CONFINAMENTO GARANTIDO AO BETÃO POR CINTAGEM TOTAL E PARCIAL COM MANTAS DE CFRP

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1 CONFINAMENTO GARANTIDO AO BETÃO POR CINTAGEM TOTAL E PARCIAL COM MANTAS DE CFRP D.R.S.M FERREIRA Aluna de Doutoramento UM Guimarães J.A.O. BARROS Prof. Auxiliar UM Guimarães SUMÁRIO Ensaios de ompressão uniaxial om provetes ilíndrios de betão revelaram que sistemas onstituídos por faixas de manta de fibras de arbono (CFRP) permitem aumentar signifiativamente o onfinamento do betão. A apliabilidade de um modelo analítio de onfinamento foi avaliada para o aso dos sistemas de onfinamento adoptados no presente programa experimental. 1. INTRODUÇÃO Um defiiente onfinamento do betão de pilares de edifíios loalizados em zonas de riso sísmio pode onduzir ao olapso global destes. O onfinamento do betão pode ser aumentado intando total ou parialmente os pilares om mantas de fibras de arbono (CFRP). Além de aumentarem a apaidade de dissipação de energia, estes sistemas de onfinamento também permitem aumentar, signifiativamente, a apaidade de arga de elementos de betão submetidos a ompressão. Na tenologia dos FRP, o onfinamento do betão é geralmente garantido envolvendo toda a superfíie do elemento por manta de FRP, ténia a que se atribui a designação de fullwrapping na nomenlatura inglesa [1], sendo neste trabalho designada por onfinamento total. Trabalhos reentes revelaram que é possível obter níveis de onfinamento similares ao desta ténia, apliando-se sistemas onfinamento onstituídos por faixas de CFRP [2,3]. Além da maior eonomia de material e de mão-de-obra despendidos neste último sistema de

2 onfinamento, o fato da superfíie exterior do elemento não fiar totalmente envolvido pelo FRP permite que água eventualmente retida no interior da miro-estrutura do betão se liberte para o exterior, diminuindo os risos de orrosão das armaduras de aço. Os sistemas de onfinamento disreto apresentam ainda a vantagem de onduzirem a roturas menos violentas, dado que permitem a dissipação de alguma energia por deformação elasto-plástia do betão entre faixas de FRP. Para avaliar a influênia do número e da largura das faixas de CFRP, bem omo do número de amadas por faixa no aumento da resistênia e da apaidade de absorção de energia de elementos de betão submetidos a ompressão, foram efetuados ensaios de ompressão direta om provetes ilíndrios de 15 mm de diâmetro e 3 mm de altura, onfinados por distintos sistemas de onfinamento. A influênia da resistênia à ompressão do betão e da rigidez da manta no nível de onfinamento obtido foi também avaliada [2,3], tendo-se para tal efetuado séries de ensaios om provetes de betão de baixa e moderada resistênia, onfinados om manta de 2 e 3 gm/m 2 de fibras de arbono [4]. Nestes ensaios foi determinada a relação entre a tensão axial no betão, σ, e a orrespondente extensão axial, ε, bem omo entre σ e a extensão no CFRP segundo a direção das fibras de arbono, ε f. Para simular o omportamento de um elemento de betão totalmente enamisado om manta de FRP têm sido propostos vários modelos analítios [5-12], a maior parte deles resulta de adaptações efetuadas a modelos desenvolvidos para simular o onfinamento proporionado por tubos de aço [12]. A prinipal adaptação atende ao fato do aço desenvolver esoamento plástio após atingida a sua tensão de edênia, enquanto os FRP têm omportamento linearelástio até à sua rotura. Como os sistemas de onfinamento investigados no programa experimental do presente projeto de investigação são onstituídos, essenialmente, por faixas de CFRP, o modelo analítio de Mander et al. [13], desenvolvido para simular o omportamento de elementos onfinados om intas de aço, aparenta ser o mais apropriado, desde que o omportamento do CFRP seja devidamente simulado. Assim, o modelo de Mander foi adaptado, tendo por base os resultados obtidos no programa experimental, sendo a sua apliabilidade avaliada no presente trabalho. 2. SISTEMAS DE CONFINAMENTO Os sistemas de onfinamento adoptados são ompostos por faixas de manta de CFRP, fixas ao betão e às amadas subjaentes por intermédio de resina epóxi. A ada provete foi atribuída a designação WiSjLk, em que Wi é a largura da faixa / i= 15, 3, 45, 6 e 3 mm, Sj é o número de faixas ao longo do provete / j de 1 a 5 e Lk é o número de amadas por faixa / k de 1 a 7. No presente programa experimental pretendeu-se avaliar a influênia da largura das faixas, W, do seu número ao longo da altura do provete, S, e do número de amadas por faixa, L, no omportamento em ompressão do provete. Na Figura 1 está representado o sistema genério de onfinamento adoptado, sendo na Figura 2 apresentadas fotos de alguns destes sistemas. Os distintos sistemas de onfinamento, os valores das propriedades dos materiais intervenientes, as araterístias do equipamento de ensaio e de registo da força, desloamentos e extensões e os proedimentos de ensaio estão apresentados em outros trabalhos [2,3].

