Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre CFC e Concreto

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1 Suelen Rodrigues Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre CFC e Concreto Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Giuseppe Barbosa Guimarães Rio de Janeiro Agosto de 29.

2 Suelen Rodrigues Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre CFC e Concreto Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Giuseppe Barbosa Guimarães Orientador Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Emil de Souza Sánchez Filho Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil UFF Paulo Batista Gonçalves Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Marta de Souza Lima Velasco Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 28 de Agosto de 29.

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador. Suelen Rodrigues Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Estadual do Oeste do Paraná em março de 27. Rodrigues, Suelen Ficha Catalográfica Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre CFC e Concreto / Suelen Rodrigues; orientador: Giuseppe Barbosa Guimarães f.; il. (color.) 3 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 29. Inclui bibliografia 1. Engenharia civil Teses. 2. Reforço estrutural. 3. Fibras de carbono. 4. Carga de impacto. 5. Aderência. I. Guimarães, Giuseppe Barbosa. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 A minha querida Mãe, pelo amor, incentivo, apoio e confiança.

5 Agradecimentos Desejo expressar o meu reconhecimento a todas as pessoas e entidades que contribuíram, direta e indiretamente, para a realização e conclusão deste trabalho. A minha Família, que nunca mediu esforços para tornar possível a concretização dos meus sonhos, dando apoio, carinho e incentivo durante toda minha vida. Ao meu amor Felipe, obrigada pelo apoio e compreensão nos finais de semana dedicados a este trabalho. Ao meu orientador, professor Giuseppe Barbosa Guimarães, pela oportunidade, incentivo, pelos ensinamentos prestados e pela orientação recebida ao longo da realização deste trabalho. Aos meus amigos de Cascavel-PR, que mesmo distantes sempre torceram pelas minhas conquistas e me incentivaram nos momentos de desânimo. Aos amigos Maria Bernadete, Algemiro Augusto, Arthur, Luciana e Vinicius, pela convivência, apoio e amizade sincera. Aos amigos conquistados durante esse período na PUC, Juliana, Larissa, Magnus, João, Patrícia, Camilo, Flavia, Danilo, Vagner e Thais por terem sido grandes companheiros durante esta jornada. Ao amigo Antonio, pela ajuda e apoio constante que foram essenciais no desenvolvimento deste trabalho. Aos funcionários do Laboratório de Estruturas Euclídes, José Nilson, Evandro e Haroldo pela colaboração em todas as etapas do programa experimental. Ao Emerson e a Anne, por me acolherem como filha, obrigada pelos passeios e encontros de família. Ao Engenheiro Paulo de Tarso e À SIKA pelo fornecimento do tecido de fibra de carbono e da resina utilizados neste trabalho. Ao CNPq pelo auxílio financeiro à pesquisa. Ao IBQN, em especial a Annelise, pela compreensão na finalização desta dissertação. E, finalmente, a Deus por ter me abençoado muito durante toda a vida e por ser sempre o guia das minhas decisões.

6 Resumo Rodrigues, Suelen; Guimarães, Giuseppe Barbosa. Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre CFC e Concreto. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Neste trabalho é realizada uma investigação experimental sobre os efeitos de cargas de impacto sobre a resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono e o concreto. O objetivo foi verificar a influência da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência. O programa experimental consistiu em ensaios de quarenta e cinco corpos-de-prova, constituídos de blocos de concreto e tiras de fibras de carbono coladas nas laterais opostas dos blocos. As variáveis de estudo foram a resistência à compressão do concreto (25 MPa, 45 MPa e 65 MPa) e a taxa de carregamento que variou de um mínimo de 1,92 MPa/s (estático) para um máximo de MPa/s (dinâmico). Os resultados dos ensaios mostraram que a resistência de aderência foi afetada pela taxa de carregamento. Palavras Chave Reforço Estrutural; Impacto; Concreto; Compósitos de Fibras de Carbono; Aderência.

7 Abstract Rodrigues, Suelen; Guimarães, Giuseppe Barbosa (Advisor). Influence of Loading Rate on the Bond Strength between CFC and Concrete. Rio de Janeiro, p. MSc Dissertation -Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. An experimental investigation on the effects of impact loading on the bond strength between carbon fiber composite and concrete is described in this work. The objective was to verify the influence of loading rate on the bond strength. The experimental program consisted on testing of forty five specimens made of concrete blocks and carbon fiber strips glued on opposite sides of the block. The variables studied were the concrete compressive strength (25 MPa, 45 MPa and 65 MPa) and loading rate which varied from a minimum of 1,92 MPa/s (static) to a maximum of MPa/s (dynamic). Test results showed that the bond strength was affected by loading rate. Keywords Structural Strengthening; Concrete; Carbon Fiber Composites; Impact Load; Bond.

8 Sumário 1. Introdução Considerações Iniciais Objetivos Organização do Trabalho Revisão Bibliográfica Considerações Iniciais Materiais Compósitos Fibras Matriz Compósitos de Fibras de Carbono Aderência entre o CFC e o Substrato de Concreto CHEN e TENG (21) NAKABA et al. (21) MENEGHEL (25) PACHECO (26) BARROS et al. (27) Estudos sobre cargas de impacto relacionados aos materiais compósitos ERKI e MEIER (1999) WHITE et al. (21) TANG e SAADATMANESH (23) PELLISSARI (27) Programa Experimental Considerações Iniciais Características dos Corpos-de-prova Nomenclatura Materiais Concreto 49

9 Tecido de Fibras de Carbono Adesivo Epóxi Ensaio de resistência à tração do compósito de fibra de carbono Aplicação do Compósito de Fibras de Carbono Instrumentação Aquisição de Dados Descrição dos Ensaios Carregamento Dinâmico Carregamento Estático Apresentação e Análise dos Resultados Considerações Iniciais Interpretação dos resultados Modos de Ruptura Força de Ruptura e Resistência de Aderência Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros Conclusões Sugestões para Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas 87 Anexo A Caracterização dos Agregados 91 Anexo B Determinação das Massas Específicas dos Agregados Graúdo e Miúdo 94 Anexo C Gráficos dos Resultados dos Ensaios 96 Anexo D Fotos dos corpos-de-prova 115

10 Lista de Figuras Figura 2.1 Diagrama tensão-deformação específica de fibras e metais, adaptada de BEBER (23). 25 Figura 2.2 a) Cisalhamento simples; b) Cisalhamento duplo; c) Vista superior; adaptada de CHEN e TENG (21). 28 Figura 2.3 Corpos-de-prova para o ensaio de aderência; adaptada de NAKABA et al. (21). 3 Figura 2.4 Tensão de aderência vs. deslocamento; adaptada de NAKABA et al. (21). 31 Figura 2.5 Esquema simplificado do ensaio de tração-compressão; adaptada de MENEGHEL (25). 32 Figura 2.6 Deformação específica x distância ao longo do comprimento de ancoragem; adaptada de MENEGHEL (25). 33 Figura 2.7 Resistência de aderência (ƒ b ) vs. tipo de superfície do concreto; adaptada de PACHECO (26). 34 Figura 2.8 Geometria dos modelos e configurações dos ensaios; adaptada de BARROS et al. (27). 35 Figura 2.9 a) Influência do comprimento de aderência (L a ) na relação força de arrancamento vs deslizamento; b) Influência do comprimento de aderência (L a ) na relação tensão media de corte vs deslizamento; adaptada de BARROS et al. (27). 36 Figura 2.1 Configuração das vigas; adaptada de ERKI e MEIER (1999). 38 Figura 2.11 Características das vigas; adaptada de WHITE et al.(21). 39 Figura 2.12 Gráfico tri linear de carregamento vs. flexão; adaptada de HEFFERNAN (1997) apud.white et al. (21). 41 Figura 2.13 Esquema de ensaio; adaptada de TANG e SAADATMANESH (25). 42 Figura 2.14 Gráfico força de reação máxima vs. altura de queda do martelo; adaptada de TANG e SAADATMANESH (23). 42 Figura 2.15 Características geométricas dos corpos-de-prova estudados por PELLISSARI (27). 43 Figura 2.16 Aparato de ensaio usado por PELLISSARI (27). 44

11 Figura 2.17 Relação entre a taxa de tensão de aderência (T τ ) e a resistência de aderência (ƒ b ) para os corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto, adaptada de PELLISSARI (27). 45 Figura 3.1 Detalhe do corpo de prova (medidas em mm). 46 Figura 3.2 Detalhes da forma metálica. 47 Figura 3.3 Detalhe da concretagem dos blocos e dos corpos-de-prova. 5 Figura 3.4 Tecido de fibra de carbono Sika Wrap 33 C. 52 Figura 3.5 Adesivo de epóxi Sikadur Figura 3.6 Dimensões dos corpos-de-prova para ensaio de tração (ASTM D 339/339M). 54 Figura 3.7 Ensaio de corpo-de-prova CFC. 54 Figura 3.8 Diagrama tensão-deformação específica dos corpos-de-prova de CFC. 56 Figura 3.9 Detalhe da corte do tecido de fibras de carbono. 56 Figura 3.1 Detalhe das tiras de fibras de carbono com adesivo epóxi. 57 Figura 3.11 Detalhe da preparação da região a receber o CFC. 58 Figura 3.12 Detalhamento da região destinada ao recebimento do CFC. 58 Figura 3.13 Blocos com compósito de fibras de carbono. 59 Figura 3.14 Detalhe do bloco com CFC. 59 Figura 3.15 Posicionamento da célula de carga. 6 Figura 3.16 Detalhe do extensômetro colado no CFC. 6 Figura 3.17 Detalhe do equipamento de ensaio - vista lateral. 62 Figura 3.18 Detalhe do aparato para aplicação de carga - vista frontal. 63 Figura 3.19 Posicionamento do atuador hidráulico para a realização dos ensaios estáticos. 64 Figura 4.1 Representação esquemática do sistema analisado. 66 Figura 4.2 Curva força aplicada vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura 4.3 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura 4.4 Curva força aplicada vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura 4.5 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura 4.6 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E. 7

12 Figura 4.7 Curva deformação específica nas tiras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E. 7 Figura 4.8 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E. 71 Figura 4.9 Curva deformação específica nas tiras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E. 71 Figura 4.1 Curva força vs. tempo do corpo-de-prova B E. 72 Figura 4.11 Curva deformação específica nas tiras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B E. 72 Figura 4.12 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-25-E. 75 Figura 4.13 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-75-E. 75 Figura 4.14 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B E. 76 Figura 4.15 Modos de ruptura: (a) destacamento do concreto (ruptura da aderência); (b) ruptura por tração nas fibras. 78 Figura 4.16 Identificação do valor máximo da força elástica (F e,max ) e do tempo ( t e ) no corpo-de-prova B25-75-E. 79 Figura 4.17 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corpos-de-prova com resistência a compressão de 25 MPa. 82 Figura 4.18 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corpos-de-prova com resistência a compressão de 45 MPa. 82 Figura 4.19 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corpos-de-prova com resistência a compressão de 65 MPa. 83 Figura 4.2 Resistência de aderência vs. taxa de carregamento. 83 Figura C.1 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.2 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.3 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.4 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.5 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.6 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B

13 Figura C.7 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.8 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.9 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.1 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.11 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.12 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Figura C.13 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E. 1 Figura C.14 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B25-25-E 11 Figura C.15 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.16 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.17 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.18 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.19 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E. 12 Figura C.2 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B25-75-E. 13 Figura C.21 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.22 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.23 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.24 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B

14 Figura C.25 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B E. 14 Figura C.26 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B E. 15 Figura C.27 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.28 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.29 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.3 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.31 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.32 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.33 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.34 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.35 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.36 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.37 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.38 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.39 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.4 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.41 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B

15 Figura C.42 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.43 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.44 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.45 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.46 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.47 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.48 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.49 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.5 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.51 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.52 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.53 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura C.54 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-deprova B Figura D.1 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.2 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.3 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.4 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.5 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

16 Figura D.6 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.7 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.8 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.9 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.1 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.11 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.12 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.13 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.14 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.15 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.16 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.17 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.18 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B Figura D.19 (a) corpo-de-prova B25-25-E, (b) corpo-de-prova B25-75-E e (c) corpo-de-prova B E. 121 Figura D.2 (a) corpo-de-prova B25--1 (b) corpo-de-prova B Figura D.21 (a) corpo-de-prova B45--1 (b) corpo-de-prova B Figura D.22 (a) corpo-de-prova B65--1 (b) corpo-de-prova B

