Reforço de estruturas de concreto com fibras de carbono Edição Agosto/2007

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1 Reforço de estruturas de concreto com fibras de carbono Edição Agosto/2007 Estruturas de concreto armado frequentemente necessitam ser reforçadas. A maioria das vezes a necessidade de reforço é decorrente de vícios construtivos em alguma ou em várias fases da execução. Outras vezes a necessidade de reforço é consequência da alteração da destinação da estrutura ou da necessidade de adequação a novas condições de carregamento. Os reforços aderidos externamente aos elementos estruturais representam uma alternativa moderna e de grande eficiência, com utilização cada vez mais difundida pelas grandes vantagens que oferecem. Destacam-se nessa categoria de reforços os sistemas compostos estruturados com plásticos, particularmente aqueles que utilizam as fibras de carbono como componente resistente. Esses sistemas são colados nas faces dos elementos estruturais com resinas especialmente desenvolvidas que permitem a transferência dos esforços da massa de concreto para o sistema composto, mobilizando-se as tensões tangenciais desenvolvidas quando da atuação dos esforços solicitantes. O sistema composto foi introduzido no Brasil em 1998 com o reforço pioneiro do Viaduto de Santa Teresa, em Belo Horizonte (foto 1), ao qual sucederam-se aplicações diversas. Materiais do sistema Os sistemas compostos com fibras de carbono são constituídos por dois materiais principais: a fibra de carbono, elemento resistente do sistema, e a resina saturante, que conforma a matriz epoxídica do sistema. A representação esquemática do sistema com fibras de carbono e a sua ampliação em microscópio eletrônico são mostradas na foto 2. Os plásticos utilizados nos sistemas compostos caracterizam-se por terem o gráfico (tensão x deformação) linear até à ruptura, característica dos materiais frágeis, como mostra a figura 1.

2 Todos os sistemas de fibras de carbono têm os seus materiais constituintes desenvolvidos após exaustivos testes materiais e estruturais, incluindo aí todas as resinas, tais como os imprimadores primários, os regularizadores de superfície, os saturantes, os adesivos, os revestimentos protetores e as fibras que os estruturam. Os imprimadores primários são utilizados com o objetivo de penetrar no substrato de concreto para permitir, com o seu adesivo específico, a construção de uma ponte de aderência para a resina de saturação ou outros adesivos a serem aplicados posteriormente. O imprimador utilizado pode ser um composto epóxi-poliamina curada, bi-componente de baixa viscosidade e com 100% de sólidos, com as seguintes características: Resistência à tração: 13,0 a 15,8 MPa Alongamento máximo à tração: 10 a 30% Módulo tangencial: 689,0 a 826,8 MPa Os regularizadores de superfície são utilizados para o preenchimento de vazios ou correção de imperfeições superficiais objetivando uma superfície lisa e desempenada sobre a qual o sistema será colado. O regularizador de superfície do sistema é denominado pasta, adesivo bi-componente com 100% de sólidos e consistência firme, com as seguintes características: Resistência à tração: 23,0 MPa Alongamento máximo de tração: 1,6% Módulo de tração: 262,0 MPa As resinas de saturação são utilizadas para a impregnação das fibras que constituem o elemento estrutural dos compostos, fixando-as no local e garantindo um meio efetivo para a transferência das tensões de cisalhamento entre as mesmas. A resina influi muito pouco para a resistência final do sistema, mas exerce relevante função para a absorção dos esforços de flexão e cisalhamento. O sistema utilizado nas obras descritas contém resina epoxídica de baixa viscosidade, bi-componente, com 100% de sólidos, com as seguintes características técnicas: Resistência à tração por flexão: 43,0 MPa Resistência direta à tração: 78,0 MPa Resistência à compressão: 88,0 MPa As fibras de carbono resultam do tratamento térmico (carbonização) de fibras precursoras orgânicas, tais como o poliacrilonitril (PAN) ou com base no alcatrão derivado do petróleo ou do carvão (PITCH), em um ambiente inerte. Nesse processo térmico as fibras resultantes apresentam os átomos de carbono perfeitamente alinhados ao longo da fibra precursora, característica que confere extraordinária resistência mecânica ao produto final. Quanto maior a temperatura maior será o módulo de elasticidade do material

