ESTUDO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE UMA SOLUÇÃO HÍBRIDA GFRP-BETÃO

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1 Nº 6 JUN VOL. 2 ISSN ESTUDO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE UMA SOLUÇÃO HÍBRIDA GFRP-BETÃO JOÃO RIBEIRO CORREIA FERNANDO BRANCO JOÃO FERREIRA ASSISTENTE PROFESSOR CATEDRÁTICO PROFESSOR AUXILIAR IST/ICIST IST/ICIST IST/ICIST PORTUGAL PORTUGAL PORTUGAL RESUMO Nos últimos anos os problemas de durabilidade dos materiais tradicionais e as exigências de velocidades de construção crescentes têm impulsionado o desenvolvimento de novas soluções estruturais. Os materiais plásticos reforçados com fibras (FRP s - Fibre Reinforced Polymer) em geral, e os perfis pultrudidos de fibra de vidro (GFRP - Glass Fibre Reinforced Polymer) em particular, começam a desempenhar um papel cada vez mais importante nesse domínio, devido à sua elevada resistência, reduzido peso próprio, elevada durabilidade e reduzidas exigências de manutenção. A ligação destes perfis a elementos de betão poderá ter uma grande viabilidade no domínio da reabilitação de estruturas e mesmo em novas construções. Neste artigo apresentam-se os resultados de um trabalho em que foi estudada uma solução construtiva inovadora, que combina perfis de GFRP com betão, em estruturas híbridas GFRP-betão. Foram realizados ensaios de conexão de corte e foi analisado o comportamento à flexão de uma viga híbrida GFRP-betão. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 1

2 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos os custos de manutenção e reparação das estruturas construídas com materiais tradicionais (sobretudo betão armado, aço e ferro) aumentaram consideravelmente. Só nos E.U.A. estima-se que 42 % das cerca de pontes da rede de estradas necessitem de reparação, sobretudo devido a problemas de corrosão dos tabuleiros [1], e que 40 % das pontes construídas depois de 1945 necessitem de substituição durante esta década [2]. Os problemas de durabilidade dos materiais tradicionais têm provocado alterações nas práticas de dimensionamento e na própria regulamentação. Por outro lado, esta problemática e as exigências de velocidades de construção crescentes, têm tido um efeito impulsionador no desenvolvimento e na utilização de novos materiais estruturais, mais leves, com menores exigências de manutenção e menos sujeitos à degradação causada pelos agentes ambientais. Até recentemente o campo de aplicação dos materiais plásticos reforçados com fibras (FRP s ou Fibre Reinforced Polymer) esteve limitado a estruturas com elevados requisitos de desempenho, como as das indústrias aeroespacial e naval. Nos últimos anos, as exigências da indústria da Construção acima referidas e o próprio desenvolvimento da indústria dos FRP s permitiram a expansão destes novos materiais ao sector da Construção. No caso particular dos perfis pultrudidos de fibra de vidro, ou perfis de GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer), o campo de aplicação tem sido muito diversificado. Inicialmente foram utilizados quase exclusivamente em elementos não estruturais ou em estruturas secundárias, como escadas isolantes, painéis de fachada e plataformas de trabalho de indústrias com requisitos específicos de durabilidade, como a indústria petroquímica ou a do saneamento básico. No entanto, nos últimos anos, começou a surgir um número crescente de aplicações em elementos estruturais de coberturas, edifícios e mesmo em pontes pedonais (figura 1) e rodoviárias, construídos exclusivamente por perfis de GFRP [3-5]. Figura 1 Ponte de Lérida [4]. Os FRP s, em que se integram os perfis de GFRP, são materiais compósitos constituídos por duas fases: as fibras de reforço, que são responsáveis pelo desempenho mecânico do material, garantindo a maior parte da resistência e da rigidez; e a matriz polimérica, que funciona como a cola do compósito, garantindo a transferência de cargas entre as fibras e entre o compósito e as cargas aplicadas, e que protege as fibras dos agentes de degradação ambientais. Em geral, a matriz polimérica resulta da mistura de uma resina com material de enchimento (filler) e aditivos, que permitem melhorar certas propriedades específicas, de que é exemplo a resistência ao fogo. Os perfis de GFRP são produzidos por pultrusão utilizando, na maior parte dos casos, fibras de vidro E, combinando filamentos contínuos longitudinais aglomerados em mechas (rovings) e mantas com fios em várias direcções (mats), embebidos numa matriz de poliéster, viniléster ou epóxi [6]. O processo de pultrusão engloba duas fases: numa primeira fase dá-se a impregnação das fibras de reforço e a aquisição da forma final num molde aquecido, enquanto a matriz se encontra no estado líquido. Numa segunda fase ocorre a solidificação da matriz no molde, obtendo-se um perfil com a forma e as dimensões desejadas. Até há pouco tempo as formas estruturais foram copiadas da construção metálica, produzindo-se sobretudo secções de parede fina aberta. Mais recentemente têm sido desenvolvidas diferentes secções multi-celulares fechadas que, ligadas entre si por colagem, permitem formar sistemas estruturais para lajes, utilizados sobretudo em tabuleiros de pontes. Na tabela 1 apresentam-se intervalos de variação típicos para os valores das propriedades mecânicas e físicas dos Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 2