17 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Propriedades típicas de algumas fibras (KENDALL, 1999). 24 Tabela 2.2 Propriedades das resinas utilizadas em materiais compósitos (CAROLIN, 23). 26 Tabela 2.3 Valores das principais grandezas; adaptada de BARROS et al. (27). 36 Tabela 2.4 Carregamento das vigas ensaiadas; adaptada de WHITE et al. (21). 4 Tabela 3.1 Nomenclatura dos corpos-de-prova. 48 Tabela 3.2 Nomenclatura dos corpos-de-prova com extensômetros. 48 Tabela 3.3 Consumo de material por m 3 de concreto. 49 Tabela 3.4 Resultado dos ensaios de resistência à compressão do concreto 51 Tabela 3.5 Dimensões dos corpos-de-prova para o ensaio de tração em materiais compósitos de fibras de carbono (ASTM D 339/339M). 53 Tabela 3.6 Resultados obtidos nos ensaios à tração dos corpos-de-prova de compósitos de fibras de carbono. 55 Tabela 4.1 Cálculo das forças de inércia e elástica no corpo-de-prova B25-25-E. 74 Tabela 4.2 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 25 MPa. 8 Tabela 4.3 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 45 MPa. 8 Tabela 4.4 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 65 MPa. 81 Tabela A.1 Resultado da análise granulométrica do agregado miúdo. 91 Tabela A.2 Resultado da análise granulométrica do agregado graúdo. 92

18 Lista de Símbolos Romanos A A c A f b c b f b p Área da seção transversal do corpo-de-prova Área da seção transversal do concreto Área da seção transversal do CFC Largura do elemento de concreto Largura do compósito de fibra de carbono Largura do reforço de CFC CFC Compósito de fibras de carbono D max Dimensão máxima característica do agregado E c E f F e Módulo de elasticidade do concreto Módulo de elasticidade do CFC Força elástica F e,max Força elástica máxima F i Força de inércia F max Força máxima aplicada no CFC F u f c f b Força última Resistência à compressão do concreto Resistência de aderência f c, n Resistência nominal do concreto f c, dosag Resistência de dosagem do concreto f tf Resistência à tração G, Energia de fratura segundo o modelo de Holzenkämpfer F teórica

19 k Constante de rigidez elástica L l e b, efet, Comprimento de ancoragem efetivo L a m MF P P b Comprimento de aderência (ancoragem) Massa do sistema Módulo de finura Força aplicada Peso do agregado (brita) P rec Peso do recipiente P( t), P( τ ) Carga impulsiva P u Força máxima resistida pelo reforço PRF PRFC Polímero reforçado com fibras Polímero reforçado com fibras de carbono S l,max Deslizamento correspondente à força máxima aplicada t t f T c T τ T u f u e u u Tempo Espessura do compósito de fibras de carbono Taxa de carregamento Taxa de tensão de aderência Período Deslocamento oriundo do alongamento do CFC Deslocamento devido a deformação da estrutura Deslocamento da massa Aceleração da massa V rec Volume do recipiente

20 Gregos β p t e l b Coeficiente adimensional que relaciona a largura do compósito com a largura do elemento de concreto Tempo de carregamento Distância entre os extensômetros ε f,max Deformação específica máxima registrada no extensômetro ε f,u Deformação específica última ε ε f, i, f, Deformação específica no tecido de PRF φ γ γ b σ Diâmetro Massa específica do agregado Massa específica aparente do agregado graúdo Tensão σ db Tensão de aderência no reforço σ f Tensão normal no CFC τ bk Tensão de aderência característica τ máx Tensão máxima de corte

21 1. Introdução 1.1. Considerações Iniciais A necessidade de garantir a qualidade de uma estrutura obriga os projetistas cada vez mais a considerar novas situações de carregamento. Quando uma determinada estrutura necessita ser projetada para resistir a cargas de impacto é fundamental entender o comportamento do concreto submetido a esse tipo de carregamento bem como a utilização de um material adequado, capaz de resistir a solicitações dinâmicas de curta duração. Neste contexto, a utilização de concreto reforçado com compósitos de fibras de carbono tem surgido como uma boa alternativa à maioria das situações não convencionais de solicitações em estruturas de concreto armado como, por exemplo, reforços em estruturas que pretendam resistir a carregamentos acima dos previstos ou mudança do tipo de utilização, erros de projeto e/ou construção, degradação dos materiais (carbonatação ou corrosão das armaduras) e também a possível ocorrência de acidentes como, incêndios, cheias, rajadas de vento e terremotos. Em adição, a crescente utilização desse sistema de reforço exige o desenvolvimento de estudos mais conclusivos referentes às características e ao comportamento do compósito de fibras de carbono (CFC), bem como uma avaliação crítica desse material e suas técnicas Objetivos Este estudo experimental teve como objetivo avaliar a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o compósito de tecido de fibras de carbono (CFC) e o substrato de concreto submetidos à carga de impacto.

22 22 O programa experimental consiste em função de ensaios de aderência de 45 corpos-de-prova constituídos de blocos de concreto e tiras de fibras de carbono coladas nas laterais opostas dos blocos Organização do Trabalho No capítulo 2 é realizada uma revisão bibliográfica sobre a aderência entre compósitos de fibras de carbono (CFC) e o substrato de concreto. Inicialmente são apresentadas as características dos materiais compósitos e em seguida são descritos os estudos de alguns trabalhos sobre aderência entre CFC e concreto. No capítulo 3 é descrito o programa experimental realizado. São apresentadas as características do CFC, a descrição das etapas de aplicação do compósito, a instrumentação dos ensaios e a descrição do aparato utilizado para aplicação de carga. No capítulo 4 são apresentados e analisados os resultados dos ensaios, identificados os modos de ruptura, calculadas as resistências de aderência e finalmente é realizada uma análise da influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre CFC e o concreto. No capítulo 5 são apresentadas as conclusões obtidas a partir dos resultados experimentais e algumas sugestões para trabalhos futuros. Em anexo estão as seguintes informações: Anexo A Análise granulométrica dos agregados graúdo e miúdo utilizados no concreto dos blocos miúdos. Anexo B Determinação das massas específica dos agregados graúdos e Anexo C Gráficos dos resultados dos ensaios. Anexo D Fotos dos corpos-de-prova.

23 2. Revisão Bibliográfica 2.1. Considerações Iniciais Este capítulo apresenta uma revisão da bibliografia sobre a aderência entre compósitos de fibras de carbono (CFC) e o substrato de concreto. Inicialmente é feita uma breve descrição dos materiais compósitos, seguindo-se um resumo de alguns trabalhos sobre aderência entre CFC e concreto sob cargas estáticas, e finalmente é feito um resumo dos poucos trabalhos sobre o comportamento de elementos de concreto reforçados com CFC sujeitos a cargas de impacto Materiais Compósitos Os materiais compósitos são constituídos por matrizes e elementos de reforço que, em geral, são formados por fibras. A matriz é contínua e envolve completamente o elemento de reforço. Os elementos de reforço são componentes estruturais que determinam a estrutura interna do compósito. Os compósitos são normalmente desenvolvidos com o objetivo de obter melhorias nas propriedades mecânicas e na durabilidade do material resultante, especialmente em termos de aumento de resistência, rigidez, dureza e desempenho sob altas temperaturas Fibras Os compósitos mais importantes utilizados em reforço estrutural são aqueles cujo elemento de reforço é constituído de fibras. As fibras apresentam-se sob a forma de filamentos de pequeno diâmetro, com elevado módulo de elasticidade, elevada resistência à tração, com diâmetros e superfícies uniformes, baixa densidade e um comportamento frágil.

24 24 As fibras utilizadas na fabricação de compósitos são produzidas nas formas contínuas ou descontínuas, podendo apresentar as seguintes orientações: unidirecional, bidirecional ou aleatória. Os compósitos de fibras contínuas mais utilizadas comercialmente em aplicações da engenharia civil são as de vidro, carbono e as de aramida. As propriedades físicas e mecânicas variam consideravelmente para os diferentes tipos de compósitos e podem variar para o mesmo tipo de material. Algumas propriedades das diversas fibras são fornecidas na Tabela 2.1 e ilustradas na Figura 2.1. Dos três tipos de fibras, as de carbono são as que apresentam melhores propriedades mecânicas, as mais resistentes à ação de agentes químicos, são imunes a corrosão e não absorvem água. As inúmeras vantagens que as fibras de carbono apresentam em relação às outras justificam sua utilização na execução de reforços estruturais. Tabela 2.1 Propriedades típicas de algumas fibras (KENDALL, 1999). Propriedade Resistência à tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Deformação específica na ruptura % Peso específico (kn/m 3 ) Vidro-E Carbono de Carbono de Aramida (A) elevada elevado Kevlar 49 TM resistência (HS) módulo (HM) Aço CA (escoamento) 55 (ruptura) ,2 3,5 2,5 1,5 2,2,6 1,4 (escoamento) 6 (ruptura) 25,6 14, ,5 Coeficiente de dilatação térmica (1-6 /ºC) 5, -2 (longitudinal) -1 (longitudinal) +59 (transversal) +17 (transversal) -1 (longitudinal) 12 (longitudinal)

25 25 Figura 2.1 Diagrama tensão-deformação específica de fibras e metais, adaptada de BEBER (23) Matriz A matriz é responsável pela união entre as fibras que formam o compósito e pela transferência de solicitações, agindo como o meio pelo qual as ações externas são transmitidas e distribuídas para as fibras. A matriz também tem a função de garantir que as fibras funcionem em conjunto, de proteger contra o ataque de agentes agressivos do meio ambiente e de proteger contra danos mecânicos. As propriedades químicas, térmicas e elétricas dos compósitos são afetadas pela escolha da resina que irá compor a matriz. Além disso, a matriz é responsável por manter as fibras posicionadas corretamente. Para MACHADO (22) as matrizes poliméricas devem apresentar as seguintes características fundamentais: baixa retração durante o processo de cura; deformação de ruptura compatível com as deformações dos elementos de reforço; permanência de sua estabilidade sob a atuação de agentes químicos; suficiente capacidade de aderência às fibras do sistema; módulo de elasticidade da ordem de 2. MPa; proteção das fibras contra efeitos do meio ambiente e da abrasão; garantir a orientação das fibras na matriz.

26 26 As matrizes podem ser formadas por resinas termorrígidas ou termoplásticas, sendo que para reforços estruturais, as resinas termorrígidas representam a matriz ideal para a composição de compósitos PRF. Segundo o ACI 44.2R (22), as resinas termorrígidas proporcionam, dentre outras propriedades, boa estabilidade térmica, boa resistência química e baixa fluência. As resinas poliméricas termorrígidas mais usadas são as de poliéster e as de epóxi. As de epóxi são mais utilizadas em aplicações da engenharia estrutural, geralmente sua formulação consiste do tipo bi-componente, ou seja, compostas por um agente principal (a própria resina) que reage com um catalisador (endurecedor). Essas resinas apresentam como principais vantagens a durabilidade e a excelente propriedade de aderência. Na Tabela 2.2 apresentam-se algumas das propriedades dos dois tipos de resinas poliméricas termorrígidas mais utilizadas nos materiais compósitos. Tabela 2.2 Propriedades das resinas utilizadas em materiais compósitos (CAROLIN, 23). Resina Módulo de Resistência à Extensão na Densidade Elasticidade Tração Ruptura (%) (kg/m 3 ) (GPa) (MPa) Poliéster 2,1 4, , 6, Epóxi 2,5 4, ,5 9, Por outro lado, mesmo que o uso estrutural das resinas termoplásticas seja relativamente baixo, essas tem alta resistência ao impacto e à fratura. Muitos polímeros termoplásticos possuem deformação na ruptura superior aos polímeros termorrígidos. Apresentam como principais vantagens a cura rápida, possibilidade de reutilização, facilidade de manuseio, tolerância a danos e o prazo de armazenagem é ilimitado quando protegidos da umidade. Uma das maiores limitações para o uso das resinas poliméricas termoplásticas segundo o ACI 44.2R (22), é que essas apresentam alta viscosidade o que dificulta sua combinação com fibras contínuas tanto na produção como na operação.

