Reabilitação e Reforço de Estruturas

Transcrição

1 Mestrado em Engenharia Civil 2011 / 2012 Reabilitação e Reforço Fernando G. Branco de Estruturas Prof. Aux. DEC/FCTUC Aula 15: Reforço por colagem de chapas de aço. Fernando G. Branco 1/56

2 Em que consiste: Fixação de armaduras exteriores, por colagem, a estruturas pré-existentes: - Chapas de Aço - Laminados Compósitos Reabilitação de edifícios e obras de arte: - Deterioração: diminuição da capacidade resistente - Reconversão: adaptação a novas exigências 2/56

3 Fases de Desenvolvimento do Método Fase I Fase II Aparecimento (França): Início dos anos 70. Uso corrente em diversos países: meados anos 70. Anos 80: estudos teóricos (ligação, distribuições de tensões, etc.) Início da investigação em Portugal Fase III Anos 90: substituição da chapa de aço por compósitos 3/56

4 Aplicações do método das chapas coladas: Objectivo: Aumentar a capacidade resistente à flexão simples e esforço transverso Reforço de Vigas - Flexão - Substituição/Complemento de estribos Reforço de Lajes Reforço de Pilares Condições de aplicação: - Deficiência de armaduras - Adequadas dimensões dos elementos - Adequada qualidade do betão 4/56

5 Vantagens/Desvantagens do método: Vantagens: Permite uma melhoria significativa da capacidade resistente (até 50%) Manutenção da secção geométrica do elemento original Intervenções sem interrupção do uso da estrutura Rapidez de execução Evita demolição Estados Limites de Serviço: - Controlo da fendilhação - Reposição do monolitismo (eliminação de fendas p/ injecção) Ausência de ruído excessivo ou pó 5/56

6 Vantagens/Desvantagens do método: Desvantagens: Sensibilidade aos agentes atmosféricos - Corrosão das chapas (humidade/sais) - Deterioração da cola (temperatura) Possibilidade de descolamento da extremidade da chapa Sensibilidade a erros de construção - Deficiência de rugosidade - Erros de mistura do adesivo - Deficientes condições do suporte Manuseamento dos elementos de reforço (Peso) 6/56

7 Alternativas para ligação das chapas ao betão 7/56

8 Reabilitação de estruturas uso de adesivos epóxidos Vantagens: aderência a diferentes tipos de suporte resistência mecânica resistência à corrosão rapidez de cura Desvantagens: sensibilidade do adesivo a aumentos de temperatura 8/56

9 Características pretendidas no adesivo: retracção reduzida baixa fluência sob carga constante ao longo do tempo bom comportamento face a diferenças de temperatura adesão perfeita ao aço e betão estabilidade de características ao longo do tempo bom comportamento em serviço em atmosferas húmidas ou agressivas elevadas resistências mecânicas adequado módulo de elasticidade transversal 9/56

10 Fases de Execução: Determinação das condições do suporte - Ensaios de arrancamento de betão - Remoção do betão deteriorado, caso necessário Descarregamento da estrutura Tratamento das superfícies a colar - Redução de irregularidades - Produção de rugosidade no suporte (martelo pneumático, jacto areia, ) - Limpeza da superfície (escovagem, aspiração, ar comprimido, ) - Decapagem das chapas (remoção da protecção) 10/56

11 Fases de Execução: Aplicação da resina Colagem: - pintura com resina - aplicação da chapa (buchas metálicas ou prumos) - aplicação de pressão (0.1 a 0.5 MPa) controlo da espessura de cola 11/56

12 Fases de Execução: Aplicação da resina Injecção - aplicação e fixação da chapa - selagem do contorno e cabeça das buchas (tubos de injecção; saída de ar) -Injecção de resina de baixa viscosidade -Precaução: garantir que a superfície a colar não se encontra mais fria que as adjacentes, para evitar aparecimento de condensação. Desmontagem do sistema de aperto (após ±7dias) Aplicar protecção contra corrosão e acção do fogo 12/56

13 Chapas coladas como alternativa a armaduras correntes - Será possível substituir as armaduras convencionais por chapas exteriores? - Ensaios em laboratório mostram que o comportamento de vigas com chapas coladas é semelhante ao de vigas com armaduras convencionais - Mas a substituição integral não se recomenda, por razões económicas (mão de obra e material) e possibilidade de roturas frágeis. 13/56

14 Reabilitação e Reforço de Estruturas Exemplos de aplicação [Van Gemert (1989)] Interior do apartamento danificado Laje suportada com chapas de aço coladas Estrutura suportada por macacos Estado final da laje reparada 14/56

