REABILITAÇÃO DE VIGAS DE MADEIRA COM ARGAMASSA EPOXÍDICA ARMADA

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1 REABILITAÇÃO DE VIGAS DE MADEIRA COM ARGAMASSA EPOXÍDICA ARMADA António C. R. Duarte Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, Departaento de Engenharia Civil, Portugal João H. O. Negrão Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coibra, Departaento de Engenharia Civil, Portugal Helena M. P. Cruz Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal RESUMO Apresenta-se nesta counicação u sistea de reabilitação de vigas de adeira que consiste na substituição das partes deterioradas por segentos novos do eso aterial, os quais são ligados às partes aproveitáveis co argaassa epoxídica arada. A análise experiental realizada incidiu sobre o coportaento e flexão da ligação, utilizando-se diversos tipos de aradura. Co base nas conclusões recolhidas concebeu-se u odelo analítico de diensionaento do sistea de reabilitação que se revelou adequado. 1. INTRODUÇÃO A reparação e o reforço de estruturas de Engenharia Civil te assuido ua iportância crescente nos últios anos. Actualente, uitas estruturas necessita de reabilitação por tere ultrapassado o período de vida útil, apresentando patologias próprias do envelheciento, ou por evidenciare sinais de degradação preatura devida a falta de anutenção, erros de projecto, construção deficiente ou a causas acidentais. A necessidade da recuperação do patriónio construído exige cada vez ais o desenvolviento de técnicas de reforço e reabilitação. Este assunto te especial interesse na recuperação de construções de relevância histórica, nas quais as intervenções deverão respeitar a natureza e a concepção original da obra. Apresenta-se nesta counicação u sistea de reabilitação de eleentos estruturais e adeira. Este consiste na extracção das partes deterioradas e na sua substituição por novos segentos do eso aterial, os quais são ligados às partes aproveitáveis através de argaassa epoxídica arada. Fora experientadas araduras de diferentes ateriais, noeadaente, varões de aço de construção A4 NR, varões roscados de aço inox e varões pultrudidos de fibra de vidro (GFRP). O sistea desenvolvido perite intervenções pouco intrusivas e é especialente adequado à reabilitação de estruturas de adeira degradadas por agentes biológicos. Esta anoalia é

2 x frequente e estruturas antigas e ocorre principalente nas zonas das entregas das vigas, peranecendo a parte restante dos eleentos e boas condições de conservação. A utilização desta técnica iniciou-se na década de 8, não existindo ainda u conheciento copleto e consensual acerca da esa, quer sob o ponto de vista teórico quer experiental. As bases de cálculo são ainda insuficientes e e alguas situações de reparação o diensionaento do sistea não é sequer efectuado (Geert, 1987). Na prática, o sistea de reabilitação pode ser concretizado de diversas foras, sendo couns a todas elas alguns trabalhos fundaentais (Freas, 1982). 2. CARACTERIZAÇÃO DA LIGAÇÃO ENTRE ELEMENTOS DO SISTEMA A ligação entre os eleentos do sistea de reabilitação, noeadaente a dos segentos de adeira novos aos antigos, é efectuada ediante a colocação de aradura e entalhes praticados nas extreidades a unir, os quais são depois preenchidos co argaassa epoxídica. Para efeito da análise experiental ensaiou-se a ligação entre dois segentos de adeira, separados por ua junta de 1 de espessura preenchida co argaassa epoxídica, tal coo é representado na Figura 1 para o caso particular de vigas co secção bxh=75x A aradura de reforço da argaassa era constituída por três varões 1 de aço A4 NR, dispostos e três caadas (vigas V1 a V5). Para elhorar a aderência, decapara-se os varões co jacto de areia seguido de lipeza final co catrabucha de arae, processo que lhes conferiu ua superfície rugosa e isenta de sinais de corrosão. A B C a A B C b Corte longitudinal Corte AA Corte BB a Corte CC a b b a b Argaassa Varões 1 de aço A4 NR Cortes transversais Cotage e Figura 1 - Sistea de reabilitação incorporando varões A4 NR Ebora antendo a concepção de base, a ligação da Figura 1 sofreu alguas adaptações nos casos das vigas aradas co aço inox (vigas V6 e V7) e co perfis de copósito reforçado co fibra de vidro GFRP (vigas V8 e V9). Nestes casos usara-se vigas de adeira co

