Manual de Controle de Qualidade e Durabilidade de Estruturas em GFRP

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1 Manual de Controle de Qualidade e Durabilidade de Estruturas em GFRP João Luís Martins e Belo Martins Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Prof. Dr. Augusto Martins Gomes Orientador: Prof. Dr. Fernando António Baptista Branco Co-Orientador: Prof. Dr. João Pedro Ramôa Ribeiro Correia Vogal: Prof. Dr. João Paulo Janeiro Gomes Ferreira Maio 2011

2 Imagem da capa: Ponte pedonal em material compósito sobre a linha de alta velocidade. Lérida, Espanha. i

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4 Agradecimentos Ao longo desta caminhada cresci e aprendi, contudo, a maior riqueza que ganhei foi a amizade e conhecimento das pessoas que sempre me incentivaram. Assim, quero deixar um especial agradecimento a todas as pessoas que se cruzaram comigo ao longo desta caminhada. Em primeiro lugar, quero agradecer aos meus pais e irmã. Foram as únicas pessoas que estiveram sempre comigo, independentemente das dificuldades encontradas e foram os que me transmitiram os maiores ensinamentos. Espero que se sintam recompensados. Ao meu orientador, Prof. Dr. Fernando Branco e ao meu co-orientador, Prof. Dr. Ramôa Correia, o meu muito obrigado pelo apoio e conhecimento transmitido ao longo de todo o tempo. Ao Eng. Nuno da Invesfer pela prontidão na visita à cobertura da estação do Rossio e todas as informações prestadas. Ao Eng. Manuel Ferreira e Eng. Armando Ruano da STEP por todo o aconselhamento das obras a inspeccionar. Ao Eng. João Madureira e Eng. João Ribeiro do Oceanário de Lisboa pela visita ao tanque central do Oceanário, mesmo sendo uma visita difícil e por toda a informação cedida sobre o comportamento da estrutura de GFRP instalada num dos tanques. Ao Eng. António do Carmo do Centro Comercial Colombo pelo acompanhamento às estruturas de GFRP existentes no Centro e por toda a informação disponibilizada. Ao Eng. Tomé Santos da ALTO pela informação fornecida acerca do fabrico e produção dos perfis. À Susana, um agradecimento muito especial pelo amor, protecção e força transmitida. A todos os meus amigos, por todos os bons momentos e por toda a amizade demonstrada, entre eles, João Coelho, Miguel Custódio, Gonçalo Barros, Luís Santos, Guilherme Bonança, Guilherme Mendonça, Maria Ruano, Alexandre Menezes, João Campelo Ribeiro, Jaime Ibarra. A todos, o meu mais sincero Obrigado! iii

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6 Resumo As vantagens dos compósitos pultrudidos face aos materiais tradicionais, tais como o aço, o alumínio e a madeira, entre outros, são a sua longevidade, leveza, elevada resistência mecânica, isenção à corrosão e baixa condutividade térmica e eléctrica. Os perfis pultrudidos são fabricados por processo contínuo, utilizando o reforço em fibra de vidro com resina adequada ao meio a que se destina. Para determinadas aplicações a fibra de vidro destes perfis pode ser substituída por fibra de carbono ou kevlar. O crescimento significativo destes materiais a nível mundial, permite situá-los como um dos principais materiais do futuro, sendo possível a construção de perfis com qualquer forma. O processo de fabrico do GFRP é bastante delicado pelo que deve haver um conjunto de parâmetros a controlar para que o perfil seja produzido como pretendido, como a orientação da fibra, a impregnação da fibra na resina e a temperatura. No que toca a controlo após o fabrico, este é exigente e existem diversos parâmetros que devem ser inspeccionados como controlo dimensional e testes de resistência mecânica, nomeadamente à flexão e tracção para garantir o nível de serviço exigido. Devido à baixa manutenção e ao facto de serem utilizados essencialmente em estruturas secundárias, o controlo de qualidade destes perfis é muito reduzido. Assim, na realização da presente dissertação desenvolveram-se fichas de controlo de qualidade, desde o fabrico e montagem até à inspecção de estruturas já existentes. Em Portugal, está em fase de estudo a construção de uma ponte pedonal numa parceria entre o IST e a ALTO. Em países como a Espanha, a Suíça e o Reino Unido, este material é muito mais usado a nível estrutural, existindo diversas pontes e edifícios em material 100% compósito. Palavras chave: GFRP, controlo de qualidade, estruturas, compósitos, perfis pultrudidos v

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8 Abstract The distinctive competences of GFRP pultruded composites, when compared to traditional materials, such as steel, aluminium and wood, amongst others, are their lightness, high mechanical and chemical resistances, low thermal and electrical condutibilities. The pultruded profiles are made by a continuous process, in which glass fibers are used together with an appropriate resin, to adopted different environments. For specific applications, the glass fibers can be replaced by carbon fibers or kevlar fibers. The increase of these materials all over the world, allows to place them like one of the top materials in the future. The manufacturing process of GFRP is a delicate process. Some parameters should be controlled such as fiber orientation, the impregnation of the fiber and the resin temperature. After manufacturing the quality control must also be rigorous. Some parameters must be inspected such as dimensional inspection and tests of strength, including bending and tension. Due to the low maintenance and the fact that they are mainly used in secondary structures, the quality control of these profiles from manufacturing to implementation in the structure is very limited. In Portugal, a footbridge will be built in a partnership between IST and ALTO. In countries like Spain, Switzerland and the United Kingdom, there are several structures in 100% composite material such as bridges and buildings. Keywords: GFRP, quality control, structures, composites, pultruded profiles vii

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10 Índice 1 Introdução Enquadramento Objectivos Organização da dissertação Fabrico e propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP Introdução Materiais constituintes dos perfis de GFRP Fibras (reforço) Matrizes poliméricas Material de enchimento (filler) Aditivos Adesão fibra/matriz Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP Processo de fabrico dos perfis pultrudidos de GFRP Formas estruturais e cuidados a ter no fabrico dos perfis pultrudidos de GFRP Propriedades típicas dos perfis pultrudidos de GFRP Vantagens e desvantagens na utilização de perfis pultrudidos de GFRP Ligações de perfis GFRP Ligações coladas Ligações aparafusadas Aplicações de perfis de GFRP na Engenharia Civil Durabilidade dos perfis pultrudidos de GFRP Efeitos dos principais agentes de degradação Humidade e soluções aquosas Meios alcalinos Temperatura Fluência Fadiga Radiação ultravioleta (UV) Fogo Medidas preventivas ix

11 4 Obras relevantes com perfis de GFRP Obras em Portugal Centro Comercial Colombo Oceanário de Lisboa Estação do Rossio Obras de introdução do comboio na Ponte 25 de Abril Porto Palácio Hotel Obras no estrangeiro Caso de estudo: Avaliação da Ponte de Pontresina Inspecção após 8 anos de serviço Reparação das anomalias Testes comparativos entre os anos de 1997 e Conclusões Controlo de qualidade dos perfis de GFRP Controlo dos materiais e dos perfis no fabrico Materiais Processo de pultrusão Controlo dos perfis após fabrico Controlo dos perfis na preparação e aplicação em obra Caso de Estudo: ETAR Olivais/Moscavide Durabilidade de estruturas em GFRP Caso de estudo: Estação do Rossio Caso de estudo: Centro Comercial Colombo Caso de estudo: Oceanário de Lisboa Reparação de perfis de GFRP Técnicas de reparação Cuidados a ter no processo de reparação Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros Conclusões Perspectivas de desenvolvimentos futuros Bibliografia Anexo I Ponte Pontresina Anexo II Ficha de controlo de qualidade de materiais e pós fabrico Anexo III Ficha de controlo de qualidade da preparação dos perfis para obra x

12 Anexo IV Ficha de controlo de qualidade da montagem dos perfis Anexo V Ficha de controlo de comportamento e serviço xi

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14 Índice Figuras Figura 2.1 Campos de aplicação e cota de mercado dos FRP... 5 Figura 2.2 Formas de mechas de filamentos contínuos: contínuos à esquerda e torcido à direita e no centro... 7 Figura 2.3 Diferentes tipos de manta de reforço (da esquerda para a direita): manta com fibras contínuas dispostas aleatoriamente; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/90º) entrelaçadas; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/45º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente... 7 Figura 2.4- Linha de fabrico de perfis de GFRP através do processo de pultrusão Figura Disposição típica das camadas num compósito pultrudido de GFRP Figura 2.6 Sistema de manuseamento das fibras de reforço Figura 2.7 Sistema de pultrusão tradicional e passagem na pré-forma Figura 2.8 Sistema de corte no final da linha de montagem Figura 2.9 Algumas geometrias típicas em perfis de GFRP Figura 2.10 Exemplo da correcta ligação banzo-alma Figura 2.11 Relação constitutiva em tracção dos perfis de GFRP Figura 2.12 Comparação das propriedades mecânicas dos perfis GFRP com madeira, aço, alumínio e PVC Figura 2.13 Comparação entre as propriedades físicas e térmicas dos perfis de GFRP com outros materiais (madeira, aço, alumínio e PVC Figura 2.14 Exemplo de superfície para ligações coladas Figura 2.15 Zonas dos perfis onde não é aconselhada fazer a ligação aparafusada Figura 2.16 Distâncias mínimas entre os parafusos, consoante a direcção de pultrusão (em que d é o diâmetro do parafuso) Figura 2.17 Orientação do arrancamento das ligações aparafusadas, consoante direcção das pultrusão (em que d é o diâmetro do parafuso) Figura 2.18 Aplicação de varões de GFRP para o reforço do tableiro de uma ponte Figura 2.19 Laminados de FRP para reforço de uma ponte rodoviária Figura 2.20 Transporte de um tabuleiro pré-fabricado de uma ponte Figura Ponte Pontresina, na Suíça, estrutura totalmente compósita Figura 4.1 Cobertura do Centro Comercial Colombo Figura 4.2 Passadiço sobre os aquários no Oceanário de Lisboa Figura Passadiços e guarda-corpos do tanque central do Oceanário de Lisboa Figura Galeria técnica do Oceanário de Lisboa Figura 4.5 Passadiços da cobertura da estação do Rossio Figura 4.6 Passadiços na Ponte 25 de Abril de introdução ao comboio Figura 4.7 Estrutura do Palácio Porto Hotel xiii

15 Figura Ponte de Aberfeldy Figura Ponte móvel de Bonds Mill Figura Elevação do tabuleiro da Ponte Bonds Mill Figura 4.11 Ponte Pontresina Figura 4.12 Ponte de Kolding Figura 4.13 Ponte de Lérida Figura Ponte de Pontresina Figura 4.15 Ligação aparafusada do banzo superior, sem danos Figura 4.16 Fractura do banzo superior na ligação da viga transversal ao pilar Figura 4.17 Fissuras tipicamente localizadas na extremidade superior do banzo (esquerda) e no banzo inferior (direita) Figura Fissuras no semi-banzo das vigas em I (esquerda) e fissura na ligação dos tubos diagonais (direita) Figura 4.19 Fibras à mostra (fiber blooming) numa parte da viga transversal Figura 4.20 Reparação na zona de ligação no vão da ponte Figura 4.21 Reparação de esmagamento recorrendo a blocos de PVC Figura 4.22 Gráfico carga-deslocamento com a comparação dos testes realizados em 1997 e Figura 5.1 Fluxograma com procedimentos para classificação dos perfis Figura 5.2 Tolerância de espessura da parede de perfis abertos e fechados (em mm) Figura 5.3 Tolerância de achatamento na direcção transversal Figura 5.4 Tolerância das dimensões da alma e banzo Figura 5.5 Tolerância do ângulo Figura 5.6 Alçado (em cima) e planta (em baixo) do passadiço da Estação Elevatória de Olivais/Moscavide Figura 5.7 Ligação aparafusada dos perfis, com o pormenor do recurso a anilhas Figura 5.8 Corte do perfil através da rebarbadora Figura 5.9 Dano provocado por impacto na base do passadiço Figura 5.10 Brilho no corrimão do passadiço Figura 5.11 Peça metálica que prende a base do passadiço à estrutura Figura 5.12 Vista geral dos passadiços da estação do Rossio Figura 5.13 Ligações dos perfis na cobertura da estação do Rossio Figura 5.14 Colonização biológica nas escadas da Estação do Rossio Figura 5.15 Fibras à mostra na superfície dos perfis Figura 5.16 Perda de brilho dos perfis dos passadiços na Estação do Rossio Figura 5.17 Fissuração dos perfis nos passadiços da estação do Rossio Figura 5.18 Fractura num dos perfis horizontais do passadiço da Estação do Rossio Figura Folga nas ligações (rebites e parafusos) dos perfis na Estação do Rossio Figura 5.20 Erro de corte dos perfis Figura 5.21 Vista geral dos perfis de GFRP no C. C. Colombo xiv