3 perfis de GFRP produzidos pelos principais fabricantes. Tabela 1 Valores típicos das propriedades mecânicas e físicas dos perfis de GFRP produzidos pelos principais fabricantes (adaptado de [1], [7] e [8]). Propriedade Unidades Direcção paralela Direcção transversal às fibras às fibras Resistência à tracção MPa Resistência à compressão MPa Resistência ao corte MPa Módulo de elasticidade GPa Módulo de distorção GPa 3 4 Teor em fibras % Densidade g/cm 3 1,5 2,0 Coeficiente de dilatação térmica K Coeficiente de condutibilidade térmica W/K.m 0,20 0,58 Os perfis de GFRP possuem um enorme potencial como materiais de construção, apresentando como principais vantagens as elevadas relações resistência/peso próprio e rigidez/peso próprio, o reduzido peso próprio, a durabilidade em ambientes agressivos, a resistência à fadiga, a transparência electromagnética e a possibilidade de produzir qualquer forma, permitindo a integração da forma e da função [9,10]. No entanto, em vigas constituídas por perfis de GFRP o reduzido módulo de elasticidade e a elevada resistência na direcção longitudinal têm como consequência o facto de o dimensionamento não ser geralmente condicionado pela resistência do material, mas sim pela deformabilidade e por fenómenos de instabilidade [11,12]. Por outro lado, a reduzida relação entre o módulo de elasticidade na direcção longitudinal e o módulo de distorção implica que a proporção da deformabilidade por corte seja muito significativa [12,13]. Neste contexto, a utilização de perfis de GFRP em estruturas híbridas GFRP-betão parece apresentar uma grande viabilidade, quer na reabilitação de construções, em particular nos domínios da reparação e do reforço de estruturas, quer mesmo em construções novas. Trabalhos anteriores [14-16] mostraram que a colagem de laminados de GFRP constitui um método eficiente para o reforço de elementos estruturais de betão. Relativamente ao reforço com chapas de aço esta solução apresenta como vantagens a maior facilidade de aplicação, o menor peso próprio e a resistência a ambientes corrosivos. Em relação ao reforço com sistemas de CFRP, não obstante constituir uma solução menos rígida, apresenta um custo bastante menor. No domínio das construções novas têm sido desenvolvidos vários sistemas estruturais que combinam o funcionamento direccional, a leveza e o elevado desempenho mecânico dos perfis de GFRP, com vantagens específicas de materiais tradicionais, em particular a resistência à compressão do betão. A utilização de tubos circulares de GFRP preenchidos com betão constitui uma solução que permite tirar partido das melhores propriedades de cada um dos seus elementos constituintes. Assim, enquanto que o betão resiste aos esforços de compressão e evita a rotura do tubo devido a fenómenos de encurvadura, o tubo confina o betão, contribuindo para o aumento da resistência e da ductilidade, e funciona simultaneamente como cofragem, permitindo acelerar o ritmo de construção. Esta solução tem sido utilizada em pilares de estruturas marítimas [17], constituindo uma boa alternativa neste campo de aplicação com exigências particulares em termos de agressividade ambiental. Fam e Rizkalla [18] e Fam et al [19] testaram a utilização desta solução em elementos estruturais a funcionar como vigas e colunas, respectivamente. Noutro tipo de soluções híbridas Deskovic et al [20] e Ribeiro et al [21] analisaram a viabilidade da utilização de vigas híbridas constituídas por perfis de GFRP ligados a banzos comprimidos de betão ou de betão polimérico, respectivamente. No entanto, em nenhuma destas soluções foram utilizados mecanismos de conexão de corte. Seible et al [22] conceberam dois sistemas híbridos para a aplicação em elementos estruturais de tabuleiros de pontes, tendo desenvolvido diferentes tipos de conexão de corte. Nestes sistemas estruturais híbridos, as vantagens potenciais da ligação de elementos de GFRP a lajes/vigas comprimidas de betão advêm do aumento da Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 3

