Suzel Aline Fortes Duarte. Comportamento sísmico de nós de pórtico debetão armado reforçados com laminados decfrp inseridos no betão de recobrimento

Transcrição

1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Comportamento sísmico de nós de pórtico debetão armado reforçados com laminados decfrp inseridos no betão de recobrimento Suzel Aline Fortes Duarte Comportamento sísmico de nós de pórtico debetão armado reforçados com laminados decfrp inseridos no betão de recobrimento UMinho 2013 Suzel Aline Fortes Duarte outubro de 2013

2 Universidade do Minho Escola de Engenharia Suzel Aline Fortes Duarte Comportamento sísmico de nós de pórtico debetão armado reforçados com laminados decfrp inseridos no betão de recobrimento Tese de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Civil Perfil de Estruturas e Geotecnia Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor José Sena Cruz outubro de 2013

3 AGRADECIMENTOS A presente dissertação foi realizada no Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade do Minho, e está integrada num projeto de investigação subordinada ao tema Estudo do comportamento de nós de pórticos de betão armado, utilizando como material de reforço os CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). Com a conclusão deste trabalho, gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos a todos aqueles, que de forma direta ou indireta ajudaram ao longo desta dissertação. Ao Professor José Sena Cruz, sob cuja orientação decorreu a realização da presente dissertação, quero expressar o meu profundo agradecimento pelos seus ensinamentos e orientação dispensada ao longo deste trabalho. Aos meus colegas Luca Fasan e Fabio Li Prizzi, que também participaram no desenvolvimento do trabalho, partilha de conhecimentos e disponibilidade. Aos doutorandos Esmaeel Esmaeeli e Hadi Baghi pelo apoio que deram para a execução do mesmo. Ao Laboratório de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em especial ao Sr. António Matos e ao Engenheiro Marco Jorge pela ajuda prestada na realização deste trabalho. Ao laboratório de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro onde decorreram os ensaios, ao professor Humberto Varum e ao Engenheiro José Melo pela ajuda prestada na realização dos ensaios. O presente trabalho contou ainda com a colaboração das seguintes empresas: S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda., Hilty Portugal-Produtos e Serviços, Lda. E Sika Portugal Produtos Construção e indústria, S.A. Ao meu companheiro José Carlos Oliveira, pelo apoio incondicional, ao incentivo, a motivação e ao carinho prestado durante este trabalho. À minha família que mesmo à distância sempre me apoiaram. iii

4 iv

5 RESUMO A necessidade de reforço das estruturas de edifícios de betão armado pode resultar de acidentes, de causas naturais (e.g. sismos), de projeto e/ou construção deficientes, alteração de critérios regulamentares ou falta de manutenção entre outras causas. Neste contexto, no âmbito da presente Dissertação, pretende estudar-se a aplicação da técnica de reforço designada NSM ( Near Surface Mouted ) a nós de pórtico de betão armado representativos de edifícios do final da década de 70, quando submetidos a ações cíclicas. Na técnica NSM os reforços em polímeros reforçados com fibras (FRP) são inseridos em finos entalhes abertos no betão de recobrimento. Normalmente estes reforços são fixos ao betão com recurso a adesivos de origem epoxídica. Os edifícios de betão armado do final da década de 70 são caraterizados por apresentarem betões de baixa resistência, armaduras lisas e ausência de critérios de dimensionamento adequados à ação dos sismos. Este trabalho é iniciado com uma revisão bibliográfica sobre o estado do conhecimento atual no que diz respeito à utilização de materiais compósitos no reforço de estruturas de betão armado, com particular destaque para as técnicas de reforço em nós de pórtico de betão. Segue-se a descrição da técnica de reforço a estudar, bem como a sua aplicação aos nós de pórtico a estudar por via experimental. Os ensaios experimentais realizados tiveram como objetivo fundamental validar a técnica de reforço proposta. Para tal foram ensaiados com quatro nós de pórtico de betão armado, com distintas soluções de reforço. Estes quatro nós, foram posteriormente submetidos a ensaio cíclico. Os resultados destes ensaios revelaram que a técnica proposta constitui uma solução promissora para o reforço de nós de pórtico quando submetidos a ações desta natureza. v

6 vi

7 ABSTRACT The need for strengthening of reinforced concrete buildings can result in accidents, natural causes (earthquakes), design and / or construction disabled, changing regulatory criteria or lack of maintenance among other causes. In this context, the scope of this dissertation aims to study the application of the NSM strengthening technique called us gantry concrete buildings representative of the late 70s, when subjected to cyclic loads. In technical NSM reinforcements in fiber reinforced polymers (FRP) are inserted into thin open slots in the concrete cover. Usually these reinforcements are fixed to concrete using epoxy adhesives source. The reinforced concrete buildings of the late 70s are characterized by presenting concrete with low resistance, smooth and no armor design criteria appropriate to the action of earthquakes. This paper starts with a literature review on the state of current knowledge regarding the use of composites in strengthening of concrete structures, with particular emphasis on the techniques of reinforcement in concrete. Below is the description of the reinforcement technique to study as well as its application to the study we gantry via experimental. Experimental tests were performed to validate the fundamental goal of strengthening technical proposal. To this end we were tested with four gantry reinforced concrete reinforcement with different solutions. These were later subjected to cyclic test. The results of these trials showed that the proposed technique is a promising solution for the enhancement of us gantry when subject to cyclic loads. vii

8 viii

9 PALAVRAS-CHAVE Nós de pórtico Betão Armado Ligações Viga Pilar Polímeros Reforçados com Fibras (FRP) Técnica de reforço NSM ( Near Suurface Mounted ) Ação Cíclica KEY WORDS Frame Joint Concrete Beam-column joints Fiber reinforced polymer (FRP) NSM Technique Cyclic load ix

10 x

11 ÍNDICE CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Contextualização e motivação Objetivos Estrutura da Dissertação Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas Técnicas de reforço de nós de pórtico Técnica de reparação com epóxi Remoção e Substituição do betão Encamisamento de secções com betão armado Encamisamento de secções com chapas de aço Encamisamento com blocos de alvenaria Compósitos poliméricos reforçados com fibras Materiais de matriz cimentícia ECC Características de desempenho Propriedades Mecânicas dos ECC CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA Conceção dos protótipos Caraterização dos Materiais Configuração do Ensaio Esquema de monitorização Pré-danificação dos protótipos Reparação e reforço dos protótipos Soluções de reforço pré-fabricadas Solução de reforço 1- JPA Solução de reforço 2 JPC Soluções de reforço betonadas in situ Solução de reforço 3 - JPA Solução de reforço 4 JPB Descrição e caraterização dos materiais utilizados na reparação/ reforço Força versus deslocamento Energia dissipada Rigidez inicial e degradação de rigidez xi

12 4.4 Degradação da Força Modos de rotura CAPÍTULO 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusões gerais Propostas para Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xii

13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(juvantes 2011). 8 Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008)... 9 Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008) Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia Civil (Sena Cruz 2011) Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004) Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011) Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes) Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes) Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004) Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004) Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004) Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de confinamentos (Sousa 2008) Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011) Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM (Salvador 2008) Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004) Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009) Figura 17- Curvas de elementos produzidos com betão com estribos a) sem estribos b) com estribos (Garcez) Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos (Garcez 2009) Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012) xiii

14 Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema de ensaio. (Fernandes 2012) Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012) Figura 26-Esquema de monitorização dos ensaios realizados (Fernandes 2012) Figura 27- Lei de deslocamentos laterais imposta no topo do pilar (Fernandes 2012).. 42 Figura 28- Configuração do reforço aplicado a protótipo JPA Figura 29- Procedimentos de reforço com a técnica NSM no protótipo JPA Figura 30- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nos painéis pré-fabricados Figura 31-Preparação dos protótipos pré-fabricados Figura 32- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPC Figura 33- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPC Figura 34- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPA Figura 35- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPA Figura 36-Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPB Figura 37- Solução de ancoragem adotados nos laminados Figura 38- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nas faces laterais do protótipo JPB Figura 39- Relação Força versus deslocamento: (a) JPA-1, (b) JPA-3, (c) JPC, (d) JPB Figura 40- Energia dissipada em função do número de ciclos para cada protótipo: (a)jpa-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB Figura 41- Degradação da rigidez: (a) JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB Figura 42- Degradação da força para os protótipos: (a) JPA-1; (b) JPC; (c) JPA-3; (d) JPB Figura 43- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-1-R; (b) JPC-R;.. 68 Figura 44- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-3-R; (b) JPB-R xiv

15 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1- Propriedades das Armaduras Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço Tabela 3- Tabela Resumo dos resultados em termos de Força - Deslocamento dos respetivos protótipos (Fernandes 2012) Tabela 4- Resultados obtidos em termos de relação força-deslocamento para os protótipos ensaiados 59 xv

16 xvi

17 Lista de símbolos NSM Near Suurfaces Mounted FRP Polímeros reforçados com fibras (fiber reinforced polymers) CFRP Polímeros reforçados com fibras de carbono (carbon fiber reinforced polymers) ECC Engineered cementitious composites LVDT transdutor de deslocamentos (linear voltage displacement transformer) EC Eurocódigo ρ l armadura xvii

18 xviii

19 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 1.1 Contextualização e motivação Ao longo do século XX, o betão armado como material de construção, demonstrou as suas variadas potencialidades. Consequentemente, observou-se uma utilização massiva do mesmo. Porém, ao longo dos anos emergiram alguns problemas que vinham sendo negligenciados. Isto porque, muitos dos edifícios dimensionados e construídos antes da primeira metade do século XX, apresentavam deficientes características, principalmente quando solicitados por ações cíclicas devido à utilização de betões de fraca resistência, armaduras lisas, à fraca aderência das armaduras ao betão e à falta de disposições construtivas especificas à ação do sismo. Consequentemente, muitos destes edifícios apresentam elevada vulnerabilidade sísmica. Uma das causas comum de dano e colapso de edifícios de betão armado desta época, quando sujeitos à ação sísmica, é devido à ocorrência de mecanismos de escorregamento das armaduras por consequência da degradação da aderência aço-betão, conduzindo ao colapso parcial ou global da estrutura. Em Portugal, a ocorrência de sismos pode dizer-se que não é, nem muito intensa nem muito frequente. No entanto no passado já ocorreram diversos sismos com elevada magnitude e intensidade com consequências catastróficas que abalaram o país. Dado o risco de perdas humanas e de bens materiais devido aos sismos, torna-se necessário o estudo do comportamento sísmico de modo a assegurar que, quer as novas construções, quer as existentes apresentam comportamento adequado. Em Portugal, no final da década de 70 já existiam algumas regulamentações específicas para as construções de betão armado, destacando-se a publicação em 1961 do RSEP (Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes) e a publicação do REBA em 1967 (Regulamento de Estruturas de Betão Armado). Anteriormente à publicação destas regulamentações, os edifícios eram construídos sem se basear em critérios de análise e caraterização da ação sísmica que permitissem o seu dimensionamento à mesma. Em virtude dessa conceção estrutural resultou um grande número de edifícios com deficientes capacidades de resistência, deformações elevadas e danos concentrados nos nós quando submetidos ao sismo. Nesse contexto, torna-se necessária uma avaliação 1

