FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO ESTUDO EXPERIMENTAL E PREVISÕES ANALÍTICAS PROTÓTIPO DE PONTE PEDONAL PONTALUMIS

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1 1º ENCONTRO LUSO-BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE COMPÓSITOS FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO ESTUDO EXPERIMENTAL E PREVISÕES ANALÍTICAS PROTÓTIPO DE PONTE PEDONAL PONTALUMIS José Almeida Gonilha, João Ramôa Correia, Joana Sousa e Fernando Branco Instituto Superior Técnico / ICIST, Universidade Técnica de Lisboa 1/44

2 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO ÍNDICE 2/44 1. INTRODUÇÃO 2. O PROJECTO PONTALUMIS 2.1. OBJECTIVOS 2.2. MATERIAIS 2.3. CONCEITO ESTRUTURAL 3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA 3.1. CARACTERÍSTICAS E CONSTRUÇÃO 3.2. COMPORTAMENTO EM FLUÊNCIA 3.3. COMPORTAMENTO DINÂMICO 3.4. COMPORTAMENTO NA ROTURA 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL 4.1. CARACTERÍSTICAS 4.2. ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS 5. CONCLUSÕES

3 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 1. INTRODUÇÃO 3/44

4 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP GEOMETRIA Perfis de primeira geração Secções transversais de parede fina, copiando a construção metálica Elevada deformabilidade Susceptibilidade a fenómenos de instabilidade em compressão Utilização limitada do potencial do material Fiberline Perfis de primeira geração 4/44

5 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP GEOMETRIA Perfis de nova geração Painéis multi-celulares para construção nova e reabilitação Ligação painel-painel: colagem ou encaixe (snap-fit) Ligação painel-viga: aparafusamento/colagem Leveza Rapidez instalação Durabilidade 5/44 Reduzida manutenção

6 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP CONSTITUIÇÃO Reforço com fibras - Rovings - mechas de fibras contínuas longitudinais - Mantas - (não-)tecidas, fibras curtas ou contínua, em várias direcções - Véu de superfície com fibras curtas aleatoriamente distribuídas Matriz polimérica: - Resina (poliéster, viniléster, epóxi) - Fillers - Aditivos Véu Rovings Manta Arquitectura de fibras de laminado 6/44 Esquema das fibras de um perfil GFRP

7 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP CONSTITUIÇÃO Manta Rovings 7/44 Imagem microscópica de um laminado de um banzo

8 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP PROPRIEDADES Propriedade Longitudinal Transversal Resistência tracção/compressão [MPa] Resistência ao corte [MPa] Módulo de elasticidade [GPa] Módulo de distorção [GPa] 3-4 Densidade [g/cm 3 ] Teor em fibras [%] Comportamento elástico-linear até à rotura (sem ductilidade!) Elevada resistência axial (semelhante ao aço) Reduzidos módulos de elasticidade (10-20% do aço) e corte Susceptibilidade a fenómenos de instabilidade 8/44 Reduzida densidade (20-25% do aço)

9 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP APLICAÇÕES Construção nova Eyecatcher building (5 pisos), Basel, Switzerland Kolding Bridge, Denmark 9/44

10 1. INTRODUÇÃO PERFIS PULTRUDIDOS GFRP APLICAÇÕES Reabilitação Reabilitação de pisos de madeira 10/44 Substituição de tabuleiros de pontes

11 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 2. O PROJECTO PONTALUMIS 11/44

12 2. O PROJECTO PONTALUMIS OBJECTIVOS Estudar comportamento de estruturas mistas GFRP-SFRSCC Comportamento estático Comportamento dinâmico Comportamento visco-elástico Protótipo à escala reduzida Monitorização da construção Ensaios dinâmicos Ensaios de fluência Ensaio até ao colapso Protótipo final Ponte pedonal para instalar no campus da UM em Guimarães 12/44

13 2. O PROJECTO PONTALUMIS MATERIAIS Perfis pultrudidos em GFRP Vantagens: Leveza Resistência Rapidez de montagem Durabilidade Reduzida manutenção Dificuldades: Custos iniciais Elevada deformabilidade Rotura frágil Tendência para instabilizar Fluência SFRSCC (Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete) 13/44 Vantagens Resistência à tracção Ductilidade em tracção Durabilidade Dificuldades: Custos iniciais Composições específicas para cada aplicação

14 2. O PROJECTO PONTALUMIS CONCEITO ESTRUTURAL GFRP-BETÃO Vantagens: Diminui deformabilidade instantânea Reduz fenómenos de instabilidade GFRP em tracção: menos fluência Problemas: Apoios interiores Momentos negativos Secção dos protótipos 14/44 Simplesmente apoiado Momentos positivos Laje sem varões de reforço Direcção longitudinal: laje em compressão e perfis em tracção Ligação: adesivo epoxídico e conectores mecânicos

15 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA 3.1. CARACTERÍSTICAS E CONSTRUÇÃO 15/44