27 Compósitos de Fibras de Carbono Os polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) destacam-se como os mais apropriados para o reforço estrutural de elementos de concreto armado devido ao alto desempenho mecânico das fibras de carbono (resistência à tração) permitindo uma significativa redução nas dimensões dos elementos empregados para esse fim. As características primordiais dos compósitos de fibras de carbono são: apresentam as maiores relações entre resistência e rigidez com seu peso próprio; são resistentes ao ataque químico e à corrosão; mantêm a alta resistência e rigidez sob temperaturas elevadas; em temperatura ambiente as fibras de carbono não são afetadas pela umidade, corrosão e ação de vários solventes, ácidos e bases; apresentam uma diversidade de características físicas e mecânicas, permitindo que os compósitos apresentem grande versatilidade para diversas aplicações em engenharia; apresentam boa flexibilidade para adaptação a várias formas, e a facilidade de aplicação traz economia de custos e redução nos tempos de paralisação Aderência entre o CFC e o Substrato de Concreto Para que o reforço externo com CFC seja capaz de aumentar a capacidade resistente de uma estrutura, de forma significativa e eficaz, é necessário que ocorra uma efetiva transferência de solicitações entre o CFC e o concreto. O comportamento geral da interface da ligação concreto-resina-compósito é fundamental na prevenção dos vários modos de rupturas. Segundo ARAÚJO (22), esse comportamento é condicionado pelo menor dos valores das resistências à tração e ao cisalhamento dos três materiais envolvidos: a camada superficial do concreto, a resina e o compósito. Nos casos mais comuns tem-se que a superfície do concreto é quem limita o desempenho da ligação.

28 28 Um aspecto importante no comportamento da ancoragem do compósito é que existe um comprimento de ancoragem efetivo a partir do qual a carga de ruptura não aumenta. Outros parâmetros também devem ser considerados, pois exercem uma forte influência no comportamento da ligação como a resistência do concreto, a resistência do adesivo e a relação da largura do CFC e o concreto. Conforme evidências apontadas por TENG et al. (22), a ruptura da interface concreto reforço, para resistências à compressão em torno de 25 MPa, ocorre em uma fina camada de concreto adjacente ao compósito. Já para adesivos de baixa resistência ou substratos de resistências à compressão superiores a 5 MPa conduzem a uma ruptura interlaminar concreto-reforço. A seguir são descritos alguns estudos sobre a resistência de aderência entre o compósito e o concreto CHEN e TENG (21) CHEN e TENG (21) desenvolveram um modelo para avaliar a resistência de aderência e o comprimento efetivo de ancoragem para polímeros reforçados com fibras e chapas de aço coladas na superfície do concreto. A Figura 2.2 mostra a representação esquemática do mecanismo para avaliação da resistência de aderência por meio de ensaios de cisalhamento simples e duplo. a) b) c) Figura 2.2 a) Cisalhamento simples; b) Cisalhamento duplo; c) Vista superior; adaptada de CHEN e TENG (21).

29 29 O modelo de cálculo da resistência de aderência proposto por esses autores foi baseado na combinação de análise da mecânica da fratura com dados experimentais. Observa-se que as variáveis básicas do fenômeno são: o comprimento de ancoragem (L), a largura do substrato (b c ) e a largura do reforço (b p ). A relação entre a largura do reforço e a largura do elemento de concreto afeta significativamente a resistência de aderência. Se o reforço apresentar uma largura inferior à largura do elemento de concreto, a transferência de esforços do reforço para o concreto conduz a uma distribuição de tensões não uniforme ao longo da largura do elemento de concreto. Essa diferença pode resultar, ainda, em um aumento nas tensões de cisalhamento na interface por conta da contribuição do concreto que se encontra fora da área de aderência. A relação entre estas larguras, denominada de coeficiente de largura de reforço (β p ), é determinada por meio da equação: β p e = L = b 2 b b 1+ b E f t f f ' c p c p c (2.1) (2.2) onde L e comprimento de ancoragem efetivo (mm); E f módulo de elasticidade do reforço (MPa); t f espessura do reforço (mm); f c resistência à compressão do concreto (MPa). Segundo os autores esse modelo é mais conveniente para a aplicação prática porque usa a resistência do concreto, obtida por meio de ensaios de corpos-deprova cilíndricos à compressão simples. A partir do valor do comprimento de ancoragem efetivo pode-se determinar a força máxima resistida pelo reforço, sem que ocorra o descolamento ou arrancamento do mesmo.

30 3 P u =,427β β p L f ' c b p L e (2.3) β L 1 = π L sen 2 Le se L L e se L L e (2.4) Para obter a máxima tensão de aderência no reforço divide-se o valor da força P u pela área da seção transversal do reforço: σ db Pu = b t p f (2.5) NAKABA et al. (21) NAKABA et al. (21) realizaram ensaios com corpos-de-prova reforçados com laminados de polímeros reforçados com fibras (PRF) utilizados para se obter diretamente as tensões de aderência do sistema concreto-compósito (Figura 2.3). Figura 2.3 Corpos-de-prova para o ensaio de aderência; adaptada de NAKABA et al. (21). Os corpos-de-prova consistem em um bloco de concreto de 1 mm x 1 mm x 6 mm com um chanfro no centro, duas barras de aço e laminados de PRF. As espessuras dos laminados variaram de,1 mm a,4 mm.

31 31 O reforço foi colado nos dois lados do corpo-de-prova, sendo que um dos lados foi reforçado com PRF confinado, admitindo-se que o descolamento ocorresse apenas do lado oposto, onde os extensômetros elétricos foram posicionados. A força de tração foi obtida pela diferença entre a deformação específica da seção i e a deformação específica relativa à seção i-1. A média da tensão de aderência τ b,i é dada pela Equação 2.6: τ b, i = ( ε f, i ε f, i 1 ). t f E l b f (2.6) onde ε f,i, ε f,i-1 deformação especifica no tecido de PRF; t f espessura do tecido de PRF; E f módulo de elasticidade do PRF; l b distância entre os pontos onde são obtidas as medidas. A Figura 2.4 mostra as curvas de tensão de aderência local vs. deslocamento para cada intervalo de medidas dos extensômetros de todos os corpos-de-prova. As curvas tendem para uma forma parabólica. Figura 2.4 Tensão de aderência vs. deslocamento; adaptada de NAKABA et al. (21). Esses autores concluíram que: a espessura do PRF influencia tanto a resistência de aderência quanto a forma de distribuição da tensão;

32 32 a relação tensão/escorregamento na aderência local não é influenciada pelo tipo de fibra; a máxima tensão de aderência aumenta quando a resistência à compressão do concreto também aumenta MENEGHEL (25) MENEGHEL (25) estudou a aderência entre tecidos de fibras de carbono e o concreto por meio de ensaios tração-compressão de corpos-de-prova compostos de dois blocos de concreto (móvel e fixo) de 2 mm x 2 mm x 2 mm, ligados por tiras de tecido de fibras de carbono coladas nos lados opostos desses blocos (Figura 2.5). Figura 2.5 Esquema simplificado do ensaio de tração-compressão; adaptada de MENEGHEL (25). As variáveis de estudo foram a resistência do concreto (25 MPa, 35 MPa e 45 MPa) e a largura do tecido de fibras de carbono (5 mm e 1 mm). Os resultados evidenciaram que tanto a resistência do concreto como a largura do tecido não influenciam a resistência de aderência. O valor característico da resistência de aderência obtido foi de τ bk = 1,45 MPa. MENEGHEL (25) também observou que existe um comprimento de ancoragem efetivo no qual as tensões de aderência são realmente distribuídas. Esse valor é de 12 mm (Figura 2.6).

33 33 Figura 2.6 Deformação específica x distância ao longo do comprimento de ancoragem; adaptada de MENEGHEL (25) PACHECO (26) PACHECO (26) estudou a aderência entre CFC e o substrato de concreto em continuidade à pesquisa de MENEGHEL (25). Os parâmetros estudados foram o tipo de carregamento atuante (carregamento monotônico crescente e carregamento em ciclos de carga e descarga), a resistência à compressão do concreto (23,3 MPa, 28,4 MPa e 37,1 MPa) e os diferentes tipos de superfícies de aderência do CFC ao substrato de concreto (face lisa e face rugosa). Os resultados desse trabalho indicam que os diferentes modos de carregamentos não influenciam a resistência de aderência e os diferentes tipos de superfícies do concreto, sobre as quais foram colados os CFC, pouco influenciaram a resistência de aderência. Para as superfícies rugosas o acréscimo na resistência de aderência foi da ordem de 5% (Figura 2.7).

34 34 Figura 2.7 Resistência de aderência (ƒ b ) vs. tipo de superfície do concreto; adaptada de PACHECO (26). PACHECO (26) também afirma que a resistência à compressão do concreto não influencia a resistência de aderência. Porém, o módulo de elasticidade do concreto, que está associado à sua resistência à compressão, indica que existe essa dependência. A consideração do modelo de HOLZENKÄMPFER (1994) apud PACHECO (26) adotado pela autora permite relacionar o parâmetro da energia de fratura (G F.teórico ) com a resistência de aderência (ƒ b ). 2 F E f A u f 1 G + F. teórico = 1 (2.7) b f Ec Ac 2E f t f f b = l Fu b b, efet f (2.8) onde F u força última obtida no ensaio; l b.efet comprimento de ancoragem efetivo; b f largura do CFC; E f módulo de elasticidade do CFC; t f espessura do CFC; A f área do CFC; E c módulo de elasticidade do concreto; A c área do concreto do corpo-de-prova.

35 BARROS et al. (27) Esses autores realizaram uma investigação experimental com o objetivo de avaliar a influência do comprimento de aderência do CFRP no comportamento da ligação, com adesivo, entre CFRP e o concreto, por meio de ensaios de arrancamento em flexão. A resistência à compressão do concreto foi de 35 MPa e os comprimentos de aderência utilizados foram de 4 mm, 6 mm e 8 mm. A configuração do ensaio consistiu de dois blocos de concreto, bloco A e bloco B, unidos na parte superior por uma rótula e na parte inferior pelo laminado. No bloco B foi fixado o comprimento do laminado ao concreto com o objetivo de impedir o deslizamento do mesmo em relação ao concreto. No bloco A o laminado era fixo apenas no comprimento de aderência (L a ) (Figura 2.8). Figura 2.8 Geometria dos modelos e configurações dos ensaios; adaptada de BARROS et al. (27). O transdutor de deslocamento, LVDT2, posicionado na zona carregada, foi utilizado no controle de ensaio. A Figura 2.9 apresenta os dois tipos de influência analisados pelos autores.

36 36 a) b) Figura 2.9 a) Influência do comprimento de aderência (L a ) na relação força de arrancamento vs deslizamento; b) Influência do comprimento de aderência (L a ) na relação tensão média de corte vs deslizamento; adaptada de BARROS et al. (27). A Tabela 2.3 mostra os valores médios das principais propriedades avaliadas com base nos resultados obtidos nos ensaios, onde F máx é a força máxima no laminado, τ máx é a tensão máxima de corte, G f é a energia dissipada no ensaio, ε f,máx é a deformação máxima registrada no extensômetro colado ao CFRP, ε f,u é a deformação específica última, e S l,máx é o deslizamento correspondente à força máxima aplicada no ensaio. Tabela 2.3 Valores das principais grandezas; adaptada de BARROS et al. (27). Grandeza L a (4 mm) L a (6 mm) L a (8 mm) F max (kn) 15 22,8 22,4 τ max (MPa) 17,5 17,7 13, G f (MPa.mm) 48,3 43,9 38,4 ε f,max /ε f,u 42, ,1 S l,max,3,5,7 Da análise das Figuras 2.9 (a e b) e dos resultados incluídos na Tabela 2.3 esses autores constataram que: com o aumento do comprimento de aderência do CFRP a força na faixa do laminado aumenta;

37 37 com o aumento do comprimento de aderência aumenta o deslizamento na fase pré-pico; a tensão (τ máx ) diminui com o aumento do comprimento de aderência; a energia de fratura tem uma tendência a diminuir com o comprimento de aderência, devido à diminuição da tensão máxima de corte com o comprimento Estudos sobre Cargas de Impacto Relacionadas aos Materiais Compósitos. O carregamento de impacto é caracterizado por uma grande quantidade de energia externa subitamente aplicada à estrutura. Devido ao complexo padrão da onda de tensão associada ao carregamento de impacto e aos complexos mecanismos de transferência e dissipação da energia, o processo de ruptura do concreto submetido a impacto ainda não é bem compreendido. Neste item são apresentados resumos dos poucos estudos relacionados ao comportamento de materiais compósitos aplicados em elementos de concreto submetidos a carregamento dinâmico. Esses estudos propõem avaliar o desempenho ao impacto de estruturas de concreto às quais foram adicionados compósitos de fibras, com o intuito de melhorar o comportamento ao impacto ERKI e MEIER (1999) ERKI e MEIER (1999) estudaram o comportamento de vigas de concreto armado reforçadas externamente com compósitos de fibras de carbono e chapas de aço, por meio de carregamento de impacto. A Figura 2.1 ilustra a configuração do carregamento de impacto, na qual uma das extremidades da viga simplesmente apoiada foi liberada de alturas pré-estabelecidas. O dimensionamento do reforço de compósito de fibras de carbono foi realizado de forma a fornecer aproximadamente a mesma resistência total à tração dada pela tensão de escoamento da chapas de aço utilizadas no reforço das vigas de referência.

