REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO COM TECIDO DE FIBRAS DE CARBONO PRÉ-TRACIONADO

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1 Departamento de Engenharia Civil REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO COM TECIDO DE FIBRAS DE CARBONO PRÉ-TRACIONADO Aluna: Anna Luiza de Castro Santos Orientador: Giuseppe Barbosa Guimarães 1 - Introdução Nas duas últimas décadas, compósitos de polímeros reforçados com fibras (FRP) têm sido empregados como armadura passiva com a finalidade de reforçar à flexão vigas de concreto. Esse procedimento tem se mostrado viável técnica e economicamente. Ao longo da última década, os pesquisadores começaram a considerar a possibilidade de protender a armadura de FRP a fim de melhorar a resistência e o comportamento em serviço do elemento estrutural reforçado (Saadatmannesh and Ehsani 1991,Triantafillou et al. 1992; Char et al. 1994; Quantrill and Hollaway 1998; El-Hacha et al. 2001, 2003; El-Hacha and Elbadry 2001, Yu et al, 2008). De acordo com a bibliografia consultada, as técnicas de reforço de vigas de concreto com FRP protendido podem ser agrupadas em três métodos. O primeiro é um método indireto de protensão que consiste em introduzir um estado de deformação, por meio de macacos hidráulicos, contrário ao produzido pelo carregamento. Em seguida, placas, tecidos ou tiras de FRP são coladas ao longo da borda inferior da viga. Após a cura do adesivo, os macacos são retirados e a protensão é introduzida na viga. Saadatmannesh and Ehsani (1991) empregaram esse método usando placas de fibras de vidro. Algumas desvantagens desse método são a mão de obra, o baixo nível de protensão, e que os macacos necessitam de um pavimento de reação ou fundação com resistência suficiente para resistir às cargas introduzidas. A vantagem é que a armadura de FRP pode ser levada até as extremidades do elemento a ser protendido e que esta pode ser facilmente ancorada nessas extremidades. O segundo método consiste da aplicação direta da protensão. Inicialmente, as placas, tecidos ou tiras de FRP são ancoradas numa extremidade (ancoragem morta) e em seguida são tensionadas por um macaco hidráulico fixado na outra extremidade do elemento estrutural. Uma vez atingida a força de protensão desejada, a armadura de FRP é ancorada (Ancoragem ativa). Essas ancoragens podem ser permanentes, resultando numa solução de custo elevado, ou podem ser retiradas para diminuir os custos. Mas, nesse caso, pode ocorrer o desplacamento do tecido ou placas de FRP na região da ancoragem o que pode ser evitado com a instalação de reforço adicional em forma de U abraçando o elemento de protensão nas extremidades. Uma desvantagem desse método é que ele demanda mão-de-obra complicada e a superfície da viga tem de ser tratada apropriadamente antes da instalação das ancoragens. No terceiro método, a armadura de protensão de FRP é tensionada numa estrutura de reação externa (Triantafillou et al. 1992; Char et al. 1994; Garden et al. 1998; Quantrill and Hollaway 1998). Em seguida, a armadura FRP é colada no elemento estrutural. Após a cura do adesivo, o tecido ou tiras de FRP são cortados nas extremidades. Nesse método, a transferência da protensão tem sido feita sob altas taxas de deformação levando a desplacamento prematuro nas extremidades dos elementos de FRP. Um dos métodos mais práticos, que se enquadra na terceira categoria descrita acima, é o proposto por Yu et al (2008). Consiste numa estrutura de reação externa (independente do elemento estrutural a ser protendido) onde tecidos de FRP, já impregnados com adesivo, são prétracionados mecanicamente sem a necessidade de macacos hidráulicos ou qualquer equipamento mais sofisticado. Em seguida, todo o conjunto é fixado na estrutura a ser reforçada e o tecido é então colado na estrutura. Após a cura do adesivo, a força de protensão é aliviada afrouxando-se

2 os parafusos que serviram para aplicar a protensão. Neste método, a transferência da protensão pode ser feita lentamente a fim de minimizar a possibilidade de desplacamento do tecido nas extremidades. O objetivo deste projeto é desenvolver um dispositivo mecânico para protensão externa de vigas e lajes de concreto armado com tecidos unidirecionais de FRP. Tal dispositivo poderá ser usado no reforço de estruturas existentes ou para protensão de estruturas novas. O princípio de funcionamento é semelhante ao do método de Yu et al (2008), porém com a introdução de dispositivos que permitem uma melhor distribuição das tensões de cisalhamento nas extremidades do trecho colado a fim de diminuir a possibilidade de desplacamento e permitir maiores níveis de protensão. As principais características do dispositivo estão descritas no próximo item. 2 - Metodologia Materiais Compósitos Um material compósito é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes, que juntos compõe um novo material que apresenta um desempenho superior ao de seus componentes. O resultado dessa composição é um arranjo de fibras, contínuas ou não, que são impregnadas em uma matriz de resistência mecânica inferior a das fibras. As fibras do material compósito apresentam como características principais suas excelentes propriedades mecânicas como a elevada resistência à ruptura e o módulo de elasticidade. Podem ser curtas, com somente alguns centímetros, sendo inseridas no momento de montagem da peça final, ou longas, sendo cortadas após a fabricação da peça. As fibras podem ser definidas como unidirecionais, quando orientadas em somente uma direção; bidimensionais, sendo orientadas em duas direções ortogonais (Fig. 2.1), ou esteiras, quando orientadas de forma aleatória (Fig. 2.2). Figura Fibras orientadas de forma unidimensional ou bidimensional (tecido)