3 W s'/2 s' W W s' s'/2 Figura 1 Esq. de onfinamento. Figura 2 Alguns dos sistemas de onfinamento adoptados. 3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nas Figuras 3 a 6 apresentam-se as urvas que relaionam a tensão, quer om a extensão axial no provete quer om a extensão na manta de CFRP, para os grupos de ensaio C16S2, C16S3, C23S2 e C23S2, onfinados om faixas de 45, 6 e 3mm de altura. Tensão(MPa) W45S4L5_ext2 5 W45S4L5_ext1 4 3 _ext2 2 1 _ext W6S3L3_ext1 W6S3L5_ext1 W45S4L W3S1L5_ext W3S1L3_ext1 W6S3L3 W6S3L5 Extensão axial (mm/mm) W3S1L5 W3S1L Figura 3 Grupo de ensaios C16S W45S4L5_ext2 W45S4L5_ext1 W45S4L Extensão Axial (mm/mm) W6S3L5 W6S3L3 S6S3L3 W6S3L Extensão Axial (mm/mm) 12 W3S1L5_ext W3S1L3_ext W3S1L5 W3S1L3 Extensão Axial (mm/mm) Figura 4 Grupo de ensaios C16S3

4 W45S4L5_ext1 _ext1 _ext2 W45S4L5_ext W6S3L5_ext1 W6S3L3_ext1 W45S4L5 Extensão axial (mm/mm) W3S1L5_ext1 W3S1L3_ext1 W6S3L3 W6S3L5 Extensão axial (mm/mm) W3S1L5 W3S1L3 Extensão axial (mm/mm) Figura 5 Grupo de ensaios C23S2 1 W45S4L5_ext1 9 W45S4L7_ext2 W45S4L7 8 W45S4L7_ext1 W45S4L5 7W45S4L5_ext2 6 _ext W6S3L5 W6S3L W6S3L W3S1L5_ext1 W3S1L3_ext1 W3S1L5 W3S1L3 W6S3L7 W6S3L5 W6S3L3 Atingida a apaidade máxima da prensa Figura 6 Grupo de ensaios C23S3 Na designação atribuída aos quatro grupos de ensaios C16 e C23 signifia provetes onstituídos por um betão om resistênia média à ompressão de 16 MPa e 23 MP, respetivamente, S2 e S3 signifia provetes onfinados om mantas de CFRP de 2 g/m 2 e 3 g/m 2, respetivamente. Da análise das urvas apresentadas nestas Figuras pode-se verifiar que, tendo por base os resultados obtidos nos provetes não onfinados, a apaidade resistente e a dutilidade aumentaram om a perentagem de CFRP. O aumento da apaidade de arga foi maior nos provetes reforçados om a manta de rigidez mais elevada (3 gm/m 2 ) e o onfinamento foi mais efetivo nos provetes de betão de menor resistênia (16 MPa). Nas séries de igual perentagem de onfinamento, omo é o aso das séries W45S4 e W6S3, o onfinamento foi mais efetivo nas séries onfinadas om faixas de 45 mm de largura do que nas séries onfinadas om faixas de 6 mm de largura, ou seja, verifiou-se maiores aumentos da tensão máxima nas séries que dispunham de menor espaço livre entre as faixas.

