45º Congresso Brasileiro do Concreto - Competitividade e Excelência em Concreto

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1 - Competitividade e Excelência em Concreto Estudo Experimental sobre o Reforço de Vigas de Concreto Armado com Tecido Compósito de Fibras de Carbono Regina Helena F. de Souza; Júlio Appleton Vitória, 2003 Instituto Brasileiro do Concreto v. 1. p

2 Estudo experimental sobre o reforço de vigas de concreto armado com tecido compósito de fibras de carbono Regina Helena F. de Souza (1); Júlio A. da S. Appleton (2) (1) Professora Doutora, Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal Fluminense regsouza@nitnet.com.br (2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico Universidade Técnica de Lisboa a2p@ip.pt destinatário para correspondência: (1) Rua Miguel de Frias, 77 / 1304 /Bloco 2-CEP: Palavras Chaves:concreto armado; reforço; compósito de fibras de carbono. Resumo A recuperação e o reforço das estruturas de concreto são segmentos crescentes no mercado da construção civil, nomeadamente devido à inadequação estrutural que afeta a resistência e as condições em serviço das estruturas e seus elementos. O reforço torna-se necessário sempre que haja insuficiente capacidade estrutural à flexão e ao corte. A definição do projeto de reforço, no que diz respeito a escolha da técnica e dos materiais a utilizar depende da avaliação de cada caso especificamente. A utilização de materiais compósitos tem recebido considerável atenção nos últimos anos, quando muitos estudos vêm sendo desenvolvidos por diferentes instituições de pesquisa em todo o mundo. Este tipo de reforço oferece uma alternativa interessante principalmente devido à sua leveza, o que facilita as operações de manuseio e instalação e alta resistência à corrosão. Com a intenção de aumentar o conhecimento sobre o tema, desenvolveu-se no Instituto Superior Técnico, em Lisboa, uma pesquisa experimental para estudar o comportamento de vigas reforçadas com materiais compósitos. Foi utilizado o sistema de reforço TFC da Freyssinet que consiste na adição, por colagem, de um tecido bi-direcional de fibras de carbono pré-impregnadas com resina epóxi. Para o estudo foram moldadas sete vigas retangulares simplesmente apoiadas, com seção transversal de 12 cm x 20 cm. Duas dessas vigas serviram como referências e as demais foram reforçadas, sendo testadas diferentes condições de utilização. A aderência do compósito ao concreto foi também avaliada através de ensaios de arrancamento especificamente elaborados. Os resultados dos ensaios mostraram que o modo de ruptura das vigas está fortemente associado à propagação das fissuras, apesar de se ter verificado boa aderência do compósito à superfície do concreto.

3 1 Introdução O estudo em causa avaliou o sistema TFC para o reforço estrutural, comercializado pela Freyssinet. Trata-se de um compósito armado com tecido de fibras de carbono impregnadas com resina epoxi. O tecido é bidirecional, sendo 70% de fibras de carbono no sentido principal e 30% no sentido transversal. A superfície do concreto deve ser preparada corrigindo-se qualquer irregularidade local eventualmente existente e promovendo-se uma certa rugosidade, de modo a assegurar um contato eficiente e contínuo. As características físicas e mecânicas do tecido TFC, conforme indicações do fabricante em CADERNO DE CLÁUSULAS TÉCNICAS (1997), são: espessura de cálculo: 0,43 mm; módulo de elasticidade: 105 GPa; tensão de ruptura à tração: 1400 MPa; deformação última de tração: 1,37 %; largura do compósito: 75 mm; tensão de cisalhamento na interface: 1,5 Mpa; resistência à tração da resina epoxi: 29,3 MPa. 2 Programa experimental Para o estudo, foram moldadas sete vigas em concreto armado com seção transversal de 12 x 20 cm e vão de 2,25 m de comprimento. O detalhamento das armaduras está apresentado na figura 1 e a descrição dos modelos na Tabela 1. Figura 1 - Detalhamento das armaduras nas vigas. A viga FRD é igual às demais, tendo sido, no entanto, ensaiada até a ruptura sem ser reforçada. A viga FRR foi executada com uma barra de aço adicional (1 φ 6 mm), de modo que a área total de aço fosse equivalente à área de aço mais a área do compósito.