20 estrutural da vulnerabilidade sísmica destes edifícios para uma intervenção a nível de reforço e/ou reabilitação dos mesmos. Para que estes edifícios possam vir a desempenhar novas funções com segurança, a necessidade de reparação/reabilitação está diretamente relacionada com uma análise técnica e económica para se definir o tipo de intervenção a adotar. As razões que levam às intervenções de reforço num dado elemento estrutural podem ser devidas: à alteração do tipo de utilização (ações superiores às dimensionadas em projeto), deterioração dos materiais (o que resulta na diminuição das suas resistências), à alteração das suas funcionalidades ou erros de projeto/construção (Sena Cruz 2008). Os projetistas são confrontados, em algumas circunstâncias de intervenções de reforço, por situações que, devido a condicionantes de projeto, os limitam a nível da solução estrutural e dos materiais a escolher. Nesta perspetiva demonstra-se claramente a necessidade de se desenvolver ferramentas no âmbito de avaliação, reabilitação e/ou reforço dos edifícios existentes de modo a melhorar as suas respostas a nível sísmico. Nos últimos anos houve um acréscimo significativo de estudo e investigação, tendo já sido publicados vários estudos e documentos com o objetivo de conceder aos projetistas informações necessárias para o correto dimensionamento de projetos de reforço estrutural com materiais compósitos, para responder a tais necessidades (Barros 2007). O incremento da necessidade de reabilitar e reforçar as estruturas de betão está também relacionado com as desvantagens apresentadas pelas técnicas de reforço tradicionais retraindo projetistas e, sobretudo, donos de obra, pelo impacto estético (entre outros) que estas intervenções impõem. O aparecimento dos compósitos FRP em projetos de reforço e a sua crescente utilização deve-se às grandes vantagens deste material, que essencialmente se caraterizam por: elevada rigidez e resistência à tração, baixo peso específico, elevado comportamento à fadiga e elevada resistência à corrosão. Os mesmos compósitos asseguram uma variada oferta a nível de dimensões, quase ilimitadas em termos de comprimento e entre eles existem também alguns tipos que se adaptam perfeitamente a superfícies curvas. 2

21 Outro fator caracterizador das vantagens de utilização dos compósitos FRP é a adequada ligação ao betão, pela compatibilidade de deformações e da perfeita conjugação química entre eles, o que permite a construção de estruturas mais leves, mais resistentes e com maior durabilidade (Dias 2008). Em termos mecânicos, as suas elevadas vantagens propiciam soluções de reforço que conseguem garantir aumentos consideráveis na capacidade resistente dos elementos estruturais, sem infligir alterações significativas na arquitetura da estrutura inicial e com uso de pequenas quantidades de reforço Objetivos Uma vez que estes edifícios da década de 70 foram construídos sem considerar a ação sísmica, estes constituem um risco elevado para a população, tornando imprescindível uma avaliação consistente das suas vulnerabilidades. De acordo com a investigação experimental que tem vindo a ser desenvolvida e os danos observados após os sismos ocorridos, ficou demonstrado que as deficiências na pormenorização das armaduras dos nós e a inadequada ancoragem das armaduras levam à rotura frágil das ligações viga-pilar, e consequentemente, de todo o edifício. Dos vários estudos experimentais que têm investigado o comportamento cíclico da ligação viga-pilar, poucos estão direcionados à análise do comportamento das ligações com pormenorização de armaduras típicas da década de 70, deixando assim uma lacuna nesta área. De acordo com o exposto anteriormente, a presente dissertação tem como objetivo desenvolver um trabalho experimental, de uma forma sustentada, que permitisse dar resposta a esta questão. 3

22 Assim os principais objetivos definidos para a presente dissertação foram os seguintes:. Efetuar uma compilação sobre o estado de conhecimento atual do comportamento cíclico de ligações viga-pilar representativos de edifícios da década de 70, com deficiente dimensionamento ao sismo, bem como de materiais e técnicas de reforço de nós de pórtico;. Realização de um programa experimental que permita validar a técnica de reforço proposta, de forma que seja garantido o controlo da qualidade de aplicação do reforço de CFRP ( Polímeros reforçados com fibras de carbono );. Participar na implementação das técnicas de reforço impostas;. Comparar a eficácia das duas técnicas principais de reforço propostas;. Tratar e interpretar os resultados obtidos nos ensaios experimentais Estrutura da Dissertação Incluindo a presente introdução, esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No primeiro capítulo apresenta-se, de forma resumida, o enquadramento sobre a temática desta dissertação, os objetivos e a estratégia adotada para alcançar os objetivos propostos. No Capítulo 2, descreve-se, de forma resumida, o resultado do trabalho de pesquisa bibliográfica efetuado sobre a temática desta dissertação. Após o enquadramento da utilização dos materiais compósitos de CFRP no reforço de estruturas de betão armado, são apresentadas, de forma genérica, as técnicas de reforço que recorrem aos referidos materiais, bem como as principais vantagens e desvantagens da técnica de reforço NSM, utilizada no âmbito da presente dissertação. Tendo em consideração uma base de dados referente a resultados de trabalhos de investigação experimental já realizados. Numa fase seguinte é dado particular destaque aos novos materiais de matriz cimentícia ECC, bem como o seu elevado desempenho como material de construção, e sua potencial aplicação no âmbito da técnica de reforço em análise. 4

23 No Capítulo 3, são apresentadas as principais características dos materiais usados e as soluções de reforço adotadas. Este capítulo descreve também a configuração do ensaio e a instrumentação necessária para a realização dos mesmos. No Capítulo 4, apresentam-se os resultados e respetiva análise dos ensaios experimentais realizados, nomeadamente a relação força-deslocamento, a degradação da rigidez, energia dissipada e os modos de rotura. Estes resultados são relativos aos protótipos ensaiados antes e após a aplicação do reforço. No Capítulo 5, apresentam-se as conclusões finais da dissertação e são avançadas algumas sugestões visando desenvolvimentos futuros. 5

24 CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE Este capítulo resulta da pesquisa bibliográfica realizada no âmbito desta dissertação. Inicialmente é feito o enquadramento da utilização dos materiais compósitos em CFRP no reforço de estruturas de betão armado. Posteriormente, são apresentadas as técnicas de reforço para nós de pórtico de betão armado, com particular relevo para a técnica da inserção de compósitos no betão de recobrimento (NSM). São realizadas algumas considerações relativamente a alguns aspetos tecnológicos da aplicação dos reforços de CFRP e ao desempenho estrutural dos elementos reforçados. Uma segunda fase deste capítulo será dedicada aos novos materiais de matriz cimentícia e ao seu elevado desempenho na Engenharia. 2.1 Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas As estruturas de betão armado são projetadas de acordo com exigências e recomendações, pelo qual devem obedecer requisitos de segurança, funcionalidade e durabilidade ao longo do seu período de vida útil. No entanto, são observadas regularmente situações em que as condições de segurança não são atendidas satisfatoriamente. O cenário descrito deve-se às seguintes causas: alteração do tipo de utilização num determinado edifício (alteração das cargas a atuar na estrutura); deterioração dos materiais derivados da diminuição da sua resistência ao longo dos anos de vida útil; erros de projeto ou de construção; problemas a nível de conceção estrutural, nomeadamente alteração dos códigos; ocorrência de catástrofes naturais ou vandalismo. Os problemas anteriormente mencionados podem ser resolvidos com determinados tipos de intervenção, tais como: demolição do edifício; reforço ao nível dos elementos estruturais ou alteração dos elementos estruturais. Nestes casos, o tipo de intervenção a implementar depende de uma avaliação de acordo com as condições de segurança e económicas da referida situação. De acordo com estudos, tem-se constatado que o reforço/reabilitação das estruturas tem sido a opção mais utilizada, com enorme relevância na área da construção civil. Tendo em conta o tipo de solicitação do elemento estrutural, poderá corresponder a diferentes tipos de sistemas de reforço, como também ao aumento da resistência à flexão, ao corte, e ainda a necessidade de aumentar o confinamento do betão (Dias 2008). 6

25 As técnicas de reforço que foram mais utlizadas em elementos estruturais nos últimos anos são: colagem exterior de chapas metálicas, o encamisamento das secções e a aplicação de pré-esforço exterior. A técnica de colagem externa de chapas metálicas com epóxi tem sido a mais utilizada. Trata-se de uma técnica com algumas vantagens, tais como: facilidade de execução e ao amplo conhecimento do comportamento do material, mas também apresenta alguns inconvenientes que possam comprometer a sua utilização, nomeadamente degradação do material na zona da ligação betão/aço devido à corrosão do aço, dificuldade de circulação em obra, devido ao seu elevado peso próprio, limitação a nível de dimensões das chapas e em superfícies curvas. Outra técnica bastante eficiente no que se diz respeito ao aumento da ductilidade, resistência e rigidez é a do encamisamento das secções. Porém tem consequências que possam repercutir no peso próprio da estrutura, devido ao aumento considerável das suas secções transversais e das cargas a atuar no mesmo. Também pode influenciar o espaço em obra na zona da operação do reforço. Para além destas duas técnicas, a técnica de aplicação de pré-esforço exterior foi muito utilizada no passado. Embora seja uma técnica que permite o controlo simultâneo da deformação e da capacidade de carga da estrutura, implica a necessidade, imprescindível, de proteção à corrosão das armaduras de pré-esforço. Os aspetos mais negativos desta técnica são a exposição exterior ao fogo, ao vandalismo, necessidade de adoção de sistemas de ancoragem e ao eventual acréscimo de esforços nas zonas não reforçadas. Visto que a necessidade de reabilitar, reparar e reforçar as estruturas tem vindo a aumentar consideravelmente, e dado ao excelente comportamento do material em diversas industrias, a engenharia civil, tem vindo a despertar cada vez mais o interesse nos materiais compósitos reforçados com fibras (FRP), devido aos seus benefícios quando empregue no reforço de estruturas, dos quais podemos citar elevada resistência mecânica, durabilidade, capacidade de absorver e dissipar energia, resistência ao fogo. Os materiais compósitos de FRP (Figura 2) são constituídos essencialmente por fibras embebidas numa matriz polimérica. As fibras são o agente estrutural dos materiais compósitos de FRP e a matriz a segunda componente. As fibras são dispostas em forma de filamentos de pequeno diâmetro, apresentando elevado modo de elasticidade e resistência à tração, uma baixa densidade e um comportamento frágil. Podem ser 7