4 rigidez de flexão com a correspondente diminuição da deformabilidade, e do aumento da capacidade resistente, garantindo em simultâneo um bom aproveitamento das propriedades dos elementos de GFRP, pelo travamento que o betão lhes confere. 2. DESCRIÇÃO GERAL DO TRABALHO REALIZADO O trabalho apresentado neste artigo insere-se num estudo mais extenso [23], em que se procurou analisar a viabilidade da utilização dos perfis de GFRP na construção com funções estruturais. Foram utilizados perfis em I (200x100x10-mm) produzidos pela firma TopGlass para caracterizar o material segundo diversos aspectos, tendo sido realizados: ensaios em provetes para a determinação das propriedades mecânicas mais relevantes; ensaios de vigas à flexão e de colunas à compressão, tendo sido estudado o comportamento em serviço e o comportamento à rotura; ensaios de diferentes tipos de ligações entre provetes de perfis de GFRP (aparafusadas, coladas e aparafusadas e coladas); e ensaios de envelhecimento acelerado, para investigar os efeitos dos principais agentes ambientais de degradação dos perfis de GFRP (água, temperatura, radiação UV). Noutra vertente desse estudo, cujos resultados são apresentados neste artigo, procurou-se ainda analisar a viabilidade da ligação de perfis de GFRP ao betão, em elementos estruturais híbridos GFRP-betão. Foram realizados ensaios de conexão de corte em perfis de GFRP ligados a elementos de betão com parafusos metálicos. Os resultados destes ensaios foram utilizados para dimensionar e testar à flexão uma viga simplesmente apoiada, constituída pelo mesmo perfil de GFRP ligado a uma lâmina de betão com aquele tipo de conectores. O comportamento à flexão da viga híbrida é apresentado e comparado com o de outra viga constituída por um perfil isolado em GFRP idêntico ao utilizado na viga híbrida, demonstrando as vantagens desta nova solução construtiva. 3. ENSAIO DE CONEXÃO DE CORTE O objectivo deste ensaio foi quantificar a resistência ao corte da ligação entre perfis de GFRP e o betão, por forma a definir o espaçamento longitudinal entre os conectores da viga mista. Um ensaio anteriormente realizado mostrou que a aderência entre os dois materiais é desprezável. 3.1 Esquema de ensaio, sistema de aplicação da carga e instrumentação Neste ensaio, cada um dos banzos de um troço do perfil de GFRP utilizado na viga híbrida foi ligado a dois cubos de betão com dois parafusos metálicos M10 (conectores de corte), de acordo com a geometria representada na figura 2. O perfil foi carregado em compressão até ocorrer a separação dos dois materiais. A carga foi aplicada com um macaco hidráulico, reagindo contra uma viga de carga (figura 3), tendo sido colocada uma chapa metálica no topo do perfil para uniformizar as tensões aplicadas. Os deslocamentos foram medidos nos quatro vértices dessa chapa para detectar eventuais rotações do provete. O registo dos valores dos aparelhos de medida (carga e deslocamentos) foi realizado em PC através de uma unidade de aquisição de dados. Betão Betão Perfil GFRP Conector Perfil GFRP Betão Betão Conector Fig. 2 Geometria do provete: planta (em cima) e corte (em baixo) dimensões em mm. Fig. 3 Montagem do ensaio. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 4

5 3.2 Análise dos resultados A carga foi aplicada monotonicamente até se verificar o colapso por separação dos dois materiais, apresentandose na figura 4 o diagrama força-deslocamento relativo. O colapso ocorreu devido à rotura por corte dos parafusos, para uma carga última de 157,1 kn. No entanto, na definição do espaçamento entre os conectores de corte da viga híbrida, foi adoptada uma carga máxima de 120 kn (60 kn por banzo) uma vez que, para cargas superiores a este valor, os deslocamentos aumentaram consideravelmente. A ovalização dos furos (figura 5) e as elevadas tensões de compressão na região do banzo do perfil em frente aos parafusos (estimadas em 400,8 MPa), sugerem que a rotura por esmagamento dos banzos estaria iminente. Foi ainda determinado um valor para a rigidez da conexão de 80,7 kn/mm (40,4 kn/mm por banzo). Força (kn) 180 Fu = 157,1 kn Fmax=120kN Fu/2 = 78,6 kn Kensaio = 80,7 kn/mm Deslocamento relativo (mm) Fig. 4 Diagrama força-deslocamento relativo do ensaio de conexão de corte. Fig. 5 Rotura por corte dos parafusos com ovalização dos furos. 4. EXPRESSÕES PARA A ANÁLISE DE VIGAS HÍBRIDAS GFRP-BETÃO Foram desenvolvidas expressões para a análise elástica (com interacção de corte completa ou parcial) e para a análise última (com conexão de corte total) de secções de vigas híbridas GFRP-betão. Diz-se que a interacção de corte numa viga híbrida é completa quando não há qualquer deslizamento relativo na interface entre os dois materiais. Por outro lado, diz-se que a conexão de corte é total quando o espaçamento entre os conectores é tal, que a sua diminuição não provoca o aumento da resistência do elemento estrutural. 4.1 Análise elástica de secções de vigas híbridas GFRP-betão com interacção de corte completa Na análise elástica de uma secção híbrida GFRP-betão (figura 6) com interacção de corte completa assume-se a validade das seguintes hipóteses: O betão não resiste à tracção; A hipótese de Bernoulli é válida; Não existe escorregamento entre o perfil e o betão; Toda a largura de betão é efectiva; Não se considera a contribuição das armaduras localizadas na laje de betão. A análise da secção é feita recorrendo ao conceito de secção homogeneizada (neste caso, em GFRP) e definindo o coeficiente de homogeneização (n) como sendo, Ec n = (1) E p em que: E p módulo de elasticidade do perfil na direcção longitudinal; E c módulo de elasticidade do betão. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 5

