento frágil; Exploração da capacidade resistente é limitada (descolamento) Reduzida resistência aos raios UV (o que, geralmente, não constitui um problema) e fogo (o que pode justificar protecção); Exigência de cuidados específicos de aplicação (incluindo a protecção dos trabalhadores e a limpeza imediata das ferramentas após utilização de adesivos); Ligação deficiente (betão / resina / fibras) em ambientes húmidos; Incineração dos resíduos resultantes; Necessidade de protecção mecânica devido a possíveis actos de vandalismo.

27 2.3. Laminados/mantas de CFRP recomendações FIB (2001): Externally bonded FRP reinforcement for RC structures ACI (2008): ACI 440.2R-08 Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures CNR-DT (2004): Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures 27/136

28 2.4. Perfis de GFRP constituição e geometrias Fibras de vidro: - Fibras longitudinais contínuas aglomeradas em mechas - Mantas de reforço com fios (não) tecidos em várias direcções - Véu de superfície com fios dispersos aleatoriamente Fibras longitudinais 28/136 Matriz polimérica: - Resina (poliéster, viniléster, epóxi) - Material de enchimento (filler) - Aditivos Mantas de reforço

29 Utilização de Materiais FRP em Reabilitação e Reforço de Estruturas 2.4. Perfis de GFRP constituição e geometrias Manta de reforço Fibras longitudinais 29/136 Microscópio de alta definição

30 2.4. Perfis de GFRP constituição e geometrias Perfis de 1ª Geração Durante muito tempo copiados da construção metálica Problemas de instabilidade quando sujeitos a compressões 30/136 Perfis de 1ª geração

31 2.4. Perfis de GFRP constituição e geometrias Novos sistemas estruturais Sistema Superdeck 203 sobretudo para elementos de laje Sistema DuraSpan 190 (construções novas ou substituição) Sistema EZ Span 216 Painéis ligados a vigas longitudinais Sistema Asset por colagem/aparafusamento Sistema ACCS 80 Baixo peso próprio Rápida instalação Fácil manutenção 31/136

32 2.4. Perfis de GFRP propriedades Propriedade Un. Direcção paralela às fibras Direcção transversal às fibras Resist. à tracção MPa Resist. à compressão MPa Resist. ao corte MPa Módulo de elasticidade GPa Módulo de distorção GPa 3 4 Densidade g/cm 3 1,8 1,9 Teor em fibras % /136 Comportamento elástico-linear até à rotura Tensão de rotura semelhante/superior à do aço Módulo de elasticidade 10 a 20% do aço Densidade 4 vezes inferior à do aço Coeficiente de dilatação térmica semelhante ao do aço Coeficiente de condutibilidade térmica muito inferior ao do aço

33 2.4. Perfis de GFRP propriedades Resistência ao fogo Matrizes combustíveis, mas: Baixo coeficiente de condutibilidade térmica Medidas passivas - aditivos retardadores de incêndio ou fillers - resinas resistentes ao fogo (resinas fenólicas) - materiais de protecção (tintas intumescentes, materiais inorgânicos projectados, painéis de gesso) Medidas activas (sprinklers, tubagem com água para arrefecimento de elementos estruturais) 33/136

34 2.4. Perfis de GFRP propriedades 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 Considerar o tipo de ambiente a está sujeita!!! 34/136

35 2.4. Perfis de GFRP propriedades Sustentabilidade 1.1 Fibra de vidro Recurso inextinguível 1.2 Matriz polimérica Resinas não são reprocessáveis, mas: Resultam de co-produtos da indústria petrolífera Quantidades exigidas praticamente insignificantes Resinas Termoendurecíveis Resinas Termoplásticas? 2. Energia requerida na produção é baixa ( ¼ aço; 1 / 6 alumínio) 3. Durabilidade superior aos materiais tradicionais 4. Reciclabilidade só com resinas termoplásticas 35/136 Adopção de resinas termoplásticas Sustentabilidade Materiais tradicionais