26 apresentadas numa direção (compósitos de FRP unidirecionais sendo que a orientação unidirecional lhes confere a maximização da resistência e da rigidez na direção longitudinal) ou em várias direções (compósitos de FRP multidirecionais) (Juvantes 2011). De facto, constituem boas alternativas às técnicas de reforço tradicionais. Estes sistemas de reforço são constituídos por três principais componentes: o compósito FRP, o adesivo responsável pela ligação entre o material e o FRP e a resina de preparação da camada a reforçar. De acordo com o agrupamento dos materiais constituintes, a comercialização dos sistemas de FRP é feita por dois grupos, os sistemas Pré-fabricados e os sistemas curados in situ (Figura 1). Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(juvantes 2011) Os compósitos de FRP s que constituem os sistemas Pré-fabricados são resultantes da consolidação de um processo de pultrusão que integra um conjunto de feixes de fibra contínuas e unidirecionais repletas de uma resina termoendurecível, em que são controladas a espessura e a largura em fábrica. Trata-se do produto final a aplicar em obra, sem necessidade de polimerização para a sua aplicação. A forma comercial mais 8

27 utilizada é o laminado que se apresenta normalmente com a espessura de 1.2 a 1.4 mm e largura variável. De acordo com os fabricantes as características mecânicas dos laminados são obtidas por ensaios e planos que respeitam regras de controlo de qualidade. O adesivo que é adicionado ao sistema para estabelecer a colagem do material ao laminado, é normalmente um material do tipo epóxido. Os sistemas curados in situ são normalmente apresentados com a designação de Mantas ou Tecidos, que são feixes de fibras contínuas em forma de fios em estado seco ou préimpregnado. As Mantas apresentam-se em folhas com espessuras entre 0.1 a 0.2 mm e larguras entre 25 a 30 cm e são constituídas por fibras unidirecionais. Os Tecidos são bi ou multidirecionalmente, apresentadas como fibras entrelaçadas com larguras de aproximadamente 60 cm. A percentagem das fibras é apresentada em peso do produto por (g/ ). A resina de saturação que constitui o sistema tem o objetivo de estabelecer a ligação entre o material a colar e o FRP. Visto que, com a mistura da fibra e a resina só se obtém o FRP após a execução do reforço in situ, ou seja após a polimerização da resina. Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008) Relativamente aos materiais tradicionalmente utilizados na construção, nomeadamente o aço, o betão e a madeira, os compósitos de CFRP apresentam inúmeras vantagens, das quais se podem realçar, elevados valores das relações resistência à tração/peso e rigidez/peso e pela elevada resistência à corrosão. Também tendo em conta o elevado desempenho e o reduzido peso especifico que apresentam de acordo com as 9

28 características mecânicas, pode-se obter soluções de reforço leves e vantagens associados aos aspetos como: facilidade de manuseamento em obra, facilidade de transporte, aumento pouco significativo das cargas na estrutura inicial e a arquitetura inicial é minimamente alterada. Dado às elevadas características mecânicas e a elevada resistência à corrosão, os CFRP podem ser utilizadas em diferentes campos de aplicação nomeadamente nas zonas costeiras. Acresce que este tipo de material apresenta características muito importantes como a versatilidade em dimensões e a adaptabilidade a qualquer tipo de superfície, o que não acontece com as chapas metálicas. Também ao contrário das chapas metálicas, este material apresenta-se em termos de comprimento, com dimensões quase ilimitadas, pelo que não é necessário executar emendas no reforço. O tipo de reforço pode ser aplicado, dispondo a direção das fibras o mais próximo possível da direção das tensões principais de tração, de forma a otimizar o seu desempenho. Os materiais compósitos de CFRP apresentam vantagens face aos materiais tradicionais de acordo com o desempenho mecânico e durabilidade, mas quanto ao comportamento à ação do fogo, quando exposto às altas temperaturas deve-se ter especial atenção, devido à presença das resinas e adesivos. Como a temperatura de transição vítrea da cola é aproximadamente de 50 a 60ºC, quando diretamente exposto à ação de temperaturas elevadas, nomeadamente do fogo, poderá resultar na sua degradação e consequentemente a diminuição das características mecânicas do CFRP. Quando avaliado individualmente, o elevado custo dos materiais compósitos de CFRP, pode ser considerado um obstáculo à sua utilização, mas no âmbito da instalação/reforço apresenta-se entre as outras técnicas de reforço, como uma das mais competitivas. Graças ao diminuto peso específico dos CFRP pode-se obter facilidade de transporte e da operação de reforço. Pode-se dizer que é uma técnica simples e rápida de executar, mesmo quando se trata de zonas de difícil acesso ou zonas em que podem não ser asseguradas condições de segurança (zonas em que o transito possa ser interrompido, conforme representada na Figura 3). 10

29 Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008) Além disso, algumas tarefas para a execução do reforço de CFRP podem ser realizadas fora do local da obra, em que não exige elementos de suporte, o que poderá reduzir o tempo de execução do reforço in situ. Quanto aos custos, se incluirmos os custos de manutenção durante a vida útil da estrutura reforçada, a técnica dos materiais compósitos de CFRP pode ter uma significativa vantagem em relação às outras técnicas. Para além dos aspetos económicos, o sucesso desta técnica de reforço deve-se às propriedades dos materiais, a simplicidade e a rapidez de execução do reforço, custos de manutenção após reforço e ao facto de não alterar com significância a geometria inicial da estrutura. Face ao que foi anteriormente mencionado, atualmente a técnica de reforço com CFRP é considerada igualmente ou mais eficaz que as técnicas de reforço tradicionais. O que explica a sua crescente utilização nas obras de reforço de estruturas (ver Figura 4). 11

30 Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia Civil (Sena Cruz 2011) 2.2 Técnicas de reforço de nós de pórtico Existem duas grandes possibilidades de intervenções relativamente às operações de reparação/reforço de estruturas: a primeira são intervenções ao nível global da estrutura, que envolvam um aumento significativo da capacidade resistente; e um segundo tipo mais direcionado para intervenções particulares na estrutura, que privilegiam um pequeno aumento de resistência, proporcionando o aumento da ductilidade. Este tipo de reforço incide numa zona particular da estrutura, normalmente incide nas zonas das rótulas plásticas. O desempenho das ligações viga-pilar tem vindo a ser reconhecido como uma das causas significativas que afetam o comportamento geral das estruturas de betão armado submetido a grandes cargas laterais (Figura 5). Uma vez que os reforços sísmicos nestes tipos de ligações, mais utilizados não asseguram mecanismos de rotura dúctil desejáveis, a necessidade de reforçar na zona dos nós de pórtico de betão armado poderá ser considerada pela necessidade de aumentar a ductilidade, a resistência na zona do nó (viga e pilar) e por consequência assegurar mecanismos de rotura dúctil (Engindeniz 2004). 12

31 Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004) Existem algumas técnicas de reforço com o fim de solucionar os problemas atrás mencionados e que podem ser agrupadas da seguinte forma: reparação com epóxi (injeção de resinas epoxídicas nas fendas de elementos pouco degradados), remoção e substituição do betão em zonas mais degradadas, encamisamento de secções com betão armado, blocos de alvenaria ou com placas de aço, e ainda reforço com recurso a materiais compósitos Técnica de reparação com epóxi Estruturas de betão armado têm vindo a ser reparadas usando esta técnica de injeção de epóxi sob pressão com auxílio de um compressor, com o objetivo de garantir o perfeito enchimento das fissuras. Mais recentemente, foi proposta uma nova técnica de reparação de epóxi com impregnação a vácuo, em que a zona a injetar é sujeita a vácuo e o material é colocado posteriormente sob pressão (Costa 2011). 13

32 Estas duas técnicas de reforço são dimensionadas de acordo com as características geométricas da estrutura e com o desempenho desejado, devendo-se levar em conta as propriedades e características dos materiais que o compõem, a interação destes materiais, as condições de execução do reforço e profundidade das fendas. French et al.(1990) estudaram a eficácia de ambas as técnicas de reparação com epóxi, para reparar duas juntas interiores moderadamente danificadas, devido a ancoragem inadequada das vigas contínuas. Por impregnação a vácuo os pontos de entrada do epóxi foram localizadas na parte inferior de cada viga e na zona a reparar na base do pilar. O vácuo foi aplicado por meio de três tubos ligados na parte superior da zona do pilar a reparar. Ambas as técnicas de reparação foram bem-sucedidas, ao restaurar mais de 85 por cento da rigidez, resistência e características de dissipação de energia dos provetes originais. A principal conclusão demonstra que a impregnação de vácuo apresenta um meio eficaz de reparação de grandes zonas de danos, e em zonas de acessibilidade reduzida. Corazao e Durrani (1989) testaram uma ligação viga-pilar-laje reparada através de injeção de epóxi, com um grande número de fendas de largura inferior a 3,2 mm. Após a reparação, os padrões de fissuração observados foram semelhantes, exceto que antes da reparação, as fissuras na zona de ligação viga-pilar foram de maiores dimensões. Isto devido ao aumento do deslizamento dos varões longitudinais no interior do nó, que também resultaram na diminuição da rigidez. A força máxima e a capacidade de dissipação de energia foram relativamente restauradas. Assim concluíram que a injeção de epóxi é adequada para a reparação de vigas e lajes, mas alertaram que a injeção em nós de vigas e pilares pode ser muito difícil e a sua eficácia depende muito da qualidade do trabalho. De acordo Engindeniz et el. e de estudos que fizeram, chegaram à conclusão que a reparação por injeção de epóxi em ligações ditou que o processo de reparação é particularmente eficaz em melhorar a resistência, a rigidez e a capacidade de dissipação de energia do provete. 14

33 Remoção e Substituição do betão A técnica de remoção parcial ou total para a substituição de betão (ver Figura 6) é utilizada para nós fortemente danificadas. Antes da remoção do betão danificado, a estrutura deve ser temporariamente suportada para assegurar a estabilidade. Dependendo da quantidade de betão removido e das condições que se encontram as armaduras, pode ser adicionada ou substituída a armadura longitudinal. Geralmente é utilizado para substituição um betão de alta resistência e de baixa retração. Deve-se ter especial atenção, de forma a garantir uma boa ligação entre o novo betão e o existente. Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011) Corazao e Durrani (1989) estudaram uma ligação de viga-pilar, removendo e substituindo o betão no interior da ligação e as porções adjacentes das vigas e pilares. O provete recuperou completamente a sua resistência e rigidez, mas não a capacidade de dissipação de energia, o que foi atribuído devido à taxa reduzida do dano, face ao betão de alta resistência utilizado nos reparos. Os investigadores afirmaram que, quando o escoramento for assegurado, esta técnica é adequada para a reparação de danos localizados nos nós, quando submetidos à flexão nas vigas, mas substituir o betão nos nós pode não ser muito prático numa construção. De acordo com um programa experimental realizado por Karayannis et al. (1998) também incluiu seis protótipos de nós exteriores que apresentaram algumas fissuras concentradas nas ligações viga/pilar e uma perda de quantidade considerável de betão 15