4 Tabela 1 Identificação das vigas ensaiadas. Viga FRD FRR F1 F2 F3 F4 F5 Tipo de reforço aplicado referência antes do reforço referência após reforço uma camada de reforço na face inferior uma camada de reforço na face inferior uma camada de reforço na face inferior com 5 faixas transversais de amarração uma camada de reforço na face inferior e outra nas faces laterais duas camadas de reforço na face inferior Com o objetivo de avaliar a influência do carregamento na distribuição da fissuração testou-se dois tipos de carregamento: o distribuído e o concentrado. Os detalhamentos do reforço e dos tipos de carregamento estudados estão esquematizados na figura 2, bem como os pontos onde deu-se a ruptura das vigas. Figura 2 - Detalhamento do reforço e identificação dos pontos de ruptura.

5 2.1 Caracterização dos Materiais Para a caracterização do concreto, foram realizados os seguintes ensaios: resistência à compressão: segundo a especificação LNEC E 226 (1968); resistência à tração: segundo a ASTM C 496 (1998); módulo de elasticidade: segundo LNEC E 397; retração do concreto: conforme LNEC C 398. Alguns dos corpos de prova foram ensaiados aos 28 dias e outros durante os ensaios das vigas. Os dados obtidos nos ensaios à compressão com cubos de 15 cm foram relacionados a cilindros de 15 x 30 cm, de acordo com ábaco apresentado por SOUZA COUTINHO (1984). Os dados obtidos nos ensaios à tração por compressão diametral de cilindros foram relacionados à tração simples, de acordo com as indicações do CEB MC-90 (1993) e do REBAP (1985). As armaduras de aço foram ensaiadas à tração, segundo a NP 105 (1965). O compósito TFC foi também, semelhantemente, ensaiado à tração. Os valores assim obtidos constam da Tabela 2. Tabela 2 Características mecânicas dos materiais Material Característica Identificação Concreto Aço barra φ = 8 mm Compósito f cm = 33 MPa f ctm = 3,1 MPa E cm = 30,5 GPa f sy = 486 MPa f su = 593 MPa σ fu = 1425 MPa ε fu = 0,66 % E f = 138 GPa resistência média à compressão, em cilindros resistência média à tração módulo de elasticidade médio tensão de escoamento da tensão de ruptura à tração tensão de ruptura à tração deformação de ruptura módulo de elasticidade em tração 2.2 Avaliação da Ligação do Compósito ao Substrato de Concreto Avaliação da adesão Para a avaliação da adesão da fibra ao substrato foram realizados ensaios de arrancamento de discos de alumínio com diâmetro de 5 cm colados à superfície do compósito, conforme a norma européia EN 1542 (1995). Verificou-se neste ensaio ruptura na superfície do concreto e tensão de adesão equivalente a τ ad,m = 1,11 MPa Avaliação da aderência Para a avaliação da aderência do compósito ao concreto idealizou-se um ensaio onde dois prismas de concreto unidos pelo compósito eram tracionados axialmente. Este estudo encontra-se detalhado em trabalho apresentado por SOUZA (2001).