15 Exemplos de aplicação - Ponte sobre canal Saint-Denis (França) [Sevene (1977)] 15/56

16 Exemplos de aplicação 16/56

17 Exemplos de aplicação 17/56

18 Parâmetros que influenciam a resistência da colagem Rugosidade - superfície específica / área de contacto cola/betão Temperatura - deterioração da cola ( 60ºC) Resistência do suporte - resistência à tracção (arrancamento das chapas) Espessura da chapa e da resina - concentração de tensões de arrancamento Largura da zona de colagem - aumento de largura da colagem =>aumento de resistência 18/56

19 Influência da Temperatura na Fixação de Chapas de Aço a Betão Estudo: Resistência ao corte Comportamento da colagem a esforços de corte; Influência da temperatura na resistência da colagem; Influência do tipo de betão na resistência da colagem; Influência da geometria da colagem. Previsível mau comportamento de juntas coladas face à temperatura Necessidade de readaptar ligações coladas (uso de parafusos) 19/56

20 Esquema do Trabalho: 1. Modelação Numérica Preparação de ensaios - Interpretação de resultados Estudo da distribuição de tensões Evolução das temperaturas no interior dos provetes de ensaio. 2. Ensaios Laboratoriais Evolução da temperatura no interior dos provetes Ensaios de corte em provetes de betão com chapas coladas, com diferentes geometrias, a diferentes temperaturas. 20/56

21 Caracterização de Materiais Betão Adesivos epóxidos Aço 21/56

22 Preparação dos provetes Fabrico e corte dos blocos de betão Introdução de fios termopares - chapas e betão Colagem Preparação das superfícies de colagem jacto de areia (betão) grenalhagem (aço) Delimitação da zona de colagem Mistura dos componentes da cola Alinhamento das chapas Aplicação da cola - aplicação de pressão Secagem 22/56

23 Esquema de Ensaio A B C D E F G 23/56

24 Modelação numérica σ z τ xz τ zy Carga x z 150mm 250mm y 24/56

25 Resultados a frio (20ºC) Força de rotur ra (kn) Betão E Betão D Força de rotur ra (kn) Betão D Betão E Largura de colagem (mm) Relação largura/comprimento Resistência do betão é factor determinante Aumento da largura aumento de resistência 25/56

26 90 Ensaios de corte com aquecimento Strength (KN) Unheated 30ºC 60ºC 90ºC 120ºC Betão A Displacement (mm) 90 Unheated 30ºC 60ºC 90ºC 120ºC Strength (KN) Betão B Displacement (mm) 120 Unheated 30ºC 60ºC 90ºC 120ºC Strength (KN) Betão C Displacement (mm) 26/56

27 Resultados a quente Tensão de corte méd dia na rotura (MPa) Betão alta resistência Temperatura (ºC) A B C D E F G Tensão de corte méd dia na rotura (MPa) Betão corrente A B C D E F G Temperatura (ºC) Maior temperatura redução de resistência Betão alta resistência quebra de resistência aos 40ºC Resistência do adesivo passa a ser o factor condicionante 27/56

28 Modos de rotura observados A frio Acima de 60ºC A temperatura destroi a ligação 28/56

29 Aparafusamento complemento de outros métodos Vantagem: baixa sensibilidade a aumento de temperatura Desvantagens: concentrações de tensões tempo de execução 29/56

30 Ensaios de tracção F Forno Parafuso Betão Resistência da ligação: depende da resistência do betão aumenta com o comprimento embebido do parafuso Diâmetro do parafuso pouco influente 30/56

31 Ensaios de corte F/2 F/2 F Aço Força de rotura média (kn) Cola Cola + HSA 6x65 Cola + HSA 8x57 Cola + HSA 8x75 HSA 6x65 HSA 8x57 HSA 8x Temperatura (ºC) Betão Parafuso A frio resistência assegurada pela colagem Degradação do adesivo com a temperatura Maior diâmetro aumento de resistência 31/56

32 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Técnicas de protecção Aumento da resistência térmica Absorção de calor Própria (ex. lã de rocha) Gerada ou aumentada pelo calor do incêndio (ex. pinturas intumescentes) Inércia térmica (betão) Processo físico-químico (gesso) Irrigação (estruturas irrigadas) Retardamento do processo de combustão (ignífugos) 32/56

33 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Efeito do aquecimento Influência da temperatura nas propriedades do aço Variação de temperatura num elemento de construção Tensão de rotura Módulo de elasticidade 33/56