38 38 Figura 2.1 Configuração das vigas; adaptada de ERKI e MEIER (1999). Os resultados mostram que as vigas reforçadas com compósitos de fibras de carbono apresentaram bom desempenho ao impacto, porém, absorveram menos energia que as vigas reforçadas com chapas de aço. Esses autores concluíram que: os modos de ruptura foram os mesmos para os dois tipos de reforço; a máxima capacidade de flexão das vigas reforçadas com compósitos de fibras de carbono aumenta com a taxa de carregamento; para as vigas reforçadas com chapas de aço a absorção é feita principalmente pelo escoamento do aço do reforço, e então pelo descolamento. Para as vigas reforçadas com compósitos de fibras de carbono a energia é absorvida através de fissuras longitudinais formadas no adesivo, e então na ruptura por tração das fibras; energia também é absorvida por do atrito, gerando calor entre as fissuras e as interfaces entre viga e reforço. Os compósitos de fibras de carbono armazenam energia quando são esticados devido às deformações da viga, sendo que a ruptura ocorre por tração e o descolamento do compósito ocorre devido à liberação da energia de deformação; com o aumento da taxa de carregamento aumenta também a resistência à compressão do concreto, a tensão de escoamento do aço, e a resistência à flexão de elementos de concreto armado.

39 WHITE et al. (21) WHITE et al. (21) realizaram um estudo experimental para investigar os efeitos da taxa de deformação sobre o comportamento de vigas de concreto armado de 15 cm x 3 cm x 3 cm, reforçadas com polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP). A resistência à compressão do concreto aos 28 dias foi de 45 MPa e à tração foi de 3,3 MPa. As vigas foram submetidas a quatro esquemas de carregamento: carregamento lento até a ruptura (taxa de deformação de 1-6 /s); carregamento rápido até a ruptura (taxa de deformação de 1-3 /s); carregamento lento até 15 kn, seguido de carregamento rápido até a ruptura; 12 ciclos de carregamento rápido até 12 kn, seguido de carregamento rápido até a ruptura. Dois tipos de polímeros reforçados com fibras foram utilizados para reforçar as vigas (S e R). O tipo S consiste de chapas pultradadas de 5 mm de largura e 1,2 mm de espessura, resistência máxima de 24 MPa e módulo de elasticidade de155 GPa. O tipo R consiste de reforço com tecidos pré-impregnados com 135 mm de largura e,11 mm de espessura, resistência máxima de 3 MPa e módulo de elasticidade de 16 GPa. A Figura 2.11 mostra o esquema de ensaio e o detalhe da seção transversal da viga com o reforço e a Tabela 2.4 apresenta o resumo das vigas ensaiadas para os dois tipos de reforço, e os seus respectivos tipos de carregamento. Figura 2.11 Características das vigas; adaptada de WHITE et al. (21).

40 4 Tabela 2.4 Carregamento das vigas ensaiadas; adaptada de WHITE et al. (21). Vigas Tipo de CFC Tipo de Carregamento C-B Sem reforço B S-A Lâmina A S-B Lâmina B S-C Lâmina C S-D Lâmina D R-A Tecido A R-B Tecido B R-C Tecido C R-D Tecido D Nota: A Carregamento lento até a ruptura; B Carregamento rápido até a ruptura; C Carregamento lento até 15 kn e rápido até a ruptura; D Carregamento até 12 kn em 12 ciclos seguido de carregamento rápido até a ruptura. Em geral, vigas de concreto armado com ou sem reforço de CFRP apresentam um gráfico tri linear de carregamento vs. flecha. A Figura 2.12 mostra as três fases típicas de ruptura. Na fase I não há fissuras na face tracionada do concreto, na fase II ocorre o surgimento e propagação das fissuras, e na fase III ocorre o escoamento até o colapso do elemento. Os três modos de ruptura que ocorrem comumente são: escoamento da armadura seguido de esmagamento do concreto; escoamento da armadura seguido de ruptura da lâmina de CFC; destacamento da camada de concreto junto com a lâmina de CFC, ou descolamento da lâmina de CFC. WHITE et al. (21) obtiveram para as vigas S-A, S-B, S-D e R-D modos de ruptura do tipo destacamento do concreto, e para as demais vigas ocorreu o descolamento da lâmina de CFC.

41 41 Figura 2.12 Gráfico tri linear de carregamento vs. flexão; adaptada de HEFFERNAN (1997) apud.white et al. (21). WHITE et al. (21) concluíram que o aumento da taxa de carregamento resulta em um aumento de quase 5% da resistência, rigidez e absorção de energia. A magnitude desse aumento depende da quantidade do reforço, da armadura e modo de ruptura. Porém, o modo de ruptura não foi afetado pela taxa de carregamento. As vigas submetidas a altas taxas de deformação ou pré-ciclos não tiveram a fissuração afetada TANG e SAADATMANESH (23) Esses autores realizaram uma investigação experimental com a finalidade de estudar os efeitos de cargas de impacto nas vigas de concreto armado reforçadas com fibras. Foram ensaiadas cinco vigas: duas reforçadas com compósitos de fibras de Kevlar, duas reforçadas com compósitos de fibras de carbono, e uma viga não reforçada. A carga de impacto foi aplicada deixando-se cair um cilindro de aço de uma altura conhecida na face superior da viga (Figura 2.13). A orientação das fibras é paralela ao sentido longitudinal. Devido à vibração provocada pelo carregamento de impacto, as faces superiores e inferiores das vigas estão sujeitas a tensões cíclicas de tração e compressão, conseqüentemente as fibras foram coladas em ambas as faces.

42 42 Figura 2.13 Esquema de ensaio; adaptada de TANG e SAADATMANESH (25). Para diferentes alturas de queda a força de reação no primeiro meio-ciclo medido pela célula de carga consistiu em duas partes. Uma sendo a força de impacto produzida diretamente pela queda do cilindro e a outra a força de inércia produzida pela vibração da viga. Após o primeiro meio-ciclo a força de reação deve ser somente pela força de inércia. A força de reação foi aumentada com o aumento da altura de queda. A Figura 2.14 mostra a comparação da força de reação das vigas da primeira queda até a ruptura da viga. Observa-se que as forças de impacto e de inércia dependem da rigidez estrutural. Quanto maior a rigidez, maiores são as forças de impacto e de inércia. Figura 2.14 Gráfico força de reação máxima vs. altura de queda do martelo; adaptada de TANG e SAADATMANESH (23).

43 43 Com esse estudo, TANG e SAADATMANESH (23) concluíram que: os compósitos de fibras aumentam significativamente a capacidade das vigas de resistirem a carregamentos de impacto e reduzem a flecha máxima. O aumento na capacidade resistente depende do tipo, da espessura, do peso e da resistência das fibras. a resposta dinâmica induzida pelo carregamento de impacto deve ser levada em consideração, desde que a deformação produzida pela força de impacto possa vir a fissurar o concreto. a força de reação da viga varia com o peso e as espessuras das fibras para a mesma energia de impacto. a rigidez da fibra de carbono reduziu a flecha. A flecha residual da viga foi reduzida com o aumento da rigidez. as fibras podem efetivamente diminuir a largura e o número de fissuras sob carregamento de impacto. compósitos podem aumentar a resistência ao cisalhamento das vigas por meio da redução da abertura das fissuras PELLISSARI (27) PELLISSARI (27) verificou os efeitos de cargas de impacto sobre a resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono e o concreto. Foram realizados ensaios a flexão de corpos-de-prova constituídos de dois blocos de concreto (4 mm x 2 mm x 15 mm) unidos por uma rótula na região superior e por tiras de CFC coladas nas faces inferiores dos blocos (Figura 2.15). Figura 2.15 Características geométricas dos corpos-de-prova estudados por PELLISSARI (27).

44 44 O concreto empregado apresentou resistências à compressão entre 26 MPa e 42 MPa na ocasião do ensaio. A força de impacto amplificada foi alcançada por meio de um martelo de massa conhecida, solto de uma altura também conhecida, sobre a extremidade em balanço de um perfil metálico I. Na face inferior do perfil metálico e no topo do elemento de viga foram montadas estruturas de aço reforçadas, fixadas por quatro barras. Assim a força gerada pelo martelo foi transferida à viga, sendo amplificada devido ao braço de alavanca (Figura 2.16). Figura 2.16 Aparato de ensaio usado por PELLISSARI (27). Segundo esse autor, o aumento da taxa de carregamento proporciona um acréscimo na resistência de aderência entre o CFC e o concreto. A relação entre a taxa de tensão de aderência (T τ ) e a resistência de aderência (ƒ b ) é mostrada na Figura 2.17, onde se observa que essa relação pode ser considerada linear e representada pela Equação 2.9.

45 45 f b,8t + 3,14 (2.9) = τ ƒ b em MPa e T τ em MPa/s. Figura 2.17 Relação entre a taxa de tensão de aderência (T τ ) e a resistência de aderência (ƒ b ) para os corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto, adaptada de PELLISSARI (27). Os valores da taxa de carregamento, expressa em função da tensão normal σ nas fibras, variaram entre 6,6 MPa/s (ensaios estático) a MPa/s (ensaios dinâmicos).

46 3. Programa Experimental 3.1. Considerações Iniciais Este estudo experimental tem como objetivo avaliar a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o substrato de concreto e o compósito de tecido de fibras de carbono (CFC) por meio de ensaios em blocos de concreto submetidos a carga de impacto. As variáveis adotadas foram a taxa de carregamento e a resistência do concreto. Neste capítulo são apresentadas as características dos corpos-de-prova, as características da fibra e da resina, a descrição das etapas de aplicação do compósito, a instrumentação dos ensaios e a descrição do aparato utilizado para aplicação do carregamento de impacto Características dos Corpos-de-prova Os corpos-de-prova são constituídos de blocos de concreto e tiras de tecido de CFC coladas nas laterais opostas dos blocos. As tiras de CFC têm espessura de,166 mm e largura de 75 mm. O comprimento de ancoragem (La), (comprimento colado no concreto) é de 3 mm. Os blocos de concreto têm a forma de um cubo, com aresta de 15 mm (Figura 3.1) Figura 3.1 Detalhe do corpo-de-prova (medidas em mm) 75 15

47 47 Os blocos foram moldados em uma forma metálica, composta de três perfis U laminados. As vigas laterais, com 2 mm de altura, foram fixadas na viga da base de 25 mm de altura. Uma das laterais foi fixada por solda e a outra por parafuso. Os blocos foram separados por peças de madeira de dimensões de 15 mm x 15 mm x 2 mm. Também foram usadas barras rosqueadas de 6 mm de diâmetro para fixar as peças de madeira em seus devidos lugares (Figura 3.2). a) b) perfil U barra rosqueadas ponto de solda pontos de solda Figura 3.2 Detalhes da forma metálica. Corte da Forma Metálica c) perfil U 3.3. Nomenclatura Os blocos foram nomeados segundo as variáveis adotadas, resistência do concreto e altura de queda do martelo, foram divididos em três séries em função da resistência nominal f c,n do concreto dos blocos como indicado na Tabela 3.1. Cada série é composta de 14 blocos e a variável em cada série é a taxa de carregamento, sendo 25, 75, 1, 125 e 15 cm a altura de queda do martelo.