6 ε εc σ σc εf1 σf1 εw σw εp εf2 σf2 Fig. 6 Geometria da secção transversal da viga híbrida e distribuições de extensões na altura da secção. A posição da linha neutra em fase elástica (X e,el ) pode ser determinada tendo em conta as hipóteses anteriores e o facto de passar no centro de gravidade da secção homogeneizada. Caso a linha neutra esteja situada no perfil (X e,el > h c ), não havendo extensões de tracção no betão, a sua posição e o momento de inércia equivalente da secção homogeneizada em GFRP relativamente à linha neutra ( I GFRP ) são eq determinados através das seguintes expressões, h h c A p h c + + n bc h c 2 2 X e,el = (2) A p + n bc h c GFRP n b c h c h c h Ieq = + n bc h c Xe,el + Ip + A p h c + Xe,el (3) em que: h altura do perfil de GFRP; A p área do perfil de GFRP; I p momento de inércia do perfil em relação ao seu eixo principal de maior inércia; b c largura do banzo de betão; h c altura do banzo de betão. Caso a linha neutra esteja situada no betão (X e,el < h c ), havendo uma zona de betão com extensões de tracção, a sua posição e o momento de inércia equivalente da secção homogeneizada em GFRP ( I GFRP ) são determinados eq através das seguintes expressões: 2 h n b c X e, el + 2 A p Xe,el 2 A p h c + = 0 (4) 2 3 n b 2 c X GFRP e,el h Ieq = + Ip + Ap h c + Xe,el (5) 3 2 Nesta última situação, caso se pretenda considerar a resistência do betão à tracção (análise elástica não fendilhada), podem ser utilizadas as expressões (2) e (3), em que se admite que todo o material permanece elástico. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 6

7 4.2 Resistência última de secções de vigas híbridas GFRP-betão com conexão de corte total Para determinar a resistência última à flexão de secções de vigas híbridas GFRP-betão com conexão de corte total são ainda admitidas as seguintes hipóteses: A área do perfil pode ser solicitada elasticamente em tracção até à tensão última na direcção longitudinal, de valor σ tu,x ; A área efectiva do betão pode ser solicitada em compressão até à tensão última, de valor f c (não se considera o valor 0,85 f c, que contabiliza a perda de resistência do betão a longo prazo, já que se pretende comparar a resistência última teórica com o resultado obtido experimentalmente). O dimensionamento da secção transversal é feito impondo as seguintes condições adicionais (figura 7): A rotura ocorre por compressão do betão (σ c = f c ), para uma extensão ε c = 0,0035; Na rotura, a linha neutra está no betão. ε εc = 0,0035 σ σc = fc εf1 σf1 εw σw εg εf2 σf2 Fig. 7 Secção transversal e diagramas de extensões e tensões na rotura ao longo da altura da secção. A primeira condição justifica-se pelo facto de o modo de rotura por compressão do betão ser mais dúctil do que a rotura em tracção do perfil. A segunda condição pretende optimizar a utilização das propriedades do perfil de GFRP. A posição da linha neutra na rotura (X e,u ) é determinada impondo a condição de esforço normal na secção transversal, isto é, garantindo que a força de compressão no betão é equilibrada pelas forças de tracção no banzo superior, na alma e no banzo inferior do perfil de GFRP, resultando, 0,8 bc fc 2 X e, u + Ep εc h 2 ( A + A ) X A (2 H h) + A H = 0 f w e,u f w (6) em que, A f área de um banzo; A w área da alma; H altura total da secção. O momento último da secção é o que resulta do diagrama de tensões obtido com base no diagrama de extensões que se definiu atrás (extensão máxima no betão e posição da linha neutra), resultando a seguinte expressão, em que, Mu = t ( 0,8 b X f ) ( 0,6 X ) + ( E ε t b) H X h + f + + c e,u c e,u p f1 f e,u 2 h t [ E ε t ( h 2 t )] H X + ( E ε t b) H X f p w w f e,u p f 2 f e,u (7) 2 2 Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 7

8 ε f1 extensão média no banzo superior; ε f2 extensão média no banzo inferior; ε w extensão média na alma. Numa viga híbrida simplesmente apoiada de vão L, em que a rotura ocorre por esmagamento do betão, a força máxima de corte entre o ponto de aplicação da carga e cada um dos apoios é igual à força máxima de compressão no banzo de betão (F c ). Tendo em conta a força máxima de conexão de corte, determinada nos ensaios de conectores (F max,ensaio ), o afastamento entre secções transversais com conectores (af, c ) necessário para garantir uma conexão de corte total, pode ser estimado através da seguinte expressão: Fmax,ensaio af, c = (8) Fc L / Análise elástica de secções de vigas híbridas GFRP-betão com interacção de corte parcial Quando se contabiliza a flexibilidade da conexão de corte entre o perfil e o banzo de betão, verifica-se uma diminuição da rigidez de flexão correspondente à situação de interacção de corte total, que será tanto maior quanto mais flexível for a conexão. No limite, quando a interacção de corte é nula, o perfil e o banzo de betão trabalham separadamente, sendo a rigidez de flexão do conjunto igual à soma das rigidezes de flexão dos dois elementos isolados. As expressões que se apresentam de seguida para a análise de secções de vigas híbridas com interacção de corte parcial foram desenvolvidas por Newmark [24] e têm por base as seguintes hipóteses simplificativas: A conexão de corte, discreta ao longo da viga (materializada por conectores de corte com um determinado espaçamento ao longo do vão), é substituída por uma conexão uniforme equivalente, contínua ao longo da viga, e com um comportamento elástico linear; A hipótese de Bernoulli é válida (para cada um dos materiais, as secções planas permanecem planas e normais ao eixo da viga após a deformação); As secções do banzo de betão e do perfil são constantes ao longo do vão da viga; Não ocorre separação vertical entre o betão e o perfil; O betão e o perfil têm um comportamento elástico. O efeito da interacção de corte parcial na distribuição de extensões numa secção híbrida (figura 8) corresponde ao desenvolvimento de uma diferença de extensões na interface entre os dois materiais, mais precisamente, uma extensão de deslizamento (ε slip ). ε ε Gbetão LNbetão Nc Mc LNcompósito M εslip Gperfil LNperfil Np Mp Interacção Completa Interacção Parcial Figura 8 Diagramas de extensões para interacção de corte completa e parcial. Girhammer e Gopu [25] apresentaram uma solução para a relação entre a flecha a meio vão de uma viga simplesmente apoiada submetida a uma carga uniformemente distribuída com interacção de corte parcial (δ p ) e a flecha correspondente à situação de interacção total (δ f ), Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 8