3 resultante, que varia desde 100 a 300 GPa para as fibras de carbono até 650 GPa para as fibras de grafite. Quanto maior o módulo de elasticidade, maior é o custo do material. O produto de maior módulo de elasticidade (grafite) é cerca de 15 a 20 vezes mais caro do que a fibra de carbono com o módulo de elasticidade situado no extremo inferior da faixa. Os sistemas compostos que utilizam as fibras de carbono como elementos resistentes apresentam as seguintes características básicas: Extraordinária resistência mecânica Elevada resistência a ataques químicos diversos Não são afetados pela corrosão por se tratar de um produto inerte Extraordinária rigidez Estabilidade térmica e reológica Bom comportamento à fadiga e à atuação de cargas cíclicas O peso específico das fibras de carbono varia de 1,6 a 1,9 g/cm3. Observa-se que o material tem um peso específico cerca de cinco vezes menor do que o do aço estrutural, da ordem de 7,85 g/cm3. Suas principais características são: Processo construtivo dos sistemas compostos Para a instalação dos sistemas com fibras de carbono é utilizada a sequência de procedimentos: Recuperação do substrato de concreto Para que seja garantida a instalação do sistema é fundamental que o substrato ao qual ele será aderido esteja íntegro e são, ou seja, que disponha de suficiente resistência mecânica para que sejam procedidas as transferências de esforços que acontecem na interface entre o concreto e o sistema composto. Torna-se necessária a recuperação e a passivação das barras de aço afetadas pelo processo corrosivo e a remoção e posterior recuperação das superfícies de concreto degradadas pela manifestação. Todas as trincas existentes na estrutura a ser reforçada deverão ser recuperadas. Além delas, as fissuras com aberturas maiores que 0,25 mm também deverão ser tratadas. Podem ser utilizados para essas recuperações os procedimentos convencionais de injeção de epóxi sob pressão. Esses procedimentos são mostrados na foto 3.

4 As fissuras com aberturas menores que 0,25 mm, expostas ao meio ambiente, podem exigir injeção de resinas ou seladores para prevenir futura corrosão da armadura da peça. Preparação da superfície A preparação das superfícies de concreto onde será aplicado o sistema será determinada em função das duas hipóteses possíveis de funcionamento estrutural: Predominância da condição crítica de colagem Predominância da condição crítica de contato íntimo As aplicações para os reforços de flexão e de cisalhamento exigem que seja estabelecido um sistema de colagem bastante eficiente para uma adequada transferência de esforços entre os meios aderidos, caracterizando a condição crítica de colagem. O confinamento de colunas, por sua vez, exige mais uma condição de contato eficiente entre o concreto e o sistema composto, caracterizando a condição de contato íntimo. No caso da colagem crítica, a superfície do concreto sofre as seguintes preparações: Utilização de abrasivos ou jatos de areia ou limalhas metálicas para a limpeza da superfície onde deverá ser aderido o sistema. Essa limpeza deve contemplar a remoção de poeira, pó, substâncias oleosas e graxas, partículas sólidas não totalmente aderidas, recobrimentos diversos como pinturas, argamassas etc. Também deverão ficar totalmente expostos quaisquer nichos ou imperfeições superficiais significativas No caso de o reforço exigir o recobrimento de mais de uma superfície lateral da peça, ocorrerá a necessidade de arredondamento das quinas envolvidas nessa aplicação, visando com isso evitar concentração de tensões na fibra de carbono e eliminar eventuais "vazios" entre o concreto e o sistema por deficiência na colagem. Os procedimentos são mostrados na figura 2 No caso de contato crítico, nas aplicações que envolvam o confinamento das peças de concreto armado, a preparação das superfícies deve ser fundamentalmente direcionada no sentido de que seja estabelecido um contato íntimo contínuo entre as superfícies envolvidas. Essas superfícies não podem apresentar concavidades ou convexidades que impeçam o carregamento correto do sistema. Irregularidades superficiais expressivas devem ser corrigidas preenchendo-se as concavidades (caso de nichos) com material de reparação compatível com as características mecânicas do concreto existente ou pela sua remoção (caso das juntas de fôrmas). Uma vez concluída a recuperação do substrato de concreto inicia-se a aplicação do sistema, obedecendo-se as etapas: Aplicação do imprimador e do regularizador de superfícies