16 Figura 5.22 Superfície dos perfis de GFRP, sem fibras à mostra Figura 5.23 Corrosão dos parafusos nas ligações Figura 5.24 Pormenor da falta de anilhas nos parafusos Figura 5.25 Colapso das ligações entre viga e pilar numa parte da cobertura Figura 5.26 Flecha excessiva no passadiço do Oceanário Figura 5.27 Folga nas ligações do guarda-corpos do passadiço do Oceanário xv

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18 Índice Tabelas Tabela 2.1 Características típicas dos principais reforços fibrosos... 6 Tabela Propriedades mecânicas típicas dos perfis GFRP Tabela 4.1 Comparação de custos da Ponte de Kolding entre GFRP, aço e betão (em milhares de dólares) Tabela 4.2 Testes comparativos do ano 1997 e xvii

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20 1 Introdução 1.1 Enquadramento Nos últimos anos, os custos de manutenção de estruturas constituídas por materiais tradicionais, sejam betão ou metálicas, têm vindo a crescer significativamente. O crescente desenvolvimento de novos materiais estruturais prende-se com a necessidade de ter materiais mais leves, com menor exigência de manutenção e desgaste e uma maior velocidade de construção, de forma a ter uma maior rentabilidade. Um material compósito resulta da combinação de dois ou mais materiais que, utilizados isoladamente, podem não ser adequados como materiais de construção e que, quando combinados, e mantendo uma superfície de interface identificável, podem construir um novo material, que conjugue as melhores propriedades de cada um dos materiais que lhe deram origem [1, 2]. Os perfis pultrudidos de GFRP são materiais compósitos constituídos por uma matriz polimérica, que geralmente é de poliéster insaturado ou de viniléster, e são reforçados com fibras de vidro, normalmente dispostas de forma unidireccional. Estes materiais são obtidos através de um processo de fabrico denominado de pultrusão. Os materiais GFRP começaram a ter uma maior aplicação a partir da década de 1980, e possuem um potencial muito significativo. Como principais vantagens destes materiais referese a elevada relação resistência/peso próprio e rigidez/peso próprio, resistência à fadiga, durabilidade em ambientes agressivos, reduzido peso próprio, transparência electromagnética e possibilidade de produzir qualquer forma. Contudo, existem diversos factores que têm atrasado a aceitação dos perfis de GFRP. A maior dificuldade prende-se com o custo de produção que, comparado com outras estruturas em betão e/ou aço é pouco competitivo. Para além disso, existem outras questões, como a deformabilidade, a susceptibilidade a fenómenos de instabilidade, a tecnologia das ligações, a escassez de informação consistente relativa à durabilidade e a inexistência de regulamentação [1]. Outro factor que tem impedido a aceitação mais generalizada do material pela comunidade técnica é a ausência de informação científica sobre a sua durabilidade. Ainda não existem estudos suficientes e aprofundados que possam contrapor algum cepticismo criado na comunidade técnica sobre este tipo de materiais. A pouca documentação existente acerca dos estudos realizados fazem deste tema uma área que ainda tem de ser desenvolvida e aprofundada [3]. 1

21 Tipicamente, a aplicação de perfis de GFRP na indústria da construção encontra-se centrada principalmente em elementos secundários, como pavimentos, escadas e guarda-corpos. Contudo, já existem projectos onde se usam estes perfis como elementos estruturais em pontes e edifícios. Na última década o estudo sobre a durabilidade tem sido levado a cabo de uma forma mais exaustiva, procurando caracterizar, principalmente, o comportamento mecânico do material perante condições adversas a longo prazo, como o caso do estudo da Ponte Pontresina (descrito no capitulo 5 da presente dissertação). 1.2 Objectivos O objectivo principal desta dissertação centra-se na realização de fichas de inspecção de perfis de GFRP desde o fabrico à montagem em obra. É também realizada uma análise de durabilidade das estruturas, com base em inspecções. Tendo em conta que as estruturas existentes em Portugal são estruturas secundárias, o controlo de qualidade, principalmente na montagem e a longo prazo, foi esquecido, o que pode provocar alguns problemas nas construções. A necessidade de existir um plano para a fabricação dos perfis prende-se com o facto de o material ter um processo de fabrico bastante delicado, em que diversos parâmetros têm de ser controlados para que o perfil não saia com nenhum dano. A nível de montagem em obra, devem ser seguidas regras para que a estrutura fique bem montada de forma a ter a maior longevidade possível. Teve-se também como objectivo fazer um levantamento das estruturas que possuem materiais compósitos em Portugal e no Estrangeiro, sendo que em Portugal o GFRP tem pouca visibilidade. 1.3 Organização da dissertação Esta dissertação está dividida em 7 capítulos além dos Anexos. No primeiro capítulo pretende-se fazer uma introdução do tema abordado na dissertação e explicar a sua relevância no domínio da Engenharia Civil. No segundo capítulo são apresentadas as propriedades dos GFRP. Descrevem-se os materiais constituintes dos perfis de GFRP e o tipo de materiais que se podem utilizar, bem como as vantagens e desvantagens desses materiais. São apresentados valores típicos referentes às 2

22 propriedades mecânicas e é feita uma caracterização física e mecânica dos perfis de GFRP. Descreve-se o processo de pultrusão, utilizado para fabricar perfis pultrudidos de GFRP. Para terminar, apresentam-se algumas das aplicações actuais dos perfis de GFRP em Engenharia Civil. No terceiro capítulo é feito um resumo do trabalho efectuado por outros autores sobre a durabilidade dos materiais compósitos. São apresentados os principais agentes de degradação com influência na sua durabilidade. O quarto capítulo tem a finalidade de mostrar as obras mais relevantes realizadas com este material, em Portugal e no estrangeiro, onde se verifica que o material tem um uso secundário nas estruturas em Portugal, ao invés de outros países Europeus, como a Espanha, a Suíça e a Dinamarca. No quinto capítulo procede-se ao estudo do controlo de qualidade dos perfis de GFRP desde a fabricação, passando pela montagem e finalizando com um estudo em várias estruturas já existentes, tendo sido realizadas diversas fichas de inspecção para cada uma das fases. No sexto capítulo são apresentadas soluções de reparação das várias patologias encontradas, bem como cuidados a ter no processo de reparação, ainda que, em Portugal raramente se proceda à reparação, pois sempre que necessário o perfil danificado é substituído por um novo. Por fim, no sétimo capítulo são apresentadas as conclusões e sugestões para desenvolvimentos futuros. 3

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24 2 Fabrico e propriedades dos perfis pultrudidos de GFRP 2.1 Introdução Um material compósito resulta da combinação entre dois ou mais materiais constituintes que, utilizados separadamente podem não ser adequados nem ter as características necessárias para materiais de construção mas, quando combinados, podem contribuir positivamente para as propriedades gerais de um novo material [1, 2]. Os materiais compósitos podem-se dividir em três classes distintas, conforme a natureza da matriz: metálica, mineral e orgânica [4, 5]. Segundo Cabral-Fonseca [1], a indústria da construção representa cerca de 13% da cota de mercado neste tipo de materiais, como mostra a Figura 2.1. Eléctrica 37% 21% Industria Construção 4% 2% 4% 6% 6% 13% 17% Bens de Consumo Contrução naval Desporto Aeroespacial / militar Outras Transportes Figura 2.1 Campos de aplicação e cota de mercado dos FRP (Adaptado de [1]) Os materiais compósitos, nomeadamente os FRP possuem características físicas e químicas resultantes da conjugação da matriz polimérica (material que serve de cola do compósito garantindo a transferência de cargas aplicadas entre a fibra e a matriz) e as próprias fibras, responsáveis por grande parte da resistência e rigidez, que funcionam como o reforço do material [1, 2]. Para além da matriz e das fibras, neste tipo de material é possível incluir material de enchimento (fillers) e aditivos, sendo que os últimos são adicionados à matriz com a finalidade de melhorar as características específicas do material [1, 2]. 5

25 Os FRP podem ser produzidos por diferentes processos de fabrico, sendo que, neste capítulo apenas se irá falar no processo de pultrusão, processo usado nos perfis pultrudidos de GFRP. 2.2 Materiais constituintes dos perfis de GFRP Fibras (reforço) A principal função das fibras de reforço é suportar as solicitações mecânicas a que os elementos estão sujeitos, garantindo resistência e rigidez suficiente ao longo da direcção em que se desenvolvem. Hoje em dia, é possível dividir estes reforços em dois grandes grupos de acordo com a sua geometria: (i) fibras e (ii) partículas [1, 2]. Estes dois grupos de reforços variam consoante a sua geometria e introduzem diferentes características ao material compósito. O reforço por fibras é utilizado para um aumento de resistência e rigidez mecânica enquanto que o reforço por partículas melhora características como a rigidez, a condutividade eléctrica ou térmica, a resistência à abrasão ou temperatura, a dureza e a estabilidade dimensional [1]. As fibras de reforço nos FRP são de origem sintética ou natural, sendo que as sintéticas são as mais usadas e estas podem ainda ser divididas em três tipos: vidro, carbono e aramida [1, 2]. Na Tabela 2.1 são apresentadas as suas principais características. Tabela 2.1 Características típicas dos principais reforços fibrosos sintéticos (Adaptado de [4]) Propriedades Unidade Vidro - E Carbono Aramida Resistência à tracção MPa Módulo de elasticidade GPa Extensão na rotura % 4,5 0,6-1,5 2,0-4,0 Peso específico g/cm 3 2,6 1,7-1,9 1,4 Coeficiente de dilatação térmica 10-6 / K 5,0-6,0 Axial: - 1,3 a - 0,1 Radial: 18,0 Diâmetros das fibras µm Estruturas das fibras - Istorópica Anisotrópica Anisotrópica -3,5 Das fibras sintéticas, as fibras de vidro, que constituem os perfis de GFRP, são as mais utilizadas em aplicações da construção, devido à sua elevada resistência e ao seu preço relativamente reduzido. Como principais desvantagens, apresentam o reduzido módulo de elasticidade, a reduzida resistência à humidade e a ambientes alcalinos e a susceptibilidade à rotura por fadiga. Existem vários sub-tipos de fibras de vidro (com as designações E, S, AR, C). Todos apresentam o mesmo módulo de elasticidade, embora apresentem diferentes valores da resistência mecânica e da resistência à corrosão [4]. 6

26 As fibras de carbono, que constituem os laminados de CFRP, têm como principais vantagens os elevados valores de tensão última e de módulo de elasticidade, associados a um peso próprio baixo. O seu elevado comportamento anisotrópico, o elevado custo de produção e a reduzida resistência na direcção radial são as suas principais desvantagens. As fibras de reforço encontram-se divididas essencialmente em duas formas: mechas de filamentos contínuos torcidas e não torcidos (como mostra a Figura 2.2.) ou mantas de fios, curtos ou contínuos, com diferentes direcções (como se ilustra na Figura 2.3). Figura 2.2 Formas de mechas de filamentos contínuos: contínuos à esquerda e torcido à direita e no centro [9] O comprimento das fibras interfere nas propriedades mecânicas pois as fibras contínuas permitem obter valores máximos de resistência e rigidez. Os compósitos constituídos por fibras curtas distribuídas aleatoriamente têm propriedades quase isotrópicas nesse plano, sendo a sua desvantagem a redução da fluência da matriz, que apresenta um comportamento viscoelástico. Figura 2.3 Diferentes tipos de manta de reforço (da esquerda para a direita): manta com fibras contínuas dispostas aleatoriamente; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/90º) entrelaçadas; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente; manta com fibras contínuas direccionadas (0º/45º/90º) e fibras dispostas aleatoriamente [9] 7

