J. APPLETON Prof. Catedrático IST Lisboa

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1 Encontro Nacional Betão Estrutural ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA TÉCNICA DE ENCAMISAMENTO LOCALIZADO NA REPARAÇÃO OU REFORÇO DE PILARES DE BETÃO ARMADO COM RECURSO A CHAPAS DE AÇO OU MANTA DE FIBRAS DE CARBONO A. CARDOSO Investigador LNEC Lisboa J. APPLETON Prof. Catedrático IST Lisboa S. POMPEU SANTOS Coordenador LNEC Lisboa SUMÁRIO Apresentam-se nesta comunicação alguns dos resultados de um estudo experimental sobre encamisamento localizado de pilares, que decorreu no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). Este estudo incidiu sobre a utilização da técnica selectiva de reforço do encamisamento localizado em secções rectangulares de pilares. As principais variáveis estudadas, entre outras, foram: o nível de dano, o material utilizado no encamisamento e a comparação da eficiência da técnica objecto de estudo em relação ao aumento do nível de cintagem na zona da rótula plástica. 1. INTRODUÇÃO As intervenções de reforço/reparação de estruturas são cada vez mais comuns havendo toda a conveniência na realização de estudos que contribuam para o esclarecimento do comportamento dos elementos reforçados, em especial em regime não linear, bem como da influência das metodologias de aplicação. Em relação às operações de reparação/reforço de pilares de betão armado existem duas grandes possibilidades: a primeira, relativa a intervenções que envolvam um aumento significativo do momento resistente, sendo estes casos vocacionados para intervenções do tipo global na

2 Encontro Nacional Betão Estrutural estrutura; e um segundo tipo que privilegia o aumento de ductilidade, proporcionando também um pequeno aumento da resistência, sendo mais vocacionado para intervenções selectivas na estrutura. Este tipo de reforço selectivo incide, normalmente, nas zonas das rótulas plásticas. O encamisamento localizado é uma das técnicas vocacionadas para intervenções pontuais em processos de reforço ou reabilitação estrutural ao privilegiar o aumento da ductilidade, podendo também proporcionar um pequeno aumento da resistência A melhoria da ductilidade proporcionada pelo encamisamento localizado advém do aumento do confinamento na zona de potencial formação de rótulas plásticas. Um dos factores que influencia a rigidez do pilar reparado/reforçado é o tipo de material utilizado no encamisamento. Assim, uma das variáveis do estudo experimental é a utilização de chapas de aço e de materiais compósitos, nomeadamente mantas de fibras de carbono (CFRP). A inexistência de experiência efectiva no comportamento destas soluções, em especial, no que se refere ao comportamento em fase última, faz que exista uma grande necessidade de trabalhos de investigação nesta área, em particular de âmbito experimental. De referir a conveniência de aferir a eficiência da técnica em secções rectangulares, quer na óptica do aumento de ductilidade, quer sob o ponto de vista do aumento de resistência [1]. 2. UMA BREVE DESCRIÇÃO DO ESTUDO EXPERIMENTAL O estudo experimental consistiu num programa de ensaios sobre um conjunto de provetes. Os provetes tinham todos a mesma armadura e secção por forma a minimizar as variáveis em estudo. Como principais elementos de caracterização dos provetes apresenta-se, no quadro 1, a percentagem efectiva da armadura longitudinal, a percentagem da armadura transversal e a razão da volumétrica da armadura transversal. Quadro 1 Principais características dos provetes em termos de armaduras Percentagem efectiva da armadura 1,34 % longitudinal Percentagem da armadura transversal 0,13 % Razão volumétrica da armadura 0,28 transversal Procurou-se que os provetes fossem representativos de pilares correntes em edifícios. Assim, eram formados por uma consola com um maciço de fundação permitindo a semelhança com pilares cujo ponto de inflexão se situe a meia altura, ou seja, que tenham idêntica rigidez nos nós. A forma a secção adoptada foi de 0,30 m x 0,30 m. A altura da consola é tal que, a relação entre esta e a altura da secção, esteja no domínio da rotura por flexão. A distancia da secção de encastramento em relação ao ponto de aplicação da força é 1,5 m. Os provetes foram extensamente instrumentados. Foram instalados extensómetros eléctricos nas armaduras a diversos níveis na zona da rótula plástica. Também se procedeu a um longo trabalho de caracterização de todos os materiais intervenientes, quer na execução dos provetes quer no encamisamento e na reparação dos danos impostos.