3 h secção bxh=75x11 2, justificando-se a alteração apenas pela necessidade econóica de aproveitar adeira disponível. A aradura de aço inox era constituída por dois varões roscados M14 dispostos e duas caadas, enquanto a aradura GFRP integrava 6 varões 5 dispostos e 3 caadas. Antes da aplicação os varões fora criteriosaente lipos e, no caso da aradura GFRP, as suas superfícies lixadas. Para abos os tipos de aradura, fixou-se o afastaento livre entre varões nua quantidade igual ao diâetro noinal e atribuiu-se o eso valor ao recobriento do varão extreo e relação ao canto inferior da viga. 3. RESISTÊNCIA À FLEXÃO DO SISTEMA DE REABILITAÇÃO 3.1. Ensaios de flexão Inicialente ensaiou-se u conjunto de cinco vigas de adeira aciça (Pinus Pinaster, Ait) de secção bxh=75x125 2, subetendo-as à rotura por flexão. Posteriorente, as esas vigas fora reabilitadas, através do sistea de junta apresentado na Figura 1, e sujeitas a nova série de ensaios de flexão. Adicionalente, fora ensaiadas quatro vigas de secção bxh=75x11 2 incorporando araduras de ateriais alternativos, duas delas aradas co varões roscados de aço inox e as outras duas aradas co varões pultrudidos de fibra de vidro. Os ensaios fora conduzidos de acordo co a nora EN 48, apresentando-se na Figura 2 o esquea de ensaio estático. Alé do oento últio de rotura, fora deterinados o ódulo de elasticidade global e o ódulo de elasticidade local relativo ao terço central da viga. Na operação de reparação as partes danificadas fora reovidas, o que só foi possível por as vigas originais possuíre coprientos superiores ao estritaente necessário à satisfação das diensões do esquea estático da Figura 2. a = 6h 1,5h F 2 6h F 2 a = 6h 1,5h F 2 l = 18h 3h Figura 2 - Esquea de ensaio de flexão segundo a EN 48 F 2 Na Figura 3 apresenta-se, a título de exeplo e para a viga V1, o traçado da relação entre a força actuante e o deslocaento vertical provocado a eio vão. No diagraa sobrepôs-se o traçado da viga reabilitada ao traçado hoólogo obtido no ensaio da esa viga e estado original, peritindo-se a fácil coparação de coportaentos antes e depois da reabilitação. E todas as vigas originais ensaiadas (adeira aciça) observou-se ua relação aproxiadaente linear entre a força aplicada e os deslocaentos provocados. Depois de reabilitadas co aradura de aço A4 NR, o coportaento das vigas caracterizou-se por rotura do tipo dúctil devido à cedência da aradura na secção da junta de ligação. A plastificação dos varões de aço perite a rotação de corpo rígido das duas partes da

4 Força F, (kn) Força F, (kn) viga e a abertura de ua fenda extensa na parte inferior da secção, forando-se ua rótula plástica (Figura 4). A rotura por plastificação da aradura é própria de vigas sub-aradas, sendo possível auentar a eficácia do sistea de reabilitação através do reforço da aradura. No entanto, o excessivo reforço poderá conduzir à odificação do odo de rotura. Outras causas possíveis de ruína estrutural são o esagaento por copressão da argaassa ou da adeira, a rotura da adeira por tracção paralela ou perpendicular às fibras, a rotura da aderência argaassaaradura e a rotura da aderência argaassa-adeira. 6 Diagraa F-w V 1 Maciça V 1 Reabilitada Deslocaento vertical a eio vão, w () 12 Figura 3 - Diagraas força deslocaento da viga V1, antes e depois da reabilitação Figura 4 Modo de rotura das vigas aradas co aço A4 NR A Figura 5 refere-se aos diagraas força-deslocaento das vigas reabilitadas co aço inox, nas quais se utilizou a aior percentage de aradura. Não obstante os varões de aço inox apresentare ua rotura dúctil, a plastificação da secção da junta de ligação da viga é apenas incipiente no caso da viga V6 e não conseguida no ensaio da V7. A elevada percentage de aradura adiou a plastificação e peritiu a anifestação de outras fragilidades do eleento estrutural. 45 Diagraa F-w V 6 V 7 Deslocaento vertical a eio vão, w () 25 Figura 5 - Diagraas força deslocaento das vigas V6 e V7 reabilitadas Figura 6 Modo de rotura das vigas aradas co aço inox Nas duas vigas a rotura iniciou-se nas fibras traccionadas da adeira, exteriorente ao sistea de reabilitação, forando-se ua fenda inclinada direccionada à parte superior da junta de ligação. A causa principal da rotura foi a fraca resistência da adeira na direcção perpendicular ao fio, confore se pode observar na Figura 6. Ao longo da fenda forada observa-se a