36 2.4. Perfis de GFRP (des)vantagens Vantagens: Baixo peso próprio Elevada resistência mecânica Elevada resistência à corrosão (durabilidade) Fácil manutenção Propriedades eléctricas e térmicas Dificuldades: 36/136 Deformabilidade Instabilidade Comportamento frágil Regulamentação Custo inicial Comportamento em situação de incêndio

37 2.4. Perfis de GFRP ligações Aparafusadas Coladas Aparafusadas e coladas Interlock ou encaixe mecânico 37/136 Ligações aparafusadas Ligações coladas Ligações por interlock

38 2.4. Perfis de GFRP aplicações a) Ponte de Pontresina (1997) - 2 vigas simplesmente apoiadas treliçadas - Ligações aparafusadas numa das vigas e coladas na outra (coladas 15% mais rígidas) - Instalação: 4 horas 38/136

39 b) Ponte de Lérida (2001) 2.4. Perfis de GFRP aplicações 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 - Peso total de 19 ton 39/136 - Colocação em 3 horas Vista lateral Vista inferior

40 b) Ponte de Lérida (2001) 2.4. Perfis de GFRP aplicações Exigências: - Manutenção mínima - Rapidez de montagem - Sem interferência magnética com a linha eléctrica Ligações aparafusadas (aço inox) - 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 - Peso total de 19 ton 40/136 - Colocação em 3 horas Ensaio de carga Elevação da ponte

41 c) Ponte de Kolding (1997) 2.4. Perfis de GFRP aplicações - Ponte atirantada (8 tirantes) - 40 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 (50% da solução em aço) - Custo total 5 a 10% superior ao das soluções alternativas (aço e betão) 41/136 Perfis utilizados Ligações aparafusadas em fábrica

42 2.4. Perfis de GFRP aplicações Transporte de um tramo de 27 m Instalação da ponte em 3 peças 42/136 Vista inferior da ponte Vista superior Estação meteorológica no topo dos pilares Instrumentação

43 d) Reabilitação de tabuleiros 2.4. Perfis de GFRP aplicações Painéis pultrudidos (ou painéis sanduíche) ligados às longarinas da ponte a reabilitar através de colagem ou aparafusamento 43/136

44 2.4. Perfis de GFRP regulamentação Ainda não existe regulamentação específica oficial Dimensionamento baseado em manuais dos fabricantes - tabelas de cálculo (informação fornecida limitada): - Fiberline Composites Design Manual (2003) - Strongwell, Design manual (2008) - Creative Pultrusions, Pultex Pultrusion Design Manual (2004) 44/136

45 2.4. Perfis de GFRP regulamentação EUROCOMP (1996) Pré-eurocódigo (abordagem semelhante) EN (2002) Reinforced plastics composites Specifications for pultruded profiles (2 classes de materiais, especificações para propriedades de materiais e ensaios) CNR-DT 205/2007 (2007) Italian guidelines for pultruded profiles 45/136

46 Painéis sanduíche de GFRP constituição 2 Lâminas exteriores (finas, rígidas, resistentes) Material de núcleo (leve, flexível, menos resistente) Adesivo Hardcore system Kansas system 46/136

47 3. APLICAÇÃO DE SISTEMAS CFRP NO REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO 47/136

48 3.1. Funções estruturais (1) - aumento da resistência Pina et al (IST) 2002 Pina et al (IST) 2002 Viga Simples: P u = 11.5 kn Viga Reforçada: P u = 23.9 kn Laje original vs. Laje reforçada 48/136 Bettor 48/283

49 3.1. Funções estruturais (2) - aumento da rigidez Ripper Ripper Chapa de aço simples Chapa de aço após a colagem de um laminado 49/136 NOTA: O aumento de rigidez é em geral muito pouco significativo (sobretudo comparado com o aumento de resistência 49/283

50 3.1. Funções estruturais (3) - aumento da ductilidade e capacidade de dissipação de energia Ductilidade Bettor Bettor 50/136 NOTA: Efeito de confinamento do betão aumento da resistência e capacidade de deformação (e de dissipação de energia) 50/283

51 3.2. Aplicações correntes de sistemas CFRP 51/136 Bettor Laminados em vigas (flexão) Laminados e mantas em vigas (flexão e corte) Bettor 51/283