3 Encontro Nacional Betão Estrutural Em termos de história de carga adoptou-se uma imposição de deslocamento cíclica com amplitudes de deslocamento simétricos e deslocamentos alternados associados, sendo a grandeza do crescimento do deslocamento correspondente ao deslocamento de cedência. Esta opção permitiu que a história de carga esteja directamente associada ao coeficiente de ductilidade em deslocamento. Procurou-se nos provetes simular as condições reais de funcionamento dum pilar. Assim surgiu a necessidade de desenvolver um sistema de carga vertical que permitisse manter a carga aplicada por um período de tempo longo. Com esse sistema foi possível executar operações de reparação ou de retrofitting nos provetes com uma maior aproximação da realidade das intervenções de reparação ou reforço nas estruturas. Neste estudo utilizaram-se nove provetes. Algumas das variáveis de estudo encontram-se resumidas no Quadro 2, nomeadamente a existência de dano, o tipo de material utilizado no encamisamento, a técnica de reforço ou mesmo ausência de intervenção, no caso do provete que serviu de referência. Quadro 2 Sistematização das intervenções de reforço nos diversos provetes Encamisamento Encamisamento metálico com Sem encamisamento com manta de fibra de carbono chapas de aço Sem intervenção Com dano e aumento das cintas Sem dano Com dano Sem dano Com dano P1 P9 P2 P5 P4 P3 - - P6 P8 P7 - Nos quadros 3 a 5 apresenta-se um resumo das intervenções nos diversos provetes. O provete de referência foi o provete P1, não tendo tido qualquer tipo de intervenção. O provete P9 foi sujeito a um dano prévio tendo sido posteriormente reparado e reforçado com cintas complementares. Este provete permitiu a comparação em termos de eficiência entre a técnica objecto de estudo a sua alternativa mais provável que é o recurso a cintas complementares na zona da rótula plástica. Provete P1 P9 Quadro 3 Resumo das intervenções nos provetes sem encamisamento Tipos de Intervenção Sem intervenção. Danificação prévia com destaque do betão de recobrimento e cedência das armaduras (Dano tipo II). Colocação de cintas complementares, soldadas, injecção e reposição da secção inicial com argamassa de reparação. No quadro 4 apresenta-se uma breve descrição das intervenções nos provetes encamisados com chapas de aço. De referir a existência de dois níveis de dano, respectivamente dano tipo I e dano tipo II. O dano tipo I corresponde à existência da plastificação dos varões longitudinais

4 Encontro Nacional Betão Estrutural das armaduras numa zona apreciável da rótula plástica. No caso do dano tipo II corresponde à existência das condições para poder ocorrer o início da encurvadura localizada [2]. Numa relação directa entre o tipo de dano e o coeficiente de ductilidade em deslocamento corresponde, respectivamente, ao dano tipo I o coeficiente 3 e ao dano tipo II o coeficiente 4. Quadro 4 Resumo das intervenções nos provetes com encamisamento com chapas de aço Provete P2 P5 P6 P8 Tipo de Intervenção Encamisamento com chapas de 3 mm de espessura soldadas nos cantos, sem reforço. Resina epóxidica para preenchimento do espaço entre o provete e o encamisamento. Danificação prévia do provete com cedência das armaduras (Dano tipo I). Reparação com injecção e reposição da secção inicial com argamassa de reparação. Encamisamento com chapas de 3 mm de espessura reforçadas nos cantos. Resina epóxidica para preenchimento do espaço entre o provete e o encamisamento. Encamisamento com chapas de 3 mm de espessura reforçadas nos cantos. Resina epoxídica para preenchimento do espaço entre o provete e o encamisamento. Danificação prévia do provete com destacamento do betão de recobrimento e cedência das armaduras (Dano tipo II). Reparação com injecção e reposição da secção inicial com argamassa de reparação. Encamisamento com chapas de 3 mm de espessura reforçadas nos cantos. Calda de cimento autonivelante para preenchimento do espaço entre o provete e o encamisamento No quadro 5 apresenta-se o resumo das intervenções nos provetes encamisados com manta de fibras de carbono [3]. De referir que os procedimentos de execução do encamisamento com manta de fibra de carbono foram inicialmente os prescritos pelo fabricante. Porém, em face dos resultados observados introduziu-se uma camada intermédia entre o compósito e o betão com intuito de tornar menos sensível o compósito em relação à desagregação da base de colagem e também para minimizar possíveis fenómenos de abrasão em fases de elevada desagregação do betão. Quadro 5 Resumo das intervenções nos provetes com encamisamento de manta de fibras de carbono Provete P3 P4 P7 Tipos de Intervenção Prévia danificação do provete (Dano tipo I) Reparação com injecção e reposição da secção original com argamassa de reparação. Preparação da superfície e encamisamento com duas voltas de SikaWrap. Preparação da superfície e encamisamento com duas voltas de SikaWrap. Danificação prévia do provete com destacamento do betão de recobrimento e cedência das armaduras (Dano tipo II). Reparação com injecção e reposição da secção inicial com argamassa de reparação. Preparação da superfície e encamisamento com quatro voltas de SikaWrap e uma interface entre o betão e a manta de fibra de carbono em Sikagaard 720.