48 48 Tabela 3.1 Nomenclatura dos corpos-de-prova. Série Ensaio f c,n = 25 MPa f c,n = 45 MPa f c,n = 65 MPa Estático B25--1 B45--1 B65--1 B25--2 B45--2 B65--2 B B B B B B B B B B B B B B B Dinâmico B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B Foram realizados três ensaios dinâmicos adicionais, reutilizando-se os blocos da série de 25 MPa, com alturas de queda do martelo de 25 cm, 75 cm, 125 cm, com extensômetros elétricos colados nas tiras de fibras de carbono (Tabela 3.2). Tabela 3.2 Nomenclatura dos corpos-de-prova com extensômetros. Resistência de 25 MPa Ensaio Nomenclatura Dinâmico B25-25-E B25-75-E B E

49 Materiais Concreto As dosagens em peso, para as resistências de 25 MPa e 45 MPa foram respectivamente 1 : 2,59 : 3,7 e 1 : 1,22 : 1,88 (cimento : areia : brita 1), com fator água/cimento de,62 e,38. Para a resistência de 65 MPa a dosagem empregada foi 1 : 1,61 : 2,44 (cimento: areia: brita 1) e fator água/cimento de,32, acrescidos de 3,67 kg de sílica ativa e,89 l de superplastificante. O cimento empregado foi o Portland de alta resistência inicial, da Ciminas (CPV-ARI-Fácil da Holcim). O agregado miúdo utilizado foi areia de rio, lavada, com módulo de finura de 2,6, diâmetro máximo de 4,76 mm e massa específica aparente de 2,6 g/cm 3. O agregado graúdo utilizado foi de origem gnaisse, classificada como brita 1, com diâmetro máximo de 19 mm, módulo de finura de 6,81, massa específica absoluta de 2,7 g/cm 3 e massa específica aparente de 1,61 g/cm 3. A caracterização dos agregados seguiu o prescrito nas Normas NBR 9776:1987, NBR 7217:1987 e NBR 9937:1887, cuja análise foi realizada no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da PUC - Rio. A análise granulométrica e a determinação das massas específicas dos agregados graúdo e miúdo encontram-se nos Anexos A e B, respectivamente. Os consumos por metro cúbico de concreto dos materiais empregados para cada resistência são mostrados na Tabela 3.3 Tabela 3.3 Consumo de material por m 3 de concreto. Material Quantidade / m 3 f c,dosagem = 25 MPa f c,dosagem = 45 MPa f c,dosagem = 65 MPa Cimento 322 kg 53 kg 44 kg Areia 834 kg 647 kg 71 kg Brita1 988 kg 996 kg 175 kg Água 2 l 21 l 143 l Sílica Ativa kg Superplastificante - - 8,75 l

50 5 A moldagem e a cura, tanto dos corpos-de-prova como dos blocos, seguiram as recomendações da Norma NBR 5738:1994. O concreto foi misturado mecanicamente em uma betoneira com capacidade de 1 litros. Foram realizadas três betonadas, sendo uma para cada resistência. O lançamento do concreto nas formas foi realizado em duas etapas. Na primeira distribuiu-se uniformemente metade do volume de concreto necessário para o total preenchimento dos blocos, sendo executado o adensamento de forma manual, aplicando-se 17 golpes com auxilio de uma haste de socamento. Além dos blocos foram moldados também corpos-de-prova cilíndricos 1 mm x 2 mm para controle tecnológico. Nesses o concreto foi lançado em quatro camadas, e em cada camada aplicou-se 3 golpes com a mesma haste de socamento. A Figura 3.3 mostra os detalhes dos moldes. Figura 3.3 Detalhe da concretagem dos blocos e dos corpos-de-prova. Os ensaios dos corpos-de-prova à compressão simples foram realizados na prensa CONTENCO, com controle da capacidade de carga de 24 kn, do Laboratório de Estruturas e Matérias (LEM) da PUC-Rio em obediência à Norma NBR 5739:1994. A aquisição dos dados foi obtida por meio do equipamento NI DAQ 9172 do fabricante NATIONAL INSTRUMENTS S/A, interligado a um computador do tipo laptop por meio do software LABVIEW 7.1 do mesmo fabricante. Os ensaios da resistência dos corpos-de-prova para cada dosagem, foram realizados somente no dia do ensaio de seus respectivos blocos. Os valores médios da resistência f c (média de 24 corpos-de-prova) do concreto à compressão são mostrados na Tabela 3.4.

51 51 Tabela 3.4 Resultados dos ensaios de resistência à compressão do concreto. f Blocos c f Blocos c f Blocos c, (MPa) (MPa) (MPa) B ,8 B ,1 B ,4 B ,8 B ,3 B ,2 B ,7 B ,5 B ,5 B ,6 B ,4 B , B ,8 B ,7 B ,3 B ,8 B ,4 B ,3 B , B ,9 B ,3 B ,2 B ,1 B ,1 B ,9 B ,2 B ,3 B ,8 B ,9 B ,1 B ,8 B ,4 B ,5 B ,2 B ,4 B ,3 Média 25,2 42,7 63,7 DP 1,88 1,34 3,69 CV (%) 7,44 3,13 5, Tecido de Fibras de Carbono O tecido de fibras de carbono empregado neste trabalho foi o SikaWrap 3 C (ver Figura 3.4). As tiras retiradas desse tecido apresentam as seguintes características descritas na Ficha Técnica de Produto do Fabricante Sika: tecido de fibras de carbono com orientação das fibras de º(unidirecional); tecido de cor preta com 99 % do volume total em fibras de carbono; trama de fibras termoplásticas na cor branca, com 1% do peso total; espessura de,166 mm (baseado no conteúdo de fibras); peso de 3 g/m 2 ± 15 g/m 2 e densidade de 1,79 g/cm 3 ; das propriedades físicas e mecânicas tem-se 39 MPa de resistência à tração, 23 GPa de módulo de elasticidade e 1,5 % de deformação específica na ruptura.

52 52 Figura 3.4 Tecido de fibras de carbono SikaWrap 3 C Adesivo Epóxi A resina epoxídica é responsável pela perfeita aderência do reforço com tecido de fibras de carbono e o substrato de concreto, transferindo as tensões tangenciais do reforço para o substrato de concreto. O adesivo epóxi utilizado para a colagem dos tecidos de fibras de carbono nos blocos foi o Sikadur 33 (Figura 3.5), cujas características descritas na Ficha Técnica de Produto do Fabricante Sika são: resina de epóxi em dois componentes, (componente A na cor branca e componente B na cor cinza escuro); proporção da mistura, em peso (A:B = 4:1); vida útil da mistura (Pot-life) 4 minutos (25 C/ 5% UR); consumo de adesivo epóxi (impregnação:,7 a 1,2 kg/m 2 ; e camada de proteção:,5 kg/m 2 ); das propriedades físicas e mecânicas tem-se 3 MPa de resistência à tração e 38 MPa de módulo de elasticidade.

53 53 Figura 3.5 Adesivo de epóxi Sikadur Ensaio de Resistência à Tração do Compósito de Fibras de Carbono Para a caracterização das propriedades mecânicas da fibra empregada nesta pesquisa foram realizados ensaios seguindo-se as recomendações da ASTM D 339/339M Standard Test Method for Tensile Properties of Matrix Composite Material (2), que especifica os procedimentos para a determinação da resistência à tração e o módulo de elasticidade do CFC. A ASTM D 339/339M propõe as dimensões mínimas necessárias para que os corpos-de-prova tenham um número suficiente de fibras em sua seção transversal que represente as propriedades do material. Essas dimensões são mostradas na Tabela 3.5 e nafigura 3.6. Tabela 3.5 Dimensões dos corpos-de-prova para o ensaio de tração em materiais compósitos de fibras de carbono (ASTM D 339/339M). Orientação das fibras unidirecional 9 unidirecional Fios descontínuos. Largur a (mm) Compr. (mm) Espessur a (mm) Compr. da aba (mm) Espessur a da aba (mm) Ângul o da aba ( ) , 56 1,5 7 ou , 25 1, ,

54 54 Figura 3.6 Dimensões dos corpos-de-prova para ensaio de tração (ASTM D 339/339M). Foram ensaiados à tração três corpos-de-prova de tecido unidirecional de fibras de carbono revestidos com resina epóxi, com 15 mm de largura, 25 mm de comprimento e abas de alumínio de 2 mm de largura por 5 mm de comprimento. Os corpos-de-prova foram instrumentados com um extensômetro elétrico de resistência para a leitura da deformação específica do CFC, permitindo dessa forma a determinação do módulo de elasticidade e da deformação específica última do CFC, e o traçado do diagrama tensão-deformação específica. Os ensaios foram realizados na máquina MTS do Laboratório de Fadiga e Mecânica da Fratura PUC-Rio, com capacidade de carga de 25 KN (Figura 3.7). O ensaio foi realizado com controle de deslocamento de 2 mm/min, atendendo-se à recomendação da ASTM D 339/339M. Figura 3.7 Ensaio de corpo-de-prova CFC.

55 55 De acordo com a norma ASTM D 339/339M a resistência à tração do compósito de fibras de carbono é dada por: f tf = F max A (3.1) onde ƒ tƒ resistência à tração; F max carga máxima aplicada; A área da seção transversal do corpo-de-prova. A Tabela 3.6 apresenta os resultados da força de ruptura, tensão de ruptura, deformação específica última e módulo de elasticidade do CFC. A Figura 3.8 apresenta os diagramas tensão vs. deformação específica dos corpos-de-prova de CFC. Tabela 3.6 Resultados obtidos nos ensaios à tração dos corpos-de-prova de compósitos de fibras de carbono. Corpos-de-prova Carga F max (N) Resistência ƒ tƒ (MPa) Deformação Específica ε fu ( ) Módulo de Elasticidade E ƒ (GPa) ,7 3567,1 12,2 292, ,4 315,78 1,8 287, ,5 2994, 1,2 293,53 Média 823, ,29 11,7 291,16 DP 756,45 33,8 1,3 3,16 CV (%) 9,43 9,43 9,27 1,9

56 56 4 CP-1 CP-2 CP Tensão (MPa) Deformação Específica ( ) Figura 3.8 Diagrama tensão-deformação específica dos corpos-de-prova de CFC Aplicação do Compósito de Fibras de Carbono Nas extremidades do tecido de fibras de carbono foram coladas fitas adesivas para se evitar o desalinhamento dos fios. Em seguida, o tecido foi cortado com estilete nas dimensões pré-determinadas: 7,5 cm de largura e 195 cm de comprimento (Figura 3.9). Figura 3.9 Detalhe da corte do tecido de fibras de carbono.

57 57 Os componentes A e B foram homogeneizados em separado, suas massas aferidas em balança digital de acordo com as proporções exatas e misturados manualmente. Ainda para evitar o desalinhamento dos fios, foram aplicadas duas camadas de adesivo epóxi Sikadur 33 em quatro trechos de 12 cm de comprimento ao longo das tiras (Figura 3.1). Figura 3.1 Detalhe das tiras de fibras de carbono com adesivo epóxi. Após o período de cura de sete dias, especificado pelo fabricante, pesos foram fixados nas extremidades da tiras para que essas ficassem esticadas e em seguida serem coladas no substrato preparado. Para que as tiras fossem aplicadas na superfície dos blocos, foi necessário inicialmente que essas fossem preparadas adequadamente, de modo a ficarem limpas, secas e livres de partículas soltas. Primeiramente a região destinada à aplicação do CFC foi medida com esquadro e marcada com lápis. Em seguida executou-se o apicoamento da superfície dos blocos com um ponteiro e martelo, tomando-se o cuidado para não deixar a superfície com imperfeições maiores que 2 mm (Figura 3.11). Após essa etapa passou-se a escova de aço para retirar qualquer partícula sólida não totalmente aderida, e com um pano embebido em álcool 93% foram removidas as substâncias oleosas presentes na superfície dos blocos.