5 Os imprimadores primários têm como objetivo penetrar nos poros do concreto, colmatando-os para que, juntamente com a película aderida à superfície do concreto, seja estabelecida uma ponte de aderência eficiente, sobre a qual será instalado o sistema. As massas regularizadoras de superfície são utilizadas para a calafetação e regularização das superfícies de concreto onde serão aplicados os sistemas, garantindo o estabelecimento de uma superfície desempenada contínua. Quanto maior a irregularidade superficial maior será o consumo desse material. Essas operações são mostradas na foto 4. Corte e imprimação das fibras de carbono As lâminas de fibra de carbono serão cortadas em bancadas especialmente montadas para isso. São utilizadas régua metálica, tesoura de aço (para o corte transversal) e faca de corte ou estilete (para o corte longitudinal). Existem duas maneiras distintas para a imprimação das fibras: saturação via úmida nessa alternativa a lâmina de fibra de carbono é saturada em bancada própria, sendo depois transportada para a sua aplicação na peça a ser reforçada saturação via seca nessa alternativa a saturação é feita diretamente sobre o concreto da peça a ser reforçada para em seguida ser colada a lâmina de fibra de carbono A foto 5 mostra o corte da fibra e a saturação via úmida, opção mais utilizada por facilitar o manuseio e o transporte da fibra até o local de sua aplicação. Uma recomendação fundamental é que se deve utilizar estritamente a quantidade de resina necessária à impregnação ou à colagem, para que não ocorram alterações sensíveis nas características do composto. Um excesso de resina acarreta uma menor resistência final.

6 Aplicação da lâmina de fibra de carbono e segunda camada de saturação A colocação da lâmina de fibra de carbono, independentemente do tipo de imprimação utilizada, deve ser imediata, uma vez que o tempo de aplicação da resina saturante (potlife) é muito curto, no máximo 25 a 30 minutos. Dentro desse intervalo de tempo é possível fazer ajustes de alinhamento e prumo das lâminas de fibra de carbono para o seu posicionamento. Terminado o posicionamento da lâmina de fibra de carbono é feita a segunda saturação por sobre a lâmina instalada, para garantir que a fibra de carbono esteja totalmente imersa (encapsulada). Normalmente, espera-se cerca de 30 minutos para a segunda operação de saturação (foto 6). Estruturalmente, está encerrada a aplicação do sistema. Como podem ser necessárias várias camadas de lâminas de fibra de carbono para o reforço da peça, essas operações são repetidas sucessivamente para cada camada adicional. Cada lâmina exige duas imprimações independentes, não podendo a última camada de imprimação da lâmina anterior ser utilizada para a colocação da próxima lâmina. Aplicação de camada protetora ou estética Terminada a aplicação do sistema, este pode ser recoberto por camada protetora ou estética (Top Coat), material disponibilizado em diversas cores e texturas. Se necessário atender as condições específicas de agressões físicas, mecânicas e ambientais, o revestimento pode ser projetado especialmente para cada caso, conforme mostrado na foto 7. Case de aplicação do sistema Apresenta-se de maneira resumida o reforço do Edifício do Anexo III da Secretaria da Fazenda do Estado de Minas Gerais. O objetivo da aplicação foi reforçar as estruturas de concreto armado da edificação para que fossem corrigidas as deficiências originais de projeto e permitir o aumento da carga acidental de 150 kgf/m2 para 300 kgf/m2. Foram utilizados 710 m2 de membrana para os 13 pavimentos do bloco principal do edifício.

7 Na seqüência fotográfica (foto 8) são mostradas, da esquerda para a direita e de cima para baixo, as diversas etapas construtivas necessárias: reforço da armadura superior das vigas para permitir o seu macaqueamento; macaqueamento das vigas; corte e saturação das fibras; imprimação das vigas; aplicação da fibra de carbono; segunda etapa de saturação; reforço ao corte, etapas inferior e superior conjugadas. Esse projeto mereceu do ICRI (International Concrete Repair Institute) o prêmio de Excelência em Reforço, em sua reunião de 2003, realizada em Tampa, Flórida, Estados Unidos. A foto 9 mostra o edifício antes do reforço (esquerda) e após o reforço (direita). Leia Mais Para mais informações sobre o sistema MBrace, principalmente os critérios de dimensionamento dos reforços, indica-se a seguinte bibliografia: Reforço de Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono. Ari de Paula Machado, Editora PINI, Fibras de Carbono Manual Prático de Dimensionamento. Ari de Paula Machado Edição da BASF The Chemical Company, Ari de Paula Machado, diretor da Paula Machado Engenharia e Projetos, de Belo Horizonte. Consultor Técnico para o Brasil e América Latina do Sistema MBrace da Basf The Chemical Company, ari@paulamachado.eng.br