5 Encontro Nacional Betão Estrutural No quadro 6 descreve-se brevemente alguns dos elementos que permitem a caracterização das intervenções de reforço/reparação dos provetes, nomeadamente, a razão volumétrica da armadura, o valor médio da tensão de rotura à tracção das armaduras e o valor médio da capacidade resistente do betão à compressão. Tipo de material utilizado no encamisamento Quadro 6 Caracterização das intervenções nos provetes Volume de Volume da betão armadura envolvido f transversal ys m 3 f c (valor médio) Aço com chapa de 3 mm de espessura 0, , ,3 0,276 Fibra de carbono com 2 voltas a 0, , b 2309 c 32,4 0,387 b 0,247 c Fibra de carbono com 4 voltas a 0, , b 2309 c 34,9 0,715 b 0,457 c Cintas complementares 0, , ,8 0,039 Provete P9 Reforçado com cintas 0, , ,8 0,09 complementares Sem encamisamento Provete P1 0, , ,4 0,049 a Não tem patamar de cedência b tensão de rotura dos provetes de fibras de carbono c tensão de rotura dos provetes de compósitos de resina e fibras de carbono ω wd Ao nível de instrumentação, além dos extensómetros de resistência eléctrica nas armaduras, foram montados seis transdutores da Hewlett Packard do modelo 70CDT-1000 para medição da rotação em três secções do pilar e uma célula de pressão para controle da força vertical. Também se procedeu ao registo do deslocamento horizontal aplicado pelo macaco horizontal bem como da respectiva força associada ao deslocamento horizontal. Para a aquisição dos dados dos extensómetros eléctricos utilizou-se uma ponte Peekel e, para o registo da restante informação, uma ponte do tipo McPlus, controlada por software Catman, com ligação do tipo GPib. 4. ANÁLISE GOBAL DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS Apresentam-se e comparam-se alguns dos resultados mais significativos dos ensaios realizados.

6 Encontro Nacional Betão Estrutural A comparação dos resultados é uma das formas de avaliação da eficiência da técnica de reforço do encamisamento localizado, quer em relação ao material utilizado no encamisamento, quer em relação à própria técnica de reforço por encamisamento localizado. Uma das variáveis possíveis da caracterização do comportamento é a energia dissipada. Considera-se conveniente a análise da energia dissipada em dois patamares diferentes, o primeiro associado ao coeficiente de ductilidade em deslocamento 3 e o segundo referente à rotura do provetes Assim, apresenta-se na figura 1 a energia dissipada nos ensaios dos diversos provetes até à terceira fase de imposição de deslocamento, que corresponde ao coeficiente de ductilidade em deslocamento ,8 1,6 P7 P5-Reparado P3-Reparado P2 P4 P6 1,4 W (knm) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 P8-Reparado P1 P9-Reparado 0, Deslocamento acumulado (cm) Figura 1: Energia dissipada até ao coeficiente em deslocamento P3-Reparado P5-Reparado P6 P7 10 P8-Reparado W (knm) 8 6 P4 P2 4 2 P1 P9-Reparado Deslocamento acumulado (cm) Figura 2: Energia dissipada até à rotura