34 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção Materiais projectados menor custo, dentre todos os sistemas; maior velocidade de aplicação; requerem limpeza após aplicação e controle de espessura na obra; desenvolvidos especificamente para a protecção de estruturas. Os materiais projectados (ex.: argamassas húmidas) são os mais utilizados mundialmente para a protecção de estruturas metálicas, sendo especificados para a protecção dos maiores prédios do mundo. Os materiais de protecção representam uma parcela significativa do custo das estruturas metálicas. Estes materiais, desenvolvidos, em sua maioria, para áreas internas e abrigadas de intempérie, reduzem significativamente prazos e custos de aplicação da protecção passiva contra fogo. 34/56

35 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção Mantas de fibra cerâmica e painéis de lã de rocha ideais para edificações em funcionamento; fornecidos prontos para instalação, necessitam de pinos de ancoragem para fixação; aplicação limpa, sem controle de espessura na obra; alguns tipos de acabamentos disponíveis, sempre com baixa resistência mecânica. 1 perfil metálico 2- manta de lã de rocha Imagens retiradas de 35/56

36 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção Tintas intumescentes boas opções (comercialmente, devido ao preço do material), até 60 minutos de protecção; excelente acabamento visual; necessidade de mão de obra muito especializada; requerem controle rigoroso de espessura (300µm a 6mm), condições climáticas e prazos entre as demãos e acabamento; podem permanecer expostos, tendo excelente resistência mecânica /56

37 Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção Placas rígidas acabamento similar às placas de gesso cartonado; permitem acabamento e pintura; boa resistência mecânica; ideais para pilares aparentes, com tempo de protecção entre 90 e 120 minutos. Argamassas à base de vermiculite ideais para áreas industriais e equipamentos, com testes para petroquímica; aplicação lenta, requerendo elementos de ancoragem e limpeza posterior à aplicação; podem permanecer expostos e suportam intempérie /56

38 Dimensionamento [30] Verificação de segurança da estrutura existente - Estados limites de utilização: - simular danos existentes e reforço - correcção das propriedades (secções, inércia, etc.) - Estados limites últimos: S d = γ * F S( F*) Rd = γ n,r S R f k * γ * m * projecto de obras novas 38/56

39 Dimensionamento [30] Cálculo de esforços resistentes - Modelação de danos existentes; simulação do elemento reforçado - Método simplificado dos coeficientes globais a) assumir elemento reforçado sem defeitos (c/º obras novas) b) afectar os resultados por um coef. monolitismo γ n,r < coef. monolitismo depende da tecnologia e tipo de reforço 39/56

40 Dimensionamento de vigas (método dos coeficientes globais) Assumir: - coef monolitismo flexão: γ n,m =1.0 - coef monolitismo esf. transverso: γ n,v =0.9 - comportamento monolítico: aderência perfeita - requisitos geométricos 40/56

41 Requisitos geométricos: Reforço à flexão t t g t s < 4mm t g < 2mm b s s Sem buchas metálicas b s > 50mm tt g s bs Com buchas metálicas t s < 12mm t g < 2mm b s > 80mm 41/56

42 Requisitos geométricos: Reforço ao esforço transverso d r t s < 3mm t g < 2mm d r > 100 t s d r t s < 8mm t g < 2mm d r > 100 t s t g t s Sem buchas metálicas t g t s Com buchas metálicas 42/56

43 Cálculo do Momento Resistente: Semelhante ao do Betão Armado (duas camadas de armadura) M rd = γ n, M M Camadas de armadura próximas: - armadura equivalente rd eq s eq i syd i s i i syd M = A z f = A z f + A r s z r f r syd eq A s i f syd =>Área de aço equivalente =>Resistência de cálculo da armadura equivalente 43/56

44 Cálculo da armadura de reforço: z 0. 9d eq eq i i = i i r M rd As 0. 9d fsyd f syd As 0. 9d + As 0. 9d Assumindo: r f f r syd i syd Armadura de reforço: A r s = f f i syd r syd A eq s d d eq r A i s d d i r 44/56

45 Verificação de segurança da ligação aço/betão: Assumindo: distribuição plástica uniforme das tensões de corte r sd τ sd F = A r s f syd Ligação sem buchas metálicas F sd = A r s f r syd τ sd L τ sdb 2 fct, min 2MPa Ligação com buchas metálicas L / 2 L / 2 F sd = A r s f r syd nf b + γτ sd b γτ sd 0. 5MPa L 2 45/56