9 δp δf GFRP EIeq = 1+ 1 β EI (9) em que: EI = Ec Ic + EpIp; I c momento de inércia do betão em relação ao seu eixo principal de inércia horizontal; β é uma função do parâmetro de rigidez adimensional da conexão de corte αl, sendo nulo para interacção completa e unitário quando não há qualquer interacção: β = + ( αl) 1 L 8 cosh 5( αl) 4 (10) α 2 O parâmetro que define a rigidez adimensional da conexão (α ) é determinado através da seguinte expressão, em que A c corresponde à área do banzo de betão, (dp + dc ) α = K + + E A E A EI p p c c (11) e em que K é a densidade média da rigidez da conexão de corte, determinada através da relação entre a rigidez de corte total (produto da rigidez de corte de cada conector pelo número total de conectores) e o vão da viga híbrida. A rigidez de corte de cada conector é a relação entre a força de corte e o deslizamento entre os materiais ligados. A expressão (9) é geral e pode ser utilizada para vigas híbridas com quaisquer tipos de cargas e condições de fronteira. De acordo com um estudo numérico realizado por Wang [25], o erro da aplicação da expressão (10) (desenvolvida para cargas uniformemente distribuídas) a vigas submetidas a cargas concentradas a meio vão é inferior a 2 %. 5. ENSAIO À FLEXÃO DA VIGA HÍBRIDA GFRP-BETÃO 5.1 Preparação e propriedades da viga híbrida GFRP-betão O perfil de GFRP utilizado na viga híbrida é constituído por uma matriz de poliéster reforçada com fibras de vidro-e, numa proporção em peso de 62%. O módulo de elasticidade em flexão na direcção longitudinal (E p = 38,4 GPa) e o módulo de distorção (G p = 3,48 GPa) foram determinados num ensaio à flexão realizado num perfil idêntico ao utilizado na viga híbrida, com o mesmo vão de 4,0 m, de acordo com uma metodologia apresentada por Bank [26]. O valor médio da resistência à compressão do betão (f c = 39,9 MPa) foi determinado a partir do ensaio de três provetes, realizado de acordo com a especificação LNEC E226 [27]. O módulo de elasticidade em compressão do betão (E c = 36,0 GPa) foi determinado a partir do ensaio de 2 provetes, realizado de acordo com a especificação LNEC E397 [28]. A viga híbrida, apresentando um comprimento total de 4,80 m, foi ensaiada à flexão num vão de 4,0 m, submetida a uma carga concentrada a meio vão. As dimensões da secção transversal (figura 9) foram fixadas com base nas expressões apresentadas anteriormente, procurando garantir as condições aí especificadas, nomeadamente a rotura em compressão do betão, e tendo em atenção o campo de aplicação preferencial previsto para este tipo de soluções, em particular as áreas da reabilitação e do reforço de estruturas. Nessa medida, foi adoptada uma laje de betão com 100 mm de altura e 400 mm de largura, armada longitudinalmente nas faces inferior e superior com 2φ6+2φ8 (1,57 cm 2 ) em aço A500 e transversalmente com φ6//0,10 (5,65 cm 2 /m), também em aço A500, tendo sido adoptado um recobrimento de 15 mm. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 9

10 Considerando o resultado obtido no ensaio de conexão de corte (resistência máxima de 60 kn para uma secção aparafusada) e o valor máximo da força de corte correspondente à resistência da zona comprimida do betão, foi fixado um espaçamento de 12,5 cm entre os conectores, com base na expressão (8). Foram utilizados parafusos idênticos aos do ensaio de conexão de corte, colocados em furos previamente abertos no banzo superior do perfil e apertados manualmente (figura 10). A rigidez de flexão da secção equivalente homogeneizada em GFRP para interacção de corte completa GFRP ( EI eq ), o momento flector último (M u ) e a relação entre a flecha a meio vão com interacção de corte parcial e completa ( δ p δ f ) foram estimados com base nas expressões anteriores e nos valores das propriedades mecânicas do perfil de GFRP e do betão determinados experimentalmente: GFRP EI eq = 4631,1 kn.m 2 ; M u = 188,3 kn.m; δ p δf = 1, 13. 2φ8+2φ6 φ6//0,10 M10 M10 Fig. 9 Geometria da secção transversal da viga híbrida GFRP-betão - dimensões em mm. Fig. 10 Colocação dos parafusos no banzo superior. 5.2 Sistema de aplicação da carga e instrumentação da viga Os apoios da viga foram materializados com rótulas cilíndricas com 5 cm de diâmetro, assentes em chapas metálicas, estando uma das rótulas fixa, podendo a outra deslizar na direcção longitudinal. De cada um dos lados das chapas metálicas foram soldados pequenos troços de perfis tubulares metálicos que, sem tocarem na viga, evitaram que a mesma tombasse lateralmente depois da rotura. A carga foi aplicada a meio vão da viga, tendo sido utilizado um macaco hidráulico de 300 kn, reagindo contra a viga superior de um pórtico de carga metálico (figura 11). A leitura da carga aplicada pelo macaco foi realizada através de uma célula de carga de 300 kn, colocada entre o macaco e a viga. Entre a célula de carga e a laje de betão foi ainda colocada uma barra metálica com 8 cm de largura para distribuir transversalmente as tensões aplicadas. A viga foi instrumentada com deflectómetros eléctricos e extensómetros em várias secções, designadas por S 1 a S 3 (figura 12). O deflectómetro (δ 1 ) foi colocado na secção S 1 (meio vão) para medir os deslocamentos sob o ponto de aplicação da carga. Na secção S 2 foram colocados dois deflectómetros (δ 2 e δ 3 ), para verificar a eventual rotação lateral da viga. Os extensómetros (ε 1 a ε 8 ), para a medição de extensões na direcção longitudinal, foram colados na secção S 3, 30 cm afastada do meio vão, para não haver influência dos efeitos da concentração de tensões e da complexidade da distribuição de tensões junto ao ponto de aplicação da carga. O registo dos valores dos aparelhos de medida (carga, deslocamentos e extensões) foi realizado em PC através de uma unidade de aquisição de dados. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 10