7 Encontro Nacional Betão Estrutural Pela análise das figuras 1 e 2 constata-se um aumento significativo da capacidade de dissipação de energia em todos os provetes reforçados com encamisamento localizado, quer em relação ao provete de referência, quer à técnica de reforço com cintas complementares. Porém, perto de 80% da dissipação da energia ocorre para níveis de deslocamento superiores ao coeficiente 3 de ductilidade em deslocamento. Este facto, faz salientar a necessidade de haver um compromisso entre a exploração da capacidade de dissipação de energia e a degradação de rigidez. Apresenta-se na figura 3 a rigidez em função do coeficiente de ductilidade em deslocamento. Uma intervenção de reforço ou de reparação deverá ponderar entre o aumento de dissipação de energia que a técnica de reforço permite e um limite de degradação de rigidez aceitável após a ocorrência de um sismo de grande intensidade ou duração. Com base nos resultados obtidos nos ensaios não parece aconselhável admitir-se deslocamento superiores ao do coeficiente 4 de ductilidade em deslocamento, no caso do uso da técnica de encamisamento localizado como complemento de reparação de danos do tipo II na zona da rótula plástica Rigidez (kn/m) Coeficiente de ductilidade em deslocamento P1 P2 P3-Dano P3-Reparado P4 P5-Dano P5-Reparado P6 P7 P8-Reparado P8-Dano P9-Reparado Figura 3: Variação da rigidez em função do coeficiente de ductilidade em deslocamento O final do ensaio de cada provete foi ditado por diversas razões, ou uma diminuição significtiva da capacidade resistente ou a rotura do reforço. Observaram-se diversos tipo de roturas. No provete de referência (P1) observou-se a encurvadura dos varões da armadura longitudinal e a desagregação do betão diminuindo significativamente a secção na zona da rótula plástica. Nos provetes encamisados com manta de fibras de carbono, observou-se a rotura do encamisamento no provete P3-Reparado e P4.

8 Encontro Nacional Betão Estrutural No provete P7 em face da adopção de uma nova metodologia na aplicação foi possível observar a deformação localizada do encamisamento sem rotura. Neste caso, o fim do ensaio foi ditado pela rotura das armaduras longitudinais por rotura plástica. Nos provetes encamisados por chapas de aço observou-se a rotura do encamisamento que não tinha sido reforçado nos cantos (provete P2). Nos restantes provetes observou-se a rotura das armaduras longitudinais por esgotamento da sua capacidade plástica. 5. CONCLUSÕES O estudo experimental confirma a possibilidade de utilização da técnica selectiva de reforço por encamisamento localizado em pilares de betão armado de secção rectangular. A técnica de encamisamento localizado revelou-se bastante mais eficaz, independentemente do material utilizado no encamisamento, do que a técnica de cintagem complementar da zona da rótula plástica, mesmo que a amarração das cintas seja efectuada com recurso a soldadura. De referir a conveniência de evitar tirar partido de elevados valores da ductilidade, em especial, com o recurso a materiais compósitos, tendo em atenção que a integridade da base de colagem da manta de fibras de carbono tem uma influência decisiva na rotura do encamisamento. A metodologia de aplicação de uma camada intermédia revelou-se promissora permitindo observar um comportamento significativamente melhor do que a metodologia de aplicação recomendada pelos fabricantes. No caso de encamisamentos com recurso a chapas de aço concluiu-se que o espaço compreendido entre as chapas de aço a secção de betão é determinante no comportamento da peça reforçada/reparada. Assim, é de toda a conveniência o reforço dos cantos e que o espaçamento entre as chapas de aço e a secção de betão seja o menor possível. 6. AGRADECIMENTOS Os autores expressam o seu agradecimento ao LNEC, à Belbetões e à Sika, pela efectiva colaboração, fornecimento de material e de pessoal, sem o qual este trabalho não poderia ter sido realizado. 7. REFERÊNCIAS [1] Cardoso, A. Comportamento de pilares de betão armado reparados ou reforçados com encamisamento local. Dissertação de Doutoramento. IST, Lisboa, 2004, 383 p. [2] Cardoso, A et al Utilização de Mantas de Fibras de Carbono para Aumento de Ductilidade em Pilares de Betão Armado. REPPAR LNEC Junho de [3] Cardoso, A et al. Aumento de Ductilidade em Pilares de Betão Armado com a Utilização de Encamisamento Localizado com Chapas. Betão Estrutural Porto Novembro de 2000.