6 Extensômetros colados na superfície do compósito permitiram quantificar as deformações e as tensões de aderência ao longo do comprimento de ancoragem; transdutores elétricos aferiram os deslocamentos entre os prismas de concreto, conforme mostram as fotos da figura 3. Foram estudados dois comprimentos de aderência: l ad = 15 cm e l ad = 20cm. Figura 3 - Ensaio de aderência do compósito. Os ensaios realizados permitiram uma avaliação satisfatória da aderência do compósito ao concreto e mostraram que: o aumento do comprimento de aderência refletiu-se em cargas últimas mais elevadas, menores tensões médias de aderência e maiores deslocamentos na ruptura; a redução do comprimento de aderência mostrou que as tensões de tração na fibra diminuem mais rapidamente ao longo desse comprimento, sem contudo conduzir a maiores valores da deformação máxima. Os valores máximos das tensões de aderência obtidos foram: para l ad = 15 cm τ ad,m = 1,14 MPa para l ad = 20cm τ ad,m = 1,21 MPa 2.3 Ensaios das Vigas As vigas foram testadas à flexão em ensaios de curta duração e instrumentadas conforme indicado na figura 4. Foi utilizado um pórtico de cargas auto-equilibrado constituído por vigas metálicas, sendo o carregamento aplicado por meio de um macaco hidráulico acionado por uma bomba capaz de manter o nível de carga desejado. Três transdutores elétricos dispostos na face inferior das vigas, no vão de flexão pura, indicaram as flechas para cada patamar de carregamento aplicado. Foram dispostos extensômetros elétricos nas barras de aço longitudinais no meio do vão e no compósito, ao longo de todo o seu comprimento. O desenvolvimento das fissuras e as deformações na face do concreto foram avaliadas por meio de um extensômetro mecânico tipo DEMEC. Todas as vigas foram ensaiadas apenas uma vez, com exceção da viga F3, que foi danificada antes de ser reforçada, tendo sido submetida a um nível de

7 carregamento próximo à deformação de escoamento das armaduras, permitindo uma abertura de fissuras da ordem de w 0,20 mm e deixando uma flecha residual de aproximadamente 1,9 mm no meio do vão. VIGA F1 CÉLULA ELÉTRICA MACACO DET T1 T2 T3 DET 1 (EXTENSÔMETROS ELÉTRICOS COLADOS NA ARMADURA) F Ø 6mm Ø 10mm Figura 4 - Detalhamento da instrumentação das vigas. 3 Tipo de ruptura As vigas suportaram o carregamento até grandes deformações e romperam bruscamente quando do descolamento e/ou ruptura do compósito. O descolamento ou ruptura do compósito deu-se sempre numa situação designada por pós-rotura e sob uma fissura de flexão de grande abertura. As fotos apresentadas na figura 5 ilustram o aspecto da ruptura das cinco vigas reforçadas. Na viga F3, por não se ter tratado as fissuras, estas voltaram a abrir durante o ensaio do reforço. A viga F2 foi a que se deformou menos e a viga F4, a que mais se deformou. A Tabela 3 apresenta os valores dos momentos últimos verificados e o tipo de ruptura de cada viga. Tabela 3 Aspectos da ruptura das vigas. Viga Mu Tipo de ruptura (knm) FRD 8,8 esmagamento do concreto; escoamento das armaduras FRR 13,7 esmagamento do concreto; escoamento das armaduras F1 14,7 esmagamento do concreto; descolamento do compósito F2 15,4 ruptura do compósito F3 17,5 esmagamento do concreto; escoamento das armaduras;ruptura do compósito F4 33,6 esmagamento do concreto; escoamento das armaduras;ruptura do compósito F5 24,2 esmagamento do concreto; escoamento das armaduras; descolamento do compósito

8 F1 F2 F3 F4 F5 Figura 5 - Aspecto da ruptura das vigas ensaiadas.

9 4 Análise dos Resultados No gráfico Momento x Flecha à meio vão do conjunto das vigas estudadas apresentado na figura 6 pode-se verificar que: 30,0 M (knm) 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 F1 F2 F3 F4 F5 FRD FRR 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 a (mm) Figura 6 - Gráfico Momento Fletor x Flecha no meio do vão. o desempenho de cada viga depende substancialmente da disposição do reforço; as vigas apresentaram comportamento usual, notando-se maior deformação inicial na viga F3 e ausência de patamar, devido ao fato desta viga ter sido pré-danificada, sem que suas fissuras tivessem sido devidamente tratadas. É importante referir que a curva correspondente à viga F4 foi interrompida, para uma melhor visualização do conjunto de curvas; comparando-se as curvas das vigas F1 e F2 observa-se claramente que as vigas reforçadas com uma camada de compósito apresentaram comportamento semelhante, independentemente do tipo de carregamento aplicado; a variação entre o carregamento concentrado e o distribuído não alterou significativamente os resultados dos ensaios. Verificou-se, entretanto, que a viga F2 possibilitou a ruptura à tração do compósito; comparando-se o comportamento das vigas reforçadas com o das vigas de referência antes e após o reforço, é possível observar que o reforço aumentou a capacidade resistente última das vigas em aproximadamente 70%, enquanto que em serviço o desempenho das vigas reforçadas não foi substancialmente alterado. Tal fato sugere que devam ser testados outros modelos, com maiores dimensões; comparando-se agora F1 e F2 com a viga de referência após reforço, verifica-se que as três vigas - FRR, F1 e F2 - apresentaram momentos últimos da mesma ordem de grandeza, sendo que a viga FRR deformou-se