34 nesta zona. Este tipo de fissuras pode ser atribuído ao fato de 2 dos nós não apresentarem quaisquer estribos e apresentarem uma resistência à flexão muito baixa. Primeiro os nós foram reparados com um betão de alta resistência nas zonas com falta de betão. E, de seguida, com uma injeção de epóxi nas fendas adjacentes. A reparação não alterou o modo de rotura dos protótipos com ou sem estribos, apesar de um aumento de 39 a 71% na carga de pico,15 a 39% em rigidez, e 19 a 34% da capacidade de dissipação de energia. Os dois protótipos com estribos, no entanto, melhoraram consideravelmente após a reparação e aumentou a carga de pico, a energia dissipada aumentou em 42% a rigidez. Por sua vez, Tsonos (1999) reforçou duas ligações viga-pilar exteriores e idênticas através da remoção do betão em toda a região do nó e da parte das extremidades do pilar, substituindo-o por uma argamassa de alta resistência. A reparação resultou em aumentos significativos em resistência, rigidez e capacidade de dissipação de energia, especialmente no final dos testes. Após a reparação, os provetes exibiram o mesmo modo de rotura que as mesmas sem reparar. Assim, concluiu que o requisito de armadura transversal conjunta pode não ser necessária quando a argamassa usada para a reparação de articulações muito danificados for de alta resistência. Os resultados da experiência acima mencionados mostram que esta técnica pode ser utilizada para reparação, por si só, para substituição do betão por outro de alta resistência Encamisamento de secções com betão armado A técnica de reforço de um elemento estrutural por encamisamento consiste no aumento da secção transversal pela adição de uma armadura suplementar e de uma camada de betão que envolve a secção inicial e na qual ficam inseridas as novas armaduras. Esta técnica de reforço por encamisamento pode ser aplicada em vigas ou pilares. Pode ser aplicado nas vigas e poderá ser efetuado o reforço apenas para a flexão - Figura7 a) - ou à flexão e ao esforço transverso - Figura7 b). 16

35 Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes) No caso dos pilares (ver Figura 8), pode ser aplicado o reforço ao esforço transverso e/ou à flexão, e também é possível acrescentar a resistência à compressão e a ductilidade pela adição da nova armadura devido ao efeito de confinamento. Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes) Corazao e Durrani (1989) estudaram três ligações viga-pilar (dois exteriores e um interior), por encamisamento do pilar e na região do nó. De acordo com as dificuldades sentidas in situ na região do nó devido aos problemas de flexão, o reforço adicional do nó foi modificado para um conjunto de buchas e um gancho. O encamisamento da secção com betão, por si só não era adequado para restaurar o desempenho dos pilares sem abordar o problema de transferência de carga entre vigas e pilares. A rigidez e capacidade de dissipação de energia nos três nós viga-pilar foram aumentados e o dano foi recuperado com sucesso. 17

36 Testes realizados por Alcocer e Jirsa (1993) em quatro nós de viga- pilar- laje submetidos à uma carga bidirecional, foi necessário fazer furos nas vigas para soldar e colocar cantoneiras de aço destinadas a resistir à expansão lateral das barras da articulação e de garantir confinamento conjunto da estrutura. Sendo que a zona reforçada era a zona com maiores danos, com os resultados garantiram com sucesso um maior confinamento. Tsonos (1999) estudou a utilização de um revestimento de argamassa de cimento para a reparação e reforço em ligações externas, o qual reforçou a região do nó e o pilar. Também adicionou cantoneiras de aço espaçadas aos pilares. A relação entre a resistência a flexão e ao corte, bem como o reforço transversal do conjunto foram testados, observaram que a rotura por corte no nó não ocorreu após o reforço, houve um aumento significativo de dissipação de energia Encamisamento de secções com chapas de aço Esta técnica de encamisamento é mais vocacionada para intervenções pontuais ou localizadas, que em processos de reforço ou reabilitação estrutural pode privilegiar o aumento da ductilidade, como também proporcionar um pequeno aumento da resistência. O aumento do confinamento conseguido na zona de formação das rótulas plásticas é conseguido pela melhoria da ductilidade proporcionada pelo encamisamento localizado. Sendo que o tipo de material utilizado no encamisamento influencia fortemente a rigidez do pilar reparado/reforçado. A técnica de encamisamento de secções utilizando chapas metálicas ( Steel Jacketing na nomenclatura inglesa) é aplicada normalmente para reforço de pilares (Figura 9) e consiste no envolvimento da secção deste por chapas metálicas. Este tipo de reforço poderá ser aplicado a nível global ou local da estrutura. A nível local pode ser aplicada nas zonas de secções críticas (nós de pórtico, zonas de emenda de varões). 18

37 Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004) A introdução de chapas de aço nas faces dos pilares pode garantir um aumento da resistência à flexão e do esforço transverso pela inserção da armadura adicional, e garantir um aumento da rigidez e da ductilidade do elemento reforçado, o que também poderá favorecer um aumento da resistência à compressão do betão por confinamento das chapas. Isto se admitirmos uma perfeita ligação entre o material de reforço e a secção existente. Pois a eficácia desta técnica depende essencialmente da perfeita ligação entre os dois materiais e também da correta ligação entre as fronteiras das chapas de reforço. Quando temos um tipo de reforço local, a ligação entre as chapas metálicas de reforço e o betão existente é conseguido através da colagem destas à superfície do betão com uma resina epóxida ou de uma argamassa também epóxida. Quando se trata de reforços do tipo global a ligação entre os materiais é garantida a partir de uma injeção de uma calda cimentícia não retráctil ou de uma resina epóxida líquida no espaço entre a superfície de betão e as chapas de reforço. Migliacci et al. (1983) estudaram quatro protótipos de ligações viga-pilar exteriores reforçados com chapas de aço coladas com epóxi às vigas e aos pilares, e tiras de aço que foram soldadas nos vértices. Duas das amostras foram pré-esforçadas com cintas de aço. A capacidade de dissipação de energia das amostras sem pré-esforço foi restaurada, enquanto nas amostras que foram pré-esforçadas a capacidade de dissipação de energia teve um acréscimo de cerca de 35%. Corazao e Durrani (1989) reforçaram um nó exterior e um nó interior de uma ligação viga-pilar-laje, com parafusos e placas de aço ligadas por epóxi em cada pilar e cantoneiras soldadas e aparafusadas, enquanto na zona das juntas utilizaram uma argamassa (como mostra a figura 10). 19

38 Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004) As placas de aço coladas em cada face das colunas superior e inferior foram aparafusadas ao betão perto dos ângulos da junta. No caso da junta interior, uma placa foi também ligada e aparafusada à parte inferior da junta alargada. Para ambas as amostras não houve evidência de danos nos pilares. Na articulação exterior a resistência, a rigidez inicial, e dissipação de energia da junta exterior foram aumentadas em cerca 18, 12 e 2%, respetivamente. Os aumentos correspondentes para a articulação interior foram 21, 34, e 13%, respetivamente. Beres et al. (1999) consideraram duas diferentes configurações de placa externas ancoradas e às vigas para uma das suas articulações internas, como apresenta a Figura 11. Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004) 20

39 Para evitar o arrancamento dos varões, o nó foi reforçado por meio de parafusos ligados a duas placas de aço. Verificou-se um aumento de 20% da força de pico, 10 a 20% de aumento na rigidez, e não houve alteração significativa na dissipação de energia. O objetivo de aumentar a resistência à flexão e o confinamento foram ambos conseguidos com sucesso Encamisamento com blocos de alvenaria Tendo em conta estudos realizados por Bracci et al. (1995) que analisaram o reforço de ligações, utilizando blocos de alvenaria em pilares de betão armado, foi construída uma faixa em torno dos nós e os espaços existentes entre eles foram rebocados. A capacidade de corte foi aumentada, devido a um reforço de armadura longitudinal que foi acrescentado ao longo dos nós. Num segundo método, a alvenaria foi reforçada verticalmente com armadura pós-tensionada. As ligações viga-pilar foram reforçadas ao corte por envolvimento com aros retangulares passando por furos nas vigas. Foi feita uma análise dinâmica não-linear e os resultados demonstraram que o comportamento viga forte e pilar fraco foi melhorado e foi alcançado um adequado controlo das fissuras. Embora, apresente as mesmas limitações que a técnica de encamisamento com betão armado devido aos enchimentos de alvenaria parciais, tem uma desvantagem funcional adicionado ao aumento da perda de espaço interno entre os vãos Compósitos poliméricos reforçados com fibras A partir de 1998, a pesquisa sobre o reforço de juntas viga-pilar com a utilização de polímeros (FRP) compósitos reforçados por fibras tem vindo a aumentar exponencialmente. Os estudos desenvolvidos sobre esta técnica têm demostrado a efetividade deste tipo de reforço e algumas consequências óbvias, tais como: melhoria da ductilidade, o aumento da resistência à compressão do elemento reforçado e a proteção das armaduras do pilar contra a corrosão e contra agentes ambientais agressivos. O confinamento externo contínuo garantido pelo betão e proporcionado pelo colete de FRP pode relacionar-se com o aumento de resistência à compressão e deformação na rotura. 21

40 Na figura seguinte pode-se observar os diagramas de tensão-deformação do betão quando submetidos a diversos tipos de confinamento, chegando a conclusão que a ductilidade do elemento é proporcionada pela presença do confinamento com o FRP. Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de confinamentos (Sousa 2008) As técnicas mais utilizadas para aplicação de FRP s são, em geral, baseadas na utilização de laminados unidirecionais através da (i) aplicação de mantas (sistemas curados in situ) ou laminados (sistemas pré-fabricados) colados externamente sobre a superfície do elemento estrutural a reforçar (EBR Externally Bonded Reinforcement na literatura inglesa); (ii) inserção de laminados (ou varões) em ranhuras abertas no betão de recobrimento (NSM Near-Surface Mounted, na literatura técnica inglesa). A ligação entre os FRP s e o betão é normalmente garantida por colas, nomeadamente adesivos epóxi. No entanto, também são apontados alguns inconvenientes para as duas técnicas referidas, nomeadamente o elevado custo inicial do sistema de reforço, o facto destes sistemas de reforço não permitirem a exploração adequada das potencialidades dos FRP S à tração (no momento de rotura do elemento reforçado a máxima tensão instalada no FRP é muito inferior à sua resistência à tração) e a averiguação dos modos de rotura frágeis antes da formação de rótulas plásticas nos elementos do nó. Também propicia a concentração de tensões na zona de intervenção e são necessários diferentes trabalhos de preparação e morosos que podem pôr em causa a competitividade destas técnicas. 22