27 2.2.2 Matrizes poliméricas A matriz polimérica desempenha quatro funções essenciais no desempenho dos perfis, que são os seguintes [1, 4]: Mantém as fibras na posição pretendida; Garante a transferência e distribuição das cargas pelas fibras; Evita a encurvadura das fibras, quando solicitadas em compressão; Protege as fibras dos agentes agressores ambientais que as possam degradar. As resinas poliméricas são divididas em dois grandes grupos: as resinas termoendureciveis (normalmente usadas na constituição da matriz dos perfis de GFRP) e as resinas termoplásticas. Estes dois grupos distinguem-se pelas suas características: Polímeros termoendurecíveis: Resultam de um processo de cura (endurecimento) em que a acção do calor provoca reacções químicas de polimerização da resina. Após o processo de cura, estes polímeros não podem ser novamente processados, visto que a reticulação que sofrem é um processo irreversível. A facilidade de impregnação das fibras e as boas propriedades de adesão são as vantagens destes polímeros [1, 2]. Polímeros termoplásticos: Estes materiais podem ser reciclados, uma vez que se fundem. O seu processamento dá-se por fusão quando aquecidos, permitindo a sua enformação nesse estado, a que se segue o arrefecimento com manutenção da forma. A nível de processamento, este apresenta alguns problemas devido à elevada viscosidade do material que provoca uma maior dificuldade de impregnação e adesão às fibras [1, 2] Material de enchimento (filler) Os materiais de enchimentos inorgânicos (filler) são utilizados na composição da matriz de forma a reduzir os custos do produto final e a melhorar o seu desempenho, garantindo certas propriedades que não poderiam ser obtidas recorrendo apenas a resinas e fibras. Este material de enchimento é constituído por materiais normalmente de natureza inorgânica e quimicamente inertes [1, 2]. Os fillers têm a função de conferir à estrutura um melhor comportamento, por exemplo em situação de incêndio, devido à diminuição do conteúdo orgânico. Contribuem ainda para uma diminuição da retracção da matriz, melhorando a estabilidade dimensional, e previnem o desenvolvimento de fissuras em zonas de descontinuidade ou em zonas com um teor excessivo em resinas. Melhoram ainda a resistência ao desgaste e aos agentes de degradação 8

28 ambientais. Podem também ser utilizados para melhorar outras propriedades, como sejam a dureza, a resistência à fadiga e à fluência ou à resistência química. Ainda assim, a utilização destas cargas causa uma diminuição da resistência mecânica e um aumento da rigidez do material compósito. É possível diminuir os efeitos da redução da resistência mecânica e aumento de viscosidade usando micro esferas de vidro, quer sejam compactas ou ocas, com diâmetros entre 10 µm e 1,5 mm [1, 2]. No material de enchimento, a alumina e o sulfato de cálcio são utilizados para melhorar o comportamento do material compósito em caso de incêndio, reduzindo a inflamabilidade e a produção de fumo. Além destes materiais também se usa o caulino e o carbonato de cálcio [2] Aditivos A grande variedade de aditivos que podem ser introduzidos na matriz tem a finalidade de melhorar o desempenho do material, do processamento ou simplesmente modificar certas propriedades. Entre os objectivos que se pretende atingir, referem-se os seguintes [1, 2]: Diminuição da retracção; Diminuição da inflamabilidade e da produção de fumos tóxicos em situação de incêndio; Diminuição do teor de vazios; Aumento da condutibilidade eléctrica (através da adição de partículas metálicas) e da interferência electromagnética (através da adição de materiais condutores); Aumento da dureza (adição de borracha ou outros elastómeros); Atraso ou inibição da oxidação dos polímeros (adição de antioxidantes); Redução da tendência para a atracção de cargas eléctricas, que podem provocar choques eléctricos, incêndios ou atrair poeiras (adição de agentes anti-estáticos); Diminuição da densidade (aditivos precursores de espumas). Estes aditivos promovem ainda o aumento do isolamento térmico e a diminuição da retracção; Prevenção da perda de brilho, descoloração, fendilhação e desintegração devido à radiação ultra-violeta (adição de estabilizadores ultra-violeta); Alteração da cor (adição de corantes). É de notar que os aditivos são utilizados em quantidades muito pequenas, em comparação aos restantes elementos constituintes. 9

29 2.2.5 Adesão fibra/matriz As fibras e as matrizes quando combinadas apresentam uma combinação específica de propriedades mecânicas que nenhum dos dois alcançariam isoladamente. Para que esta combinação aconteça e haja de facto um bom comportamento do material compósito é necessário garantir que a fibra e a matriz possuam características mecânicas adequadas e compatíveis para garantir que o bom desempenho da interface fibra/matriz seja conseguida. Assim, as características mecânicas dos FRP não dependem só dos constituintes principais (fibra e matriz) como também dependem da sua ligação [5]. As propriedades da interface dependem, sobretudo, da adesão e compatibilidade mecânica entre a matriz e a fibra, mas também do ângulo entre as fibras de reforço e a direcção da solicitação imposta ao compósito [4]. Para que haja uma boa adesão fibra/matriz e, consequentemente, uma boa interacção fibra/matriz é ainda necessário garantir uma elevada área superficial das fibras em contacto com a matriz polimérica [1]. 2.3 Características gerais dos perfis pultrudidos de GFRP Processo de fabrico dos perfis pultrudidos de GFRP O processo de fabrico dos perfis pultrudidos de GFRP designa-se por pultrusão e é um processo automatizado de produção contínua de peças com secção transversal constante, oca ou maciça, reforçada essencialmente no sentido unidireccional. A pultrusão permite a produção de perfis de secção transversal aberta (por exemplo, em I ou U) ou fechada (tubulares), sendo também possível produzir secções multi-celulares fechadas. O comprimento total das peças só é limitado pelo processo de transporte do material [1, 2]. A pultrusão é um processo de fabrico de baixo custo, permitindo converter directamente as fibras de reforço e as resinas num processo acabado. No processo de fabrico tradicional dos perfis, o reforço é embebido continuamente num banho de resina seguindo para uma fieira aquecida de modo a dar-se a polimerização da resina e dar a forma pretendida ao perfil. O reforço, vem já orientado e posicionado de forma a que não haja sobreposição de fibras de reforço. Após esta etapa segue-se o arrefecimento, durante o qual acontece o traccionamento do perfil de forma contínua. Por fim, ocorre o corte do perfil. Na Figura 2.4 é apresentado um esquema da linha de fabrico de perfis de GFRP através do processo de pultrusão tradicional, onde é possível distinguir seis elementos-chave: 10

30 Sistema de manuseamento de fibras; Sistema de guias para pré-formar e posicionar os reforços; Estação de impregnação da resina; Molde aquecido; Sistema de tracção; Sistema de corte. Figura 2.4- Linha de fabrico de perfis de GFRP através do processo de pultrusão (Adaptado de [7]) Na Figura 2.5 está representado esquematicamente a disposição típica das camadas que constituem os laminados das peças a produzir. O reforço é feito através de filamentos contínuos e paralelos (rovings) e é possível conciliar este reforço através de mantas com fibras dispostas em várias direcções (mats e fabrics). A aplicação de mantas na superfície do laminado (surfacing veils) permite um substancial aumento da resistência química do material pois garante uma maior quantidade de resina junto à superfície do laminado do que os outros tipos de mantas, com reforço unidireccional [2]. 11

31 Figura Disposição típica das camadas num compósito pultrudido de GFRP [6] No início da linha de produção, o sistema de manuseamento das fibras (Figura 2.6) e o sistema de guias permitem posicionar numa pré-forma, cada um dos tipos de reforços especificados em projecto. Figura 2.6 Sistema de manuseamento das fibras de reforço [5] No processo de pultrusão tradicional, as fibras de vidro são impregnadas pela matriz antes de chegarem ao molde metálico, normalmente num sistema de banho aberto, e o excesso de resina é retirado durante a passagem na pré-forma (Figura 2.7). 12

32 Figura 2.7 Sistema de pultrusão tradicional e passagem na pré-forma [5] Outro processo usado, a pultrusão por injecção, quando as fibras (que não estão impregnadas na resina) são puxadas para o molde metálico, a mistura das resinas com os fillers e aditivos são adicionadas por injecção. O uso da pultrusão por injecção tem a vantagem de se poder controlar com mais eficácia a posição do reforço, havendo uma maior uniformidade do material. Para além disso, permite a alteração da produção ou a introdução de alterações na composição da matriz durante o processo de fabrico. Este processo reduz a evaporação de solventes da matriz, havendo um melhor ambiente de trabalho. Em ambos os sistemas de pultrusão, durante o processo de cura no interior do molde, o material sofre retracção e separa-se das paredes do molde, atingindo a estabilidade dimensional à saída. Por fim, no sistema de corte, o perfil adquire o comprimento desejado através de uma serra móvel (Figura 2.8). 13

33 Figura 2.8 Sistema de corte no final da linha de montagem [5] A velocidade do processo de fabrico por pultrusão depende muito da máquina utilizada e do tipo de secção transversal a desenvolver. Em média, uma secção transversal corrente pode ser produzida a uma velocidade de 2 m / minuto, enquanto um painel de laje pré-fabricado (secção multicelular fechada), pode ser produzido a uma velocidade de sensivelmente 20 m 2 /minuto Formas estruturais e cuidados a ter no fabrico dos perfis pultrudidos de GFRP A grande maioria das formas estruturais usadas nestes perfis provem da construção metálica, reproduzindo sobretudo secções de parede fina abertas, como demonstra a Figura 2.9. Figura 2.9 Algumas geometrias típicas em perfis de GFRP [9] 14

34 Alguns destes perfis, devido à sua geometria esbelta, apresentam algumas desvantagens, relacionadas com a susceptibilidade a fenómenos de instabilidade, quando sujeitos a cargas de compressão. Em particular, os banzos esbeltos de peças flectidas, acabam por encurvar muito antes de ser atingida a capacidade resistente do material, o que impede, na maior parte das aplicações práticas, um aproveitamento eficiente das suas propriedades. Alguns perfis requerem um maior cuidado na sua fabricação, devido às geometrias apresentadas. Na Figura 2.10 mostra-se um cuidado especial a ter na ligação banzo-alma dos perfis em I. O contorno na ligação banzo-alma deverá ser arredondada e não fazendo um ângulo de 90º, de forma a que a manta tenha um desenvolvimento contínuo e não tenha uma curvatura angulosa muito pronunciada, para a evitar a fendilhação na ligação banzo-alma. Outra razão tem a ver com a garantia da correcta e eficaz distribuição de carga entre banzo e alma. Figura 2.10 Exemplo da correcta ligação banzo-alma [9] Propriedades típicas dos perfis pultrudidos de GFRP Á semelhança do que se verifica com a generalidade dos FRP s, as propriedades dos perfis de GFRP dependem essencialmente das características dos seus materiais constituintes (tipo de matriz polimérica e tipo de fibra de reforço), da orientação e teor das fibras e, ainda, da interacção entre as fibras e a matriz. Devido à não normalização dos perfis e às inúmeras possibilidades de combinação dos factores acima descritos, apenas é possível referir intervalos dos valores típicos para as propriedades mecânicas dos perfis de GFRP. Devido à estrutura interna dos laminados que constituem as paredes dos perfis de GFRP, o comportamento do material é bastante isotrópico, tendo propriedades mecânicas mais elevadas na direcção das mechas de filamento (rovings), 15

35 ou seja, na direcção em que ocorre o processo de pultrusão, do que em qualquer outra direcção. Apresenta-se na Tabela 2.2 os intervalos de valores típicos para as principais propriedades mecânicas dos perfis de GFRP. Tabela Propriedades mecânicas típicas dos perfis GFRP (Adaptado de [1]) Propriedades Unidades Direcção paralela às fibras Direcção transversal às fibras Resistência à tracção MPa Resistência à compressão MPa Resistência ao corte MPa Módulo de elasticidade MPa Módulo de distorção MPa Na Figura 2.11 é feita a comparação da relação constitutiva em tracção dos perfis de GFRP com outros materiais, como o aço, o alumínio, a madeira e o PVC, sendo que o material que concorre mais directamente com o GFRP é o aço. Figura 2.11 Relação constitutiva em tracção dos perfis de GFRP [6] 16