52 3.2. Aplicações correntes de sistemas CFRP 52/136 Reforço de uma viga, ao esforço transverso, por aplicação de laminados de CFRP em L 52/283

53 3.2. Aplicações correntes de sistemas CFRP Mantas em Lajes Bettor Laminados em Lajes Bettor 53/136 Reforço de uma laje fungiforme aligeirada, à flexão Reforço de uma laje maciça vigada 53/283

54 3.2. Aplicações correntes de sistemas CFRP Bettor Bettor Bettor Mantas e laminados em pilares Chaminés 54/136 54/283

55 Reforço de pilares à flexão, por aplicação de laminados de CFRP 55/136 Reforço de um pilar, por confinamento, na base, por aplicação de mantas de FRP 55/283

56 3.2. Aplicações correntes de sistemas CFRP Silos e tanques Bettor Bettor Tubos e túneis 56/136 Bettor Bettor 56/283

57 Sistemas pré-curados (laminados) com aplicação de pré-esforço 57/136 57/283

58 3.3. Constituição do sistema Primário (preenche os poros) Argamassa de regularização, Putty (eventualmente) Adesivo de colagem (laminados) ou saturante epoxy (mantas) Mantas ou laminados Revestimento estético e de protecção (eventualmente) Suporte Suporte Bettor Bettor 58/136 Sistema para laminados Sistema para mantas 58/283

59 3.4. Técnica de Aplicação Trabalhos prévios Reparação do betão deteriorado Remoção de betão degradado Tratamento de armaduras (e eventual reforço das mesmas) Reposição de secções em betão com argamassas de reparação ou microbetão. Bettor Reparação de fissuras Selagem e injecção de fissuras com resinas epóxidas Bettor Preparação dos cantos e arestas Arredondamento dos cantos até um raio mínimo de 10 mm. 59/136 Bettor 59/283

60 3.4. Técnica de Aplicação Trabalhos prévios Preparação da superfície Remoção de poeira, sujidade, leitadas ou outros materiais que possam prejudicar a aderência. Abertura dos poros Bettor Inspecção da superfície e condições ambientais Inspeccionar as condições da superfície. Bettor Verificar as condições ambientais. Não prosseguir com a aplicação se se verificar alguma das < 5 o C 60/136 seguintes condições: H substracto >4% Bettor Poros da superfície cheios de água Potencial fuga de água 60/283

61 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 1º Preparação do substrato Decapagem e tratamento das arestas (r < 10 mm) Bettor Lixamento Martelo de agulhas Ripper Ripper Ripper 61/136 Picagem (esmeril) Jactos de água Jactos de areia 61/283

62 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 1º Preparação do substrato Decapagem e tratamento das arestas (r < 10 mm) Aspecto rugoso do substrato de betão após a sua preparação Controlo das irregularidades 62/136 62/283

63 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 2º Aplicação do primário Bettor Primário preenche os poros 63/136 Bettor 63/283

64 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 3º (eventual) Aplicação (local) da argamassa de regularização (putty) Bettor primário putty 64/136 Bettor 64/283

65 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 4º Aplicação da 1ª camada de resina Aplicação no suporte Bettor (sem pré-saturação da manta) Bettor Aplicação directa na manta (com pré-saturação da manta) 65/136 65/283

66 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 5º Aplicação das mantas Manta de fibras de carbono Bettor Bettor Ripper 1. Corte Bettor Bettor 66/ Ajuste - Talocha de borracha / manual 3. Pressão - Rolo rígido de estrias 66/283

67 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 6º Aplicação da 2ª camada de resina Bettor Segunda camada de saturante Bettor 67/136 67/283

68 3.4. Técnica de Aplicação Mantas 7º Aplicação de uma camada de revestimento (opcional) Bettor 68/136 Bettor 68/283

69 3.4. Técnica de Aplicação Laminados 1º Decapagem Bettor Bettor 2º Primário 69/136 Bettor Bettor 69/283

70 3.4. Técnica de Aplicação Laminados 3º (eventual) Aplicação (local) de argamassa de regularização Bettor Bettor 4º Limpeza do laminado DILUENTE SINTÉTICO 70/136 Laminado de fibras de carbono Bettor Bettor Ripper 70/283