41 Em geral os modos de rotura apresentados pelas duas técnicas acima mencionadas são o descolamento do FRP quando usada a técnica EBR e destacamento da camada de betão de recobrimento quando aplicada a técnica NSM. Tendo em conta os inconvenientes apresentados acima e na tentativa de combater a rotura precoce do reforço com FRP s, têm sido feitos alguns estudos e adicionados alguns complementos, por exemplo a aplicação de sistemas de ancoragem compostos por chapas de aço aparafusadas nas extremidades do reforço, ou o uso de cintas em manta de FRP. Foi desenvolvida uma técnica alternativa à técnica de reforço EBR (ver Figura 13), que tem como objetivo a utilização de laminados de FRP apenas ancorados ao betão através de ancoragens mecânicas (MF-FRP - Mechanically Fastened, na literatura técnica inglesa). Esta técnica é utilizada no reforço à flexão de elementos de betão armado e foram evidenciadas melhorias na capacidade resistente à flexão e pouca ou nenhuma perda de ductilidade. Também foi proposta recentemente outra técnica de reforço designada MF-EBR (Mechanically Fastened and Externally Bonded Reinforcement) que utiliza laminados multidirecionais de CFRP (MDL-CFRP). Os laminados são colados e fixados mecanicamente através de ancoragens. Esta técnica tem como objetivo explorar o descolamento prematuro apresentado na técnica EBR e as falhas locais observadas na técnica MF-FRP. Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011) 23

42 Tendo em conta a técnica de reforço NSM proposta no âmbito da presente dissertação para nós de pórtico de betão armado, o correto funcionamento deste tipo de reforço depende não só do controlo de qualidade como também dos procedimentos de reforço e dos materiais aplicados. Para tal, para que se consiga um rigoroso controlo da qualidade de aplicação da técnica existe um conjunto de procedimentos que o técnico deve conhecer para garantir as boas práticas de execução desta técnica de reforço. Os referidos procedimentos são os seguintes (de acordo com a Figura14): Após a marcação da posição exata dos entalhes nas faces dos elementos a reforçar, recorre-se a uma máquina de corte com disco diamantado e que contém um dispositivo de controlo do alinhamento e da profundidade do entalhe. É essencial garantir que não se provoquem danos nas armaduras existentes (longitudinais e transversais) que eventualmente possam ser atravessadas pelo entalhe no momento em que se está a proceder à abertura dos entalhes. Portanto, para garantir que tais situações não ocorram em obra, é essencial que nos desenhos de execução do reforço de CFRP, segundo a técnica NSM, apareça de uma forma clara, quer a altura que o entalhe deve ter como a localização das armaduras existentes, e que no momento da execução dos entalhes se tenha em atenção eventuais desvios entre o que está no projeto de estabilidade (betão armado) e o que foi executado em obra. Tudo isto justifica uma verificação minuciosa in situ, previamente à elaboração do projeto do reforço de CFRP, da localização das armaduras e da espessura do betão de recobrimento. De forma a proporcionar a melhor aderência possível na ligação betão-adesivo, devese garantir que a superfície de betão a reforçar esteja seca, isenta de gorduras e que não apresente partículas soltas. Assim, deve-se verificar antes da aplicação do reforço, se o betão se encontra seco e proceder à limpeza dos entalhes com a aplicação de ar comprimido; Os laminados de CFRP, fornecidos em rolo, já com a secção transversal definitiva, são cortados transversalmente ao eixo das fibras de acordo com o comprimento desejado. Posteriormente, de forma a proporcionar as melhores condições de aderência, entre o adesivo e o CFRP, devem ser removidas as sujidades que eventualmente os laminados contenham (gorduras, pó, etc.) por intermédio da limpeza com acetona. Também deve- 24

43 se ter em conta um aspeto muito importante relativamente aos laminados, que se trata da necessidade de realização de ensaios previamente à aplicação do reforço, de forma a garantir que satisfazem os valores das propriedades do material considerado na fase de projeto. Deve-se começar por colocar o número exato de laminados a aplicar, junto do elemento estrutural a reforçar, para que o técnico não se esqueça de inserir um determinado CFRP, o adesivo epoxídico deve ser produzido de acordo com as recomendações estabelecidas pelo fabricante. A dosagem é composta por dois componentes (componente A- a resina e componente B- o endurecedor), deve-se respeitar o tempo e o modo de utilização do adesivo ( potlife ). O adesivo deve ser preenchido nas ranhuras; O adesivo também deve ser aplicado nas faces dos laminados; Após a introdução dos laminados nas ranhuras, deve ser retirado o adesivo em excesso. Nesta etapa deve-se ter especial atenção à presença de espaços vazios que possam criar bolhas de ar e pôr em causa a eficiência da ligação betão-adesivo-cfrp. 25

44 Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM (Salvador 2008) 2.3 Materiais de matriz cimentícia ECC No contexto das estruturas o betão como material estrutural de construção apresenta vantagens de fabricação e aplicação, contudo é considerado um material frágil, com pouca resistência a deformações e reduzida capacidade de suporte de cargas de tração. Nas últimas décadas tem-se verificado inovações a nível da sua tecnologia de produção. Isso advém da necessidade de atender às novas exigências e de se conseguir um betão com características adequadas de eficiência e durabilidade (Barros 2011). Com os avanços que têm havido na engenharia estrutural, conseguiu-se estabelecer o conceito de betão reforçado com fibras que consiste num betão que incorpora fibras de reduzidas dimensões. Esta ligação conseguida a nível dessas escalas de comprimento preconiza a integração composta de materiais para melhorar o seu desempenho em termos de resposta de carga-deformação, absorção de energia, capacidade de deformação, estabilidade estrutural, tolerância aos danos, eficiência da construção e as necessidades de reabilitação. 26

45 Esta abordagem deve beneficiar o custo de estruturas recentes de segurança e do ciclo de vida, também permitirá desenvolver soluções novas, soluções para aplicações exigentes com as condições ambientais e de carregamento graves, tais como estruturas resistentes às ações sísmicas. Os compósitos cimentícios designados por (ECC) Engineered cementitious composites (na nomenclatura inglesa) são materiais cimentícios reforçados com fibras, com um comportamento deformacional similar à dos metais. O ECC pode ser composto por uma variedade de fibras, incluindo poliméricos, de aço e de carbono. As matrizes utilizadas são compostas na maior parte de cimento, argamassa e cinzas. Até agora, a maioria das pesquisas tem sido conduzida com uma fibra de polietileno PVA (polietileno álcool polivinílico) de elevado módulo de elasticidade numa matriz de cimento. A combinação de um composto de cimento, mais dúctil com reforço estrutural (FRP), tem tido resultado direto na compatibilidade da tensão e deformação. Este comportamento obtém-se pela formação de múltiplas fissuras por todo o comprimento da amostra, assegurando uma maior ductilidade. Além disso, os elementos de ECC com reforço de FRP longitudinal mostram reduzidos deslocamentos residuais após a descarga. Além da localização das fissuras no ECC, o reforço ao confinamento, resistência à deformação e resistência à encurvadura, também reduz significativamente os requisitos de reforço de aço transversal e levam a uma dissipação de energia estável (Esmaeeli 2013) Características de desempenho O comportamento deformacional de compósitos cimentícios, tais como do betão, betão reforçado com fibras (FRC) e compósitos reforçados com fibras de alto desempenho são tipicamente distinguidos de acordo com as suas características de tensão-deformação de tração e da resposta pós-fissuração em particular (ver figura 15). As matrizes frágeis, como argamassa e betão simples, perdem a capacidade de carga de tração quase imediatamente após a formação da primeira fenda. A adição de fibras em betão armado convencional pode aumentar a tenacidade da matriz de cimento, no entanto, a sua tensão/força e, especialmente, a capacidade elástica além das primeiras fissuras não são reforçadas. É, portanto, considerado um material quase frágil com amolecimento do 27

46 comportamento de tensão/deformação, isto é uma diminuição da carga e localização imediata da deformação do compósito na primeira fissura da matriz. Tendo em conta estudos desenvolvidos por Naamã e Reinhardt (1995), o ECC representa uma classe particular de betões de alto desempenho que são definidos por uma resistência final maior após a formação das fissuras durante o múltiplo processo de deformação inelástico. Em contraste com a deformação localizada em betões convencionais, a deformação do ECC é considerada uniforme a uma macro escala, o que é uma propriedade do material que não depende da durabilidade. O ECC tem geralmente uma resistência à tração de 5-8MPa, o espaçamento entre as múltiplas fissuras do ECC é da ordem de vários milímetros, enquanto a largura das fendas são limitadas ao fim de 100 m. Além dos ingredientes comuns compósitos cimentícios, tais como cimento, areia, cinzas, água e aditivos, o ECC utiliza um pouco aleatoriamente, fibras de PVA orientadas em frações de fibras moderadas (Volume de fibras = 1,5% a 2%). Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004) 28

47 2.3.2 Propriedades Mecânicas dos ECC Os ECC s são compósitos reforçados com fibras, caraterizados pela elevada ductilidade à tração. Uma das características que distinguem e justificam as diferenças de comportamento estrutural entre os outros materiais são o comportamento de endurecimento sob deformação e a capacidade de múltipla deformação. De acordo com Li (2004), são dimensionados para resistir a elevadas cargas de tração e ao corte. Devido a sua elevada ductilidade, estas possuem elevada capacidade de absorção de anergia e de deformação sob carregamentos de tração, resultado da capacidade de formar diversas fissuras e de pequenas dimensões durante o processo de rotura dos compósitos. Para se compreender o comportamento dos ECC s são utilizados os conceitos da micromecânica, que estabelecem relações entre o comportamento mecânico dos compósitos e as propriedades individuais dos mesmos e da matriz. No ECC após a primeira fissura dá-se um aumento ou uma estabilização na capacidade de carga do compósito, uma vez que apos a abertura da primeira fissura, o carregamento suportado pela matriz é transferido para um conjunto de fibras de pequeno diâmetro, com boa resistência à tração e adequada aderência à matriz, que atravessam a fissura. Estas fibras têm capacidade de suportar e transferir as cargas para outro ponto da matriz, resultando numa nova fissura, e assim de forma sucessiva resultando em múltiplas microfissuras ao longo do compósito, assegurando a integridade global e não permitindo a rotura do elemento. Este comportamento é o responsável pela sua característica que maior importância que é a ductilidade. Por consequência, uma menor probabilidade de ocorrer um dano estrutural derivado da rotura dos compósitos num elemento de ECC. Li (1998) realizou ensaios à flexão com um elemento de ECC. Salientou que o comportamento de endurecimento do ECC é o responsável pela sua alta tolerância ao dano e à tenacidade e também por permitir que o compósito sofra deformações sem romper (ver Figura 16). 29