11 S2 S1 S3 (dimensões em cm) ε7 ε5 ε6 ε8 ε3 (dimensões em mm) δ2 ε4 δ3 Deflectómetro (vertical) Extensómetro Fig. 11 Montagem do ensaio. ε1 ε2 δ1 Fig. 12 Instrumentação da viga: alçado (em cima) e corte (em baixo). 5.3 Análise dos resultados O ensaio foi realizado 28 dias após a betonagem da lâmina de betão, tendo sido efectuados dois ciclos de carga, com controlo da força aplicada, sem que tenha ocorrido rotação transversal da viga (evidenciado visualmente e pelas leituras dos deflectómetros δ 2 e δ 3 ) Resistência última No primeiro ciclo a carga foi aplicada monotonicamente até à rotura, que ocorreu por esmagamento da lâmina de betão (figuras 13 e 14), para uma carga de 178,4 kn, muito próxima do valor previsto de 188,3 kn. Depois de uma pequena propagação da zona de rotura, a viga foi descarregada. No segundo ciclo a carga voltou a ser aplicada monotonicamente verificando-se a progressão da zona de esmagamento da lâmina de compressão de betão em extensão e na altura da secção. A rotura final ocorreu de forma súbita, para uma carga de 182,0 kn, por corte interlaminar da alma do perfil, 1 cm a 2 cm acima da sua meia altura e ao longo de todo o comprimento da viga. A rotura por corte interlaminar foi acompanhada por delaminação e flexão da alma na secção de meio vão (figuras 15 e 16). A viga híbrida ficou separada em duas partes, e a queda da parte superior foi evitada pelos troços metálicos tubulares soldados aos apoios, onde a mesma assentou após a rotura. Fig. 13 1º Ciclo de carga: Deformação da viga híbrida na rotura. Fig. 14 1º Ciclo de carga: Esmagamento da lâmina de compressão. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 11

12 Fig. 15 2º Ciclo de carga: Esmagamento do betão e rotura interlaminar da alma. Fig. 16 2º Ciclo de carga: Vista lateral da zona do meio vão. Apresentam-se na figura 17 os diagramas força-deslocamento a meio vão, correspondentes aos dois ciclos de carga. Na mesma figura é apresentada a curva correspondente a um ensaio à flexão realizado numa viga constituída por um perfil de GFRP idêntico ao utilizado na viga híbrida e com o mesmo vão. Nesse ensaio, em que a encurvadura lateral foi impedida através do travamento transversal da viga, a rotura ocorreu de forma súbita, por instabilidade local do banzo superior. Força (kn) Deslocamento a meio vão (mm) VIGA HÍBRIDA - 1º CICLO VIGA HÍBRIDA - 2º CICLO VIGA GFRP Fig. 17 Diagramas força-deslocamento a meio vão da viga híbrida (1º e 2º ciclos) e da viga de GFRP. Relativamente à viga constituída apenas pelo perfil de GFRP são de salientar as seguintes melhorias no comportamento estrutural da viga híbrida: A rigidez aumentou cerca de 3,5 vezes, por comparação com o comportamento exibido no segundo ciclo de carga, em estado fendilhado. A resistência última aumentou cerca de 3 vezes. A rotura na viga de GFRP ocorreu por instabilidade local, para uma tensão longitudinal máxima nos banzos de 269 MPa. No caso da viga híbrida a rotura ocorreu para uma tensão longitudinal de tracção máxima no banzo inferior de 386 MPa. Assim, o aproveitamento da capacidade resistente do perfil aumentou mais de 40%. Tendo em conta o tipo de rotura que ocorreu no 1º ciclo de carga, conclui-se ser possível dimensionar as vigas híbridas GFRP-betão por forma a que a rotura ocorra de uma forma mais dúctil do que no caso das vigas simples de GFRP. Para estudar o efeito do esmagamento do betão na distribuição das tensões de corte na altura das secções, foi desenvolvido um modelo tridimensional de elementos finitos da viga híbrida no programa SAP2000, em que a lâmina de betão foi modelada com elementos sólidos e o perfil foi modelado com elementos de casca rectangulares, tendo sido consideradas as propriedades elásticas determinadas experimentalmente. Com base nesse modelo, foi realizada uma análise de dano simplificada, em que o modelo original foi sucessivamente alterado, retirando-se elementos sólidos correspondentes à zona de betão esmagada. Apresenta-se na figura 18 o efeito da imposição de danos sucessivos na lâmina de betão na distribuição de tensões de corte na alma do perfil, Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 12