71 3.4. Técnica de Aplicação Laminados 5º Aplicação do adesivo epóxido Placa doseadora 2 mm Bettor Ripper 71/136 71/283

72 3.4. Técnica de Aplicação Laminados 6º Aplicação e ajuste do laminado Bettor 1. Aplicação e ajuste - Manual Bettor Bettor 2. Pressão - Rolo rígido de borracha Bettor 72/ Remoção do excesso de adesivo ( rampa ) - espátula 72/283

73 3.4. Técnica de Aplicação Controlo de Qualidade Inspecção das condições locais e climatéricas Inspecção do adesivo - controlo de espessura, estado de cura, etc.,, ensaios (ex: tracção) Inspecção do compósito de FRP ensaios (ex: tracção) Inspecção do estado da colagem: detecção de vazios, imperfeições geométricas ou anomalias e proceder a correcções. 73/136 A importância de uma correcta regularização da superfície do suporte 73/283

74 3.4. Técnica de Aplicação Controlo de Qualidade Teste acústico Verificação da existência de vazios ou delaminações (após 24 horas de cura). Bettor Teste de aderência Ensaio de arranque directo (pull-off). Representação esquemática da ligação laminado - betão 74/136 Ripper Bettor 74/283

75 3.5. Exemplos de aplicações - estrangeiro Ripper Parque de estacionamento - Brasil Ripper Viaduto St.ª Teresa - Brasil Ripper 75/136 Ripper Fürstenland Bridge, Sankt Gallen (Suíça) 75/283

76 3.5. Exemplos de aplicações - Portugal Figueiras Figueiras Ponte de Nossa Senhora da Guia 76/136 76/283

77 3.5. Exemplos de aplicações - Portugal Viaduto Duarte Pacheco 77/136 77/283

78 Laminados nas vigas de bordadura Mantas sobre os aparelhos de apoio 78/136 78/283

79 4. INVESTIGAÇÃO EM CURSO NO IST 79/136

80 4.1. COMPORTAMENTO AO FOGO DE ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE BETÃO ARMADO REFORÇADOS COM CFRP Aluno: João Pedro Firmo (PhD) Financiamento: Projecto FCT ( ) e bolsa FCT ( ) 80/136

81 Objectivos do trabalho Estudar o comportamento ao fogo de estruturas de betão reforçadas à flexão com laminados de CFRP colados exteriormente através de: Investigações experimentais Ensaios de DMA e DSC/TGA aos materiais (determinar T g e T d ). Ensaios de resistência ao fogo de vigas à flexão testando 2 sistemas de protecção e o efeito do isolamento térmico da zona de amarração dos laminados. Investigações numéricas Elaboração de um modelo numérico 2D que permita prever a evolução da temperatura nas vigas ensaiadas. 81/136 Elaboração de um modelo numérico 3D de uma laje reforçada para estudar a configuração da protecção na zona de amarração dos laminados

82 1. Análises mecânicas dinâmicas (DMA) O objectivo deste ensaio foi determinar a T g dos materiais de reforço. Provetes com 60 mm de comprimento e largura entre 10 e 15 mm. Determinação da relação entre rigidez (à flexão) e temperatura. Laminado de CFRP Adesivo epoxídico T g = 153 ºC T g = 55 ºC 82/136 Analisador DMA Provete de adesivo Provete de laminado

83 2. Análise por termogravimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC) Permite determinar a variação de massa e energia com a temperatura. Principais resultados CFRP T d = 380 ºC ; totalmente consumido a 800ºC Adesivo T d = 380 ºC ; contém 72% de matéria inorgânica 83/136 Analisador de TGA/DSC Interior do forno e porta-provetes Massa remanescente 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% CFRP Adesivo Temperatura [ C]

84 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Ensaios a 6 vigas, 5 das quais reforçadas à flexão. Comprimento total de 2.10 m; vão de 1.50 m, secção 0.10 m x 0.12 m. Aço A400 NR; betão intermédio entre C20/25 e C25/30 (f ck = 23 MPa). Comprimento do laminado de 1.35 m. Aumento do momento resistente de 94%. 84/136 Ø5 mm // 0.06 m Laminado de CFRP 0.30 m 1.35 m 0.30 m m m 2Ø6 mm 2Ø6 mm