48 Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009) Também afirmou que os ECC s possuem uma elevada resistência ao corte, quando submetidos a este tipo de carregamento, desenvolvendo assim varias fissuras alinhadas na direção normal à direção das tensões principais de tração. Sendo que o comportamento à tração é dúctil, então a resposta ao corte também é dúctil. Por isso, os elementos de ECC podem utilizar uma pequena quantidade de armadura ao corte, ou até mesmo dispensá-lo. Para justificar este comportamento pode-se observar na Figura seguinte, os dados provenientes dos ensaios realizados por Li (1998). Através dos resultados concluiu que o elemento de ECC sem estribos demonstrou uma elevada capacidade de carga e elevada capacidade de absorção de energia. a) b) Figura 17- Curvas de elementos produzidos com ECC a) com estribos b) sem estribos (Garcez). 30

49 Também estudou a tolerância aos danos, e verificou que o elemento confecionado com ECC (sem estribos) é superior ao elemento de betão armado (Figura 18). Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos (Garcez 2009) Segundo Li este comportamento derivado do processo de desenvolvimento de várias fissuras geralmente inferiores a 100 m, pode representar uma causa importante no aumento da durabilidade das estruturas, quando submetidas à cargas severas. Yang et al. (2008), realizaram ensaios com protótipos com 3 dias de idade, que foram pré-carregados até atingirem deformações específicas. De acordo com os resultados evidenciaram que a rigidez diminui drasticamente devido a presença das fissuras provocadas pelo pré-carregamento. Aspeto importante que serve de diferenciação do ECC em relação aos betões convencionais, porque durante o processo de carregamento o elemento de ECC sofre uma diminuição da sua rigidez, isto entre a fase transitória da elástica para a inelástica, sem comprometer a redução da sua capacidade de carga. Portanto torna-se possível tirar proveito da ductilidade do material na resposta final de uma estrutura, sem ter em conta apenas o reforço promovido pelas armaduras ou confinamentos externos (Garcez 2009). 31

50 2.3.3 ECC no reforço/reabilitação de estruturas Após os avanços conseguidos no desenvolvimento deste material de alto desempenho, e do seu excelente comportamento, este demonstra uma boa opção para utilização em intervenções de reabilitação/reforço. Normalmente as reabilitações/reforços efetuadas em elementos de betão convencional perdem durabilidade. Isto deve-se à uma má escolha do material utilizado. Dos vários estudos desenvolvidos relativamente ao ECC, também demonstra um elevado desempenho quanto à durabilidade sob diversas condições ambientais. Também, graças a sua elevada capacidade de deformação à flexão, este possui grandes vantagens quanto ao reforço sísmico, pela necessidade dos elementos estruturais resistirem a grandes esforços de flexão, ao corte e à fadiga, como também prolongar a sua vida útil em serviço. 32

51 CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA Este capítulo tem como objetivo apresentar, de forma sucinta, a aplicação da técnica de reforço proposta para o reforço de nós dos pórticos de betão armado submetidos a ações sísmicas e descrever a configuração de ensaio usada para a realização dos ensaios. São apresentadas as propriedades dos materiais aplicados nos ensaios experimentais efetuados e descreve-se de forma concisa a conceção dos protótipos adotados e os procedimentos para a aplicação do reforço. O trabalho experimental desenvolvido foi realizado em duas fases. A primeira, executada numa fase anterior a esta dissertação, sob coordenação e execução da Universidade de Aveiro, cujo objetivo principal era compreender o comportamento de nós de pórtico de betão armado pertencentes a estruturas de edifícios do final da década de 70. Quatro nós deste programa experimental serviram de base à segunda fase do trabalho. A segunda fase, no qual foram reforçados quatro nós de pórtico de betão armado, com duas soluções de reforço principais e distintas. 33

52 3.1 Conceção dos protótipos Para avaliar a eficácia da técnica NSM no reforço de nós de pórtico de betão armado à ação sísmica, foram estudados quatro protótipos à escala real (cujas designações são JPA-1, JPA-3, JPB e JPC), e cuja geometria em planta se representa na figura seguinte. Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Estes protótipos pretendem simular a partir do centro do nó, 2 meios vãos de vigas e meios vãos de pilares. Os pilares têm secção transversal quadrada, enquanto que as duas vigas apresentam uma secção transversal retangular de. A tabela seguinte apresenta informação diversa relativamente às armaduras utilizadas em cada protótipo, nomeadamente: diâmetro, percentagem longitudinal de armadura (ρ l ) e percentagem transversal de armadura (ρ l ). Estes parâmetros foram calculados de acordo com o Eurocódigo 2. 34

53 Tabela 1- Propriedades das armaduras Viga Pilar Armadura Longitudinal Armadura Transversal Armadura Longitudinal Armadura Transversal Protótipo JPA-1 JPA-3 JPC JPB Diâmetro (mm) 12 ρl, viga (%) 0.6 Diâmetro (mm) ρw, viga (%) 0.17 Diâmetro (mm) ρl, pilar (%) Diâmetro (mm) ρw, pilar (%) Nas figuras que se seguem apresentam-se os detalhes relativos à pormenorização das armaduras. Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm). (Fernandes 2012) 35

54 Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes 2012) Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes 2012) 36

55 Secção A-A Secção C-C Secção E-E Secção B-B Secção D-D Secção F-F Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012) 3.2 Caraterização dos Materiais Foram realizados ensaios de caraterização do betão aos 28 dias de idade, de acordo com o especificado na norma NP EN Para tal efetuaram-se ensaios de compressão uniaxial com cubos de 0,15 0,15 0,15 m 3 que permitiu concluir que a resistência média à compressão é igual a 23,8 MPa, à qual corresponde a classe C16/C20 do betão de acordo com a classificação da NP EN Na tabela seguinte apresentam-se as propriedades mecânicas médias do aço da armadura longitudinal usadas no âmbito do presente programa experimental. 37

56 Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço Propriedades Tensão de Cedência Tensão Máxima Módulo de Elasticidade Valor 590 (MPa) 640 (MPa) 198 (GPa) 3.3 Configuração do Ensaio Na Figura 24 são representadas as condições de apoio e as solicitações aplicadas (esforço axial N e força lateral F P ), de acordo com o funcionamento estrutural projetado, assim como o esquema de ensaio adotado para simular as condições de ligação e de carregamento. A força no topo do pilar (d P ) foi aplicada por um servo atuador (SVACT), ao qual corresponde um valor de força F P. O esforço axial foi aplicado no pilar por recurso a um atuador (ACT) no topo do pilar que faz reação num sistema estrutural composto por dois varões de aço ligados transversalmente ao pilar, constituindo assim, um sistema autoequilibrado. Sendo que, o provete é ensaiado na horizontal. Para minimizar eventuais esforços e deformações verticais consequentes do peso próprio do provete, este é apoiado verticalmente por quatro pontos, com recurso a esferas com reduzido atrito. Os apoios deslizantes nas vigas são executados com recurso a um sistema de rolamentos que têm como objetivo impedir o deslocamento transversal da viga, mas não o longitudinal. Testes realizados anteriormente, comprovam que o conjunto dos atritos desenvolvidos nas esferas de apoio do provete e nos rolamentos de apoio das vigas correspondem a uma diferença entre forças horizontais (diferença entre a reação horizontal registada no apoio transversal do pilar e a força aplicada pelo servoatuador) de valor igual a 1KN (2.5% da carga lateral máxima aplicada) (Fernandes 2010). 38

57 Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema de ensaio. (Fernandes 2012) Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012) 39

58 Os ensaios cíclicos foram realizados, tendo em conta o controlo de deslocamento e consistiram na imposição de uma lei de deslocamentos (d P ) laterais no topo do pilar. A lei de deslocamentos impostos para os quatro provetes é representada na Figura 27. Consiste, na imposição de ciclos completos com inversão de sinal para dezoito níveis de deslocamento, com amplitude crescente até atingir o máximo de 120 mm. Para cada nível de deslocamento, repetem-se três ciclos de igual amplitude e completos. No mesmo topo do pilar onde foram impostos os deslocamentos laterais (dp), foi também aplicado o esforço axial de valor aproximadamente constante, igual a 200 kn para o protótipo JPA-1, correspondendo a uma carga axial normalizado igual a 9,4%, e de 450 kn para os protótipos JPA-3, JPB e JPC, correspondendo a uma carga axial normalizado igual a 21,3%. Estes ensaios foram realizados pelo Laboratório do Departamento de Engenharia Civil em Aveiro. 3.4 Esquema de monitorização A monitorização dos ensaios foi realizada através da colocação de um conjunto de sensores, nomeadamente transdutores de deslocamento (LVDTs), extensómetros (SG Strain Gauges) e potenciómetros. Os LVDT s são destinados à medição dos deslocamentos verticais e horizontais na zona do apoio no pilar e nas vigas, como também de rotações. Nos potenciómetros pretendem registar-se os deslocamentos relativos ocorridos na zona central dos protótipos. A extensometria está fora do âmbito desta dissertação, embora de acordo com os resultados obtidos podem-se verificar que o nível de extensões obtido foi significativo, dado que se observou a rotura dos laminados. 40

59 Figura 26-Esquema de monitorização dos ensaios realizados (Fernandes 2012) 3.5 Pré-danificação dos protótipos O programa experimental foi desenvolvido em duas fases distintas. Na primeira fase, os quatro nós foram testados até à rotura. Assim, a primeira parte do trabalho consistiu em impor ciclos completos com inversão de sinal ao longo dos níveis de deslocamento com amplitude crescente. Os níveis adotados foram ± 1 mm ± 2 mm ± 4 mm, ± 6 mm ± 10 mm ± 15 mm ± 20 mm ± 25 mm ± 30 mm ± 40 mm ± 50 mm ± 60 mm ± 70 mm, ± 80 mm ± 90 mm ± 100 mm ± ± 110 milímetros e 120 milímetros. A partir do nível ± 1 mm a ± 4 milímetros foi realizado por nível, apenas um ciclo completo. A partir do nível de ± 6 mm até ao final do teste foram realizados por nível três ciclos completos. A segunda fase consistiu em impor ciclos completos com inversão de sinal ao longo de sete níveis de deslocamento com amplitude crescente. Os níveis adotados foram de ± 4 mm ± 10 mm ± 15 mm ± 30 mm ± 60 mm ± 90 mm e ± de 120 mm. Todos os níveis tiveram apenas um ciclo completo, exceto o nível de ± 4 milímetros que foi repetido duas vezes. Antes de começar o ensaio cíclico, uma força axial de 200 kn e 450 kn foi aplicada no topo do pilar do protótipo respetivo, de acordo com a Tabela 3. Esta força correspondente a uma força axial reduzida (υ) de cerca de 10%, o que é um valor típico 41

