VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM BARRAS DE AÇO E ADESIVO EPÓXI

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1 VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM BARRAS DE AÇO E ADESIVO EPÓXI C. S. ALBUQUERQUE Engenharia Civil Universidade Estadual Vale do Acaraú Sobral-Ce; Brasi carla19matematica@gmail.com R. J. C. SILVA Professor Doutor Engenharia Civil Universidade Estadual Vale do Acaraú Sobral-Ce; Brasi ricardo.carvalho222@gmail.com A. G. DIÓGENES Professora Mestre Engenharia Civil Universidade Estadual Vale do Acaraú Sobral-Ce; Brasil aldeciragd@yahoo.com.br RESUMO O presente trabalho consiste em um estudo do reforço estrutural de vigas utilizando adição de barras de aço de diferentes diâmetros e adesivo estrutural de base epóxi. Para isto foram analisadas experimentalmente quatro vigas, trata-se de uma referencial, sem reforço, e três que foram reforçadas com barras de aço. Inicialmente, as vigas que receberam o reforço foram submetidas a um pré-carregamento a fim de provocar fissuras nas mesmas, posteriormente estas foram reforçadas e após o período de cura foram novamente ensaiadas pelo método de stuttgart juntamente com a viga referencial. Pretendeu-se através desta pesquisa confirmar a eficiência da aderência do reforço junto ao substrato, analisar a resistência mecânica e o mecanismo de ruptura das vigas ensaiadas. 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho faz uma análise da eficiência do reforço de vigas com o uso de barras de aço e adesivo estrutural de base epóxi partindo da comparação dos resultados de ensaio de uma viga de referência e três vigas reforçadas com diferentes diâmetros de aço e através desse viés, aponta as vantagens e desvantagens desse método de reabilitação. Para escolha da técnica de reforço levou-se em consideração, dentre outros fatores, a eficiência e disponibilidade de material e mão de obra, na região, também por ser um método de reforço pouco abordado na literatura técnica brasileira. Existem vários tipos de reforço no mercado, como adição de armadura, aplicação de chapas e perfis metálicos e colagem com fibra de carbono, mas a mais usada no estado do Ceará-Brasil ainda é a apresentada nesse trabalho. A proposta desta pesquisa é confirmar, dentre outras coisas, a eficiência do reforço de vigas através da adição de barras de aço e adesivo estrutural de base epóxi considerando a resistência mecânica, aderência, segurança e viabilidade econômica, aprofunda-se no estudo dessa técnica de reabilitação, apresentando algumas peculiaridades e por fim submeter às vigas ao método de ensaio de Stuttgart. A elaboração dessa pesquisa, é justificada pela necessidade de estudos mais aprofundados sobre métodos de reforço, tendo em vista contribuir para ampliar o conhecimento do comportamento destas peças, uma vez que a literatura técnica brasileira ainda deixa a desejar quanto a esse aspecto e para que se estabeleçam diretrizes mais precisas para este fim 1

2 Albuquerque et al, Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi 2. REFORÇO EM ESTRUTURAS DE CONCRETO De acordo com (Albuquerque [1]) são muitas as causa que podem levar uma viga de concreto armado necessitar de reabilitação, porém independente destas, pode-se distinguir dois tipos de reforço: o reforço ao momento fletor e o reforço ao esforço cortante. Para cada caso, já existem técnicas desenvolvidas e de eficiência garantida e outras mais novas que ainda necessitam ser mais profundamente estudadas. No caso da flexão, a necessidade de reabilitação pode surgir por insuficiência da armadura de tração ou por deficiência de mecanismos resistentes à compressão, quer seja pela baixa resistência do concreto ou por insuficiência de armadura na zona comprimida. No caso do esforço cortante, a menos que se esteja tratando de vigas com almas muito estreitas, é mais comum que o problema ocorra por insuficiência de armadura transversal. 