13 para uma carga de 180 kn (semelhante à que provocou a rotura da viga mista). Dessa análise conclui-se que a rotura por corte interlaminar da alma do perfil parece ter sido induzida pelo facto do betão esmagado ter deixado de contribuir para a resistência ao corte, tendo-se verificado um aumento progressivo das tensões de corte na alma do perfil. Figura 18 Distribuição das tensões de corte ao longo da altura da alma, para vários níveis de dano impostos ao modelo original (valores em MPa, de acordo com a escala de cores indicada) Deformabilidade No primeiro ciclo de carga da viga híbrida é possível distinguir quatro zonas distintas no diagrama forçadeslocamento. No primeiro troço o comportamento é linear até um valor da força de cerca de 15 kn. A não linearidade do segundo troço da curva (carga entre 15 kn e 50 kn) corresponderá à perda de rigidez devida à fendilhação do betão e, provavelmente, ao efeito que essa fendilhação teve na diminuição da rigidez da conexão de corte. O terceiro troço, que se inicia para uma carga de aproximadamente 50 kn e termina para uma carga de aproximadamente 120 kn, é praticamente recto, e tal facto terá a ver com a estabilização da fendilhação do betão e com a resposta linear do perfil. Com o aumento da carga a partir do valor de cerca de 120 kn, o diagrama começa a ter um comportamento não linear, com uma progressiva perda de rigidez, associada ao comportamento não linear do betão e também ao início do seu esmagamento na secção de meio vão. No segundo ciclo de carga da viga híbrida, o diagrama força-deslocamento é linear praticamente até à rotura, que ocorreu no início da parte não linear do diagrama. Apresentam-se na figura 19 os diagramas momento-extensão obtidos no primeiro ciclo de carga, a partir das leituras dos vários extensómetros colados ao longo da altura da secção transversal S 3. Cada curva corresponde à média das leituras dos dois extensómetros colados em posições simétricas relativamente à secção transversal da viga. Com base nas leituras obtidas nos extensómetros, foram traçados os diagramas de extensões axiais na altura da secção S 3 para diferentes valores do momento flector. Apresentam-se nas figuras 20 e 21 os diagramas de extensões na altura da secção S 3 correspondentes aos momentos flectores de 40,1 kn.m e 90,0 kn.m, respectivamente. Nesses diagramas, representam-se separadamente as extensões no banzo de betão e no perfil, e assinala-se a diferença entre as extensões axiais dos dois materiais na zona de interface, que corresponde precisamente à extensão de deslizamento (ε slip ). Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 13

14 160 Momento Flector (kn.m) Extensões axiais (µstrains) Ext1,2 Ext3,4 Ext5,6 Ext7,8 Figura 19 Diagramas momento-extensão para os vários pares de extensómetros. 0,30 0,30 0,25 y = -9,225E-05x + 2,546E-01 0,25 y = -3,909E-05x + 2,532E-01 0,20 εslip 0,20 εslip Altura (m) 0,15 0,10 y = -1,110E-04x + 2,334E-01 Altura (m) 0,15 0,10 y = -3,974E-05x + 2,052E-01 0,05 0,05 0, Extensão axial (µstrains) Figura 20 Diagrama de extensões na altura da secção S 3 para um momento flector de 40,1 kn.m. 0, Extensão axial (µstrains) Figura 21 Diagrama de extensões na altura da secção S 3 para um momento flector de 90,0 kn.m. Como se pode observar da leitura dos diagramas anteriores, a extensão de deslizamento que se verifica na interface entre os dois materiais não é desprezável, face às extensões máximas registadas. Apresenta-se na figura 22 a comparação entre a evolução da extensão de deslizamento na secção S 3 registada ao longo do ensaio, determinada a partir da diferença entre as extensões do perfil e do betão na zona de interface. Nesse diagrama apresenta-se igualmente a extensão de deslizamento estimada com base no valor da rigidez de conexão determinado no ensaio de conexão de corte e na formulação apresentada em 4.3, para a análise elástica de secções de vigas híbridas GFRP-betão com interacção de corte parcial Extensão de deslizamento (µstrains) Momento Flector (kn.m) Experimental Modelo Figura 22 Diagrama da extensão de deslizamento em função do momento flector na secção S 3. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 14