3 Figura Fibras orientadas de forma aleatória (esteira) Figura Fibras de carbono A escolha dentre os tipos de fibra e os tipos de matriz varia de acordo com qual seja o tipo de aplicação do material compósito a ser utilizado. Um fator importante a ser destacado é também a análise da compatibilidade entre as fibras e matriz. Os compósitos mais importantes utilizados em reforço estrutural são aqueles cujo elemento de reforço é constituído de fibras. As fibras apresentam-se sob a forma de filamentos de pequeno diâmetro, com elevado módulo de elasticidade, elevada resistência à tração, com diâmetros e superfícies uniformes, baixa densidade e um comportamento frágil. Os compósitos de fibras contínuas mais utilizadas comercialmente em aplicações da engenharia civil são as de vidro, carbono e as de aramida. As propriedades físicas e mecânicas variam consideravelmente para os diferentes tipos de compósitos e podem variar para o mesmo tipo de material. Algumas propriedades das diversas fibras são fornecidas na Tabela 2.1 e ilustradas na Figura 2.4.

4 Dos três tipos de fibras, as de carbono são as que apresentam melhores propriedades mecânicas, as mais resistentes à ação de agentes químicos, são imunes a corrosão e não absorvem água. As inúmeras vantagens que as fibras de carbono apresentam em relação às outras justificam sua utilização na execução de reforços estruturais Matriz A matriz é responsável pela união entre as fibras que formam o compósito e pela transferência de solicitações, agindo como o meio pelo qual as ações externas são transmitidas e distribuídas para as fibras. A matriz também tem a função de garantir que as fibras funcionem em conjunto, de proteger contra o ataque de agentes agressivos do meio ambiente e de proteger contra danos mecânicos. As propriedades químicas, térmicas e elétricas dos compósitos são afetadas pela escolha da resina que irá compor a matriz. Além disso, a matriz é responsável por manter as fibras posicionadas corretamente. Para MACHADO (2002) as matrizes poliméricas devem apresentar as seguintes características fundamentais: baixa retração durante o processo de cura; deformação de ruptura compatível com as deformações dos elementos de reforço; permanência de sua estabilidade sob a atuação de agentes químicos; suficiente capacidade de aderência às fibras do sistema; módulo de elasticidade da ordem de MPa; proteção das fibras contra efeitos do meio ambiente e da abrasão; garantir a orientação das fibras na matriz. Tabela 2.1 Propriedades típicas de algumas fibras (KENDALL, 1999). Carbono de Carbono de Aramida (A) Propriedade Vidro-E Kevlar 49 TM elevada elevado resistência (HS) módulo (HM) Resistência à tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação específica na ruptura % Peso específico (kn/m 3 ) Aço CA (escoamento) 550 (ruptura) ,5 2,5 1,5 2,2 0,6 1,4 0,2 (escoamento) 6 (ruptura) 25,6 14, ,5 Coeficiente de dilatação térmica (10-6 /ºC) 5,0-2 (longitudinal) -1 (longitudinal) +59 (transversal) +17 (transversal) -1 (longitudinal) 12 (longitudinal)