85 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Ensaios à flexão (ISO 834) em 6 vigas 1 viga não reforçada sem protecção, 1 viga reforçada sem protecção, 4 vigas reforçadas e protegidas em toda a extensão do reforço com: (i) Argamassa de vermiculite/perlite (espessura de 25 ou 40 mm); (ii) Painel de silicato de cálcio (espessura de 25 ou 40 mm). Resultados pretendidos: Evolução dos perfis de temperatura; Resposta mecânica (deslocamento a meio vão e modos de rotura); Tempo de resistência ao fogo com diferentes sistemas de protecção. 85/136

86 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas 86/136

87 Utilização de Materiais FRP em Reabilitação e Reforço de Estruturas 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Vista inferior do isolamento lateral das vigas com protecção de 25 mm Vista geral do sistema de ensaio 87/136 Pormenor da viga de distribuição de carga Isolamento lateral nas vigas com protecção de 40 mm

88 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Medição do deslocamento a meio vão das vigas com deflectómetro de fio. Fixação do fio do deflectómetro na face superior das vigas Medição da temperatura com termopares do tipo K. [cm] T [m] 88/ T5 T3 T1 T2 T1 T4 T2 Laminado SC 40mm TE.L. Parede do forno TP.F. Isolamento interior

89 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Aspecto geral da face inferior das vigas desprotegidas Aplicação dos painéis de silicato de cálcio com fixação mecânica (25 ou 40 mm) 89/136 Aplicação da argamassa de vermiculite/perlite (25 ou 40mm)

90 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas 1ª Fase: Carregamento das vigas; Aguardar estabilização do deslocamento ( 30 min.. 2ª Fase: Inicia-se com a acção térmica do incêndio padrão (ISO 834); Termina quando ocorre o colapso das vigas ou se atinge o tempo máximo programado do incêndio padrão (210 min). 90/136

91 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Viga reforçada e sem protecção Temperat tura [ºC] Rotura do reforço T1 T1' T2 T2' T3 T4 T5 T6 Tforno T6 T5 T4 T3 T2 T2 T1 T1 200 ISO 834 Tg 0 Td Tempo [s] Rotura do reforço após 23 min. Interface betão-cfrp: T média = 414 ºC 91/136 Rotura da viga na secção de meio vão após 60 min.

92 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Viga reforçada e com 40 mm de protecção SC T1 T1' T T6 T5 Tempera tura [ºC] Rotura do reforço T2' T3 T4 T5 T6 Tforno T3 T2 T1 T1 T4 T2 200 ISO 834 Tg Tempo [s] Rotura do reforço após 167 min. Interface betão-cfrp: T média = 187 ºC A viga não atingiu a rotura porque o ensaio foi interrompido após 210 min. Td 92/136 (tempo para o qual o incêndio estava programado).

93 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas 50 BA sem protecção. Deslocamento a me eio vão [mm] Reforçada sem prot. Argamassa VP25 mm Painel SC25 mm Argamassa VP40 mm Painel SC40 mm Fogo /136 Tempo [s]

94 3. Ensaios de resistência ao fogo em vigas Laminado com comportamento tipo tirante 94/136 Colapso das vigas por rotura dos varões traccionados na secção de meio vão

95 4.2. TABULEIROS DE PONTES EM PAINÉIS PULTRUDIDOS DE GFRP LIGADOS POR ENCAIXE Alunos: Mário Sá (PhD), Emanuel Silva (MSc), Francisco Martinho (MSc) 95/136 Financiamento: Bolsa FCT ( )

96 1. Objectivos Estudar solução pré-fabricada para tabuleiros de pontes pedonais: Painéis multicelulares pultrudidos de GFRP ligados por encaixe Longarinas metálicas Protótipo em estudo: vão simplesmente apoiado de 12.0 m vão transversal interno de 1.5 m entre longarinas metálicas largura total de 2.5 m 96/136