5 No que se refere à extensão máxima no CFRP, os valores registados dependem signifiativamente dos modos de rotura oorridos, dado que as extensões registadas apenas representam o estado de extensão da zona onde os extensómetros são oloados. Nas séries de perentagem de CFRP mais elevada, onfinados om manta de 3 gm/m 2, omo é o aso da série W3S1L5, do grupo de ensaios C23S3, a apaidade de arga máxima da prensa foi alançada sem ter oorrido a rotura dos provetes dessa série. 4. MODELO ANALÍTICO O modelo analítio de Mander et al. [13] permite obter a relação entre a tensão axial no betão e a orrespondente extensão axial em elementos de betão armado onfinados om intas de aço. Segundo este modelo, a tensão no betão onfinado (f ) é determinada pela seguinte expressão: fxr f = (1) r r 1+ x em que 7.94 fl fl f = (2) fo fo ε f x = ; ε = ε o 1+ 5 ε 1 f o (3) E f r = ; E se = E ε (4) E se s' d s fl = keρst f yh ; k e = 2 1 ρ ( ) sl 2 Asl 4Ast ; ρ sl = ; ρ st = (5) A d S Na eq. (2), f é a tensão máxima de ompressão do betão onfinado, f o é a resistênia à ompressão do betão não onfinado e f l é a tensão exerida pelo onfinamento lateral, ver Figuras 7 e 8. Na eq. (3), ε é extensão axial do betão onfinado e ε é a extensão axial orrespondente a f. Em (4) E é o módulo de elastiidade do betão, que segundo Mander et al., pode ser determinado de E =15(f o ) (1/2). No entanto, omo no presente trabalho a extensão foi obtida a partir dos desloamentos medidos entre os pratos da prensa, o valor de E é inferior ao que se obtém pela apliação da anterior expressão (os transdutores registam desloamentos parasitas, tais omo os devidos à aomodação das faes do provete aos pratos da prensa), pelo que E será onsiderado omo sendo o delive iniial da resposta σ -ε registada nos ensaios experimentais. Em (5) k e é um oefiiente que atende à onfiguração do onfinamento, sendo s a distânia entre intas (onsiderada igual à distânia livre entre faixas - ver Figura 1), d s é o diâmetro da seção de betão onfinado (A ) que nos sistemas ensaiados no presente trabalho oinide om o diâmetro do provete (15 mm), e ρ sl é a perentagem de armadura longitudinal, nula no presente dado que A sl =. Finalmente, ρ st é a perentagem de armadura de onfinamento, sendo A st a área da seção transversal do elemento de onfinamento por unidade de volume de betão (no aso do dos sistemas de onfinamento do presente trabalho s

6 A st =W e L, ver Fig. 1), sendo e a espessura da manta de CFRP e f yh é a tensão de edênia da armadura de onfinamento. Para determinar a pressão máxima exerida pelo CFRP, f l, f yh foi substituído pela tensão máxima registada no CFRP, f f, tendo esta sido obtida de f f = em que E f é módulo de elastiidade do CFRP que, segundo o fabriante, é K * E f * ε fmáx igual 24 GPa, e ε fmáx é a extensão máxima no CFRP registada nos ensaios experimentais. Como a extensão máxima registada no CFRP depende signifiativamente dos modos de rotura oorridos e dos loais onde os extensómetros foram apliados, foram determinados os valores de um parâmetro, k, que onverte a extensão máxima, ε fmáx, em extensão máxima efetiva. Para os provetes onfinados om 3 amadas k =.6, enquanto nos provetes onfinados om 5 amadas é k =.4, isto é, k diminui om o aumento da rigidez do sistema de onfinamento, o que está em onsonânia om as reomendações que o ACI 44 propõe para o reforço à flexão e ao orte [1]. Tensão de ompressão, f f fo Betão onfinado Betão não onfinado ε o Extensão de ompressão, ε ε Figura 7 Diagrama tipo tensão-extensão axial de ompressão em provete onfinado e não onfinado. CFRP f f Figura 8 Pressão exerida pelo sistema de onfinamento. f l ds f f Na figura 9 omparam-se as urvas tensão axial versus extensão axial registados nos ensaios C23S2 om as urvas obtidas por apliação do modelo modifiado de Mander. As urvas obtidas por apliação do modelo analítio foram designadas por Mander_modifiado. O grau de simulação permitido por este modelo analítio foi idêntio em todos os grupos de ensaios efetuados, pelo que estas urvas são representativas do omportamento dos quatro grupos de ensaios do no programa experimental. As urvas tensão axial versus extensão axial registadas por apliação do modelo modifiado de Mander aproximam-se das orrespondentes urvas experimentais. No entanto, à exepção da série W45S4L5, a tensão máxima prevista por este modelo é superior à alançada experimentalmente. Esta uma tendênia foi observada noutros trabalhos, [7, 8, 12], onde distintos modelos analítios foram apliados na simulação do omportamento registado em ensaios de ompressão om provetes totalmente onfinados. Tal india ser neessário alular a extensão máxima efetiva nos FRP om maior rigor, pois esta influênia signifiativamente a apaidade máxima de arga do elemento de betão onfinado.