10 um pouco menos. Cabe referir, no entanto, que a adoção deste tipo de viga como referência poderá não ser a melhor forma de comparação, sendo talvez mais correta a comparação com uma viga reforçada com uma chapa de aço. comparando-se as curvas das vigas F1 e F5 nota-se que a inclusão de mais uma camada aumenta a capacidade resistente última da viga à flexão em aproximadamente 65%. O tipo de ruptura foi semelhante para ambas as vigas; a eficiência do detalhamento do compósito pode ser observada comparando-se o desempenho das vigas F1 - F3 e F4. A curva da viga F3 desenvolve-se entre as outras duas indicando que as faixas de amarração foram efetivas. Caso a viga F3 não tivesse sido pré-danificada, seu desempenho provavelmente se aproximaria mais do da viga F4, para a zona de comportamento em serviço. 5 Tensões e Deformações ao Longo do Compósito De modo geral, as deformações do compósito apresentaram as curvas mostradas no gráfico da figura 7, ou seja, as maiores deformações correspondem às leituras efetuadas no meio do vão (e8;e9;e10) e as menores deformações àquelas mais próximas do apoio (e5;e13). 16,0 14,0 Momento Fletor (knm) 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 e5 e6 e7 e8 e9 e10 e11 e12 e13 0,0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 Deformações no compósito na Viga F2 (o/oo) Figura 7 - Gráfico Momento Fletor x Deformações no compósito, viga F2. O gráfico da figura 8 apresenta o desenvolvimento das deformações do compósito ao longo do comprimento das vigas F2; F3 e F5 para um valor de momento M 0,81 M máx. As setas indicam os pontos onde ocorreu a ruptura. Neste gráfico nota-se a semelhança entre as curvas das vigas F1 e F5, reforçadas com uma e duas camadas de compósito, respectivamente. O "pico" de deformações apresentado pela curva da viga F3 refere-se ao ponto onde ocorreu a ruptura.

11 A partir dos valores das deformações obtidas com a leitura dos extensômetros elétricos colados na superfície do compósito foi possível calcular as tensões médias de cisalhamento. Os gráficos das figuras 9-10 e 11 apresentam estas tensões ao longo das vigas F3; F2 e F5, respectivamente. Eixo da Viga (cm) 0, , , ,5 Deformações no compósito (o/oo) -1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5 F2 F3-4,0-4,5 F5 Obs: as setas indicam o local da t Figura 8 - Gráfico Deformações ao longo do compósito. Tensões médias de aderência (MPa) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 M = 0,80 M,máx 0, faixa faix faixa Comprimento da Viga F3 (cm) Figura 9 - Gráfico tensões médias de aderência ao longo do comprimento da viga F3.

12 Tensões médias de aderência (MPa) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 M = 0,83 M,máx 0, Comprimento da Viga F2 (cm) Figura 10 - Gráfico tensões médias de aderência ao longo do comprimento da viga F2. 0,35 Tensões médias de aderência (MPa) 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 M = 0,80 M,máx 0, Comprimento da Viga F5 (cm) Figura 11 - Gráfico tensões médias de aderência ao longo do comprimento da viga F5. Como as tensões cisalhantes são determinadas a partir do gradiente das forças de tração no compósito, verifica-se que quando as deformações no compósito estão mais bem distribuídas ao longo do comprimento da viga, as tensões cisalhantes são menores no meio do vão e maiores nos quartos do vão. Quando existem "picos" de deformação no compósito surgem, no mesmo local, tensões cisalhantes maiores.