97 2. Características dos painéis e concepção (1/4) Secção transversal multicelular ~ 7@90 75 mm (altura ~ 75 mm) Ligação entre painéis por encaixe snap-fit (+ eventual colagem) Ligação entre painéis e vigas por aparafusamento (+ colagem) 97/136

98 2. Características dos painéis e concepção (2/4) Secção transversal multicelular ~ 7@90 75 mm (altura ~ 75 mm) Ligação entre painéis por encaixe snap-fit (+ eventual colagem) Ligação entre painéis e vigas por aparafusamento (+ colagem) 98/136

99 2. Características dos painéis e concepção (3/4) Acção compósita painéis - vigas materializada por : - parafusos roscados soldados no banzo superior dos perfis; - adesivo epóxido (R d > 7 MPa), função do grau de acção compósita requerido para o comportamento longitudinal do tabuleiro. secção mista transversal do tabuleiro 99/136

100 2. Características dos painéis e concepção (4/4) 1. Instalação de tela de neoprene 4. Fixação mecânica de painel Viga de suporte Viga de suporte 2. Colocação de painel sobre viga de apoio 5. Ligação do próximo painel Viga de suporte Viga de suporte 3. Soldadura de parafuso de corte à longarina 6. Instalação do painel seguinte 100/136 Viga de suporte Viga de suporte

101 3. Ensaios de caracterização do material 1. CARACTERIZAÇÃO INSTANTÂNEA (k/r) laminados banzo/alma Tracção (T) Compressão (C) Flexão (F) Corte Interlaminar (S) 2. CARACTERIZAÇÃO À FLUÊNCIA Teor em fibra (V f ) Fluência (T/C/F) (níveis carga 10-75%) 101/136

102 4. Ensaios mecânicos aos painéis (1/5) 1. Ensaios dinâmicos em flexão - identificação dinâmica f, ξ Regime de excitação controlada em modelo de viga S-A (L = 1.5 / 2.0 / 2.4 m) Vibrações: acelerações / deslocamentos Tratamento do sinal (FFT s) f (flexão) ~ Hz 102/136

103 4. Ensaios mecânicos aos painéis (2/5) 2. Ensaios estáticos em flexão comportamento a curto prazo (serviço Séries experimentais: Modelo de viga S-A Carregamentos: 3PB e 4PB Vãos úteis: 1.5 / 2.0 / 2.4 m e rotura) na direcção da pultrusão Registos de medições: deslocamentos / extensões 103/136

104 4. Ensaios mecânicos aos painéis (3/5) 2. Ensaios estáticos em flexão comportamento a curto prazo (serviço Resultados: Comportamento elástico linear até rotura Instabilidade local do banzo com enrugamento/esmagamento alma L = 1.5 m P u = 120 kn (30 mm) e rotura) na direcção da pultrusão F (kn) ext.1_long.top ext.2_long.top ext.3_transv.top ext.4_long.low (1) ext.5_long.low (2) ext.6_transv.low (3) 104/ ,0-4,0-2,0 0,0 2,0 0 ε (x10-3)

105 4. Ensaios mecânicos aos painéis (4/5) 3. Ensaios à fluência em flexão comportamento a longo prazo (em serviço) na direcção da pultrusão Séries experimentais: Modelo de viga S-A Carregamento uniforme 3 níveis: 5 / 10 / 20 kn/m 2 Vãos úteis: 1.5 / 2.0 m Registos de medições: deslocamentos / extensões 0.6 ton 2 ton 0.5 ton 1 ton 105/136

106 5. Estudo numérico Modelos EF 3D programa SAP2000 (elementos de casca) programa ABAQUS Analisar comportamento: (i) serviço (inicial/diferido/dinâmico) (ii) rotura Fenómenos de instabilidade Desempenho de ligações f fund ~ 6 Hz 106/136

107 6. Montagem e ensaio de protótipo à escala real Ensaios não-destrutivos em laboratório Avaliação do comportamento em serviço estático e dinâmico 107/136 Montagem de passadiço em meio urbano para utilização futura da população em geral (transeuntes e velocípedes) Procedimentos de monitorização!