16 3. PROTÓTIPO ESCALA REDUZIDA - CARACTERISTICAS/CONSTRUÇÃO CARACTERÍSTICAS Vão simplesmente apoiado de 5.50 m 16/44

17 3. PROTÓTIPO ESCALA REDUZIDA - CARACTERISTICAS/CONSTRUÇÃO CONSTRUÇÃO Preparação dos elementos da estrutura Preparação da superfície da laje Furação dos perfis Instalação dos parafusos 17/44

18 3. PROTÓTIPO ESCALA REDUZIDA - CARACTERISTICAS/CONSTRUÇÃO CONSTRUÇÃO Montagem Movimentação das lajes Aplicação do adesivo epoxídico Enchimento de negativos 18/44 Posicionamento final das lajes Aspecto final do protótipo

19 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA 3.2. COMPORTAMENTO EM FLUÊNCIA 19/44

20 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA FLUÊNCIA DO MATERIAL MODELOS PARA O GFRP Modelos de fluência para o GFRP Propostos por Bank para a flexão E t = E E 0 Et t n G t = G G 0 Gt t n Propostos pelo EuroComp para FRPs uni- e multi-direccionais em tracção e corte 20/44 Propostos pela Norma Italiana t [anos] E(t) [ E 0 ] G(t) [ G 0 ]

21 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA FLUÊNCIA DO MATERIAL MODELOS PARA O GFRP Comparação entre os modelos anteriores 21/44

22 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA FLUÊNCIA DO MATERIAL MODELO PARA O SFRSCC Comportamento em serviço SFRSCC não fendilhado As fibras ainda não estão a funcionar Comportamento similar ao do betão tradicional Modelo do Eurocódigo 2 com coeficiente de Trevino E c t, t 0 = E c, χ t, t 0 φ t, t 0 22/44 Coeficiente de fluência: (depende da humidade relativa, superfície exposta às condições ambientais, resistência à compressão e idade no carregamento) Coeficiente de envelhecimento de Trevino: Temperatura considerada indirectamente: n t T = e ( T t i 13.65) i=1 φ t, t 0 = φ 0 β c t, t 0 χ t, t 0 χ t 0 = t i 3 t t 0

23 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA ENSAIOS CONDIÇÕES DOS ENSAIOS Características ambientais e do carregamento 1 Estimado Teste 1(a) 2(b) 3(c) Periodo 1 de Junho a 20 de Verão Set de Julho a 25 de Verão Out de Nov 2012 a 26 Inverno Fev Duração Carga Temp méd HR méd t 0 [horas] [kn/m 2 ] [ºC] [%] [dias] Elevado ± ± Baixo ± Elevado ± ± /44

24 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA ENSAIOS PREVISÃO DOS RESULTADO (FLECHAS) Deformações por corte não são desprezáveis Teoria de vigas de Timoshenko δ mid span = C 1 EI + C 2 G ka C 1 = q a3 b 6 + a2 b ab b4 384 C 2 = q ab 2 + b2 8 24/44

25 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA PREVISÃO - ESCOLHA DOS MODELOS DE FLUÊNCIA Determinar a posição da linha neutra LN na laje de betão SFRSCC essencialmente em compressão GFRP em tracção Modelos de Fluência do GFRP (de acordo com a distribuição de tensões) EuroComp em tracção para o módulo de elasticidade E(t) = E 0 (z T T 0 w ln t) Corte em flexão de Bank para o módulo de distorção 25/44 G t = G G 0 Gt t n(t T 0)

26 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA PREVISÃO COMPARAÇÃO RESULTADOS ENSAIOS Deformações a curto prazo (ensaios) 26/44

27 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA PREVISÃO COMPARAÇÃO RESULTADOS ENSAIOS Previsões a longo prazo 27/44

28 3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO FLUÊNCIA CONCLUSÕES As condições ambientais (temperatura e HR) são muito importantes no comportamento em fluência de estruturas mistas GFRP-betão As regressões efectuadas com a lei de potência de Findley podem não ser adequadas a estruturas mistas Os modelos de fluência do material GFRP devem ter em consideração: O estado de tensão do material GFRP As condições ambientais (nomeadamente a temperatura) Estes resultados mostram que as soluções mistas podem conduzir a soluções menos deformáveis por fluência quando comparadas com soluções totalmente em FRP. 28/44

29 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA 3.3. COMPORTAMENTO DINÂMICO 29/44

30 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS IDENTIFICAÇÃO MODAL - INSTRUMENTAÇÃO Acelerações verticais: A1 a A18 Aplicação de força: S1 e S2 30/44

31 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS IDENTIFICAÇÃO MODAL - RESULTADOS Identificação dos primeiros 4 modos de vibração 31/44 Frequência Modo Forma Ensaios Modelos analíticos Euler-Bernoulli Timoshenko Torção MEF Hz Hz Δ Hz Δ Hz Δ Hz Δ 1 Flexão 8.18 ± % % % 2 Torção ± % % 3 Flexão ± % % % 4 Torção ± % %

32 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS IDENTIFICAÇÃO MODAL - RESULTADOS 32/44

33 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS ACÇÃO PEDONAL INSTRUMENTAÇÃO 33/44 Ensaios com um peão Ensaios com vários peões

34 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS ACÇÃO PEDONAL RESULTADOS (1 PEÃO) Acelerações para um peão a andar rápido no caminho centrado 34/44 Acelerações máximas para um peão a andar no caminho centrado: (i) devagar; (ii) normalmente e; (iii) rápido.