5 Força F, (kn) fractura da argaassa epoxídica e rotura localizada da aderência entre esta e a adeira. A aderência entre a aradura e a argaassa revelou-se eficaz, observando-se que os varões se antinha perfeitaente envolvidos eso após a rotura. Relativaente às vigas reabilitadas co GFRP, a relação entre a força aplicada e o deslocaento no vão é inicialente linear as observa-se a rápida perda de rigidez quando a rotura se aproxia (Figura 7). Os varões GFRP apresenta u coportaento perfeitaente elástico o que não favorece a plastificação da secção de junta. Abos os eleentos de teste coportara-se de fora idêntica, sendo os encionados diagraas sobreponíveis entre si. E abas as vigas ensaiadas, V8 e V9, a ruína foi devida principalente à perda de aderência da aradura, facto que se encontra be docuentado pela Figura 8. 3 Diagraa F-w V 8 V 9 Deslocaento vertical a eio vão, w () 3 Figura 7 - Diagraas força deslocaento das vigas V8 e V9 reabilitadas Figura 8 Modo de rotura das vigas aradas co GFRP 3.2. Cálculo analítico do oento de rotura A odelação analítica do coportaento e flexão da secção de junta do sistea de reabilitação perite o cálculo do oento últio de rotura, o qual poderá ser coparado co os valores hoólogos obtidos experientalente. O odelo de cálculo adoptado fundaentase no equilíbrio estático das tensões desenvolvidas na secção, aditindo-se que esta peranece plana na deforação. Na Figura 9 e na Tabela 1 caracteriza-se as relações constitutivas dos ateriais. f f u,c u,t Madeira u,c f u,t f r f u r,c Argaassa f s Aço f g s s g u y u r r y,c u,c r s s f u,t f y = fu GFRP f u g Figura 9 - Relações constitutivas dos ateriais As propriedades ecânicas assuidas no cálculo fora deterinadas através de ensaios dos ateriais ou recorrendo a fichas técnicas dos esos, quando disponíveis. O ensaio de vigas

6 de adeira aciça peritiu a deterinação das propriedades da adeira, aplicando a etodologia definida na EN 48. A capanha experiental incluiu o ensaio de provetes de argaassa epoxídica à copressão e o ensaio de tracção de varões etálicos e copósitos. Tabela 1 - Propriedades ecânicas dos ateriais (valores édios) Argaassa A4NR Inox GFRP Madeira Módulo de elasticidade (MPa) Tens. de rotura à tracção (MPa) Tens. de rotura à copressão (MPa) Extensão li. proporcionalidade ( / ) 3,47 2,75 5,53 18,51 6,1 Extensão últia ( / ) 6,1 1, 1, 18,51 6, Interpretação de resultados Na Tabela 2 apresenta-se os oentos de rotura por flexão, obtidos experientalente e analiticaente. Tabela 2 - Moentos de rotura (Duarte, 24) Moentos de rotura (kn.) Descrição Viga Vigas Reabilitadas Vigas Maciças Ensaio Analítico Ensaio EC5 (2) V1 9,3 19,9 V2 9,2 13, Vigas de secção 75x125, V3 9,4 22,2 1,5 aradas co aço A4 NR V4 8,9 13,6 5,3 V5 8,2 15,1 Média 9, 16,8 V6 9,9 Vigas de secção 75x11, V7 7,5 aradas co aço inox Média 8,7 1,6 13,7 (1) 4,1 V8 6,6 Vigas de secção 75x11, V9 6,5 aradas co GFRP Média 6,6 7,5 13,7 (1) 4,1 (1) Valor extrapolado a partir dos ensaios de vigas originais 75x125, aditindo a esa tensão áxia e coportaento elástico (2) Valor de cálculo segundo o Eurocódigo 5 para adeira de pinho de classe EE (NP 435) Coparando os oentos resistentes antes e depois da reabilitação, verifica-se que o oento últio decresceu cerca de 46% nas vigas reabilitadas co aço A4 NR. No caso das vigas aradas co aço inox, essa percentage foi de 36% e, para as vigas reabilitadas co GFRP, de 52%. Estas relações depende fundaentalente da percentage da aradura, ais que do tipo de varões. E especial no caso de vigas reabilitadas co aço A4 NR, a secção da junta é claraente sub-arada, havendo a possibilidade de se auentar o oento últio através do reforço da aradura.