36 Apresenta-se na Figura 2.12 os valores típicos da tensão última de tracção e do módulo de elasticidade em flexão dos perfis pultrudidos de GFRP do fabricante Europeu Fiberline. Tensão última de tracção (MPa) Módulo de elasticidade em flexão (GPa) MAD AÇO ALU PVC GFRP MAD AÇO ALU PVC GFRP Figura 2.12 Comparação das propriedades mecânicas dos perfis GFRP com madeira, aço, alumínio e PVC (Adaptado de [8]) Da análise da Figura 2.11 e da Figura 2.12, salientam-se as seguintes diferenças nas propriedades mecânicas de GFRP, em relação ao aço, o principal material concorrente: Relação tensão-deformação elástica-linear até à rotura, o que contrasta com o comportamento dúctil do aço; Tensão última superior à da generalidade dos aços estruturais; Módulo de elasticidade reduzido, variando entre 10% a 20% do módulo de elasticidade do aço. Na Figura 2.13, apresenta-se a comparação da densidade, coeficiente de dilatação térmica e coeficiente de condutvidade térmica dos perfis pultrudidos de GFRP do fabricante Europeu Fiberline, em comparação com outros materiais (aço, alumínio, madeira e PVC). 17

37 Densidade (g / cm 3 ) Coef. Dil. Térmica (K -1 x 10-6 ) MAD AÇO ALU PVC GFRP 0,5 3 1,5 2,6 8 MAD AÇO ALU PVC GFRP Coef. Cond. Térmica (W / º K.m) MAD AÇO ALU PVC GFRP 0,15 0,15 0, Figura 2.13 Comparação entre as propriedades físicas e térmicas dos perfis de GFRP com outros materiais (madeira, aço, alumínio e PVC (Adaptado de [8]) Da análise da figura anterior, salientam-se as seguintes propriedades dos perfis de GFRP, em relação ao aço: Material extremamente leve, com uma densidade cerca de 4 a 5 vezes inferior à do aço; Coeficiente de dilatação térmica semelhante ao do aço; Coeficiente de condutividade térmica muito reduzido e significativamente inferior ao do aço Vantagens e desvantagens na utilização de perfis pultrudidos de GFRP Em comparação com os materiais tradicionais, como o aço e o betão armado, os perfis de GFRP apresentam as seguintes vantagens [1, 2]: Reduzido peso próprio; Elevada relação entre a resistência mecânica e o peso próprio; Possibilidade de produzir qualquer forma estrutural; Elevada resistência à fadiga; Elevada resistência à corrosão; 18

38 Transparência electromagnética; Facilidade no transporte para o estaleiro e na instalação em obra; Reduzido custo de manutenção. Contudo, é possível desde já apontar as seguintes dificuldades na utilização estrutural de perfis de GFRP, face aos materiais tradicionais: Reduzido módulo de elasticidade; Comportamento frágil; Ausência de regulamentação específica; Elevados custos iniciais na maior parte das aplicações. 2.4 Ligações de perfis GFRP As ligações entre os perfis de GFRP são na sua maioria aparafusas, embora, à partida, as ligações coladas sejam mais adaptadas às características específicas dos perfis de GFRP. As ligações coladas são menos utilizadas devido às dificuldades associadas à sua análise e dimensionamento, bem como às dúvidas quanto ao seu comportamento a longo prazo ou em situação de incêndio Ligações coladas Hoje em dia, as ligações coladas são as menos utilizadas. Contudo, as ligações coladas têm diversas vantagens. Entre elas, destacam-se as seguintes [9]: É mais fácil disfarçar as juntas; As ligações coladas entre perfis são tipicamente mais rígidas do que as aparafusadas; Alguns tipos de cola são extremamente resistentes e rígidos, fazendo com que a área de ligação seja menor; As ligações coladas respondem melhor a cargas dinâmicas. Contudo, é necessário ter algumas considerações quando se usam ligações coladas, tais como: As colas usadas nestas ligações, têm propriedades que dependem do tempo, e são influenciadas por factores como a humidade e a composição química do ar; Caso uma ligação colada falhe, a rotura ocorre de imediato, ao contrário das ligações aparafusadas, que podem nalguns casos exibir alguma ductilidade; 19

39 A capacidade resistente das ligações coladas não é proporcional à área colada ou seja a capacidade resistente apenas aumenta com o aumento da área colada até certo ponto, a partir do qual se mantém constante. Hoje em dia, o conhecimento sobre ligações coladas é reduzido em comparação com as ligações aparafusadas. Quando o conhecimento sobre as ligações chegar a um ponto aceitável, possivelmente, os testes necessários de verificação às ligações coladas (que são bastante mais exaustivos em comparação com as ligações aparafusadas), deixarão de ser necessários, tornando esta ligação como a ligação mais usada em perfis GFRP. Vários testes demonstram que a combinação de ligações coladas com ligações aparafusadas pode ser interessante, desde que os parafusos sejam devidamente colocados, uma vez que estes parafusos podem prevenir a propagação de fissuras que poderão levar à rotura das ligações coladas. Nas ligações coladas, as superfícies entre os perfis a colar deverão ser preparadas, deixando a superfície preparada para que a ligação ocorra, através da limpeza com recurso a ar comprimido, a acetona, de forma a que a superfície fique rugosa para que esta ligação seja o mais eficiente possível, como mostra a Figura Figura 2.14 Exemplo de superfície para ligações coladas (Adaptado de [9]) Ligações aparafusadas A capacidade de carga de uma ligação aparafusada é suficiente quando os seguintes pontos são satisfeitos: O aperto dos parafusos tem de ser suficiente para que o equilíbrio com as forças de corte seja conseguido; 20

40 A compressão provocada pelo aperto do parafuso com o perfil deve ser absorvida localmente. Isto é garantido se não se excederem os limites estabelecidos entre o diâmetro do parafuso e a espessura do perfil; As ligações dimensionadas para forças de corte, devem transmitir as forças pela superfície do perfil entre as ligações e o resto do perfil. As formas dos perfis presentes na Figura 2.15 apresentam algumas limitações ao nível das ligações aparafusadas em diversos tipos de perfis, de forma a que o perfil não fracture ou apresente anomalias [9]. Figura 2.15 Zonas dos perfis onde não é aconselhada fazer a ligação aparafusada [9] As ligações aparafusadas têm ainda limitações ao nível da distância entre os parafusos, como demonstra a Figura Esta distância varia consoante a direcção do processo de pultrusão. Tal facto deve-se à não excessiva proximidade dos parafusos, o que poderá provocar tensões entre os parafusos, causando a rotura do material [9]. Figura 2.16 Distâncias mínimas entre os parafusos, consoante a direcção de pultrusão (em que d é o diâmetro do parafuso) [9] 21

41 A rotura por arrancamento das ligações ocorre de diferentes modos, consoante a distância entre parafusos e a direcção de pultrusão, como demonstra a Figura Figura 2.17 Orientação do arrancamento das ligações aparafusadas, consoante direcção das pultrusão (em que d é o diâmetro do parafuso) [9] 2.5 Aplicações de perfis de GFRP na Engenharia Civil O crescimento dos FRP na construção é notório, sobretudo devido à sua excelente relação resistência/peso. A sua aplicação em construção abrange várias áreas, incluindo a sua utilização como material de construção conjugado ou não com outros materiais tradicionais (betão, aço, madeira). Estes materiais são usados não só em construções novas mas também em reabilitação de construções existentes [1, 2]. Keller fez uma divisão entre quatro grandes áreas de aplicação dos FRP na construção [7]: 22

42 Betão reforçado com FRP: O reforço de betão com varões de aço é parcialmente ou totalmente substituído por fibras curtas (GRC glass reinforced concrete), por redes de fibras e por varões ou cabos internos de pré-esforço em FRP (Figura 2.18); Figura 2.18 Aplicação de varões de GFRP para o reforço do tableiro de uma ponte [2] Reparação e reforço de estruturas: Utilizam-se laminados, mantas, barras e cabos de pré-esforço exteriores para reforçar/reparar estruturas de betão (Figura 2.19); Figura 2.19 Laminados de FRP para reforço de uma ponte rodoviária [2] Estruturas híbridas novas: Neste tipo de estruturas os FRP são utilizados para substituir certas partes de estruturas novas, normalmente executadas com materiais tradicionais, como sejam as vigas, as lajes (por exemplo, em tabuleiros de pontes) ou cabos exteriores (Figura 2.10); 23

43 Figura 2.20 Transporte de um tabuleiro pré-fabricado de uma ponte [2] Estruturas novas completamente compósitas: Estas estruturas são inteiramente executadas utilizando FRP e têm sido bastante utilizadas em tabuleiros de pontes, já que os pilares e os encontros têm sido executados com materiais tradicionais (Figura 2.21) Figura Ponte Pontresina, na Suíça, estrutura totalmente compósita [2] 24

44 3. Durabilidade dos perfis pultrudidos de GFRP 3.1 Efeitos dos principais agentes de degradação Para a análise do comportamento em serviço da estrutura é necessário ter em conta os aspectos de durabilidade. Existe uma lacuna no conhecimento dos principais agentes de degradação que actuam sobre o material, devido à escassez de informação sobre durabilidade dos FRP. Alguns autores, nomeadamente Karbhari et al. [10] identificaram os principais agentes ambientais com influência na durabilidade dos FRP s utilizados em aplicações estruturais, e sobre os quais deverá incidir o esforço de investigação futuro: Humidade e soluções aquosas; Meios alcalinos; Temperatura; Fluência; Fadiga; Radiação ultravioleta (UV); Fogo Humidade e soluções aquosas As estruturas construídas com perfis GFRP podem, como qualquer estrutura, estar sujeitas à acção da água ou de soluções aquosas, por estarem imersas (como é o caso de pilares de pontes) ou através da difusão noutros substratos. Tendo em conta que a água é dos elementos mais agressivos para a construção, é importante saber qual a sua influência nas propriedades e durabilidade deste material. Os perfis de GFRP têm exibido uma durabilidade assinalável nas diversas aplicações práticas existentes. Ainda assim, apesar do seu bom desempenho, os perfis de GFRP não podem ser considerados resistentes à água. Quando os perfis de GFRP se encontram em contacto com a humidade, absorvem-na por mecanismos de absorção e difusão. A absorção da humidade é relativamente acelerada nestes materiais, mas uma exposição contínua à humidade pode levar a uma estagnação do valor de absorção [1]. A absorção leva a que ocorra um envelhecimento físico e químico, sendo as alterações físicas dependentes da temperatura e reversíveis. O envelhecimento químico ocorre quando o material está exposto durante longos períodos à humidade ou em situações em que o material apresenta fraca qualidade, quer por deficiência na natureza dos seus constituintes, quer por falhas no processo de fabrico [11]. 25

45 A absorção pode ocorrer de duas formas: através da matriz, caso a ligação fibra-matriz seja forte, ou ao longo da interface, caso a interface não seja tão forte. Esta absorção pode causar alterações na matriz, podendo estas ser ou não reversíveis. Estas alterações devem-se a mecanismos de hidrólise (em que existe a decomposição de componentes de baixo peso molecular), de plastificação (devido à quebra das ligações de Van der Walls) e de saponificação (que leva à quebra da matriz polimérica) [12]. A humidade, por contacto directo ou atmosférico, é considerada uma das mais importantes causas de degradação a longo prazo dos compósitos. Pode provocar uma considerável redução da durabilidade destes materiais, através de mecanismos de plasticização da matriz ou como consequência da variação volumétrica diferencial. Isto poderá provocar a progressão de fissuras e delaminação do material, sobretudo na interface fibra-matriz. A humidade pode ainda desencadear alterações químicas, como a hidrólise [13]. Do ponto de vista estrutural, a humidade e as soluções aquosas afectam significativamente o compósito através da diminuição da temperatura de transição vítrea, da rigidez e da resistência do compósito e do aumento de volume [14] Meios alcalinos Hoje em dia, é comum os materiais FRP s estarem em contacto com ambientes alcalinos através da interacção com diversas fontes, como o betão (encamisamento de pilares, reforço de lajes e vigas), os solos alcalinos, ou mesmo soluções químicas alcalinas [15]. As fibras de vidro sofrem degradação em contacto com soluções alcalinas, devido a uma combinação de mecanismos, que incluem a formação de pequenas cavidades por oxidação (pitting), a hidroxilação e a hidrólise, que afectam a rede de óxidos de silício que constituem as fibras de vidro [14, 16]. Apesar de as resinas terem uma função de protecção das fibras de reforço, estas não são totalmente eficazes perante estes ambientes. Através dos poros e fissuras, as soluções alcalinas acabam por penetrar [14, 17]. As soluções alcalinas através da sua penetração na matriz, aceleram a degradação da interface fibra/matriz, reduzindo os níveis de desempenho mecânico dos FRP [1, 14]. Won et al [17] ensaiaram diversos provetes de GFRP em contacto com soluções alcalinas e retiraram as seguintes conclusões: 26