58 58 Figura 3.11 Detalhe da preparação da região a receber o CFC. A superfície do bloco foi protegida com uma camada de papel contact, com dimensões de 7,5 cm x 3, cm, localizada na região central, fora recortada para garantir que a aplicação da mistura de Sikadur 33 com as fibras de carbono ficasse apenas na área especificada. Antes da aplicação da mistura, ressaltou-se a demarcação dessas dimensões com fita adesiva e fez-se a verificação das mesmas com paquímetro. Repetiu-se o procedimento para a face oposta do bloco (Figura 3.12). Figura 3.12 Detalhamento da região destinada ao recebimento do CFC. Com o substrato preparado aplicou-se o adesivo epóxi Sikadur 33 como camada de imprimação com o auxílio de uma espátula. O imprimador tem como objetivo penetrar nos poros do substrato de concreto, preenchendo-os para que

59 59 haja uma transferência solicitações eficiente entre o tecido e o concreto. Após esse processo colocou-se a tira do tecido de fibras de carbono, antes preparada, na área demarcada passando-se um rolo de aço dentado para deixar as fibras esticadas e retirar as possíveis bolhas de ar garantindo um perfeito contato com o adesivo. Uma camada de saturação de adesivo epóxi (segunda camada) foi aplicada sobre o tecido para garantir uma total imersão nas fibras de carbono. Novamente passouse o rolo de aço dentado e, com o auxilio de uma espátula, foi feita a regularização da superfície. A Figura 3.13 mostra os blocos com o CFC e a Figura 3.14 fornece uma visão mais detalhada do bloco com o CFC. Figura 3.13 Blocos com compósito de fibras de carbono. Figura 3.14 Detalhe do bloco com CFC.

60 Instrumentação As leituras das cargas aplicadas foram realizadas por intermédio de uma célula de carga posicionada entre o perfil metálico e o bloco de concreto. Para os ensaios dinâmicos utilizou-se uma célula de carga com capacidade de 2 kn (Figura 3.15). Para os ensaios estáticos utilizou-se uma célula de carga com capacidade de 1 kn. Figura 3.15 Posicionamento da célula de carga. Nos seis blocos de ensaios estáticos e nos três blocos adicionais de ensaios dinâmicos (Tabela 3.2) foram colados dois extensômetros elétricos (um em cada lado da tira) no trecho com resina epóxi para a leitura das deformações específicas (Figura 3.16). Figura 3.16 Detalhe do extensômetro colado no CFC.

61 Aquisição de Dados Para aquisição dos dados dos ensaios dinâmicos utilizou-se o equipamento NI PXI 152 do fabricante NATIONAL INSTRUMENTS S/A, interligado a um computador controlado por meio do software LABVIEW 7.1 do mesmo fabricante. Nos ensaios estáticos o equipamento utilizado foi o NI USB 9162, do mesmo fabricante, interligado a um computador portátil do tipo laptop por meio do mesmo software Descrição dos Ensaios Carregamento Dinâmico Para a realização dos ensaios foi adaptado um sistema de aplicação de carga baseando-se no aparato utilizado por MARTINS JUNIOR (26). A carga de impacto amplificada foi alcançada por meio de um martelo de massa conhecida, solto de diversas alturas, sobre a extremidade em balanço de um perfil metálico I (254 mm x 117 mm) com rigidez a flexão elevada. A Figura 3.17 apresenta o detalhe do equipamento utilizado para aplicação da carga de impacto. Na outra extremidade do perfil metálico foi instalado um apoio com restrição nos eixos vertical e horizontal e livre à rotação (Figura 3.18). Essa restrição é garantida pela laje de reação do laboratório. O apoio foi fixado por duas barras com rosca e porca de ϕ = 25 mm e rotulado no contato com o perfil I (254 mm x 117 mm) para evitar a rotação de todo o sistema.

62 62 Martelo de Impacto Apoio para Tubo Metálico Tubo Metálico Guia do Martelo Apoio do Perfil Livre à Rotação Perfil I Material Compósito Fibras de Carbono Piso do Laboratório Bloco de Concreto Rótula Célula de Carga VISTA LATERAL * Medidas em cm Figura 3.17 Detalhe do equipamento de ensaio vista lateral. O martelo utilizado para aplicação da carga de impacto foi um cilindro de aço maciço de 1 kg de massa. As diferentes taxas de carregamento foram obtidas variando-se a altura de queda do martelo.

63 63 Apoio para Tubo Metálico Perfil I Piso do Laboratório Guia do Martelo Tubo Metálico Apoio do Perfil Livre à Rotação Fibras de Carbono Rótula Célula de Carga Bloco de Concreto Material Compósito VISTA FRONTAL * Medidas em cm Figura 3.18 Detalhe do aparato para aplicação de carga vista frontal Carregamento Estático O equipamento também foi adaptado de modo que se tornasse possível a realização dos ensaios estáticos. O controle de carregamento foi de forma manual e a carga foi aplicada por meio da ação de um atuador hidráulico P8 da ENERPAC com capacidade para 6 kn. Esse foi instalado sobre a extremidade do perfil I. A Figura 3.19 mostra o detalhe do posicionamento do atuador hidráulico para a realização dos ensaios estáticos.

64 64 Atuador Hidráulico Alongador Metálico Apoio para Tubo Metálico Tubo Metálico Guia do Martelo Apoio do Perfil Livre à Rotação Perfil I Material Compósito Fibras de Carbono Piso do Laboratório Bloco de Concreto Rótula Célula de Carga VISTA LATERAL * Medidas em cm Figura 3.19 Posicionamento do atuador hidráulico para a realização dos ensaios estáticos.

65 4. Apresentação e Análise dos Resultados 4.1. Considerações Iniciais Na investigação da influência da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono (CFC) e o concreto é fundamental identificar o modo de ruptura, a força máxima na tira de fibras de carbono e o tempo de duração do carregamento. Nesta pesquisa o modo de ruptura relevante é o de aderência. A força máxima que causa esse modo de ruptura é necessária para o cálculo da resistência de aderência juntamente com o tempo de carregamento para o cálculo da taxa de carregamento. Este capítulo se inicia com uma análise detalhada dos resultados dos ensaios com a finalidade de identificar a força que efetivamente provoca a ruptura da aderência. Em seguida são identificados os modos de ruptura, são calculadas as resistências de aderência, e finalmente é realizada a análise da influência da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência entre o CFC e o concreto Interpretação dos Resultados Conforme foi mostrado no capítulo 3, a carga aplicada no corpo-de-prova foi medida por uma célula de carga posicionada sobre o bloco de concreto suportado por uma tira de fibras de carbono, tal como reproduzido no modelo mostrado na Figura 4.1. Esse é um modelo com um grau de liberdade constituído de uma massa (bloco de concreto e célula de carga) e uma mola (compósito de fibras de carbono).

66 66 VISTA FRONTAL Figura 4.1 Representação esquemática do sistema analisado. VISTA LATERAL A constante de rigidez da mola é determinada levando-se em consideração a rigidez axial da tira de carbono e a rigidez da estrutura na qual a tira de fibras de carbono se apóia. A constante k da rigidez global é obtida em função das rigidezes da tira de fibras de carbono e da estrutura de apoio pela equação: 1 u f ue = + (4.1) k P P onde u f representa o deslocamento oriundo do alongamento da tira de fibras de carbono, u e representa o deslocamento devido à deformação da estrutura e P a força aplicada. As medições (estáticas) realizadas na estrutura forneceram: u e =, 96 cm/kn P u f =, 143 P cm/kn Então, o valor encontrado para a constante de rigidez global foi k = 41,8 kn/cm.

67 67 Como a carga é aplicada abruptamente, o sistema de amortecimento não absorve uma quantidade significativa de energia da estrutura num curto intervalo de tempo. Assim, na análise dinâmica, considera-se a resposta do carregamento de impulso como não-amortecida. A equação de equilíbrio do sistema representado na Figura 4.1 é então: F ( t) + F ( t) P( t) (4.2) i e = Sabendo-se que: F i ( t) = m u& ( t) (4.3) F e ( t) = k u( t) (4.4) Tem-se: m u& ( t) + k u( t) = P( t) (4.5) onde F i (t) força de inércia; F e (t) força elástica; m massa; k rigidez do sistema; u&(t) & aceleração da massa; u(t) deslocamento da massa; P(t) carga impulsiva. A massa do bloco de concreto é 8,5 kg e massa da célula de carga é 1,65 kg, então a massa do conjunto é igual a 1,15 kg. Nas Figuras 4.2 a 4.11 são mostradas as cargas aplicadas e as deformações específicas medidas em dois ensaios estáticos e em três ensaios dinâmicos. Nos ensaios estáticos a carga aplicada P(t) cresce lentamente ao longo do tempo sem despertar as forças de inércia. As deformações medidas nas tiras de fibras de carbono também crescem lentamente e seus valores são compatíveis com as propriedades da tira (Figuras 4.2 a 4.5).

68 Força (kn) Tempo (s) Figura 4.2 Curva força aplicada vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura 4.3 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B45--1.

69 Força (kn) Tempo (s) Figura 4.4 Curva força aplicada vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura 4.5 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B Para um dado valor do tempo (t) as forças nas fibras calculadas a partir dos valores do módulo de elasticidade (291,2 GPa), da seção transversal (75 mm x,166 mm) e das deformações medidas (Figuras 4.3 e 4.5) são compatíveis com as forças obtidas durante os ensaios (Figuras 4.2 e 4.4).

70 7 Nos ensaios dinâmicos (Figuras 4.6 a 4.11) a carga P(t) é aplicada num tempo muito curto, despertando forças de inércia expressivas que não podem ser desprezadas. Portanto, faz-se necessária uma análise detalhada da Equação 4.5 a fim de identificar as forças de inércia e elástica. P (kn) t (ms) Figura 4.6 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E. 1,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura 4.7 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E.

71 71 P (kn) t (s) t (ms) Figura 4.8 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E. 1,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura 4.9 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E.

72 72 P (kn) t (ms) Figura 4.1 Curva força vs. tempo do corpo-de-prova B E. 1,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura 4.11 Curva deformação específica nas tiras de fibras de carbono vs. tempo para o corpo-de-prova B E. A força elástica (F e ) é a força que efetivamente atua na área onde as tiras de fibras de carbono foram coladas no bloco de concreto. Esses valores são imprescindíveis para o cálculo da resistência de aderência.