2.1.Reforço mediante aplicação de barras de aço e adesivo estrutural A reabilitação de vigas através da adição de barras de aço e adesivo estrutural de base epóxi é objeto principal desse trabalho. De acordo com (Almeida [2]), essa técnica de reforço é executada sem aumento da seção e deve ser realizada por meio da abertura de sulcos longitudinais na face da viga que apresenta deficiência de armaduras. Nesses sulcos são introduzidas as armaduras de reforço, preenchendo-se, posteriormente, os espaços vazios com adesivo estrutural epóxi ou com argamassa expansiva de alta resistência, para evitar retração. As barras de aço podem ser adicionadas na face superior quando faltam armaduras de compressão ou de tração (devido ao momento fletor negativo) e na face inferior quando faltam armaduras de tração (devido ao momento fletor positivo). Dentre as principais vantagens desse reforço destacam-se o amplo conhecimento dos materiais e das técnicas utilizadas, o baixo custo quando comparado a outras técnicas de reforço e a rapidez na execução. Deve-se salientar que as armaduras podem ser distintamente solicitadas, especificamente se a viga não foi totalmente descarregada antes da intervenção (Albuquerque [1]). A escolha do adesivo a ser utilizado é importantíssima, pois uma grande parte do comportamento mecânico do reforço depende dele. Logo, é extremamente necessário conhecer as propriedades das resinas epóxidas, bem como seu funcionamento. Devido a sua consistência firme costuma se usar em obras a resina epóxi Sikadur 31, visto que esta não é tão fluida quanto às demais variações do produto, oferecendo a consistência ideal para reforço em elementos estruturais verticais, bem como na face inferior de vigas. Conforme o fabricante, não é necessário à aplicação de resina de imprimação neste sistema de reforço, nem a utilização de argamassa de regularização. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Não se pode dizer que o interesse pelas causas e formas de solucionar a degradação de estruturas de concreto armado é recente. Já em 1856, Robert Stevenson, presidente do Instituto Britânico de Engenharia, recomendava que os acidentes ocorridos devessem ser estudados, analisados e divulgados, pois nada seria tão útil e instrutivo para os profissionais da Engenharia como o conhecimento deles e os meios empregados em sua reparação. Apesar disso, somente após o colapso de grandes estruturas que ocorreram em todo o mundo, percebeu-se com mais intensidade o surgimento de empresas especializadas em diagnosticar as causas da degradação e as formas de reabilitar estruturas de concreto. Entretanto, ainda existe uma grande carência de conhecimento técnico a respeito de como se comportam as estruturas reabilitadas Ensaio No total foram ensaiadas 4 vigas (Tabela 1). Na primeira etapa dos ensaios, as três vigas que seriam reforçadas foram devidamente posicionadas na prensa hidráulica manual, onde receberam uma carga inicial de 5 kn, que logo em seguida foi retirada, procedimento realizado a fim de acomodar os materiais da viga e garantir a eficácia nos resultados do ensaio. Posteriormente, aplicou-se carga de forma progressiva até atingir o valor 50 kn com o intuito de pré-fissurar as vigas, uma por vez. 2

3 Albuquerque et al., Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi Vigas Reforço (mm) Armadura longitudinal (mm) Tabela 1 - Características das vigas ensaiadas Armadura f c f t transversal (MPa) (MPa) (mm) Carga de primeira fissura visível (kn) Carga de Ruptura (kn) Modo de ruptura V1 Sem reforço 2 Φ 8 6 Φ 6,3 38,6 4, Flexo cisalhamento V2 16,0 2 Φ 8 6 Φ 6,3 38,6 4,15-95 cisalhamento V3 12,5 2 Φ 8 6 Φ 6,3 38,6 4,15-90 cisalhamento V4 8,0 2 Φ 8 6 Φ 6,3 38,6 4,15-95 cisalhamento O reforço das vigas V2, V3 e V4 foi feita através da adição de barras de aço de 50 cm de comprimento e diâmetro de 16 mm, 12,5 mm e 8 mm, respectivamente, fixadas com o adesivo estrutural de base epóxi. O procedimento de reabilitação se deu logo após o pré-fissuramento das vigas, que em seguida foram posicionadas e receberam a prévia marcação de 52 cm centralizados, para aplicação do reforço, ver Figura 1. Inicialmente foram feitas aberturas de sulcos longitudinais na face da viga. No momento da abertura dos sulcos, os quatro estribos centrais foram cortados, a fim de que o aço utilizado como reforço pudesse ser fixado de forma correta. Vale salientar que tal procedimento não debilita a armadura transversal, visto que o adesivo estrutural promoverá a reabilitação destes, promovendo uma união eficiente entre aço e concreto. Em seguida, prosseguiu-se com a limpeza dos sulcos, de modo a eliminar qualquer resquício