46 A tensão de rotura do ensaio à tracção diminuiu consideravelmente com o tempo de exposição ao ambiente alcalino; Houve um aumento do tamanho dos poros, originando-se micro-fissuras e delaminações na matriz que provocaram, em última instância, a sua plasticização e a degradação da qualidade da interface fibra/matriz; A degradação dos GFRP em ambientes alcalinos é relativamente mais acelerada do que no caso das imersões em água; tal facto deve-se à maior degradação superficial da matriz em soluções alcalinas Temperatura A temperatura pode causar alterações nos FRP, alterações essas que, tipicamente, vão ter uma incidência directa na durabilidade dos mesmos. Os efeitos térmicos fazem-se sentir nos FRP, principalmente, a temperaturas extremas [17]: Temperaturas acima da temperatura de cura; Ciclos gelo-degelo; Variações de temperatura e ciclos térmicos. Caso a matriz dos FRP não esteja devidamente curada, a temperatura elevada poderá ser benéfica pois contribui para o processo de pós-cura [17]. Por norma, a maioria dos materiais expande quando expostos a incrementos de temperatura. No caso dos FRP, o coeficiente de expansão térmica da matriz é de uma ordem de grandeza superior ao das fibras. Isto faz com que haja diferentes comportamentos dos constituintes do material compósito perante alterações de temperatura, podendo originar o aparecimento de tensões residuais ao nível da interface fibra/matriz [1, 18]. As tensões registadas na interface fibra/matriz são directamente proporcionais à diferença de temperatura observada. Para temperaturas negativas, o efeito das tensões residuais adquire maior importância, pois há uma contracção da matriz que não é acompanhada pelas fibras. Quando estas condições acontecem, as tensões atingem valores suficientemente elevados para originar a fissuração da matriz e, por consequência, o endurecimento da matriz, a perda de resistência e o aumento da permeabilidade do material à humidade [1]. Para temperaturas elevadas, o material apresenta uma maior resposta viscoelástica, devido ao amolecimento das resinas (havendo resinas que amolecem para temperaturas relativamente reduzidas), o que pode provocar um aumento da susceptibilidade à absorção de humidade. Tipicamente, este tipo de acontecimento não é usual, pois as estruturas não estão sujeitas às gamas de valores necessárias que este tipo de efeitos ocorrer. 27

47 3.1.4 Fluência A fluência é um fenómeno que deve ser tido em conta nas obras de Engenharia Civil e que necessita de um conhecimento aprofundado para se poder fazer um estudo real do seu efeito nas infra-estruturas. O efeito da fluência, aumento da deformação sob acção de uma carga constante ao longo do tempo, está relacionado com as propriedades visco-elásticas das resinas que constituem a matriz do material compósito. O comportamento à fluência do material é dependente da orientação das fibras e os efeitos da fluência serão mais ou menos importantes consoante a orientação da solicitação for no sentido das fibras ou perpendicular às fibras de reforço. As deformações por corte são muito mais dependentes da fluência do que as deformações por tracção ou compressão [2]. No caso de resinas com um grau de cura incompleto, especialmente as resinas curadas à temperatura ambiente, o efeito da fluência pode ser bastante significativo, existindo uma maior susceptibilidade de se originar microfendilhação no material Fadiga A fadiga é um fenómeno físico que, através da aplicação de ciclos de carga-descarga, causa a rotura do material ou dos seus constituintes. A carga aplicada neste tipo de fenómeno não é suficientemente elevada para causar a rotura na primeira aplicação. Normalmente, a fadiga é medida através do número de ciclos com uma dada amplitude necessários para que ocorra a rotura do material. O carregamento a que estão sujeitos pode ser mecânico (carga aplicada), variação térmica (variação de temperatura) ou química (humidade, oxidação) [2]. Keller et al. [19] testaram o efeito da fadiga no comportamento de provetes de GFRP de matriz de poliéster em ensaios à tracção. Após a realização do estudo observou-se um decréscimo da tensão de resistência última de 3% a 5% por década, ao invés dos resultados obtidos por Mandell [20] que referia um decréscimo de 10%. Os materiais compósitos, em especial os perfis de GFRP, apresentam uma resistência à fadiga bastante superior aos materiais metálicos. 28

48 3.1.6 Radiação ultravioleta (UV) A radiação proveniente da luz solar atinge a terra com uma gama de comprimentos de onda de grandeza suficiente para romper as ligações nos materiais poliméricos [11]. A incidência da radiação UV é responsável pelo desencadear do mecanismo de fotodegradação. Este mecanismo afecta apenas a camada superficial (na ordem de 50 µm a 100 µm). Este efeito pode originar tensões localizadas nos perfis de GFRP [11]. Se um material compósito não for preparado para resistir a este tipo de radiação, quer seja por uma tinta protectora ou mesmo por um material de revestimento, o material irá sofrer uma degradação superficial, a qual, a longo prazo poderá deixar a descoberto as fibras de reforço (como aconteceu na cobertura da estação do Rossio, descrito mais a frente). Se tal acontecer, poderá ser prejudicial para os utilizadores da construção pois pode provocar irritações na pele. A nível estético, os principais problemas são a perda de brilho e o amarelecimento dos compósitos [22]. Bogner et al. [23] realizaram ensaios de flexão em provetes de GFRP de poliéster novos e após 1000 horas de envelhecimento numa câmara de QUV (ciclos de incidência de radiação UV e de condensação em contínuo). Os resultados obtidos foram comparados com os resultados obtidos dos provetes que foram expostos a envelhecimento natural durante 1 e 2 anos. Os autores chegaram à conclusão que a perda de resistência e de módulo de elasticidade não foi significativa. O nível de degradação sofrida pelos perfis, quando expostos a este tipo de fenómeno, pode ser atenuado, recorrendo a revestimentos próprios para o efeito. Existem revestimentos de matéria orgânica, que embora tenham uma resistência considerável à radiação por UV, não estão imunes a fenómenos de fotodegradação. Assim, este tipo de acabamentos serve como uma camada de sacrifício do material, protegendo a matriz [11] Fogo A resistência ao fogo é uma das grandes preocupações da aplicação do material em Engenharia Civil. No caso dos perfis de GFRP há uma preocupação acrescida porque estes compósitos utilizam matrizes orgânicas, por ser mais difícil o controlo da propagação da chama e por ocorrer a libertação de fumos e gases [1]. Existem duas grandes preocupações relativas a este compósito consoante o seu tipo de utilização [1]: 29

49 Se estiverem a ser utilizados em espaços confinados, como sejam os túneis, é importante avaliar o nível de toxicidade dos fumos (e gases) libertados durante um incêndio. Se os compósitos estiverem a ser utilizados como elementos estruturais (pontes, por exemplo), é necessário saber se a redução da resistência resultante da exposição a um incêndio é significativa para causar um possível colapso. É de referir, que as resinas de poliéster começam a perder resistência a temperaturas próximas dos 100º C, valores bastantes abaixo do mesmo efeito para estruturas metálicas. Por outro lado, o coeficiente de condutibilidade térmica dos compósitos é inferior ao mesmo coeficiente dos aços, ou seja, a propagação do calor e aumento de temperatura no material é muito mais lento do que sucede no aço [4]. De acordo com Cabral-Fonseca [1], existem três aspectos importantes a considerar nos FRP para analisar o seu comportamento ao fogo: Efeito de temperaturas elevadas próximas ou até superiores à temperatura de transição vítrea; Efeito da combustibilidade; Efeito da toxicidade dos fumos libertados. Caso se conclua que o material compósito não tem o comportamento ao fogo pretendido, podem ser tomadas medidas preventivas, como aplicar aditivos, pinturas ou protecções ao material. Estes aditivos podem funcionar como retardadores de chama, remover calor da reacção de combustão, reduzir a concentração de gases combustíveis, impedir a geração de fumos tóxicos ou podem mesmo ser auto-extinguíveis. Contudo, para garantir tempos de resistência ao fogo compatíveis com a utilização estrutural em edifícios, é necessário utilizar sistemas de protecção passivos [1]. 3.2 Medidas preventivas Caso sejam adoptadas um conjunto de medidas preventivas, é possível assegurar uma elevada durabilidade do material, mesmo perante condições ambientais extremamente adversas. Segundo Kharbari et al., apesar da informação relativa aos efeitos dos agentes ambientais ser ainda limitada, em função dos resultados já conhecidos, é fundamental garantir a protecção das fibras de reforço devendo, para o efeito, ser adoptada uma selecção adequada de resinas. Para além disso, os autores recomendam ainda a adopção das seguintes medidas: 30

50 Dispor uma camada rica em resina à superfície do compósito laminado (véu de superfície), que permaneça não fendilhada durante o período de utilização pretendido. Deverá ainda ser considerada a necessidade de aplicação de um gel coat ou de uma pintura protectora; Ter em conta o efeito do aumento da susceptibilidade à humidade em resinas não completamente curadas, devendo-se assegurar a cura completa das resinas antes do material ser colocado em serviço; Em aplicações de perfis de GFRP com exposição significativa a ambientes húmidos ou alcalinos (embebidos ou colados ao betão), devem ser preferencialmente utilizadas resinas de viniléster ou epóxi, em detrimento do poliéster; Como a humidade pode diminuir a temperatura de transição vítrea, deve-se assegurar que este valor é significativamente superior (pelo menos 30º C) à temperatura máxima de serviço; Tendo em conta os efeitos da degradação do material e a informação disponível, relativa a outras áreas de aplicação (factores de segurança de 4 a 6 na indústria naval e de 8 a 10 em tanques), os níveis de tensão no material devido às acções permanentes devem ser limitados a 25% ou a 30% da resistência última, em ambientes húmidos ou meios alcalinos, respectivamente. O aumento destes valores depende da disponibilização de informação adicional, especificamente relacionada com aplicações em infra-estruturas; Se existir um risco potencial de incêndio, deverão ser utilizadas matrizes fenólicas, em alternativa ao poliéster e ao viniléster, e aditivos retardadores de incêndio ou pinturas intumescentes. 31

51 32

52 4 Obras relevantes com perfis de GFRP Os perfis de GFRP têm sido usados sobretudo em aplicações não estruturais ou em estruturas secundárias, onde se realçam as suas vantagens em comparação com os materiais tradicionais, como a leveza, a maior durabilidade em ambientes agressivos ou a transparência electromagnética. Estas vantagens foram cruciais para a sua utilização em vastas áreas de aplicação como o saneamento básico, a indústria de pesca, os portos de navegação, as estações de tratamento de águas residuais, o transporte ferroviário, as centrais termo-eléctricas e a indústria petroquímica. Apesar de as aplicações de GFRP não serem normalmente estruturais, nos últimos anos, sobretudo no âmbito de projectos de investigação ou projectos-piloto, começaram a ser desenvolvidas importantes aplicações de perfis de GFRP, em estruturas primárias, quer em pontes pedonais ou rodoviárias, quer em edifícios Obras em Portugal Em Portugal, há algumas obras onde os perfis de GFRP foram utilizados. Contudo, a maior parte das aplicações corresponde a elementos não estruturais ou a estruturas secundárias. A firma STEP (Sociedade Técnica de Estruturas Pultrudidas) é pioneira em Portugal na utilização de materiais compósitos pultrudidos Centro Comercial Colombo No centro comercial Colombo (Figura 4.1) foram utilizados perfis de GFRP na cobertura com finalidade meramente estética. Sendo uma aplicação não estrutural, o controlo da aplicação dos perfis não foi exaustivo. 33

53 Figura 4.1 Cobertura do Centro Comercial Colombo Oceanário de Lisboa O oceanário de Lisboa, construído no ano de 1997, possui passadiços de GFRP sobre o tanque de apoio aos tanques principais, como demonstra a Figura 4.2. Estes passadiços aguentam cargas contínuas elevadas, pois neles estão suspensos todos os focos de iluminação e todas as tubagens que abastecem os tanques de água, vencendo um vão de 35 m, estando suspensos na cobertura através de 4 tirantes. Figura 4.2 Passadiço sobre os aquários no Oceanário de Lisboa 34