73 73 Para um sistema linear sem amortecimento a resposta do sistema submetido a cargas impulsivas pode ser obtida pela Equação Integral de Duhamel: 1 t u( t) = P( τ ) mω senω ( t τ ) dτ (4.6) Nesse método a carga dinâmica P(τ) é considerada como uma sucessão de impulsos infinitesimais. A resposta final é obtida pela soma de todas as respostas diferenciais (método da superposição). Nos casos mostrados nas Figuras 4.6, 4.8 e 4.1, onde a carga varia arbitrariamente com o tempo, essa integral pode ser empregada. Para o cálculo da integral é necessário utilizar procedimentos numéricos. No desenvolvimento desse procedimento faz-se o uso da seguinte identidade trigonométrica: sen ω( t τ ) = senω t.cosω τ cosω t. senω τ (4.7) Então a integral da Equação 4.6, segundo CLOUGH (1993), pode ser escrita na forma: 1 u( t) = senωτ P τ mω ( ) t t 1 (4.8) cosωτ dτ cosωt P τ senωτ dτ mω ( ) ou u( t) = senωτ A( t) cosωt B( t) (4.9) onde 1 A( t) = P( τ ) mω 1 B( t) = P τ mω ( ) t t cosωτ dτ senωτ dτ (4.1) (4.11) A freqüência angular (ω) e o período (T) desse sistema são respectivamente: ω = k m 2π T = ω (4.12) (4.13)

74 74 Os valores da aceleração u&(t & ) são calculados por meio de derivação numérica da equação dos deslocamentos u(t), em seguida, obtém-se as forças de inércia (F i ) e elástica (F e ) pelas Equações 4.4 e 4.5. A título de exemplo a Tabela 5.1 mostra os resultados obtidos para o corpo-de-prova B25-25-E empregando-se esse procedimento. Tabela 4.1 Cálculo das forças de inércia e elástica no corpo-de-prova B25-25-E. t (ms) P (kn) cos Ρt sen Ρt A (t) B (t) u (t) ü (t) Fi (kn) Fe (kn),, 1,,,,,,,,,1,97 1,,6,1,,,96,97,,2,97,99,12,2,, 1,91,97,,3 1,2,98,18,4,, 2,91 1,1,1,4 1,2,97,24,6,1,1 4,8 1,18,2,5 1,53,95,3,8,1,1 5,54 1,49,4,6 1,65,94,35,1,2,2 7,11 1,59,6,7 1,96,91,41,13,3,2 8,96 1,87,8,8 2,23,89,46,16,5,3 11,4 2,11,12,9 2,6,86,52,2,7,4 13,45 2,44,16 1, 2,85,82,57,23,9,6 16,5 2,64,21 1,1 3,43,79,62,27,12,7 19,16 3,16,27 1,2 4,1,75,66,32,16,9 22,78 3,67,34 1,3 4,73,71,71,37,21,11 27,2 4,3,42 1,4 5,57,66,75,43,27,14 31,99 5,5,52 1,5 6,43,62,79,49,35,17 37,69 5,79,64 1,6 7,48,57,82,56,44,21 44,28 6,7,78 1,7 8,84,52,86,63,55,25 52,6 7,89,94 1,8 1,49,47,89,71,69,31 61,26 9,35 1,14 1,9 12,5,41,91,79,86,37 72,23 11,13 1,36 2, 14,8,36,93,88,16,44 85,19 13,16 1,63 Nas Figuras 4.12 a 4.14 são apresentados os valores teóricos das forças de inércia (F i ) e elástica (F e ), juntamente com os valores experimentais do impulso P medido na célula de carga para os corpos-de-prova B25-25-E, B25-75-E e B E. As figuras mostram que, apesar da forma irregular do impulso, as forças elásticas crescem de forma regular, com o início do crescimento ocorrendo no tempo correspondente ao primeiro pico do impulso e seu valor máximo ocorrendo ao final do impulso.

75 75 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura 4.12 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-25-E Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura 4.13 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-75-E.

76 76 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura 4.14 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B E. As curvas referentes às deformações específicas medidas nas tiras de fibras de carbono mostradas nas Figuras 4.7, 4.9 e 4.11 mostram comportamento semelhante porém, com uma translação de milissegundos no eixo do tempo. Essa translação pode ser atribuída ao tempo necessário para a onda de choque percorrer o caminho entre a célula de carga e o extensômetro. Observa-se ainda que um dos extensômetros passa a fornecer valores inconsistentes a partir de um ponto próximo ao valor máximo dessas curvas. Este ponto corresponde ao instante da ruptura da aderência. O violento ricocheteio da tira de fibras de carbono causa a ruptura do fio do extensômetro que passa a fornecer valores inconsistentes. Os valores experimentais das forças elásticas poderiam ser obtidos a partir das deformações específicas mostradas nas Figuras 4.7, 4.9 e 4.11, multiplicadoas pelo módulo de elasticidade e pela área da seção transversal da tira de fibras de carbono. As curvas mostradas nessas figuras apresentam um comportamento regular, mas os valores das deformações não são compatíveis com o módulo de elasticidade do material. Para o corpo-de-prova B E, por exemplo, o valor máximo da força elástica seria: F e = ε EA = 2,54 291,2 75,166 = 3, 9 kn (4.14)

77 77 e a resistência de aderência seria: f b =,5 39/ 75 3 =, 87MPa (4.15) que é um valor muito menor do que a resistência de aderência obtida nos ensaios estáticos, em torno 5 MPa. Sabe-se que o módulo de elasticidade de alguns materiais aumenta com taxa de carregamento, mas não é o caso do tecido de fibras de carbono (TANIGUCHI, 27). Deve-se observar que para tornar possível a colagem dos extensômetros, os trechos das tiras de fibras de carbono onde eles foram colados tiveram de ser impregnados com a resina epoxídica resultando uma espessura final do compósito fibras/resina entre,5 mm e,8 mm (a espessura do tecido de fibras é de,166 mm). Essa impregnação nos ensaios estáticos resulta em um aumento da rigidez axial que não afeta os resultados, porque a resina fissura logo nos estágios iniciais do ensaio devido à sua baixa resistência à tração. Nos ensaios dinâmicos, com taxa de aplicação de carregamento muito elevada, o aumento da rigidez axial do compósito fibras/resina pode ser expressivo já que as propriedades mecânicas da resina (material com visco-elasticidade pronunciada) dependem muito mais da taxa de deformação do que as propriedades da fibra. Portanto, essa pode ser a razão dos baixos valores das deformações específicas medidas nos ensaios B25-25-E, B25-75-E e B E. Diante das dificuldades expostas, de se medir diretamente as forças elásticas nas tiras de fibras de carbono, essas foram calculadas mediante o emprego da Equação Integral de Duhamel para todos os corpos-de-prova testados. Os gráficos dos resultados dos ensaios estão no Anexo C Modos de Ruptura Foram observados dois modos de ruptura em todos os ensaios: o destacamento do concreto e a ruptura por tração das fibras (Figura 4.15). O destacamento do concreto é caracterizado pela ruptura da interface concreto-reforço, que ocorre em uma fina camada da superfície do concreto, caracterizando a ruptura da aderência. Nos ensaios em que houve ruptura por

78 78 tração das fibras observou-se que essas não estavam uniformemente tracionadas, possivelmente devido a um desalinhamento não intencional dos filamentos. Assim, as fibras mais tracionadas romperam transferindo a força para as fibras vizinhas resultando na ruptura prematura. O modo de ruptura relevante no presente estudo é o de ruptura da aderência. (a) (b) Figura 4.15 Modos de ruptura: (a) destacamento do concreto (ruptura da aderência); (b) ruptura por tração nas fibras de carbono Força de Ruptura e Resistência de Aderência Como já enfatizado anteriormente, as forças que efetivamente atuam nas áreas onde as tiras de fibras de carbono foram coladas no bloco de concreto são as forças elásticas. A força de ruptura é aquela que atua na tira e que provoca um dos dois modos de ruptura. O seu valor será considerado como sendo o valor máximo atingido pela força elástica calculada a partir dos valores experimentais do impulso. Esse cálculo, como já mencionado, foi efetuado numericamente pela integral de Duhamel. Na Figura 4.16 estão identificados a força elástica máxima (F e,max ) e o tempo de carregamento ( t e ) decorrido entre o instante correspondente ao início do crescimento da força e o instante em que essa atinge seu valor máximo.

79 79 5 te 4 3 Fe,max o Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura 4.16 Identificação do valor máximo da força elástica (F e,max ) e do tempo ( t e ) no corpo-de-prova B25-75-E. A tensão normal na tira de fibras de carbono (σ f ), a resistência de aderência (f b ) e a taxa de carregamento (T c ) são calculadas pelas Equações 4.16, 4.17 e 4.18 respectivamente. Os valores numéricos são apresentados nas Tabelas 4.2 a 4.4. σ f = ( Fe, máx t. b f / 2) f (4.16) f b = ( Fe, máx L. b a / 2) f (4.17) T c = σ (4.16) f t e onde F e,máx é o valor máximo da força elástica total nas duas tiras, t f é a espessura da seção transversal da tira, b ƒ é a largura da tira e L a é o comprimento de ancoragem.

80 8 Tabela 4.2 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 25 MPa. f c F e t e σ f f b T c (MPa) (kn) (s) (MPa) (MPa) (GPa/s) Modo de Ruptura B ,2 16,89 217, ,75 D C B ,2 18,57 2, ,13 D C B ,8 32,51, ,22 78 D C B ,8 35,83, , D C B25-25-E 25,2 21,81, ,85 76 D C B ,7 3,97, ,88 18 D C B ,6 29,2, , D C B ,8 34,29, , R F B ,8 4,76, ,6 186 D C B25-75-E 25,2 32,47, , D C B , 33,63, , D C B ,2 3,86, ,86 21 D C B ,9 29,99, , D C B ,8 36,99, , D C B E 25,2 38,17, ,48 24 D C B ,8 32,54, ,23 27 D C B ,2 46,97, , D C Tabela 4.3 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 45 MPa. Corpo-deprova Corpo-deprova f c F e t e σ f f b T c (MPa) (kn) (s) (MPa) (MPa) (GPa/s) Modo de Ruptura B ,7 24,49 511, ,75 D C B ,7 23,52 325, ,13 D C B ,2 33,17, , D C B ,3 38,2, ,45 89 D C B ,5 34,68, ,71 87 D C B ,4 4,94, ,1 113 R F B ,7 33,2, , D C B ,4 33,44, , D C B ,9 31,18, , D C B ,1 38,18, ,48 27 D C B ,3 36,83, , D C B ,9 36,5, , D C B ,4 39,12, , D C B ,4 37,46, , R F

81 81 Tabela 4.4 Resultados experimentais dos corpos-de-prova da série f c,n = 65 MPa. Corpo-deprova f c F e t e σ f f b T c (MPa) (kn) (s) (MPa) (MPa) (GPa/s) Modo de Ruptura B ,7 2,42 166, ,54 D C B ,7 21,79 168, ,84 D C B ,4 35,92, ,98 78 D C B ,2 37,28, ,28 83 D C B ,5 31,85, ,8 78 D C B , 39,28, , D C B ,3 32,2, , R F B ,3 37,94, , D C B ,3 34,69, , R F B ,1 39,77, , D C B ,3 32,6, , D C B ,2 42,17, , R F B ,6 46,94, , R F B ,3 37,38, , D C 4.5. Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência Neste item são analisados os efeitos da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência entre o CFC e o substrato de concreto. Os corpos-de-prova, B , B45-5-2, B , B , B65-1-1, B e B não foram considerados na análise dos resultados, pois esses romperam por tração nas fibras. As Figuras 4.17, 4.18 e 4.19 apresentam os resultados obtidos por meio das Equações 4.16 e 4.17 referentes à resistência de aderência (f b ) e à taxa de carregamento (T c ) dos corpos-de-prova para as resistências à compressão de 25 MPa, 45 MPa e 65 MPa, respectivamente.

82 82 Resistência de Aderência (MPa) Taxa de Carregamento (GPa/s) Figura 4.17 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corpos-deprova com resistência a compressão de 25 MPa. Resistência de Aderência (MPa) Taxa de Carregamento (GPa/s) Figura 4.18 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corposde-prova com resistência a compressão de 45 MPa.

83 83 Resistência de Aderência (MPa) Taxa de Carregamento (GPa/s) Figura 4.19 Resistência de aderência (f b ) vs. taxa de carregamento (T c ) para corposde-prova com resistência a compressão de 65 MPa. A Figura 4.2 apresenta todos os valores obtidos nos resultados dos ensaios estáticos e dinâmicos, cujos corpos-de-prova romperam por destacamento do concreto, ou seja, nos quais a resistência de aderência foi efetivamente atingida. Resistência de Aderência (MPa) 25MPa 45MPa 65MPa Taxa de Carregamento (GPa/s) Figura 4.2 Resistência de aderência vs. taxa de carregamento.

84 84 Mesmo com a dispersão dos resultados, observa-se que os valores de resistência de aderência aumentam com o aumento da taxa de carregamento, podendo chegar a duas vezes os valores de resistência de aderência obtidos nos ensaios estáticos. Essa relação pode ser considerada como uma função potência representada pela Equação 4.17 obtida pelo método dos mínimos quadrados, com coeficiente de correlação R 2 =,7. b,5 6,3 Tc f = (4.17) com f b em MPa e T c em MPa/s. Na análise dos resultados dos ensaios dinâmicos observa-se que a resistência de aderência não depende da resistência do concreto. Tal característica é compatível com os resultados dos ensaios estáticos apresentados por MENEGHEL (25) e PACHECO (26).