de material que pudesse interferir na aderência do reforço. Figura 1: Marcação de 52 cm para abertura dos sulcos. Fonte: CARNEIRO [3] O adesivo estrutural utilizado foi o Sikadur 31, visto que oferece a consistência ideal para reforço em elementos verticais. Para aplicação do reforço nas três vigas, foi utilizada uma embalagem (A+B) de 1 kg do produto. Inicialmente efetuou-se a homogeneização dos componentes A e B separadamente e, em seguida, foram misturados até obter um material uniforme, homogêneo e sem grumos. A mistura da resina de base epóxi (embalagem A) com o endurecedor (embalagem B), foi realizada manualmente por cinco minutos após a abertura dos sulcos, de acordo com as indicações do fabricante. Em cada sulco, foi aplicada, por meio de uma espátula, uma camada de aproximadamente 2 mm do adesivo estrutural epóxi, e logo após foi introduzido o aço de forma centralizada e equidistante dos extremos entre as armaduras positivas da viga, preenchendo-se, posteriormente, os espaços vazios com o mesmo produto. A Figura 2 ilustra as vigas já reforçadas em fase de cura de acordo a sugestão da norma brasileira de referência (NBR 5738 [4]). A terceira etapa dos ensaios ocorreu sete dias após a aplicação do reforço, período em que ocorre a cura final do adesivo estrutural. Verificava-se o surgimento de fissuras, bem como a evolução das já existentes, sempre as demarcando com o auxílio de um pincel na cor azul, procedendo-se dessa forma até à ruptura das vigas, conforme ilustram as Figuras 3, 4, 5 e 6. Desse modo, foi possível fazer uma análise do modo de ruptura, verificar a aderência do reforço e a resistência mecânica das mesmas. 3

4 Albuquerque et al, Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi Figura 2: Vigas, já reforçadas, em fase de cura. Fonte: CARNEIRO [3] Figura 3: Viga V1 após ruptura (Vruptura = 138 kn flexo-cisalhamento) Fonte: CARNEIRO [3] Figura 4: Viga reforçada V2 após ruptura (Vruptura. = 95 kn cisalhamento) Fonte: CARNEIRO [3] Figura 5: Viga reforçada V3 após ruptura (Vruptura. = 90 kn cisalhamento) Fonte: CARNEIRO [3] 4 Figura 6: Viga reforçada V4 após ruptura (Vruptura. = 95 kn cisalhamento) Fonte: CARNEIRO [3]

5 Albuquerque et al., Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados obtidos nos ensaios experimentais mostram os valores de resistência à compressão e à tração do concreto, bem como os mecanismos de ruptura das vigas submetidas ao ensaio de Stuttgart. Analisando-se esses resultados, foram identificadas as causas de ruptura do elemento estrutural e avaliada a eficiência do reforço aplicado. Nos ensaios de Stuttgart reproduzidos em laboratório, foram verificados dois mecanismos de ruptura nas vigas estudadas, a saber: flexo cisalhamento e cisalhamento. As três vigas que seriam reforçadas foram submetidas a um ensaio de pré-fissuração com aplicação de carga de 50 kn, posteriormente foram reabilitadas e, após o período de cura, submetidas ao ensaio de ruptura, enquanto a viga de referência foi submetida apenas ao ensaio de ruptura. A viga V1 é a referência como parâmetro de comparação para as demais vigas ensaiadas. Por meio do ensaio de Stuttgart, foi aplicada carga na viga a uma taxa de 10 kn em 10 kn. Sob um carregamento de 20 kn não se observou nenhuma fissura. Com o aumento do carregamento até 30 kn, o concreto sofreu plastificação e esgotou sua resistência à tração, ocasionando o aparecimento da primeira fissura. Ao prosseguir-se o ensaio, mais fissuras foram surgindo e as que já existiam eram intensificadas, quando as tensões normais de tração passaram a ser absorvidas pela armadura longitudinal. A viga manteve-se no carregamento de serviço até atingir 120 kn com o aparecimento de um total de 20 fissuras visíveis. Ao intensificar-se a carga, a viga sofreu a ruptura com uma carga de 138 kn e passou a apresentar 22 fissuras visíveis como mostra a Figura 3. A viga teve uma ruptura por flexo cisalhamento com deformação plástica excessiva do aço, isso se deve ao fato do espaçamento dos estribos terem sido possivelmente alterado, concentrando-se a maior parte destes próximo aos pontos de aplicação de carga, aumentando a resistência da viga à flexão e promovendo um rompimento por flexo cilhamento, em vez de rompimento por flexão, como era esperado. A viga V3, mostrada na