54 A grande mais-valia do uso destes perfis no tanque (Figura 4.3), prende-se com o facto de a estrutura estar inserida num meio bastante agressivo a nível de corrosão, pois as águas que estão no tanque são salinas, sendo necessário um material que não sofresse corrosão. Figura Passadiços e guarda-corpos do tanque central do Oceanário de Lisboa Numa zona técnica do Oceanário também foram usados perfis de GFRP. Neste caso, como se tratava de um espaço bastante reduzido e rodeado de instrumentação bastante sensível de apoio ao Oceanário, foi necessário recorrer a um material leve para que pudesse ser manuseado sem grandes problemas pelos operários, devido ao reduzido espaço de trabalho. Na Figura 4.4 pode-se observar a localização dos perfis. Figura Galeria técnica do Oceanário de Lisboa 35

55 4.1.3 Estação do Rossio A cobertura da estação do Rossio presente na Figura 4.5, tem passadiços técnicos em perfis pultrudidos de GFRP, contudo, inicialmente, estes eram para ser em aço. Tal ideia foi abandonada devido ao facto de o projectista se ter esquecido da existência dos mesmos na contabilização dos pesos próprios. A solução encontrada foi manter os cálculos e recorrer a um material mais leve que o aço, neste caso o GFRP. Novamente, como em outras estruturas descritas, sendo uma estrutura secundária, nunca foi feita qualquer inspecção aos perfis. Figura 4.5 Passadiços da cobertura da estação do Rossio Obras de introdução do comboio na Ponte 25 de Abril Com a introdução do comboio na Ponte 25 de Abril, para a construção dos passadiços de apoio à construção da linha férrea, foi necessário encontrar uma solução leve e resistente, de forma a que não afectasse significativamente o cálculo estrutural da ponte. Assim, recorreu-se aos perfis de GFRP para a realização dos mesmos, como demonstra a Figura

56 Figura 4.6 Passadiços na Ponte 25 de Abril de introdução ao comboio Porto Palácio Hotel No Porto, no Palácio Hotel (Figura 4.7) encontra-se uma estrutura meramente estética, composta exclusivamente por vigas e pilares de GFRP, com ligações aparafusadas entre si. Nesta estrutura, foi necessário o uso de uma chave dinamométrica, de forma a ter o torque de aperto controlado, pois algumas das vigas têm 12 m de comprimento, e um excessivo aperto poderia provocar um esmagamento do perfil. Figura 4.7 Estrutura do Palácio Porto Hotel 37

57 4.2 Obras no estrangeiro Fora de Portugal, existem obras de grande relevância construídas com recurso a perfis de GFRP, havendo até obras em que toda a estrutura é feita exclusivamente por perfis de GFRP, como é o caso do Eyecatcher Building, na Suíça. A primeira ponte pedonal 100% compósita foi construída no Reino Unido, Escócia, no ano de A ponte de Aberfeldy (Figura 4.8) tem um tabuleiro constituído por painéis pré-fabricados do sistema ACCS (Advanced Composites Construction System), suspenso por tirantes de aramida, apoiados em torres de GFRP [24]. Figura Ponte de Aberfeldy [25] A primeira ponte rodoviária 100% compósita também foi construída no Reino Unido, no ano de O tabuleiro da ponte de Bonds Mill (Figura 4.9 e Figura 4.10) é igualmente construído por painéis pré-fabricados do sistema ACCS, apoiados em vigas longitudinais, materializadas por perfis de GFRP. A grande vantagem deste material em pontes móveis, prende-se com o seu baixo peso, o que reduz significativamente o preço nos sistemas mecânicos de elevação [25]. 38

58 Figura Ponte móvel de Bonds Mill [25] Figura Elevação do tabuleiro da Ponte Bonds Mill [25] Na Suíça, em 1997, foi instalada a Ponte Pontresina (Figura 4.11) (ver 4.2.1), ponte pedestre, constituída por duas vigas simplesmente apoiadas em treliça, utilizando apenas perfis de GFRP. Nesta ponte foram utilizadas pela primeira vez ligações coladas numa das treliças, sendo que na outra as ligações são aparafusadas. As ligações foram realizadas em fábrica, o que possibilita uma grande vantagem no controlo de qualidade e de economia. Devido à sua leveza, a ponte foi instalada em 4 horas. Estando inserido num ambiente agressivo, a elevada resistência dos perfis de GFRP à corrosão foi um factor preponderante na escolha desta solução [26]. 39

59 Figura 4.11 Ponte Pontresina [24] No ano de 1997 foi erguida a Ponte de Kolding (Figura 4.12), na Dinamarca, a primeira estrutura compósita a atravessar uma linha de comboio, bem como a primeira estrutura totalmente compósita a ser construída na Escandinávia. A ponte tem uma estrutura atirantada e é constituída por dois tramos apoiados num pilar central, apresentando um comprimento total de 40 m [24]. Como a ponte atravessa uma linha de comboio, toda a estrutura é 100% GFRP, de forma a não interferir com o campo electromagnético da catenária. O peso total de ponte é de 12,5 ton, o que corresponde a cerca de metade do peso de uma solução metálica equivalente. Todas as ligações foram realizadas em fábrica e a sua elevação demorou cerca de 18 horas, sem que tenha sido necessário cortar a circulação da linha férrea. Os custos inicias da ponte foram estimados em cerca de 5 a 10 % superiores correspondentes a alternativas em aço ou betão armado, como mostra a Tabela 4.1, onde é apresentada uma comparação de custos para a mesma ponte, recorrendo a diferentes materiais [26]. 40

60 Tabela 4.1 Comparação de custos da Ponte de Kolding entre GFRP, aço e betão (em milhares de dólares) [26] GFRP Aço Betão Engenharia Fundações Materiais Fabricação Instalação Tratamento Outros Total Figura 4.12 Ponte de Kolding [24] Em 2001, foi erguida a ponte de Lérida (Figura 4.13), em Espanha. Como a ponte era construída sobre três importantes eixos de transportes (uma estrada, uma linha de caminho de ferro e a linha de alta velocidade entre Barcelona e Madrid), era necessária uma ausência da interacção com o campo magnético das catenárias bem como uma manutenção reduzida e uma fácil e eficaz instalação. A superestrutura da ponte, em arco, com um vão de 38 m, é materializada apenas por perfis de GFRP. Devido ao seu reduzido peso (em comparação com a mesma construção em aço ou betão), a sua colocação demorou apenas 3 horas [27]. 41

61 Figura 4.13 Ponte de Lérida [27] Caso de estudo: Avaliação da Ponte de Pontresina No verão de 2005, após 8 anos de utilização, a ponte pedestre de Pontresina (Figura 4.14) foi transportada para a Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (E.P.F.L.) para um estudo detalhado da sua segurança estrutural e durabilidade. O estudo incluiu uma inspecção visual, testes de resistência, idênticos aos realizados em 1997 e uma investigação da degradação dos materiais. A inspecção visual mostrou diversos estragos na ponte, como esmagamento local (provocado por impactos), fissuras devido à inapropriada colocação dos perfis, fibras à mostra, degradação causada por vandalismo e degradação devido à queda de objectos contundentes [28]. A ponte apresenta as seguintes características: Comprimento total: 25 m; Peso: 3300 kg; Sobrecarga de projecto: 500 kg/m 2 ; Flecha máxima a meio vão: L/

62 Figura Ponte de Pontresina [27] Os testes comparativos de 1997 e 2005 mostraram que a ponte não foi afectada a nível de serviço e de segurança. A rigidez dos perfis pultrudidos permaneceu inalterada, tendo ocorrido um ligeiro decréscimo da resistência entre 13% e 18%, o que não é crítico, tendo em conta os elevados factores de segurança. As anomalias foram reparadas tendo em vista uma posterior inspecção, que acontecerá no presente ano. Esta experiência mostra que a durabilidade é essencialmente afectada por processos construtivos inapropriados, mas, se os perfis de GFRP forem correctamente produzidos e colocados, podem oferecer uma longa durabilidade e desempenho Inspecção após 8 anos de serviço A ponte foi inspeccionada durante os meses de Julho e Agosto, tendo a reparação sido feita no mês de Setembro de 2005 na E.P.F.L. em Lausanne. Uma primeira inspecção visual à ponte mostrava que a aparência era bastante satisfatória. Devido à exposição solar (radiação U.V.), a cor mudou de um tom branco para uma cor ligeiramente amarelada. As ligações dos perfis não apresentavam problemas numa inspecção mais superficial, incluindo as zonas abaixo dos parafusos, como mostra a Figura Foram retirados parafusos para que as zonas de corte fossem inspeccionadas, sendo que nenhuma anomalia foi detectada. Algumas destas superfícies de corte apresentavam uma cor preta, resultado do aquecimento da superfície durante a abertura dos buracos para os parafusos, e não devido à entrada de humidade [28]. 43

63 Figura 4.15 Ligação aparafusada do banzo superior, sem danos [28] Uma inspecção mais detalhada evidenciou uma maior gravidade dos danos na superfície dos perfis. Na Tabela do Anexo I, é descrito um resumo das anomalias encontradas. Os danos encontrados foram classificados em cinco classes: Fibras à mostra; Danos pontuais; Degradação superficial; Fissuração longitudinal; Esmagamento. A Figura 4.16 mostra parte da extremidade da viga (componente XD da Tabela do Anexo I). A zona abaixo da viga transversal está protegida pela estrutura metálica de apoio ao tabuleiro da ponte, pelo que não apresenta qualquer dano, ao contrário da zona de ligação do parafuso que apresenta o banzo superior partido, na ligação com a alma. Figura 4.16 Fractura do banzo superior na ligação da viga transversal ao pilar [28] 44

64 Nas Figuras 4.17 e 4.18 ilustram-se quatro imagens de diferentes fissuras na secção. A abertura das fissuras varia entre 0.01 mm e 0.40 mm. A Figura 4.17 mostra fissuras típicas na zona de ligação banzo alma (imagem da esquerda), e fissuras localizadas na zona do banzo inferior (imagem da direita). Figura 4.17 Fissuras tipicamente localizadas na extremidade superior do banzo (esquerda) e no banzo inferior (direita) [28] Em quase todas as almas das vigas, foram encontradas fissuras. Nas vigas em I, as fissuras encontravam-se na ligação banzo-alma como se observa na Figura 4.18 (esquerda). No que toca a vigas de duas secções, estas apresentam fissuras na ligação banzo-alma. Na Figura 4.18 (direita) é apresentada uma das poucas fissuras encontradas na ligação nos tubos diagonais. Figura Fissuras no semi-banzo das vigas em I (esquerda) e fissura na ligação dos tubos diagonais (direita) [28] Tendo em conta que os perfis estavam expostos à radiação UV, era de esperar que fossem encontradas zonas com fibras à mostra. Alguns perfis da ponte apresentavam este problema, como demonstra a Figura

65 Figura 4.19 Fibras à mostra (fiber blooming) numa parte da viga transversal [28] Reparação das anomalias Apesar de todas as anomalias não colocarem em causa a segurança estrutural nem o nível de serviço da ponte, o esmagamento nos banzos inferiores foram reparados, de forma a que estes adquirissem a rigidez e capacidade de carga que possuíam inicialmente. As zonas danificadas foram reforçadas. Foram colocadas placas de GFRP em forma de L na parte superior da zona danificada e foram colocadas placas lisas na parte inferior, usando uma resina epoxy como meio de ligação. Estas placas foram colocadas até mais 100 mm para além da zona danificada de forma a que a carga fosse transferida sem carregar a zona esmagada. A Figura 4.20 mostra a reparação numa zona de ligação no vão da estrutura. 46

66 Figura 4.20 Reparação na zona de ligação no vão da ponte [28] A Figura 4.21 mostra a reparação do esmagamento na zona de ligação das vigas transversais, em que se recorre a blocos de PVC. Figura 4.21 Reparação de esmagamento recorrendo a blocos de PVC [28] As fissuras longitudinais, fibras à mostra na superficie, danos pontuais, foram reparadas da seguinte forma: Passagem com uma lixa fina; Limpeza da superficie com acetona; Cobertura da zona danificada com duas camadas de resina epoxy transparente. 47