108 4.3 TABULEIROS EM PAINÉIS SANDUÍCHE DE GFRP Alunos: Inês Almeida (MSc), Diogo Ferreira (MSc) e Mário Garrido (PhD) 108/136 Financiamento: Projecto FCT ( )

109 1. Objectivos Estudo do comportamento estrutural de painéis sanduíche em GFRP para a indústria da construção - pontes pedonais Efeito do material de núcleo - 2 tipos de painéis sanduíche: Lâminas de GFRP Núcleo em espuma rígida de poliuretano (PU) em favos de mel de polipropileno (PP) Efeito da introdução de reforços em GFRP nos bordos laterais 109/136

110 2. Geometria dos painéis Dimensões: m Lâminas e reforços laterais em GFRP (fibra de vidro + poliéster) Núcleos em (i) espuma rígida de poliuretano (PU) (ii) favos de mel em polipropileno (PP) Elemento Núcleo Lâminas Reforços laterais Material PU / PP GFRP GFRP Espessura 90 mm 7 mm 7 mm PU-U PU-R 110/136 PP-U PP-R

111 3. Ensaios produção dos painéis Técnica de moldagem manual ALTO - Perfis Pultrudidos, Lda. (Porto, Portugal) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 111/136

112 3. Ensaios caracterização dos materiais i. Tracção às lâminas (ISO 527-1,4) ii. Compressão transversal (ASTM C365-03) iii. Compressão no plano (ASTM C364-99) iv. Tracção (ASTM C297-04) v. Corte* (ASTM C364-99) 112/136

113 3. Ensaios caracterização dos painéis (1/7) Ensaios de flexão estáticos (ASTM C393-00) Flexão em 4-pontos, L = 2.30 m Medição de deslocamento e extensões axiais a meio vão 113/136

114 3. Ensaios caracterização dos painéis (2/7) Ensaios de flexão estáticos (ASTM C393-00) Painel F u [kn] K [kn/mm] PP-U PU-U PP-R PU-R /136 Comportamento elástico linear praticamente até à rotura Painel PP-U mais rígido (24%) do que o painel PU-U Painéis PP-R e PU-R com rigidez semelhante (menor influência do núcleo na deformabilidade) Painéis reforçados significativamente mais rígidos (163 a 232%) e resistentes (158 a 171%)

115 3. Ensaios caracterização dos painéis (3/7) Ensaios de flexão estáticos (ASTM C393-00) Modos de rotura - painéis não reforçados 20 cm PU-U 60 cm PP-U Rotura por corte do material do núcleo (superfície inclinada a 45º no PU e vertical no PP) com descolamento entre as lâminas e o núcleo 115/136

116 3. Ensaios caracterização dos painéis (4/7) 116/136 Painel PP-U

117 3. Ensaios caracterização dos painéis (5/7) Ensaios de flexão estáticos (ASTM C393-00) Modos de rotura - painéis reforçados PU-R PP-R Descolamento entre a lâmina superior e o núcleo (com enrugamento progressivo da lâmina superior) 117/136 Rotura por esmagamento das fibras na zona enrugada (com propagação das fissuras para os reforços laterais)

118 3. Ensaios caracterização dos painéis (7/7) Ensaios de flexão dinâmicos Impacto manual Medição das vibrações verticais a meio vão, junto aos bordos Estimativa das frequências próprias através do algoritmo FFT Tipo de painel Frequência de flexão [Hz] PP-U 29.8 PU-U 25.4 PP-R 33.3 PU-R 32.7 Medição da vibração vertical 118/136

119 4. Simulação do comportamento dos painéis (1/4) Descrição dos modelos Modelos EF 3D nos programas SAP2000 e ANSYS Elementos de casca (lâminas e reforços) e sólidos (núcleo) Materiais - comportamento elástico linear, ortotrópico (GFRP) e isotrópico (PU): valores experimentais e médios da literatura Painel PU-U Painel PU-R 119/136

120 4. Simulação do comportamento dos painéis (2/4) Comportamento em serviço deslocamento a meio vão PU-U PU-R 120/136 Origem (F = 10 kn) PU-U PU-R d 1/2 vão [mm] Erro [%] d 1/2 vão [mm] Erro [%] Experimental Numérico Analítico