13 A Tabela 4 apresenta os valores máximos das deformações, das tensões normais e cisalhantes e das forças no compósito, verificadas nos ensaios das vigas reforçadas. Tabela 4 Valores máximos no compósito. Viga ε máx (X10-3 ) σ máx (MPa) F máx (kn) τ máx (MPa) F1 7, ,00 0,76 F2 5, ,42 0,64 F3 7, ,82 0,79 F4 7, ,73 0,67 F5 6, ,34 0,64 Com estes resultados é possível observar-se que as tensões cisalhantes máximas verificadas nas vigas são bem inferiores aos valores das tensões de adesão e de aderência relatadas no item 2.2 e também inferiores ao valor da tensão cisalhante na interface indicado pelo fabricante, descrito no item 1. 6 Considerações Finais O reforço estrutural de elementos de concreto por adição de compósitos armados com fibras de carbono constitui tarefa simples e de rápida execução, devido à leveza do material e ao fato de dispensar a necessidade de escoramento, possibilitando um trabalho limpo. Constata-se a importância da qualidade dos procedimentos de aplicação dos compósitos e de preparação do substrato para a garantia do bom desempenho do sistema. A região mais crítica para o descolamento do compósito relaciona-se com as maiores aberturas de fissuras e, portanto, com os pontos de maior tração, pelo que se deverá, sempre, garantir a perfeita amarração dos compósitos. As faixas transversais testadas mostraram ser uma solução válida. O ensaio de aderência desenvolvido nesta pesquisa mostrou-se eficiente, apresentando uma satisfatória evolução da aderência ao longo do compósito. As tensões de cisalhamento máximas desenvolvidas na interface concreto x compósito apresentaram valores semelhantes em todas as vigas estudadas e muito aquém da resistência de aderência. Não ocorreu descolamento prematuro do compósito. O reforço mostrou-se eficiente e o descolamento do compósito só foi verificado em fase de pós-rotura das vigas. 7 Agradecimentos Os autores expressam o seu agradecimento à Betão Liz, à Armol Freyssinet, ao LNEC, ao IC/IST e à UFF/CAPES/FAPERJ/CNPq pela efetiva colaboração, fornecimento de material e suporte financeiro, sem o que esta pesquisa não poderia ter sido realizada.

14 8 Referências FREYSSINET. Caderno de Cláusulas Técnicas - Renforcement du beton par collage de tissu de fibres de carbone procede TFC; France, LNEC E Betão. Ensaio de compressão, Lisboa, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, ASTM C496 - Splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens, Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, USA, LNEC E 397 Determinação do Módulo de Elasticidade em Compressão, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. LNEC Betões. Determinação da retracção e da expansão, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. SOUSA COUTINHO, A; GONÇALVES, A. Fabrico e Propriedades do Betão, Vol. 3, 2 a. edição, LNEC, Lisboa, Comité Euro-International du Béton. CEB-FIP Model Code Thomas Telford, London, REBAP Regulamento de estruturas de betão Armado e Pré-esforçado Ed. Imprensa Nacional, Casa da Moeda, Lisboa, 1985, 213pp. NP Metais:Ensaio de Tracção, Norma Portuguesa, Lisboa, EN Products and systems for the protection and repair of concrete structures.test methods.pull-off test. European Standard Norme, SOUZA, R. H. F.; APPLETON, J. A. S. An experimental study about the bond behaviour of a composite material to the concrete, Composites in Constructions, Porto, 2001, SOUZA, R. H. F.; APPLETON, J. A. S.; RIPPER, T. C. Avaliação do Desempenho de Compósitos Armados com Tecido de Fibras de Carbono como Elemento de Reforço de Vigas de Betão Armado, Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas, Lisboa, 1998,