67 4.2.4 Testes comparativos entre os anos de 1997 e 2005 A rigidez medida não mostra grandes diferenças nas ligações aparafusadas entre os ensaios de carregamento realizados em 1997 e em 2005 (Figura 4.22). A máxima deformada em 2005 é apenas 3,2% superior à registada em 1997, como demonstra a Tabela 4.2. As diferenças nas ligações coladas são notavelmente maiores, com um aumento de 16,3% na deformada entre os ensaios de 1997 e do ano de Uma razão para esta diferença poderá ter a ver com o facto de que em 1997 apenas uma viga de cada lado foi medida. Uma segunda possibilidade prende-se com a precisão dos resultados do ensaio de 1997, uma vez que nesse ano apenas foi usada uma régua e a medição foi realizada a olho nu. A degradação do material para um aumento excessivo da deformada foi excluída, uma vez que os perfis colados e aparafusados são do mesmo lote e os parafusos não demonstraram uma diminuição da rigidez. Se a degradação do material tivesse ocorrido, iria apenas provocar um ligeiro aumento da relaxação das ligações o que explicaria o aumento da flecha. As fissuras encontradas após a realização do teste realizado em 2005 não explicam a redução da rigidez, uma vez que a sua abertura, extensão e número são reduzidos [28]. Não é possível dizer o porquê do acima mencionado. Apareceram apenas fissuras nos banzos inferiores e todas no mesmo tipo de ligação (LC-PT), arbitrariamente espalhadas ao longo da ponte (o que não pode ser relacionado com as forças de ligação). Uma explicação para as fissuras poderá ter a ver com o facto de que as ligações estão mais sensíveis a fenómenos de fadiga em 2005 do que em 1997, devido à perda de pré-esforço dos parafusos durante os 8 anos de serviço. A explicação mais fiável (devido à distribuição arbitrária) poderá dever-se à sobrecarga local, devido à insuficiente redistribuição de carga. A comparação dos ensaios de tracção das vigas em I confirma que não há perda de rigidez devido à exposição ambiental. A redução de 13% a 18% na resistência medida poderá ter a ver com o envelhecimento provocado pela chuva e ciclos térmicos. Uma inspecção com o auxílio do microscópio não mostra danos na resina, fibras ou suas interfaces. A diminuição da força observada, de momento, não é crítica, contudo, a diminuição da força será tida em conta nos próximos ensaios. 48

68 Figura 4.22 Gráfico carga-deslocamento com a comparação dos testes realizados em 1997 e 2005 [28] Tabela 4.2 Testes comparativos do ano 1997 e 2005 [28] Treliça com ligação aparafusada Treliça com ligação colada Parâmetro de Diferença Diferenç medição (%) a (%) Carga total 83,9 87,0 3,7 84,0 86,2 2,6 Flecha a meio vão, 19,0 / 17,5 / 23,2 / 17,6/- 8,0/6,3 14,2/- viga esq./dir. 18,7 16,4 15,5 Carga corrigida, valor 18,3 / 17,1/16, 20,0 / 17,6/- 4,0/2,3 14,2/- médio 18,0 0 12, Conclusões Após 8 anos de serviço, a ponte temporária de Pontresina foi totalmente desmontada e todos os perfis de GFRP foram inspeccionados, de forma a saber se a segurança estrutural e de serviço tinham sido afectadas. As conclusões foram as seguintes [28]: A inspecção visual mostrou diversas anomalias, tais como buracos devido a impactos, fissuras, fibras à mostra e degradação da superfície; 49

69 Os danos encontrados revelaram que a escolha de perfis de secção aberta, com os banzos livres, não foi a mais apropriada para esta aplicação. Perfis de secção fechada seriam menos afectados e teriam menos danos ao suportar as cargas impostas; A comparação dos testes realizados em 1997 e em 2005, a inspecção visual e a análise de partes dos perfis em microscópio mostraram que a segurança estrutural e os níveis de serviço estão garantidos, pois os danos não foram significativos. Durante os 8 anos de serviço não foram registadas perdas de rigidez nos perfis, apenas se registou um decréscimo de 13% a 18% na capacidade de carga, o que não coloca em causa a segurança estrutural, pois não é uma perda significativa e os factores de segurança são elevados; As reparações dos danos foram feitas com métodos simples, como o recurso a chapas de GFRP de forma a repor a capacidade resistente inicial. O estudo da ponte revelou que a durabilidade da ponte é sobretudo afectada por erros na elaboração dos perfis e pela deficiente montagem ou má escolha da forma dos perfis. Caso os perfis sejam fabricados e aplicados correctamente, o material poderá ter uma grande longevidade. Tendo em conta os problemas encontrados ao fim de 8 anos de uso, pode-se concluir que apenas daqui a 80 anos a ponte irá ter problemas a nível de segurança estrutural ou problemas a nível de estados limite de serviço. Contudo, a próxima inspecção (prevista para o ano 2011) poderá clarificar esta questão. 50

70 5 Controlo de qualidade dos perfis de GFRP Os perfis pultrudidos de GFRP necessitam de um rigoroso controlo de qualidade uma vez que o seu processo de fabrico requer bastante atenção em diversos aspectos, que serão descritos à frente. Hoje em dia não existe um documento com as especificações do material FRP para aplicação em Engenharia Civil, uma vez que não há reunião de consenso. A US Federal Highway Administration (FHWA) em colaboração com a American Association of State Transportation and Highway Officials (AASHTO) estão a elaborar um documento com especificações para aplicação do material FRP na construção. Bank et al. [5.1] elaborou um fluxograma (Figura 5.1) onde apresenta quatro procedimentos distintos para a classificação dos perfis, divididos entre qualificação (Procedimento A e B) e aceitação (Procedimento C e D). Estes processos requerem testes de resistência mecânica. No Procedimento A é fornecida uma ampla gama de testes para o conhecimento das propriedades do perfil GFRP. No Procedimento B, são fornecidos os dados das propriedades a longo prazo do material. Os testes de aceitação são dados no Procedimento C onde os resultados obtidos serão comparados com os dados obtidos no Procedimento A. O Procedimento D exige que o material mantenha as propriedades mecânicas e físicas. No fluxograma da Figura 5.1 está descrito todo o procedimento, passo a passo. As especificações mencionadas, têm três objectivos principais: Para ajudar na conclusão de acordos de compra entre os fornecedores dos perfis e os compradores, de modo a que todos os lotes estejam em conformidade; Para definir classes e formas de material; Para identificar os dados de desempenho, que devem ser divulgados como parte da compra do material 51

71 Classificação Qualificação Aceitação Procedimento A: Procedimento B: Procedimento C: Procedimento D: Qualificação das Qualificação das Aceitação das Aceitação das propriedades do propriedades do propriedades do propriedades do material a curto material a longo material a curto material a longo prazo prazo prazo prazo Requisitos dos Condições de Requisitos das Saturação do testes físicos e temperatura propriedades GFRP em água mecânicos elevada físicas e não ionizada a mecânicas 50ºC Requisitos mínimos Ensaios à tracção Comparação com Testes físicos e das propriedades e flexão dos perfis os testes realizados mecânicos necessárias GFRP no Procedimento A Cálculo de Comparação com propriedades do as propriedades GFRP não saturadas (Do Proc. C) Figura 5.1 Fluxograma com procedimentos para classificação dos perfis 5.1 Controlo dos materiais e dos perfis no fabrico Materiais O controlo dos materiais (resinas e fibras) é de extrema importância para que os perfis tenham a qualidade desejada. Na recepção da matéria-prima os parâmetros a controlar variam consoante o tipo de perfil pretendido. Para além da verificação dos rótulos na chegada dos materiais, deve ser feito um teste à manta e fibras de reforço, em que estas não se deve desfazer com a mão, garantindo assim a resistência inicial pretendida Processo de pultrusão No processo de fabrico há diversos parâmetros que devem ser tidos em conta de forma a que o perfil saia como pretendido, pois toda a linha de produção é bastante sensível. A velocidade 52

72 de processamento varia de perfil para perfil, tendo como valor de referência aproximadamente 2 m/min. Deve ser inspeccionado o empilhamento da fibra de vidro e a impregnação da resina nas fibras, para que todo o perfil seja homogéneo. Na passagem do perfil pela fieira a quente deve ser controlada a temperatura de entrada (entre os 85º C e os 95º C) e de saída (com valor entre os 145º C e 165º C) do perfil, de forma a que o perfil possua as características necessárias, bem como a força com que o perfil é puxado ao longo do processo, que não deve ultrapassar os 10 kn. No Anexo II é dado um exemplo de uma ficha de inspecção de materiais e de pós fabrico dos perfis. 5.2 Controlo dos perfis após fabrico Após o fabrico dos mesmos, a Norma Europeia: EN :2002 [30], estipula algumas tolerâncias dimensionais para perfis, que deverão ser verificadas em fábrica, tendo posteriormente uma ficha que acompanha os perfis. De seguida, são descritas as tolerâncias geométricas permitidas nas Figuras 5.2 a 5.5 Espessura T1 T2 0 a 2 ± 0,15 ± 10% 2 a 5 ± 0,20 ± 10% 5 a 10 ± 0,35 ± 10% Figura 5.2 Tolerância de espessura da parede de perfis abertos e fechados (em mm) 53

73 F < 0,0008 X B Figura 5.3 Tolerância de achatamento na direcção transversal Tol. Mínimo Máximo B ±0,5% ±0,20 mm ±0,75 mm H ±0,5% ±0,20 mm ±0,75 mm Figura 5.4 Tolerância das dimensões da alma e banzo Y ± 1,5 Figura 5.5 Tolerância do ângulo 54

74 A STEP, na chegada dos perfis da fábrica onde são produzidos, possui um conjunto de testes a realizar aos perfis, de forma a confirmar se os perfis estão de acordo com a Norma Europeia EN Contudo, estes testes deveriam ser realizados à saída da fábrica que os produz, que deveria enviar os perfis com a respectiva ficha de controlo, com certificado CE. Nas fichas de inspecção dos perfis pultrudidos, são analisados 10% perfis por lote e são verificados parâmetros tais como: Cor: Conforme encomenda; Dimensão: Conforme encomenda; Aspecto: Uniforme / Liso / Ausência de rebarbas; Análise química: Análise do certificado de análise; Análise estrutural: Ausência de fissuras, torção, empenos e roturas. Para além do controlo dimensional dos perfis, devem ainda ser executados testes destrutivos, de flexão e tracção, de acordo com a norma ISO Deve ainda ser realizado o teste de Barcol que consiste em avaliar a dureza de um material através da medida da resistência a penetração de uma ponta de aço forçada por uma mola. Este teste é realizado em qualquer parte do perfil, devendo ter um valor superior a 55. Caso os parâmetros estejam de acordo com o especificado, o lote de perfis é aceite. No Anexo II é mostrado um exemplo de uma ficha de inspecção dos perfis após fabrico. 5.3 Controlo dos perfis na preparação e aplicação em obra Na aplicação em obra, hoje em dia, o controlo é muito reduzido, pelo que, em seguida serão referidos alguns procedimentos relevantes a ter em conta na montagem dos perfis, para uma maior longevidade e durabilidade da estrutura: O transporte dos perfis do local de armazenamento dos perfis para o local de instalação deve der feito com cuidado, para que não ocorram danos nos perfis; Devem se verificados diversos aspectos na montagem, como o aperto dos parafusos (através de uma chave dinamométrica) e o controlo dimensional; As ligações devem estar preparadas, quer a nível de preparação das ligações (para as coladas e aparafusadas) quer a nível de furação dos perfis (para as aparafusadas). 55

75 No Anexo III é apresentada uma ficha de controlo de qualidade de preparação dos perfis para aplicação em obra. No Anexo IV é dado um exemplo de uma ficha de controlo de qualidade para montagem e instalação dos perfis, de forma a que a estrutura esteja conforme projecto Caso de Estudo: ETAR Olivais/Moscavide Na aplicação dos perfis em obra, o controlo de qualidade ainda é reduzido, pelo que, abordarse-ão alguns aspectos relevantes na instalação dos perfis. No Anexo IV é apresentada uma ficha de inspecção que deverá ser usada na instalação dos perfis. Os perfis de GFRP serão aplicados em quase toda a estrutura da ETAR, como passadiços, escadas de acesso, guarda-corpos. Na Figura 5.6 mostra-se uma planta dos passadiços da ETAR Olivais/Moscavide. Figura 5.6 Alçado (em cima) e planta (em baixo) do passadiço da Estação Elevatória de Olivais/Moscavide A maioria das ligações são aparafusadas, sendo rebitada na ligação dos guarda-corpos. O aperto nos parafusos é dado sem o uso de uma chave dinamométrica, pelo que, poderia correr-se o risco de esmagamento do perfil. Assim, usaram-se anilhas de protecção entre o parafuso e o perfil, de forma a distribuir melhor a força e não provocar o esmagamento, uma vez que a área de contacto parafuso perfil é maior. A Figura 5.7 demonstra a ligação aparafusada. 56