Figura 5, assim como a viga V2 (Figura 4) e V4 (Figura 6) foi inicialmente pré-fissurada através de uma carga de 50 kn antes da aplicação do reforço onde surgiram 5 fissuras. Sua reabilitação consistiu na adição de aço de diâmetro 12,5 mm e adesivo estrutural de base epóxi. O aço foi inserido entre as armaduras positivas de forma centralizada distante 15 cm das extremidades e 4,37 cm das laterais. Na última etapa de ensaios, a viga V3 recebeu carga até a sua ruptura. Vale salientar que surgiram pouquíssimas fissuras entre os pontos de aplicação de carga como mostra a Figura 5, verifica-se, portanto, que o reforço foi eficiente protegendo a viga de uma ruptura por flexão e causando pouca deformação nesta, uma vez que a armadura longitudinal não atingiu seu patamar de escoamento, mantendo-se no regime elástico. A peça rompeu por cisalhamento devido à baixa taxa de armadura transversal, como já era esperado. O que se pode destacar da viga V4 e V3, assim como na viga V2 em comparação com a viga V1, é o fato do aparecimento de fissuras na região de flexão pura ter sido imensamente reduzido. Quanto à carga de ruptura de V3 ter sido inferior a de V1, existem algumas possíveis explicações para isso, a saber: o pré-fissuramento pode ter reduzido a resistência mecânica da viga V3, provocando uma deformação plástica da mesma. Através dos resultados dos ensaios, pode-se observar que o mecanismo de ruptura das vigas reforçadas (V2, V3 e V4) foi por cisalhamento, o corte dos estribos reduziu a resistência ao cisalhamento das vigas e a carga de ruptura destas pode se considerar que foi a mesma, uma vez que apenas a viga V3 teve uma pequena variação no valor, sendo este 90 MPa, que pode ser desconsiderado, visto que ficou muito próximo da média das cargas de ruptura das vigas reforçadas de 93,3 MPa. Portanto, percebe-se que a diferença de diâmetro do aço não alterou nem na aderência do reforço, nem no aumento da resistência mecânica da viga Análise das tensões das vigas através do software sap 2000 O nome SAP tem sido sinônimo de state-of-the-art (métodos analíticos), desde a sua introdução a mais de 30 anos atrás. O SAP 2000 é um software de análise tridimensional de estruturas, que permite a utilização de análises lineares e nãolineares estáticas e dinâmicas. Possui técnicas analíticas avançadas para permitir passo a passo a análise de grandes deformações e é utilizado no dimensionamento de pontes, edifícios, estádios, barragens, estruturas industriais, estruturas marítimas e qualquer outro tipo de infraestrutura que necessite ser analisada e dimensionada. O software foi criado pelo 5

6 Albuquerque et al, Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi Prof. Edward L. Wilson da Universidade da Califórnia, depois passou a ser desenvolvido pela empresa Computers and Structures (CSI) Viga referencial (V1) A figura 7 ilustra o mapa de fissuras da viga referencial ao receber carga de 30 KN, quando apareceram as primeiras fissuras visíveis. Esta rompeu com carga de 138 KN e seu mecanismo de ruptura foi através do flexo cisalhamento. Ao aplicar carga de 30 kn na viga referencial, as tensões de tração mostradas na figura 8 foram de aproximadamente 4,83 MPa na região entre o ponto de aplicação de carga e o apoio, área onde ocorre as rupturas por cisalhamento. Figura 7: Primeiras fissuras visíveis na viga V1 ao aplicar carga de 30 kn Figura 8: Tensões de tração da viga V1 (referencial) ao aplicar carga de 30 kn Vigas pré fissuradas com carga de 50 kn (V2, V3 E V4) A figura 9 ilustra o mapa de fissuras das vigas pré fissuradas com carga de 50 kn, estas romperam por cisalhamento com carga de 95 kn. Aplicando-se carga de 30 kn nas vigas previamente fissuradas percebe-se que as tensões de tração na região entre o ponto de aplicação de carga e o apoio da viga foi de 7,80 MPa, como mostra a figura a 10. Ou seja, os estribos das vigas fissuradas que ficam na região de esforço cortante recebem 40% a mais do valor de carga aplicado aos estribos da viga referencial situados na mesma área, o que deve ter provocado a ruptura por cisalhamento nas peças. 5. CONCLUSÃO O carregamento para primeira fissura obtido a partir do cálculo da resistência à tração sugerida pelanorma brasileira de referência (NBR 6118 [5] ) teve um resultado 42% menor quando comparado ao carregamento obtido através do ensaio de resistência a tração Brasilian test e quando comparado ao resultado médio de carregamento obtido nas vigas através do ensaio de Stuttgart, este apresentou um valor 35% inferior. Através dos resultados percebe-se que a norma 6