7 Tensão axial (f) _C23S2 Resultados_experimentais Mander_modifiado Extensão axial (ε ) Tensão axial (f) W45S4L5_C23S2 Resultados_experimentais Mander_modifiado Extensão axial (ε ) Tensão axial (f) W6S3L3_C23S2 Resultados_experimentais Mander_modifiado Extensão axial (ε ) Tensão axial (f) W6S3L5_C23S2 Resultados_experimentais Mander_modifiado Extensão axial (ε) Figura 9 Curvas tensão axial versus extensão axial. 4. CONCLUSÕES Neste trabalho investigou-se o omportamento à ompressão direta de provetes de betão reforçados total e parialmente om mantas de CFRP. Foi analisada a influênia do número de faixas ao longo da altura do provete, da largura das faixas, do número de amadas de manta por faixa, da rigidez da manta e da lasse de resistênia do betão, no omportamento em ompressão de elementos de betão onfinados om distintos sistemas. A influênia da largura e do número de faixas no grau de onfinamento alançado está relaionado om o espaço livre de betão entre faixas. Assim, em séries om a mesma perentagem de onfinamento de CFRP verifiou-se maiores aumentos de apaidade de arga nas que dispunham de menor espaço livre entre faixas. Este omportamento foi mais aentuado nas séries onfinadas om a manta de maior rigidez (3 g/m 2 ), dado que, quanto mais rígido for o sistema de onfinamento disreto, maior onentração de dano oorre no betão entre as faixas de onfinamento. O modelo analítio apliado no presente trabalho de investigação, utilizado para obter a relação entre a tensão axial e a orrespondente extensão axial em elementos de betão armado om onfinamento parial, foi adaptado de um modelo desenvolvido para o onfinamento do betão om intas de aço. As urvas registadas pelo modelo, em termos de tensão máxima, aproximam-se do omportamento real obtido nos ensaios experimentais. No entanto, apresentam algum desfasamento, prinipalmente a partir da extensão orrespondente à resistênia à ompressão dos provetes de betão não onfinado, ε o. Tal deve-se ao fato do

8 modelo de Mander ter sido desenvolvido para sistemas de onfinamento onstituídos por intas de aço om omportamento linear - elástio até à sua edênia, seguido da fase perfeitamente plástia, resultando uma evolução maradamente não linear entre o arésimo de tensão e de extensão axial do provete. Por seu lado o omportamento linear - elástio do CFRP governa a resposta dos provetes após ε o, resultando uma evolução pratiamente linear entre a tensão e extensão axial dos provetes reforçados om estes materiais. Na presente fase deste projeto de investigação, novos modelos analítios estão a ser analisados, no sentido de se obter um que permita simular om elevado rigor o sistema de onfinamento onstituído por faixas de CFRP. 5. AGRADECIMENTOS Os autores do presente trabalho agradeem a olaboração prestada pela empresa Bettor MBT Portugal e pela S&P Clever Reinforement. O primeiro autor agradee o finaniamento pelo PRODEP ação 5.3/N/199.14/1 da medida 5 de doutoramento. 5. REFERÊNCIAS [1] CEB, Externally bonded FRP reinforement for RC strutures, Tehnial report, 21. [2] Ferreira, D.R.M; Barros, J.A.O Confinamento parial e total de provetes ilíndrios de betão om CFRP. Em apreiação para eventual publiação na Revista APAET Assoiação Portuguesa de Análise Experimental de Tensões. [3] Ferreira, D.R.M; Barros, J.A.O Mantas de CFRP no onfinamento de elementos de betão submetidos à ompressão em V Simpósio sobre estruturas de onreto, EPUSP,. P. 141, 7-1 de Junho de 23, São Paulo, Brasil, 15 p. [4] Bettor-Master Building Tenologies (23)- Prontuário. [5] Lam, L., Teng. J. G.,- Design-oriented stress-strain model for FRP-onfined onrete. Constrution and building materials, Elsevier, vol. 17, 23, p [6] Kanellopoulos, A., "Zum unelastishen Verhalten und Bruh von Stahlbeton (On the inelasti behaviour and failure of strutural onrete)," Institut fur Baustatik und Konstruktion, ETH Zurih, IBK Nr. 153, Birkhauser Verlag, Basel, Nov. 1986, 86pp. [7] Samaan, M., Mirmiran, A., Shahawy, M. Model of onrete onfined by fiber omposites. Journal of Strutural Engineering, ASCE, 124(9), , (1998). [8] Toutanji, H. A. (1999). Stress-strain harateristis of onrete olumns externally onfined with advaned fiber omposites sheets. ACI Material Journal, 96(3), [9] Saafi, M., Toutanji, H. A., e Li, Z. Behavior of onrete olumns onfined with fiber reinfored polymer tubes. ACI Material Journal, 96(4), 5-59, (1999). [1] Spoelstra, M., R. e Monti, G., FRP-onfined onrete model. Journal of omposites for onstrution, ASCE, 3(3), , (1999). [11] Xiao, Y., Wu, H. Compressive behavior of onrete onfined by arbon fiber omposite jakets. Journal of Material in Civil Engineering, ASCE, 125(3), , (2). [12] Untiveros, Carlos, Estudio experimental del omportamiento del hormigón onfinado sometido a ompresión. Tesis dotoral, Universitat Politènia de Catalunya, (22). [13] Mander, J. B., Priestley, M. J. N. e Park, R. Theoretial stress-strain model for onfined onrete. Journal of Strutural Engineering, ASCE, 114(8), , (1988).