46 Cálculo do Reforço ao Esforço Transverso: Corte Alçado max Vsd Vrd = τ 2 b w V V = V + V sd rd V = τ1b cd w d i cd d i wd Ref. Chapa Contínua: - maior área a tratar - dificuldade injecção Ref. Chapa Descontínua: Cantoneira i i Asw i Vwd = γ n V, 0. 9d f + syd 0. 9d s r A r sw s f r syd Cantoneira Vista inferior 46/56

47 Zonas de ancoragem: A utilização de chapas largas e finas conduz a melhores resultados do que o uso de chapas estreitas e espessas, exigindo menores comprimentos de ancoragem. Chapas com espessura até 3mm apresentam bom comportamento. A espessura da chapa poderá subir até 10mm, desde que sejam utilizados dispositivos de ancoragem especiais. P/ ex: - ancoragens laterais - aparafusamento 47/56

48 Zonas de ancoragem: A espessura da lâmina de cola não dever exceder 1.5mm. Quando existam fendas de flexão na viga, devem ser injectadas com resina antes da aplicação do reforço. 48/56

49 Zonas de ancoragem: Distribuição teórica de tensões de corte na chapa de reforço: τ x = cos h Pω sin h ( ωx) ( ωx) G l l ω = + d E1t 1 E2t 2 1/ 2 Ensaios laboratoriais demonstram que as tensões de corte máximas reais são inferiores às teóricas, mas necessitam de uma maior força global de transmissão e de um maior comprimento de ancoragem - esforço aplicado por unidade de largura (P) - módulo de elasticidade do aço (E1) e do betão (E2) - espessura da chapa (t1), do betão (t2) e da camada epóxida (d) - módulo de elasticidade transversal da cola (G) - comprimento da chapa (l) e distância ao ponto de tensão de corte nula (x) 49/56

50 Zonas de ancoragem: Distribuição de tensões de corte na chapa de reforço colada com resinas epóxidas com diferentes módulo de elasticidade transversal: Redução do valor do pico da tensão de corte. 50/56

51 Dimensionamento da zona de ancoragem Garantir que não é ultrapassada a tensão limite de aderência para o máximo valor do esforço de corte no extremo da chapa: V d bτ 0.9h bτ τ Rd é a tensão limite de cálculo de aderência Sd s Rd t Rd 51/56

52 Dimensionamento da zona de ancoragem Se se tiver em conta a contribuição das armaduras existentes: 52/56

53 Dimensionamento da zona de ancoragem Recomenda-se que a tensão de corte máxima na união seja limitada pelo valor médio da tensão de rotura do betão à tracção por flexão (f ctm ). De acordo com o REBAP: τ f f * f h h 2 / 3 Rd ctm( flexão) ctm( tracção simples) 1/ 4 ck 1/ 4 f ck resistência à compressão do betão referida a provetes cilíndricos (MPa) h altura do elemento considerado (m) V d bτ 0.9h bτ Sd s Rd t Rd 53/56

54 Dimensionamento da zona de ancoragem Se se admitir a utilização de ligadores com capacidade de redistribuição de esforços, a força média de corte por unidade de comprimento é: F lig Sd l F A 0 S, r S, r syd, r = FS, r = 2 = 2 2 l0 l0 f ou S lig FSd = VRd I F s,r força última resistente de cálculo da armadura de reforço A S,r - Área da secção da armadura de reforço fsyd, r valor de cálculo da tensão de cedência da armadura de reforço VRd esforço transverso máximo S momento estático da secção da armadura a ligar ao elemento existente I momento de inércia da secção reforçada 54/56

55 Dimensionamento da zona de ancoragem Recomendação do CEB: - em chapas coladas em toda a sua extensão: τ x f = γ ctm ( flexão) ctm ( flexão) m f 1.5 c/ τ x calculado pela fórmula de Bresson. τ x = cos h Pω sin h ( ωx) ( ωx) cosh( x) = e x + e 2 x e sinh( x) = x e 2 x 55/56

56 Conclusões - Reforço com chapas coladas pode ser eficaz do ponto de vista de incremento da resistência à tracção. - É uma técnica de rápida execução, relativamente bem conhecida. - Campo de aplicação essencialmente em vigas e lajes, principalmente no reforço face a flexão simples - Principais limitações: dificuldade de assegurar uma aderência perfeita e permanente entre chapas e betão, zonas de ancoragem e sensibilidade ao fogo. - Se se garantir monolitismo, o comportamento é semelhante ao do betão armado. 56/56