60 para pilares de edifícios com dois/três andares e vãos com aproximadamente 4m. Essa força permanece constante durante todo o ensaio de todos os provetes. No final de cada nível de deslocamento, os ensaios eram suspensos, a fim de se verificar se surgiram novas fissuras e marcá-las com um marcador. Figura 27- Lei de deslocamentos laterais imposta no topo do pilar (Fernandes 2012) 42

61 Displacement, d c (mm) Force, F c (kn) Displacement, d c (mm) Force, F c (kn) Displacement, d c (mm) Force, F c (kn) Force, F c (kn) Displacement, d c (mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Tabela 3- Tabela resumo dos resultados em termos de Força - Deslocamento dos respetivos protótipos (Fernandes 2012) Protótipo N (KN) Lei Deslocamentos Dano final F-d Drift (%) Step 20 JPA Displacement, d c (mm) Drift (%) JPA Step Displacement, d c (mm) Drift (%) JPB Step Displacement, d c (mm) Drift (%) JPC Step Displacement, d c (mm) Nestes ensaios verificou-se que o dano concentrou-se principalmente nas ligações vigapilar (no nó). Para cada protótipo, observa-se que a carga lateral máxima atingida nas direções de carga positiva e negativa é semelhante. Nos protótipos com maior carga axial aplicada no pilar, foram observados danos significativos na zona do nó. No protótipo (JPC e JPB) com grandes quantidades de reforço de aço, o dano foi concentrado principalmente nas vigas. Os danos nos pilares foram menores e nenhum dano foi observado no nó. 43

62 De acordo com a análise de resultados realizada anteriormente, pode-se concluir que os efeitos da carga axial do pilar foram observados principalmente em termos de resistência lateral e de distribuição de danos. Aumentando a carga axial do pilar levou a uma maior força lateral e a uma significativa degradação da resistência. No protótipo com maior carga axial do pilar, foram observados danos significativos na zona do nó, e este protótipo exibiu consideravelmente maior dissipação de energia. A influência da quantidade de reforço de aço foi evidenciada principalmente pela distribuição de danos. 3.6 Reparação e reforço dos protótipos Tal como referido anteriormente, na segunda fase do trabalho, com o objetivo de estudar e avaliar o comportamento do reforço à ação sísmica dos nós de pórtico de betão armado com recurso a laminados unidirecionais de CFRP foi realizado um programa experimental que contempla as quatro soluções de reforço de acordo com a técnica NSM. Foram adotadas duas soluções de reforço principais: duas pré-fabricadas e duas betonadas in situ. Ambas as configurações foram dimensionadas para o reforço ao corte e à flexão. As opções escolhidas para estas duas soluções/configurações de reforço estão relacionados com situações reais com que os projetistas se deparam na sua vida prática. Na maior parte dos casos, a solução de reforço pré-fabricada poderá ser o mais viável, mas contudo, poderão existir situações em que a solução de reforço in situ também poderá ser utilizada, daí a necessidade de estudar as duas configurações a fim de comparar os resultados. Os protótipos foram reforçados no LEST, Laboratório de Estruturas da Universidade do Minho. 44

63 3.6.1 Soluções de reforço pré-fabricadas Solução de reforço 1- JPA-1 A Figura 28 apresenta a geometria e configuração de reforço da solução pré-fabricada adotada para o protótipo em causa. Figura 28- Configuração do reforço aplicado a protótipo JPA-1 Preparação do protótipo O processo de reforço compreende diversas etapas, que vão desde a preparação do protótipo até à aplicação dos laminados de CFRP. Nos parágrafos seguintes apresentamse, de forma sucinta, as principais tarefas que constituem a proposta de sistema de reforço: (a) Reparação das fendas com resina epóxi; (b) Após a cura do epóxi, criou-se uma rugosidade na superfície do betão, na zona a reforçar, com recurso a martelo de agulhas; (c) Limpeza da superfície do betão com ar comprimido para remover os resíduos criados; (d) Preparação e colocação das cofragens na zona do nó; (e) Aplicação da argamassa na zona do nó; (f) Após o tempo de cura da argamassa, realizaram-se os furos com 10mm de diâmetro e 145mm de profundidade; 45

64 (g) Aplicou-se uma resina epóxi na superfície a reforçar e colou-se o painel préfabricado ao protótipo; (h) Após o tempo de cura da resina (pelo menos 24 horas) procedeu-se à aplicação das ancoragens. Os furos foram preenchidos com um químico e em seguida, as ancoragens foram inseridas neles até à profundidade de 145mm. a) b) d) e) 46

65 f) g) Figura 29- Procedimentos de reforço com a técnica NSM no protótipo JPA-1 Os painéis pré-fabricados antes de serem colados ao provete, foram reforçados de acordo com a técnica NSM, o processo de reforço envolve as seguintes tarefas principais: (a) Abertura das ranhuras com a profundidade desejada com recurso de uma rebarbadora industrial numa empresa especializada; (b) Limpeza das ranhuras com ar comprimido; (c) Aplicação de uma máscara com fita adesiva na periferia das ranhuras; (d) Aplicação de epóxi nas ranhuras; (e) Colocação do laminado à profundidade pretendida; (f) Enchimento das ranhuras todas com epóxi, regularização das superfícies e remoção do epóxi em excesso. 47

66 a) c) d) e) Figura 30- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nos painéis pré-fabricados De salientar que esta solução foi aplicada nas duas faces, superiores e inferiores, do protótipo, e que os painéis foram previamente pré-fabricados (ver Figura 34) e foram executados com os compósitos reforçados com fibras (ECC). Figura 31-Preparação dos protótipos pré-fabricados 48

67 Solução de reforço 2 JPC A solução de reforço do protótipo JPC é similar à anterior, apenas com a diferença de que neste caso optou-se por reforçar também as partes laterais do protótipo, como ilustra na Figura 32. Figura 32- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPC Preparação do protótipo Esta solução envolveu as mesmas tarefas da anterior, mas com a diferença de que para além dos painéis nas faces superiores e inferiores, também se aplicou nas zonas laterais do nó, com as tarefas principais: (a) Criação de uma rugosidade na superfície do betão, na zona a reforçar, com recurso a martelo de agulhas; (b) Realização dos furos de diâmetro de 10mm e profundidade 145mm; (c) Limpeza da superfície com ar comprimido; (d) Aplicação de uma resina epóxi; (e) Aplicação da manta de CFRP; (f) Aplicação do painel pré-fabricado; (g) Aplicação das ancoragens. Os furos foram preenchidos com um químico e em seguida, as ancoragens foram inseridos neles até a profundidade de 145mm. 49

68 a) a) e) f) g) Figura 33- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPC 50

69 3.6.2 Soluções de reforço betonadas in situ Solução de reforço 3 - JPA-3 A Figura 34 apresenta a geometria e configuração do reforço da solução betonada in situ adotada ao protótipo JPA-3. Figura 34- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPA-3 Preparação do protótipo As principais tarefas envolvidas na preparação deste protótipo foram as seguintes: (a) Reparação das fendas com resina epóxi (Sikadur 52); (b) Após a cura do epóxi, criou-se rugosidade na superfície do betão, na zona a reforçar, com recurso a martelo de agulhas; (c) Limpeza da superfície e dos furos com ar comprimido para remover os resíduos criados; (d) Preparação e colocação das cofragens; (e) Preparação e aplicação do betão reforçado com fibras (ECC) na zona a reforçar; (g) Após o cumprimento do tempo de cura, procedeu-se à abertura das ranhuras com a profundidade desejada na superfície do novo betão a reforçar, com recurso de uma rebarbadora; (h) Realização de furos com 10mm de diâmetro e 145mm de profundidade; (i) Limpeza das ranhuras com ar comprimido; (j) Aplicação de uma máscara com fita adesiva na periferia das ranhuras; (k) Aplicação de epóxi nas ranhuras; 51

70 (l) Colocação do laminado à profundidade pretendida; (f) Enchimento das ranhuras todas com epóxi, regularização das superfícies e remoção do epóxi em excesso; (g) Aplicação das ancoragens. Os furos foram preenchidos com adesivo epóxi e em seguida, as ancoragens foram inseridos neles até a profundidade de 145mm. e) g) h) g) Figura 35- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPA Solução de reforço 4 JPB Para além do objetivo principal do programa experimental que consiste em comparar as duas soluções principais de reforço, também existia como objetivo comparar esta solução com a solução de reforço 2, uma vez que esta também é reforçada nas zonas 52

71 laterais do nó. Assim, foi prevista uma solução de reforço similar à anterior, mas com o acréscimo do reforço também nas zonas laterais das vigas e pilares. Figura 36-Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPB Preparação do protótipo Como se pode observar pela Figura 38, nesta solução, a aplicação da técnica NSM também é efetuada na zona lateral do nó. De forma a garantir a amarração dos laminados de CFRP ao betão, realizaram-se furos para o interior do nó de modo a obterse suficiente comprimento de amarração. Esta solução não foi bem-sucedida num dos cantos, uma vez que ao fazer os furos no betão (com profundidade de 10 mm) intersectou-se uma cinta. Assim, neste caso foi adotada uma nova solução, na qual fezse uma adaptação do laminado de CFRP colando tiras de carbono a este, de forma a garantir que se conseguia alcançar similar comprimento de amarração. 53

72 Solução adotada Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Figura 37- Solução de ancoragem adotados nos laminados Apresentação das tarefas principais aplicadas ao protótipo com a mesma técnica, acrescentando nas zonas laterais, em que a cola foi injetada por auxílio de uma pistola para que se garantisse uma pressão suficiente a alcançar a profundidade necessária. Figura 38- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nas faces laterais do protótipo JPB 54