5 Figura 2.4 Diagrama tensão-deformação específica de fibras e metais (BEBER, 2003). As matrizes podem ser formadas por resinas termorrígidas ou termoplásticas, sendo que para reforços estruturais, as resinas termorrígidas representam a matriz ideal para a composição de compósitos PRF. Segundo o ACI 440.2R (2002), as resinas termorrígidas proporcionam, dentre outras propriedades, boa estabilidade térmica, boa resistência química e baixa fluência. As resinas poliméricas termorrígidas mais usadas são as de poliéster e as de epóxi. As de epóxi são mais utilizadas em aplicações da engenharia estrutural, geralmente sua formulação consiste do tipo bi-componente, ou seja, compostas por um agente principal (a própria resina) que reage com um catalisador (endurecedor). Essas resinas apresentam como principais vantagens a durabilidade e a excelente propriedade de aderência. Na Tabela 2.2 apresentam-se algumas das propriedades dos dois tipos de resinas poliméricas termorrígidas mais utilizadas nos materiais compósitos. Tabela 2.2 Propriedades das resinas utilizadas em materiais compósitos (CAROLIN, 2003). Resina Módulo de Elasticidade (GPa) Resistência à Tração (MPa) Extensão na Ruptura (%) Densidade (kg/m 3 ) Poliéster 2,10 4, ,0 6, Epóxi 2,5 4, ,5 9, Por outro lado, mesmo que o uso estrutural das resinas termoplásticas seja relativamente baixo, essas tem alta resistência ao impacto e à fratura. Muitos polímeros termoplásticos possuem deformação na ruptura superior aos polímeros termorrígidos. Apresentam como principais vantagens a cura rápida, possibilidade de reutilização, facilidade de manuseio, tolerância a danos e o prazo de armazenagem é ilimitado quando protegidos da umidade. Uma das maiores limitações para o uso das resinas poliméricas termoplásticas segundo o ACI 440.2R (2002), é que essas apresentam alta viscosidade o que dificulta sua combinação com fibras contínuas tanto na produção como na operação.

6 3 - Programa Experimental O programa experimental consiste de ensaios preliminares de vigas de concreto armado e do desenvolvimento de um protótipo de dispositivo para protensão externa com FRP. a) Ensaios preliminares Ensaios de pequenas vigas de concreto protendidas externamente com tecido unidirecional de fibras de carbono, em várias camadas de diferentes comprimentos (Fig. 2.5). b) Desenvolvimento do protótipo Construção de um protótipo do dispositivo para protensão externa com FRP. Suas principais características são (Figuras 2.6 e 2.7): Estrutura de reação leve e de fácil manuseio. Estrutura de reação modular (módulos independentes) possibilitando a protensão de trechos de grandes larguras como em lajes. Protensão com tecidos de fibras de carbono. Emprego de várias camadas de tecido, possibilitando a introdução de força de protensão variável ao longo do trecho colado. Aplicação da força de protensão por meio de parafusos, sem a necessidade de macacos hidráulicos. No presente estudo foi dado início a construção das vigas dos ensaios preliminares, com a montagem das armaduras de três vigas de concreto que serão concretadas e em seguida protendidas com tecido de fibra de carbono. O objetivo desses ensaios é estudar a distribuição das tensões de aderência entre a fibra e o concreto a fim de determinar o nível de protensão que cada camada de tecido pode suportar sem ocorrer o seu destacamento nas suas extremidades. Figura Dimensões da viga em centímetros e das tiras de fibra de carbono

7 Cilindro Tecido CFC Parafuso Estrutura de alumínio Figura Representação esquemática de um módulo do dispositivo para pré-tração do tecido de CFC Viga ou Laje Figura Dispositivo para pré-tração do tecido de CFC fixado temporariamente na estrutura 4 - Conclusão O reforço de vigas com o tecido de fibras de carbono pré-tracionado melhora o desempenho mecânico da estrutura, devido à contribuição dos fatores de resistência da fibra de carbono para o produto final. No presente estudo, das atividades previstas no projeto só foi possível realizar a revisão bibliográfica e iniciar a construção de três vigas de concreto que serão ensaiadas posteriormente. Os resultados obtidos após a conclusão do projeto servirão de base para o desenvolvimento de um protótipo de dispositivo para protensão externa com FRP que representará uma solução inovadora para o reforço de estruturas de concreto existentes e para a protensão de estruturas novas. Referências 1. Hoult, N.A. and Lees J.M. Modeling of an unbonded CFRP strap shear retrofitting system for reinforced concrete beams. Journal of composites for construction, Vol. 13, No. 4, August Hoult, N.A. and Lees J.M. Efficient CFRP strap configurations for the shear strengthening of reinforced concrete T-beams. Journal of composites for construction, Vol. 13, No. 1, February Yu, P., Silva, P.F. and Nanni, A., 2008, Description of a Mechanical Device for Prestressing of Carbon Fiber-Reinforced Polymer Sheets Part I, ACI Structural Journal, V. 105, No. 1, January-February 2008, pp Yu, P., Silva, P.F. and Nanni, A., 2008, Flexural Strength of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Prestressed Carbon Fiber-Reinforced Polymer Sheets Part II, ACI Structural Journal, V. 105, No. 1, January-February 2008, pp

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9 22. Guilherme Wolf Lebrão Fibra de Carbono Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia 2008 Revista Plástico Sul 23. KENDALL, D, The Selection of Reinforcing Fibres for Strengthening Concrete and Steel Structures using Reinforced Plastics. In: International Structural Faults and Repair, 8, London. Proceedings Edinburgh: Engineering Technics Press, CD-ROM. 24. BEBER, A. J., Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com Compósitos de Fibra de Carbono. Tese de Doutorado, UFRGS, Porto Alegre. 25. AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, ACI 440.2R: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. Michigan, 2002.