76 Figura 5.7 Ligação aparafusada dos perfis, com o pormenor do recurso a anilhas Os perfis são montados e cortados em obra, com recurso a uma rebarbadora. O corte deveria ser efectuado numa máquina de corte estática, de forma a que a superfície de corte fique perpendicular ao eixo de superfície. No fim da montagem, é feito um controlo dimensional, de forma a verificar se está de acordo com o projecto, como demonstra a Figura 5.8. Figura 5.8 Corte do perfil através da rebarbadora A Figura 5.9 demonstra o resultado de um impacto no perfil. Tal resultado dever-se-á ao mau acondicionamento e manuseamento dos perfis em obra, pois estes não tinham local próprio na 57

77 obra, estando encostados na própria estrutura. Contudo, o dano é meramente estético, não pondo em causa o desempenho em serviço e a durabilidade da estrutura. Figura 5.9 Dano provocado por impacto na base do passadiço A Figura 5.10 mostra o brilho típico dos perfis, brilho esse que vai desaparecendo ao longo do tempo, devido à radiação UV e à falta de envernizamento da superfície. Pode-se observar que não há fibras soltas, pelo que todas estão totalmente impregnadas na resina e com o devido tratamento de protecção à radiação UV. Figura 5.10 Brilho no corrimão do passadiço 58

78 A Figura 5.11 demonstra o recurso a uma chapa metálica para prender a base do passadiço à estrutura. Figura 5.11 Peça metálica que prende a base do passadiço à estrutura Em suma, os perfis de GFRP deverão ser montados, transportados e guardados com especial atenção, pois trata-se de um material mais frágil. 5.4 Durabilidade de estruturas em GFRP A longo prazo, é necessária uma inspecção regular à estrutura composta pelos perfis pultrudidos, de forma a verificar se a sua eficiência se mantém e se estão reunidos os requisitos mínimos para uma aceitável funcionalidade da estrutura. A Norma Europeia: EN descreve alguns níveis de aceitação para uma inspecção visual. De notar que esta descrição assenta em três pontos: As descrições e níveis de aceitação são avaliados a olho nu a uma distância de 0,4 m a 0,5 m; Os níveis de aceitação estão na base de não perigo de ruína nem afectação do desempenho mecânico; Alguns defeitos requerem um corte do perfil pultrudido para que possa ser examinado. De acordo com a EN devem ser verificadas as seguintes anomalias: 59

79 Bolha: As bolhas existentes na estrutura devem ser inferiores a 10 mm em cada direcção e não devem ser superiores a 15% da largura do perfil. Não deve existir mais que uma por cada 5m de comprimento de perfil. Fissura: Nenhuma fissura é permitida. Deve ser substituído o perfil. Buraco: Deverá ser inferior a 5 mm de diâmetro e 1 mm de profundidade. Não devem existir mais que 2 por cada metro de perfil para buracos entre 1 mm e 5 mm de diâmetro. Delaminação: Não é permitida delaminação. O perfil deve ser substituído. Depressão: A depressão não deverá exceder 0,20 mm. Não deve criar bordas afiadas nem perda de fibra. Caso os limites sejam excedidos, a anomalia deverá ser reparada. Brilho: A perda de brilho da estrutura é permitida, salvo se a causa for cura insuficiente. Camadas expostas: Camadas internas do perfil expostas devido à não cobertura pela manta permitido se for material de revestimento ou se a zona afectada não for superior a 20% da área a inspeccionar. Desalinhamento: Não permitido se este provocar um desalinhamento das fibras superior a 20% da espessura ou 1,5 mm para fora do plano. Fractura: Não é permitido qualquer tipo de fractura na estrutura. Corpos estranhos: Os corpos estranhos à estrutura (por exemplo areias) são permitidos caso não causem qualquer tipo de dano à superfície e sejam inferior a 5 mm em qualquer direcção. Não deve haver mais que um por cada metro de perfil. Fibras internas não impregnadas: Para a visualização desta anomalia é necessário que o perfil seja cortado. A anomalia é permitida desde que o diâmetro da área seja inferior a 0,5 mm e que a área total não seja superior a 2% da secção de corte. Fissuração interna: Esta fissuração interna é provocada pela retracção do material durante o processo de cura. São permitidas desde que a fissura não evolua para as camadas internas, ficando apenas num nível superficial. Porosidade interna: Permitido se a soma das áreas vazias for inferior a 2% da área de corte do perfil. Porosidade superficial: Permitido caso o vazio tenha menos de 0,4 mm de diâmetro e 0,4 mm de profundidade. Não devem existir mais de 5 vazios por cada 100 cm 2 e um máximo de uma área afectada por cada 0,3 m de perfil. Excesso de resina: Aceitável desde que o perfil passe nos testes à tracção e à flexão, pois torna-se uma zona com alguma fragilidade devido à falta de fibra de reforço, existindo apenas resina. Enegrecimento do perfil devido ao fogo: Permitido caso passe nos testes requeridos pela norma ISO 834 Testes de resistência ao fogo. Fibra em excesso fora do perfil: Permitido, desde que no processo de remoção do excesso de fibra não fiquem fibras à mostra e as tolerâncias dimensionais sejam garantidas. 60

80 Cura insuficiente: Não é permitido que o perfil tenha cura insuficiente. Ondulação na superfície: Permitido, caso das tolerâncias dimensionais sejam garantidas. No Anexo V apresenta-se uma ficha de inspecção com as anomalias e níveis de aceitação permitidos pela EN Caso de estudo: Estação do Rossio Os passadiços da cobertura da estação do Rossio foram construídos no ano A escolha deste material prendeu-se com o facto de terem um baixo peso e uma reduzida manutenção, condição essencial para a sua escolha. Os passadiços encontram-se ao longo de toda a cobertura, num total de 30 m. A maioria das ligações destes perfis são aparafusadas e rebitadas (sendo que os rebites apenas foram usados nas ligações das barras horizontais nos guarda-corpos). A estrutura é apoiada na cobertura em cada 3 m, tendo em cada 1,5 m de comprimento um perfil vertical que apoia o guarda-corpos, como mostra a Figura Figura 5.12 Vista geral dos passadiços da estação do Rossio 61

81 Na Figura 5.13 é possível ver o pormenor do recurso a anilhas para que não ocorra esmagamento do perfil quando este for apertado. Contudo, apenas se usou anilha na zona da porca, ficando a cabeça do parafuso em contacto directo com o perfil. Figura 5.13 Ligações dos perfis na cobertura da estação do Rossio Nos passadiços da estação do Rossio, a exposição à radiação UV foi o grande factor de degradação dos mesmos. De seguida, far-se-á um levantamento das anomalias encontradas nos perfis. Colonização biológica Nas zonas mais sombreadas dos passadiços, encontram-se algumas colonizações biológicas (Figura 5.14), não apresentando qualquer problema para a segurança e fiabilidade da estrutura, tendo apenas problemas a nível estético. A superfície deverá ser limpa. Figura 5.14 Colonização biológica nas escadas da Estação do Rossio 62

82 Fibras à mostra Uma das causas da exposição solar é o envelhecimento prematuro dos perfis, o que provoca uma degradação da superfície dos mesmos, deixando as fibras à mostra, como demonstra a Figura Figura 5.15 Fibras à mostra na superfície dos perfis Perda de brilho Outra das causas da exposição contínua da estrutura à radiação UV é a perda de brilho, tendo apenas problemas a nível estético (Figura 5.16) Figura 5.16 Perda de brilho dos perfis dos passadiços na Estação do Rossio 63

83 Fissuração As fissuras encontradas nos perfis (Figura 5.17) foram de dimensão bastante reduzida. O perfil deverá ser substituído, de acordo com a norma EN Figura 5.17 Fissuração dos perfis nos passadiços da estação do Rossio Fractura Alguns perfis apresentavam fracturas (Figura 5.18). Tal anomalia aconteceu, provavelmente, na fase de montagem. Devido à fragilidade que o perfil apresenta, de acordo com a norma, o perfil deverá ser substituído. Figura 5.18 Fractura num dos perfis horizontais do passadiço da Estação do Rossio 64

84 Folga excessiva nas ligações A folga excessiva nas ligações que a estrutura apresenta (principalmente nas ligações rebitadas) deve-se, sobretudo, à falta de manutenção que a estrutura tem, uma vez que desde a sua construção os perfis e as ligações ainda não foram revistos (Figura 5.19). Assim, as ligações devem ser substituídas. Figura Folga nas ligações (rebites e parafusos) dos perfis na Estação do Rossio Erro no corte dos perfis Durante a montagem dos passadiços, os perfis foram transportados para a obra e cortados in situ, o que poderá causar alguns erros, como o presente na Figura 5.20, em que a abertura do perfil para encaixe no perfil vertical que apoia o guarda-corpos foi mal executado. O perfil horizontal deve ser substituído. Figura 5.20 Erro de corte dos perfis 65

85 5.4.2 Caso de estudo: Centro Comercial Colombo O Centro Comercial Colombo construído no ano de 1997 possui uma zona pública onde foram aplicados perfis compósitos em vários elementos não estruturais (Figura 5.21). Desde então, nenhuma inspecção foi efectuada aos perfis. A escolha deste material foi feita por uma questão de arquitectura e, estando o material na cobertura (cobrem os ventiladores de desenfumagem), era necessário recorrer a um material leve e de baixa manutenção. Figura 5.21 Vista geral dos perfis de GFRP no C. C. Colombo A grande maioria dos perfis não apresenta fibras à mostra, devido ao correcto tratamento contra a radiação UV a que foram submetidos, como mostra a Figura Figura 5.22 Superfície dos perfis de GFRP, sem fibras à mostra 66

86 De seguida, é apresentado um registo fotográfico e uma descrição das anomalias e danos encontrados nos perfis. Corrosão dos parafusos Alguns parafusos apresentam um elevado nível de corrosão, devido à errada escolha no material dos mesmos. A corrosão poderá levar à sua rotura, bem como da respectiva ligação, como mostra a Figura Figura 5.23 Corrosão dos parafusos nas ligações Falta de anilhas nas ligações aparafusadas Alguns parafusos não possuem anilhas entre a cabeça do parafuso e o perfil, como mostra a Figura A falta desta anilha pode causar danos na superfície do perfil e do parafuso, caso o aperto seja excessivo. Nesse caso, a anilha distribui melhor a força do parafuso no perfil, não causando tantos danos nos perfis. 67

87 Figura 5.24 Pormenor da falta de anilhas nos parafusos Colapso de ligações Numa cobertura de exaustores não acessível, possivelmente devido à presença humana na mesma, algumas das ligações viga-pilar estão partidas (Figura 5.25). Figura 5.25 Colapso das ligações entre viga e pilar numa parte da cobertura 68

88 5.4.3 Caso de estudo: Oceanário de Lisboa Tratando-se de uma estrutura bastante solicitada a nível de cargas, procedeu-se a uma avaliação do estado da estrutura. Assim, de seguida, é apresentado um levantamento dos problemas encontrados na estrutura, com registo fotográfico. Flecha excessiva A flecha máxima permitida é de L/200 (em que L é o vão a vencer), sendo que a flecha que a estrutura apresenta é aparentemente (a olho nu) bastante superior à permitida (Figura 5.26). Figura 5.26 Flecha excessiva no passadiço do Oceanário Folga nas ligações Algumas ligações, principalmente as rebitadas na zona de guarda-corpos, apresentam folgas elevadas (Figura 5.27), pondo em causa a segurança de quem circula no passadiço. 69

89 Figura 5.27 Folga nas ligações do guarda-corpos do passadiço do Oceanário Uma vez que os perfis não estavam expostos à radiação UV não foram encontradas fibras à mostra nem houve perda de brilho dos perfis. Possivelmente, alguns dos perfis apresentam fissuras, mas, devido à grande limitação de circulação pela estrutura, devido ao stress causado aos animais, não foi possível fazer uma inspecção mais aprofundada. Esta estrutura é a mais delicada de todas as inspeccionadas pois apresenta vãos consideráveis para grandes cargas concentradas. 70