73 3.7 Descrição e caraterização dos materiais utilizados na reparação/ reforço Para reparar as fendas, foi selecionada uma resina de epóxi de baixa viscosidade para injeções, à base de resinas epóxi de elevadas resistências, em dois componentes e sem solventes, com a designação comercial de Sikadur -52. De acordo com a ficha técnica do fabricante, o valor médio da resistência à tração, à flexão, a resistência à compressão e a tensão de aderência ao betão é de igual a 37 MPa, 61 MPa, 52 MPa e 4 MPa respetivamente. Após a aplicação da resina epóxi foi respeitado o tempo de cura de 7 dias. Nos procedimentos de reparação/ reforço dos nós anteriormente descritos, referiu-se a utilização de uma argamassa. Trata-se de uma argamassa com designação comercial Sika Grout, sendo um autonivelante de retração compensada, capaz de aderir fortemente ao betão com elevadas resistências mecânicas. A dosagem utilizada foi a recomendada pelo fabricante, com adição de areia e água. A tensão de aderência é de aproximadamente 15 MPa em aço nervurado (aos 28 dias) e 4 MPa em aço liso. A sua resistência à compressão é aproximadamente MPa dependendo da percentagem de água. A composição da mistura desenvolvida, de acordo com as quantidades necessárias, engloba os seguintes materiais: cimento, água, areia, adjuvantes (entre eles superplastificantes, agentes modificadores de viscosidade e cinzas) e as fibras de PVA. Após a betonagem in situ, o betão foi selado por meio de uma película de plástico e foram mantidos durante 24 horas, antes da desmoldagem, a fim de evitar a perda de humidade de hidratação. Depois da desmoldagem, o betão foi molhado durante um período de até 8 dias com o fim de manter as condições de humidade necessárias para a hidratação do betão. Para além da aderência química, o ECC foi mecanicamente ancorado aos nós por intermédio de um sistema de ancoragens químicas da Hilti. O sistema é composto pelo químico HIT-HY 150, varões roscados M10 de classe 8.8 e anilhas de aba larga DIN9021. O pré-esforço aplicado nas ancoragens foi conseguido através da aplicação de um momento de aperto de 60 N m com recurso a uma chave dinamométrica. 55

74 A fixação dos laminados de CFRP ao betão foi realizada com recurso a um adesivo epóxi. Para tal recorreu-se ao adesivo cuja designação comercial é S&P resin 220. Trata-se de uma resina adesiva isenta de solventes, foi desenvolvida para a ligação de laminados de fibras de carbono. De acordo com a ficha técnica do fabricante, o valor médio da resistência à compressão, resistência ao corte e módulo de elasticidade são respetivamente de 70 MPa, 26 MPa e 7100 MPa. A cola utilizada para fixação da manta às faces laterais dos nós e laminados de CFRP, tem a designação comercial S&P resin 55. Esta resina é utilizada em sistemas de ligação de mantas de FRP, com alta capacidade de ligação e de acordo com a ficha técnica do fabricante, o valor médio da resistência à tração, módulo de elasticidade estático depois de 14 dias são, respetivamente, de 35.8 MPa e MPa. Os laminados pré-fabricados de CFRP com espessura de 1.4 mm usados, de acordo com a ficha técnica do fabricante, apresentam as seguintes características mecânicas: resistência a tração 2800 MPa, Módulo de elasticidade MPa e uma extensão última 1.4%. A manta de FRP curada in situ com 1 mm de espessura, de acordo com os valores fornecidos pelo fabricante, apresenta uma resistência à tração, módulo de elasticidade, e extensão última de 3800 Mpa, 240 MPa e 1.55% respetivamente. 56

75 CAPÍTULO 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS Neste capítulo são apresentados e analisados os principais resultados obtidos dos ensaios realizados aos quatro nós de pórtico de betão armado descritos no capítulo anterior. Assim, são apresentados para cada protótipo a relação força-deslocamento e os pontos notáveis destas curvas. Também é apresentada a evolução da energia dissipada, a rigidez inicial e a sua degradação da rigidez, bem como o acréscimo e degradação da força ao longo dos ciclos e os modos de rotura Força versus deslocamento Na Figura 39, são apresentadas as respostas em termos da relação entre o deslocamento horizontal obtido no topo do pilar e a correspondente força lateral registada na célula de carga para todos os protótipos antes e após o reforço. (a) 57

76 (b) (c) 58

77 (d) Figura 39- Relação Força versus deslocamento: (a) JPA-1, (b) JPA-3, (c) JPC, (d) JPB. Tendo por base as relações força versus deslocamento da figura anterior, apresentam-se na Tabela 5 as seguintes grandezas: as forças máximas positivas e negativas (Fmax + e Fmax - ), bem como os correspondentes deslocamentos (Δ s) obtidos para cada protótipo antes e após o reforço. Como se pode observar, à exceção do protótipo JPA-3 os restantes protótipos tiveram um incremento do valor da força máxima. Sendo que, a comparticipação dos laminados de CFRP proporcionou um aumento significativo da força máxima, em que o protótipo JPC teve um incremento de aproximadamente 40% de Fmax + e 57% de Fmax. Tabela 4 Resultados obtidos em termos de força máxima e correspondente deslocamento para os protótipos ensaiados JPA-1 JPA-1-R JPA-3 JPA-3-R JPC JPC-R JPB JPB-R 41,58 51,8 (25%) 42,02 38,06 38,81 54,07 (40%) 36,703 50,58 (38%) Δ + (mm) 73,94 77,57 74,89 50, 31 65,52 44,61 97,54 46,72 (kn) -39,7 48,52 (23%) -39,7-34,51-33,93-53,21 (57%) -35,46-54,48 (54%) Δ - (mm) -74,69-74,25-64,69-48,91-56,73-73,25-84,81-65,67 59

78 Energia Dissipada (kn.mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Nota: Os valores dentro de parêntesis representam o aumento da resistência dos protótipos verificados após o reforço. 4.2 Energia dissipada De modo a avaliar a capacidade de dissipação de energia dos provetes reforçados, como uma medida de absorção de energia perante um evento sísmico, procedeu-se ao cálculo da energia dissipada. Esta energia foi avaliada através da área definida pela curva versus deslocamento e o eixo das abcissas recorrendo, para tal, à regra dos trapézios. Nas figuras seguintes é apresentada a evolução da energia dissipada ao longo dos ciclos para os protótipos ensaiados. Como se pode observar os protótipos reforçados apresentam um comportamento bastante satisfatório, pois a capacidade de dissipação de energia aumentou em todos os casos, sendo que nalguns casos aumentou para, pelo menos, o dobro JPA-1-R JPA-1 Ciclos (a) 60

79 Eneregia Dissipada (KN.mm) Energia Dissipada (KN.mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte JPC-R JPC 0 Ciclos (b) JPA-3-R JPA-3 0 Ciclos (c) 61

80 Energia Dissipada (KN.mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte JPB-R JPB Ciclos (d) Figura 40- Energia dissipada em função do número de ciclos para cada protótipo: (a)jpa-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB Observou-se um aumento progressivo de energia dissipada em todos os protótipos e de acordo com os gráficos, o protótipo JPB é o que apresenta melhor desempenho em termos de energia dissipada, isso evidencia claramente a vantagem deste tipo de reforço, conseguida pela amarração dos laminados de CFRP ao betão. 4.3 Rigidez inicial e degradação de rigidez De modo a avaliar a capacidade das técnicas de reparação/reforço na reposição da rigidez inicial foi determinada a rigidez inicial de cada provete. Esta foi calculada através da rigidez secante, definida pela inclinação da linha que interseta os pontos de força máxima positiva e o ponto de força máxima negativa, para a primeira amplitude de deslocamentos imposta. Na Tabela 5 apresentam-se os resultados obtidos em termos de rigidez inicial para cada protótipo. A partir desta tabela conclui-se que na generalidade dos casos as técnicas de reforço não só restituíram a rigidez inicial, mas também permitiu o seu aumento, com exceção do protótipo JPB-R. 62

81 Rigidez (kn/mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Tabela 5 - Rigidez inicial Protótipo Rigidez (KN/mm) JPA-1 4,619 JPA-1R 5,238 JPC 5,722 JPC-R 6,396 JPA-3 1,044 JPA-3R 3,732 JPB 5,432 JPB-R 4,508 A degradação da rigidez é apresentada, baseada na aproximação calculada anteriormente, que nos dá uma medida qualitativa para comparar a rigidez secante entre os diferentes protótipos. Assim foi calculada a degradação da rigidez de acordo com cada ciclo JPA-1-R JPA Ciclos (a) 63

82 Rigidez (kn/mm) Rigidez (kn/mm) Rigidez (kn/mm) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Ciclos JPC-R JPC (b) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Ciclos (c) JPA-3-R JPA Ciclos JPB-R JPB (d) Figura 41- Degradação da rigidez: (a) JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB 64

83 Força (kn) Força (kn) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte Podemos observar que a degradação da rigidez para os protótipos sem reforço ocorre de uma forma mais acentuada. O protótipo JPA-3 apresenta maior acréscimo de rigidez após o reforço. 4.4 Degradação da Força De modo a avaliar o efeito da repetição de ciclos de igual amplitude, procedeu-se à determinação da degradação de força no 2º e 3º ciclo para cada amplitude de deformação imposta. Na Figura 41 apresentam-se os resultados obtidos JPA-1-R JPA Ciclos (a) JPC-R JPC Ciclos (b) 65

84 Força (kn) Dissertação de Mestrado Suzel Duarte (c) JPB-R JPB Ciclos (d) Figura 42- Degradação da força para os protótipos: (a) JPA-1; (b) JPC; (c) JPA-3; (d) JPB Como podemos observar a degradação da força é idêntica em quase todos os casos, exceto no caso do protótipo JPA-3 em que a degradação da força apresenta uma muito pouco expressiva variação. 66

85 4.5 Modos de rotura Após a conclusão dos ensaios observaram-se os modos de rotura ocorridos em cada protótipo. Estes apresentam-se nas figuras seguintes. Para os protótipos reforçados com as soluções pré-fabricadas os danos observados foram o destacamento do betão de recobrimento no pilar na zona onde termina o reforço e dano ao nível do nó na ligação viga-pilar. Para o protótipo JPC, houve uma separação entre o novo betão reforçado e o adesivo epóxi, embora se possa observar o contributo dos painéis, porque impediram o esmagamento do betão à compressão na ligação viga-pilar, como aconteceu na solução de reforço1 (ver Figura 42). Também foi observado o destaque do betão na zona da extremidade do protótipo (ver figura 42). (a) a) b) 67

86 b) b) b) Figura 43- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-1-R; (b) JPC-R; 68

87 Para as soluções fabricadas in situ os danos observados incluindo o destacamento da camada de betão nos nós e rotura dos laminados de CFRP. Esta ocorrência da rotura dos laminados indicia claramente a eficiência da técnica de reforço pelo facto de se ter esgotado a capacidade resistente do mesmo. Como se pode observar houve alguma propagação de fissuras nas vigas e nos pilares devido ao betão reforçado. Contudo as fissuras principais e com maiores aberturas ocorreram nas partes superiores e laterais nos nós. a) a) 69

88 b) b) Figura 44- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-3-R; (b) JPB-R 70