7 U outro facto que justifica a diferença entre o coportaento ecânico das vigas antes e depois de reabilitadas é a superior qualidade da adeira utilizada, que pouco influencia o coportaento da secção crítica do sistea de reabilitação. Apesar da redução de oento resistente ser significativa, o sistea de reabilitação é viável devido aos oentos últios de ensaio sere todos aiores que o oento de cálculo da secção de adeira, obtido através do Eurocódigo 5. Na prática, este esforço nunca será ultrapassado durante a vida da estrutura, de acordo co a etodologia regulaentar de diensionaento. Não obstante o núero de ensaios ser insuficiente para peritir ua análise estatística fiável, siulou-se o cálculo do valor característico inferior da variável oento de rotura para o caso das vigas reabilitadas co aço A4 NR. Obteve-se o valor de 8,2 kn para este parâetro de resistência e, considerando u factor parcial de segurança relativo aos ateriais de M =1,1 por a rotura estar associada à cedência das araduras, é previsível que o oento resistente de cálculo obtido experientalente seja aproxiadaente 7,4 kn. O valor anterior é directaente coparável co o oento de cálculo da secção de adeira aciça obtido segundo o Eurocódigo 5, excedendo-o e 41%. Este facto indicia ais ua vez a segurança do sistea de reabilitação, considerando a etodologia aprovada de diensionaento de estruturas de adeira. O oento de rotura das vigas reabilitadas é próxio do obtido analiticaente através do odelo de cálculo concebido. Para o caso das vigas aradas co aço A4 NR, a rotura ocorreu para u oento édio aproxiadaente igual a 85% do oento calculado, as é possível auentar a concordância através de u estudo ais aprofundado do coportaento dos ateriais. No caso das vigas aradas co aço inox esta percentage foi de 82% e, para as vigas reabilitadas co GFRP, de 88%. Algua discrepância deve-se à rotura por flexão não ter sido alcançada, tendo a ruína sido antecipada pela conjugação de outras causas não consideradas no odelo, noeadaente, fractura da argaassa, perda de aderência entre os ateriais envolvidos e tracção perpendicular ao fio na adeira. No ensaio da viga V6 obteve-se u oento últio inferior e apenas 7% ao oento de rotura calculado, o que deonstra a adequação do odelo de análise na ausência de outros odos de ruína que anteceda a rotura por flexão. 6. NOTAS FINAIS Os resultados da análise experiental coprovara a eficiência do sistea de reabilitação e encoraja o desenvolviento de novas investigações. O conheciento adquirido serve para fundaentar a proposta de alguas alterações do sistea co o objectivo de auentar o oento resistente últio. Coo exeplo refere-se a copensação da fraca resistência perpendicular ao fio da adeira através da disposição de araduras transversais na placa de argaassa. A cintage da adeira nas secções críticas tabé poderá ser recoendável nos casos e que tal seja esteticaente aceitável. A utilização de varões roscados de aço inox é ua boa alternativa relativaente ao eprego de aço A4 NR. A rosca dos varões torna a aderência da argaassa epoxídica ais eficiente e o facto do aterial não enferrujar dispensa a decapage, sendo suficiente a lipeza siples da

8 sujidade superficial. Alé disso, a resistência à tracção é bastante superior à verificada nos varões correntes. Os varões GFRP, apesar de uito resistentes, possue baixo ódulo de elasticidade, o que se anifesta na elevada extensão últia do aterial. Na zona envolvente da aradura observase a fissuração exagerada da argaassa devida à dificuldade desta e acopanhar as deforações ipostas. Este facto e a baixa rugosidade da superfície dos varões GFRP prejudica a aderência entre os dois ateriais. O odelo de cálculo deduzido constitui u eio útil no diensionaento e concepção de sisteas de reabilitação seelhantes ao agora ensaiado. O odelo poderá ainda ser apriorado através da investigação aprofundada do coportaento dos ateriais. Alé da eficiência, abona e favor da solução a possibilidade do desenvolviento de ua etodologia de execução siples e barata, recorrendo a eleentos de aradura préfabricados e de fácil posicionaento. O trabalho de investigação encontra-se e curso, debruçando-se actualente sobre a análise da aderência entre a argaassa e os outros ateriais envolvidos, noeadaente os varões da aradura e a adeira. No caso da aderência argaassa-adeira, será analisada a influência da variação do teor e água devida a alterações extreas das condições abientais. 7. AGRADECIMENTOS Os ensaios experientais fora realizados no Laboratório de Estruturas do Departaento de Engenharia Civil da Universidade de Coibra, tendo contado co o epenho dos funcionários da instituição. Duas epresas contribuíra co ateriais consuidos no fabrico de provetes, noeadaente, a SIKA, que ofereceu ua parte da argaassa epoxídica utilizada, e a ROTAFIX, epresa britânica que forneceu e condições especiais varões pultrudidos e fibra de vidro. 8. REFERÊNCIAS Geert, D. V.; Bosch, M. V. Structural restoration oh wooden beas by eans of epoxi resin, Materials and Structures / Materiaux e Construction, 1987 Freas, A.; Evaluation, Maintenance and Upgrading of Wood Structures. A guide and Coentary, ASCE, 1982 EN , Tiber Structures Structural tiber and glued lainated tiber Deterination of soe physical and echanical properties, CEN NP ENV Eurocódigo , Projecto de estruturas de adeira, Parte 1.1: Regras gerais e regras para edifícios, IPQ NP , Madeira serrada de pinheiro bravo para estruturas Classificação visual, IPQ Duarte, A.; Reabilitação de eleentos estruturais de adeira co argaassa epoxídica arada. Tese de dissertação de estrado apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coibra, 24