35 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO DINÂMICO ENSAIOS ACÇÃO PEDONAL RESULTADOS (N PEÕES) 0.67 peões / m 2 Acelerações verticais a meio vão Acelerações horizontais a meio e quarto de vão 35/44 Limites de aceleração expectável (RMS) para vários períodos de exposição em pontes pedonais (ISO 10137)

36 FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO 3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA 3.4. COMPORTAMENTO ATÉ À ROTURA 36/44

37 3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA COMPORTAMENTO ROTURA ENSAIOS DE FLEXÃO ATÉ AO COLAPSO Comportamento elástico-linear até à rotura Rotura por corte na ligação banzo- alma 37/44

38 38/44 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL

39 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL CARACTERÍSTICAS Vão simplesmente apoiado de m 39/44

40 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL CARACTERÍSTICAS Aspecto final (em fábrica) 40/44

41 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL CARACTERÍSTICAS Ensaios Dinâmicos Ensaios com um peão 41/44 Ensaios com vários peões Ensaios de identificação modal

42 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Ensaios Dinâmicos: Resultados Ensaios com um peão Modo Frequência (Hz) Média Desv. Pad Forma Flexão simétrica Torção simétrica Flexão anti-simétrica Torção anti-simétrica 42/44 Ensaios com vários peões (ISO 10137) Ensaios de identificação modal

43 4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Ensaios Estáticos: Resultados 43/44 Comportamento elástico-linear

44 OBRIGADO AGRADECIMENTOS ICIST, FCT (bolsa de doutoramento SFRH/BD/70041/2010) e ADI (projecto No. 2009/003456) pelo apoio financeiro. ALTO e Universidade do Minho pela parceria no projecto. ALTO, S&P, SIKA e INTEC pelo fornecimento de materiais. 44/44

45 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 45/44

46 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 1. STRUCTURAL BEHAVIOUR OF GFRP-RC BEAMS 1 Flexural tests on 2-span beams R reference beam (steel reinforced); Rb-1 GFRP reinforced beam with concrete confinement in critical cross-sections Load vs. deflection curves FEM in commercial package ATENA (non-linear analyses, cracking/crushing) 46/44 1 Matos et al. (2012), Composite Structures

47 Failure load [kn] Failure load [kn] OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 2. FIRE BEHAVIOUR OF CFRP-STRENGTHENED RC 2, EBR specimens Temperature [ C] NSM specimens /44 EBR specimen NSM specimen CFRP-concrete bond tests at elevated temperature EBR externally bonded reinforcement NSM near surface mounted 2 Firmo et al. (2012), Composites Part B: Engineering 3 López et al. (2013), Construction and Building Materials Temperature [ C]

48 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 3. FIRE BEHAVIOUR OF CFRP-STRENGTHENED RC 2,3 Fire resistance tests in CFRP-strengthened beams (ISO 834) Different fire protection systems (thick insulation at the anchorage zones) Failure of beam CFRP (unprotected) 48/44 2 Firmo et al. (2012), Composites Part B: Engineering 3 López et al. (2013), Construction and Building Materials Displacement increase vs. time

49 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 3. FIRE BEHAVIOUR OF GFRP PULTRUDED PROFILES 4,5 Shear tests on GFRP laminates (20-250ºC) Fire resistance tests in GFRP profiles (ISO 834) CS, VP, I 49/44 4 Correia et al. (2013), Composite Structures 5 Correia et al. (2012), Composites Part B: Engineering WC

50 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 4. BEHAVIOUR OF GFRP SNAP-FIT BRIDGE PANELS Cross-section and functioning principle of snap-fit GFRP panels Flexural test on GFRP panel 50/44 Pedestrian bridge project (Feira de S. Mateus, Viseu)

51 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 4. BEHAVIOUR OF GFRP SNAP-FIT BRIDGE PANELS Cross-section and functioning principle of snap-fit GFRP panels Flexural test on GFRP panel 51/44 Pedestrian bridge project (Feira de S. Mateus, Viseu)

52 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 5. DEVELOPMENT OF GFRP SANDWICH PANELS 8 Material characterisation tests (GFRP laminates, PU and PET foams, balsa, PP honeycomb cores) 52/44 Flexural tests in full-scale panels (different cores / lateral ribs) 8 Correia et al. (2012), International Journal of Structural Integrity Load vs. deflection behaviour

53 OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST 6. STRUCTURAL GLASS 9,10 Glass-GFRP hybrid beam EP adhesive Glass-GFRP hybrid beam PU adhesive 53/44 9 Experimental and numerical axial strains throughout Correia et al. (2012), Composite Structures midspan section 10 Valarinho et al. (2013), Construction and Building Materials