85 5. Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 5.1. Conclusões Neste trabalho experimental estudou-se a influência da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono (CFC) e o concreto submetidos a carga de impacto. Foram ensaiados quarenta e cinco corpos-de-prova, constituídos de blocos de concreto e tiras de fibras de carbono coladas nas laterais opostas dos blocos. As variáveis de estudo foram a resistência à compressão do concreto, cujas médias foram 25,2 MPa, 42,7 MPa e 63,7 MPa, e a taxa de carregamento que variou de 1,92 MPa/s, nos ensaios estáticos, até o valor máximo de MPa/s, nos ensaios dinâmicos. As conclusões obtidas são relacionadas a seguir: o aumento da taxa de carregamento proporciona um aumento na resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono (CFC) e o concreto. Esse aumento pode chegar a duas vezes o valor da resistência de aderência estática. A Equação 4.17 representa a função que mais se aproxima do comportamento dos resultados experimentais com um coeficiente de correlação de R 2 =,7; a resistência de aderência não depende da resistência à compressão do concreto.

86 Sugestões para Trabalhos Futuros Devido às dificuldades na medição das deformações específicas e conseqüentemente das forças elásticas, sugere-se a realização de ensaios em que as forças de inércia possam ser eliminadas ou reduzidas ao mínimo. Realizar novos ensaios utilizando-se diversos tipos de materiais compósitos.

87 6. Referências Bibliográficas AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, ACI 44.2R: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. Michigan, 22. AMERICAN SOCIETY for TESTING and MATERIALS ASTM D339/D339, 2 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. USA. ARAÚJO, C. M. Reforço de Vigas de Concreto à Flexão e ao Cisalhamento com Tecidos de Fibras de Carbono. Tese de M.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 22. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR Concreto Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos Método de ensaio. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 7217: Agregados Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 9776: Agregados Determinação da massa específica de agregados miúdos por meio de Frasco de Chapman. Rio de Janeiro, 1987.

88 88 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 9937: Agregados Determinação da absorção e da massa específica de agregado graúdo. Rio de Janeiro, BARROS, J. A. O.; CRUZ, J. S.; DIAS S. J. E., FERREIRA, D. R. S. M., FORTES, A. Nova Abordagem no Reforço de Estruturas com Materiais Compósitos. Universidade do Ninho, Ingenium ISSN , n 98, 27, pp BEBER, A. J. Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com Compósitos de Fibra de Carbono. Tese de Doutorado, UFRGS, Porto Alegre, 23. CAROLIN, A. Carbon Fibre Reinforced Polymers for Strengthening of Structural Elements. Doctoral Thesis, Department of Civil and Mining Engineering, Division of Structural Engineering, Lulea University of Technology, Suécia, June, 23, 19 p. CHEN, J. F.; TENG, J. G. Anchorage Strength Models for FRP and Steel Plates Bonded to Concrete. Journal of Structural Engineering. Vol. 127, n 7, 21, pp CLOUGH, R. W.; & PENZIN, J., Dynamics of Structures. McGraw-Hill Book Company, 2ª ed., U.S.A., ERKI, M.A.; MEIER, U. Impact Loading of Concrete Beams Externally Strengthened with CFRP Laminates. Journal of Composites for Construction, Vol. 3, N. 3, 1999, pp KENDALL, D. The Selection of Reinforcing Fibres for Strengthening Concrete and Steel Structures using Reinforced Plastics. In: International Structural Faults and Repair, 8, London. Proceedings Edinburgh: Engineering Technics Press, CD-ROM.

89 89 MACHADO, A. P. Reforço de Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono. São Paulo: Pini, 22, 282 p. MARTINS, J. N. J. Resistência à Tração de um Sistema de Ancoragem Embutido em Concreto Sujeito a Carga de Impacto. Dissertação de Mestrado, PUC- Rio, 26. MENEGHEL, J. M. Análise Experimental da Aderência entre o Concreto e Compósitos com Tecido de Fibras de Carbono. Dissertação de Mestrado, PUC - Rio, 25. NAKABA, K.; KANAKUBO, T.; FURUTA, T. e YOSHIZAWA, H. Bond Behavior between Fiber-Reinforced Polymer Laminates and Concrete. ACI Structural Journal. Vol. 3, n 98, 21, pp PELLISSARI, A. R. Verificação Experimental da Aderência CFC - Concreto com Carregamento de Impacto. Dissertação de Mestrado, PUC - Rio, 27. PACHECO, C. O. Verificação Experimental da Aderência CFC - Concreto por meio de Ensaios Tração-Compressão em Corpos-deprova Cúbicos. Dissertação de Mestrado, PUC - Rio, 26. TANG, T.; SAADATMANESH, H. Behavior of Concrete Beams Strengthened with Fiber-Reinforced Polymer Laminates under Impact Loading. Journal of Composites for Construction, Vol. 7, N. 3, 23, pp TANIGUCHI, N.; NISHIWAKI, T.; KAWADA, H. Tensile Strength of Unidirectional CFRP Laminate under High Strain Rate. Advanced Composite Materials, Vol. 16, N. 2, 27, pp TENG, J. G.; CHEN, J. F.; SMITH, S. T.; LAM, L. FRP Strengthened RC Structures. West Sussex, England: John e Wiley & Sons, 22, 245 pp.

90 9 WHITE, T.W.; SOUDKI, K.A.; ERKI M.A. Response of RC Beams Strengthened with CFRP Laminates and Subjected to a High Rate of Loading. Journal of Composites for Construction, Vol. 5, No. 3, 21, pp

91 91 Anexo A Caracterização dos Agregados Composição Granulométrica A determinação da composição granulométrica dos agregados graúdo e miúdo foi realizada no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da Puc-Rio, conforme o prescrito na NBR 7217/1987. Foram determinados o módulo de finura e a dimensão máxima característica dos agregados. As proporções relativas de materiais retidos nas peneiras da série normal e intermediária são mostradas nas Tabelas A.1 e A.2, respectivamente. A quantidade de material utilizado na experiência foi de 3 kg de brita e 1 kg de areia. Tabela A.1 Resultado da análise granulométrica do agregado miúdo. Peneiras Malha (mm) Resíduo Resíduo Acumulado (%) g % Passado Retido 3 76,2 2 5,8-1 ½ 38,1 1 25,4 - ¾ 19,1 ½ 12,7 ⅜ 9,52 ¼ 6, ,76 22,5 2,25 97,75 2,25 8 2, ,4 93,35 6, , ,2 83,15 16,85 3, ,9 48,25 51,75 5, ,7 15,55 84,45 1, ,4 2,15 97,85 2,74 - Fundo - 21,5 2,15 - Totais ,8

92 92 Tabela A.2 Resultado da análise granulométrica do agregado graúdo. Peneiras Malha (mm) Resíduo Resíduo Acumulado (%) g % Passado Retido 3 76,2 2 5,8-1 ½ 38,1 1 25,4 1 - ¾ 19,1 75 2,5 97,5 2,5 ½ 12, ,7 32,43 67,57 ⅜ 9, ,2 8,23 91,77 ¼ 6,35-4 4, ,7 2,16 97,84 8 2,38 97, ,19 97,84 3,59 97,84 5,297 97,84 1,149 97,84 2,74 - Fundo ,16 - Totais ,31 Cálculo do Módulo de Finura Para o cálculo do módulo de finura do agregado somam-se todas as porcentagens retidas acumuladas nas peneiras da serie normal, e divide-se esta soma por 1%. Agregado Graúdo 681,31 MF = = 1 6,81 (A.1) Agregado Miúdo 259,8 MF = = 1 2,6 (A.2)

93 93 Dimensão Máxima Característica dos Agregados A dimensão máxima característica do agregado é a porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5%, em massa correspondente à abertura nominal em milímetros da malha da peneira da série normal. Agregado Graúdo D máx = 19mm (A.3) Agregado Miúdo D máx = 4, 76mm (A.4)

94 Anexo B Determinação das Massas Específicas dos Agregados Graúdo e Miúdo Massa Específica do Agregado Miúdo A massa específica do agregado miúdo foi obtida por meio do Frasco de Chapman de acordo com a NBR 9776:1987, e calculada segundo a seguinte expressão: 5 γ = (B.1) L 2 onde γ - massa especifica do agregado miúdo (expressa em 3 g / cm ); L - leitura do frasco (volume ocupado pelo conjunto água agregado miúdo). A massa inicial utilizada foi de 5 g e adicionou-se água ate a marca de 2 cm 3 do frasco. A leitura realizada foi de 392 cm 3, obtendo-se o seguinte valor para a massa especifica: γ = = 2,6g / cm (B.2) Massa Específica do Agregado Graúdo A massa especifica absoluta da brita foi obtida, conforme as recomendações da NBR 9937:1987, utilizando-se o procedimento do Frasco Graduado com capacidade de 5 ml, sendo que a massa inicial utilizada foi de 1 g. Adicionou-se água até a marca de 1 cm 3 do frasco, resultando numa leitura de 137 cm 3, obtendo-se o seguinte valor para a massa especifica: 1 = = 2,7g / cm γ (B.3)

95 95 Massa Específica Aparente do Agregado Graúdo A determinação da massa específica aparente consiste em encher um recipiente retangular, em três camadas, com o agregado graúdo, promovendo o adensamento de cada camada mediante 25 golpes de uma haste metálica, com 16 mm de diâmetro e 6 cm de comprimento. A massa específica aparente é calculada dividindo-se a massa de brita contida no recipiente pelo volume do recipiente. V rec = 3 = 15cm. x.31,5cm. x.31,5 cm 1488,75cm (B.4) P rec = 17, 2Kg (B.5) P b = 31,1 17,2 = 23,9Kg = 239g (B.6) 239 γ = 14883,75 b = 1,61g / cm 3 (B.7)

96 Anexo C Gráficos dos Resultados dos Ensaios Ensaios Estáticos 25 2 Força (kn) Tempo (s) Figura C.1 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.2 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B25--1.

97 Força (kn) Tempo (s) Figura C.3 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.4 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Força (kn) Tempo (s) Figura C.5 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B45--1.

98 98 5 Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.6 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Força (kn) Tempo (s) Figura C.7 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.8 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B45--2.

99 Força (kn) Tempo (s) Figura C.9 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.1 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Força (kn) Tempo (s) Figura C.11 Curva força vs. tempo para o corpo-de-prova B65--2.

100 1 5 Deformação específica ( ) Tempo (s) Figura C.12 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B Ensaios Dinâmicos 1,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura C.13 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B25-25-E.

101 11 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.14 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-25-E. Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.15 Forças de inércia (F i ), elástica (F e ) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.16 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

102 12 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.17 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.18 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B ,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura C.19 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B25-75-E.

103 13 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.2 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B25-75-E. Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.21 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.22 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

104 14 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.23 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.24 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B ,,9 Deformação específica ( ),8,7,6,5,4,3,2,1, Tempo (ms) Figura C.25 Curva deformação específica vs. tempo para o corpo-de-prova B E.

105 15 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.26 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B E. Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.27 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe Fp Tempo (ms) Figura C.28 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

106 16 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.29 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.3 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.31 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

107 17 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.32 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.33 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.34 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

108 18 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.35 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.36 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.37 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

109 19 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.38 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.39 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi -4 Fe P Tempo (ms) Figura C.4 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

110 11 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.41 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.42 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.43 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

111 111 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.44 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.45 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.46 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

112 112 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.47 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.48 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.49 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

113 113 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.5 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.51 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.52 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

114 114 Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.53 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B Força (kn) Fi Fe P Tempo (ms) Figura C.54 Forças de inércia (Fi), elástica (Fe) e impulso (P) no corpo-de-prova B

115 115 Anexo D Fotos dos corpos-de-prova Ensaios Dinâmicos a) b) Figura D.1 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.2 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.3 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

116 116 a) b) Figura D.4 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.5 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.6 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

117 117 a) b) Figura D.7 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.8 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.9 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

118 118 a) b) Figura D.1 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.11 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.12 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

119 119 a) b) Figura D.13 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.14 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.15 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

120 12 a) b) Figura D.16 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.17 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.18 (a) corpo-de-prova B e (b) corpo-de-prova B

121 121 a) b) Figura D.19 (a) corpo-de-prova B25-25-E, (b) corpo-de-prova B25-75-E e (c) corpode-prova B E. c) Ensaios Estáticos a) b) Figura D.2 (a) corpo-de-prova B25--1 (b) corpo-de-prova B25--2.

122 122 a) b) Figura D.21 (a) corpo-de-prova B45--1 (b) corpo-de-prova B a) b) Figura D.22 (a) corpo-de-prova B65--1 (b) corpo-de-prova B65--2.