7 Albuquerque et al., Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi é bastante conservadora trabalhando sempre a favor da segurança. Também baseado nesses dados verificou-se que as vigas no ensaio a flexão apresentam fissuras bem antes que seja possível observá-las. A reabilitação por meio da adição de barras de aço e adesivo estrutural de base epóxi se mostrou muito eficiente, uma vez que a aderência do reforço junto ao substrato foi satisfatória, considerando que as vigas que foram reforçadas (V2, V3 e V4) permaneceram com a região do reforço praticamente intactas e a quantidade de fissuras na região de flexão pura foi bastante reduzida, protegendo a viga de uma ruptura por flexão e causando pouca deformação nesta, uma vez que a armadura longitudinal não atingiu seu patamar de escoamento, mantendo-se no regime elástico. Por conta disto o mecanismo de ruptura foi modificado, tendo em vista que a viga de referência rompeu por flexo cisalhamento enquanto que as vigas reabilitadas romperam por cisalhamento. Figura 9: Vigas pré fissuradas ( V2, V3 e V4) ao aplicar carga de 50 kn Figura 10: Tensões de tração das vigas pré fissuradas ao aplicar carga de 30 kn 7

8 Albuquerque et al, Vigas de concreto armado reforçadas com barras de aço e adesivo epóxi Vale salientar que se esperava que a viga de referência rompesse por flexão, uma provável explicação para o ocorrido se deve ao fato do espaçamento dos estribos terem sido possivelmente alterados, concentrando-se a maior parte destes próximo aos pontos de aplicação de carga aumentando a resistência da viga a flexão e promovendo a ruptura por flexo cisalhamento ao invés de rompimento por flexão. De acordo com a análise das tensões atuantes nas vigas por meio do software SAP 2000, verificou-se que os valores das tensões de tração na região entre ponto de aplicação de carga e apoio chegaram a ser 40% maiores nas vigas pré fissuradas, ou seja os estribos localizados nessa região receberam uma quantidade de carga 40% mais intensas, quando comparados aos estribos da viga referencial situados na mesma região, considerando que a área de aço é a mesma para todas as vigas, justificando, portanto, a ruptura por cisalhamento para estas. Desse modo, conclui-se que o pré fissuramento diminui a capacidade portante da viga, pois de acordo com a lei de Hooke a tensão é diretamente proporcional a deformação específica, tornando-se, portanto, necessário para este tipo de reabilitação aplicação de reforço para solicitações de flexão e cisalhamento, a fim de garantir maior resistência mecânica as peça. De um modo geral pode-se afirmar que o reforço por meio da adição de barra de aço e resina epóxi é eficiente principalmente quanto à aderência, que se mostrou satisfatória considerando que o adesivo estrutural não apresentou retração plástica e não houve arrancamento do reforço. Verificou-se também que o aumento do diâmetro das barras de aço utizadas como reforço não alterou a resistência mecânica da peça nem apresentou variações quanto a aderência reforço/ substrato. A reabilitação apenas mudou o mecanismo de ruptura das vigas alertando para a aplicação de um reforço para a armadura transversal a fim de combater também o esforço cortante para que desse modo à reabilitação seja ainda mais eficaz. 6. REFERÊNCIAS [1] ALBUQUERQUE, C.S.; SILVA, R. J. C. Estudo teórico de reforço de vigas de concreto armado. Essentia, Sobral, vol. 16, n 1, p , jun./nov [2] ALMEIDA, T. G. M. Reforço de vigas de concreto armado por meio de cabos externos protendidos. Universidade de São Paulo. São Carlos, [3] CARNEIRO, D. C. Estudo Teórico-Experimental do reforço de vigas através da adição de barras de aço e adesivo epóxi. Universidade Estadual Vale do Acaraú UVA. Sobral, [4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. Procedimento para moldagem e cura de corpos-de-prova. NBR 5738, Rio de Janeiro, [5] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. Projeto de estruturas de concreto - Procedimento NBR 6118, Rio de Janeiro,