121 4. Simulação do comportamento dos painéis (3/4) Comportamento dinâmico (flexão) (torção) Painel PU-U PU-R Origem Frequência de flexão [Hz] Modelo 27.9 Experimental 25.4 Modelo 38.9 Experimental 32.7 Erro relativo [%] /136

122 4. Simulação do comportamento dos painéis (4/4) Comportamento à rotura tensões de corte no núcleo PU-U PU-R Painel PU-U PU-R Tensão τ xz [MPa] Rotura do núcleo sim não 122/136 Reforços laterais absorvem uma parte significativa do esforço de corte (funcionam como almas)

123 4.4. TABULEIROS MISTOS GFRP-BETÃO Alunos: José Gonilha (PhD), Ana Aquino (MSc), Joana Sousa (MSc) 123/136 Financiamento: Projecto ADI ( ), Bolsa FCT ( )

124 1. Concepção e análise estrutural Tabuleiro em SFRSCC (sem varões de reforço, espessura reduzida, estabilidade transversal) Vigas pultrudidas em GFRP (estabilidade longitudinal) Conexão mecânica e/ou adesiva Secção transversal 124/136 GFRP comportamento elástico-linear SFRSCC comportamento não linear (UM)

125 2. Dimensionamento Estados Limite Últimos Análise das secções (definição das dimensões) Verificação de todos os modos de rotura (corte, esmagamento da alma, interacção flexão-corte, instabilidades locais e globais) Análise da secção transversal 125/136 Resistência transversal vs. tensão pós-pico Resistência vs. espessura de betão

126 2. Dimensionamento Estados Limite de Serviço Verificação das deformadas a longo prazo Verificação das condições de conforto (controlo directo ou indirecto f > 5 Hz) Análise da secção transversal 126/136 Flecha vs. espessura de betão Frequência vs. espessura de betão

127 3. Estudo experimental Ensaios de conexão Conexão mecânica: 1 a 4 pares de conectores acoplados Conexão adesiva: resina epóxi Conexão mista: mecânica e adesiva Colados Colados (não restringidos) Colados e Aparafusados Aparafusados (1 par) 127/136 Esquema de ensaio Força vs. deslocamento relativo

128 3. Estudo experimental Ensaios de conexão Conexão mecânica: 1 a 4 pares de conectores acoplados Conexão adesiva: resina epóxi Conexão mista: mecânica e adesiva 128/136 Modo de rotura: i) adesivo; ii) mecânico; iii) misto Resistência por parafuso

129 3. Estudo experimental - Protótipo (6 m) 1. Furação dos perfis 2. Colocação dos conectores 3. Betonagem dos apoios 129/ Montagem das vigas e contraventamentos 5. Aplicação do adesivo

130 3. Estudo experimental - Protótipo (6 m) Aplicação da cola 130/ Colocação/colagem das lajetas 7. Aspecto final após colagem

131 4. Estudo numérico Modelo de EF SAP2000 Análise de estabilidade Vista do modelo 3D 1º modo de instabilidade (sem contraventamentos) carga uniforme kn/m 2 131/136

132 4. Estudo numérico Modelo de EF SAP2000 Comportamento dinâmico 1º Modo de vibração 132/136 Acelerações a meio vão para 1 peão a fazer jogging Acelerações máximas para diferentes movimentos e frequências próprias vs. espessura da lajeta

133 Utilização de Materiais FRP em Reabilitação e Reforço de Estruturas Ensaio de carga 133/136

134 5. NOTAS FINAIS 134/136

135 5. Notas Finais Os materiais FRP apresentam diversas vantagens face aos materiais tradicionais para a construção e reabilitação de estruturas: resistência, leveza, facilidade de aplicação e durabilidade mesmo em ambientes agressivos. Os sistemas CFRP para reforço de estruturas de betão armado são actualmente uma solução standard bem estabelecida, com diversas vantagens face às soluções alternativas. As limitações dos materiais FRP tornam premente a procura de soluções estruturais adaptadas, o que constitui o principal objectivo dos estudos em curso no IST aqui apresentados. 135/136

136 Utilização de Materiais FRP em Reabilitação e Reforço de Estruturas MUITO OBRIGADO 136/136