15 Como se pode concluir do diagrama anterior, só se verifica uma boa concordância entre as duas curvas para valores do momento flector inferiores a cerca de 10 kn.m, isto é, até se iniciar a fendilhação do betão. Por outro lado, para valores do momento flector superiores a cerca de 30 kn.m a extensão de deslizamento verificada no ensaio aumenta substancialmente, ultrapassando em larga escala os valores estimados. Este facto indicia que a fendilhação do betão terá afectado significativamente a rigidez da conexão, provocando o aumento da extensão de deslizamento entre os dois materiais e, dessa forma, o aumento da deformabilidade da viga. Apresenta-se na figura 23 a comparação entre o diagrama força-deslocamento obtido no ensaio e os correspondentes aos modelos elástico não fendilhado com interacção total (ENF), elástico fendilhado com interacção total (EF) e elástico não fendilhado com interacção parcial (ENFIP), para um valor da força até 30 kn, incluindo, por isso, a zona da curva em que se iniciou a fendilhação do betão Força (kn) Deslocamento (mm) Ensaio Modelo ENF Modelo ENFIP Modelo EF Figura 23 Comparação do diagrama força deslocamento obtido no ensaio com diferentes modelos, para uma força até 30 kn. A análise do diagrama anterior permite verificar a melhor qualidade das estimativas dos deslocamentos fornecidas pelo modelo ENFIP antes da fendilhação do betão (isto é, para valores da força aplicada inferiores a cerca de 15 kn), ilustrando a importância do deslizamento entre os dois materiais na deformabilidade global da viga. Por outro lado, tendo em consideração a diferença entre os resultados correspondentes ao modelo EF e a curva experimental após a fendilhação do betão (valores da força superiores a cerca de 15 kn), confirma-se que a perda de rigidez global da viga não se deveu directamente à fendilhação do betão mas, muito provavelmente, à diminuição da rigidez de conexão entre os dois materiais. Na figura 24 apresenta-se o mesmo diagrama força-deslocamento, incluindo agora os resultados correspondentes a todo o primeiro ciclo de carga. Neste diagrama, é feita a comparação com os modelos representados na figura anterior, incluindo-se ainda dois modelos adicionais: o modelo sem interacção (SI), em que é feita uma análise elástica da secção com os materiais a trabalhar separadamente e sem considerar a fendilhação do betão, e a média dos modelos ENF e SI. Neste diagrama é clara a divergência entre os resultados obtidos no ensaio e os fornecidos pelos modelos ENF, EF e ENFIP, para cargas superiores a cerca de 15 kn, isto é, depois da fendilhação do betão. Tal facto ilustra mais uma vez a importância que a fendilhação teve na alteração da rigidez da conexão, sendo interessante notar a razoável aproximação dos deslocamentos correspondentes à média dos modelos ENF e SI face aos resultados obtidos no ensaio. Na fase final do primeiro ciclo de carga, o aumento das flechas a meio vão terá correspondido ainda ao comportamento não linear do betão e à transferência de tensões de corte do betão esmagado para a alma do perfil, cuja distorção terá igualmente contribuído para o aumento da deformabilidade da viga híbrida. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 15

16 Força (kn) Deslocamento (mm) Ensaio Modelo ENF Modelo ENFIP Modelo EF Modelo SI Média dos Modelos ENF e SI Figura 24 Comparação do diagrama força deslocamento obtido no ensaio com diferentes modelos. 7. CONCLUSÕES Neste artigo foi proposta e analisada uma solução construtiva inovadora, económica e de fácil execução, que combina perfis de GFRP e banzos de betão em estruturas híbridas GFRP-betão. Do trabalho realizado resultam as seguintes principais conclusões: 1. Os resultados obtidos permitem concluir que a utilização de vigas híbridas GFRP-betão é uma solução viável em obras de reparação ou reforço, ou mesmo em construções novas, apresentando uma rigidez razoável, uma elevada resistência e um baixo peso próprio. 2. A resistência última de vigas híbridas pode ser prevista com muito boa precisão através das expressões apresentadas neste artigo. 3. Relativamente à deformabilidade, as expressões apresentadas neste artigo apresentam uma boa precisão até se iniciar a fendilhação do betão. No entanto, este fenómeno parece afectar significativamente a interacção de corte e, desta forma, a deformabilidade da viga híbrida, a que poderá acrescer ainda o efeito da deformabilidade por corte. Estes aspectos terão de ser estudados em maior profundidade em trabalhos futuros. 4. Por comparação com o comportamento de uma viga constituída apenas por um perfil de GFRP, a viga híbrida evidenciou um aumento considerável da rigidez e da capacidade resistente, com um melhor aproveitamento das propriedades do perfil. Do ponto de vista da segurança estrutural é ainda de assinalar a ocorrência de um modo de rotura mais dúctil. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio dado pelo centro de investigação ICIST e pelo IST, onde o trabalho experimental apresentado neste artigo foi realizado, e o apoio dado pela empresa STEP, Lda. no fornecimento dos perfis de GFRP. REFERÊNCIAS [1] Keller, Thomas (2003), Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge Construction, Structural Engineering Documents, No.7, IABSE, Zurich, 131 p. [2] Hayes, M.D. (1998), Characterization and Modeling of a Fiber-Reinforced Polymeric Composite Structural Beam and Bridge Structure for Use in the Tom s Creek Bridge Rehabilitation Project, MSc thesis, Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, 134 p. [3] Keller, Thomas (2002), Overview of Fibre-Reinforced Polymers in Bridge Construction, Structural Engineering International, IABSE, Vol 12, No 2, Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 16

17 [4] Sobrino, Juan; Pulido, Mª Dolores (2002), Towards Advanced Composite Materials Footbridges, Structural Engineering International, IABSE, Vol 12, No 2, [5] Braestrup, Mikael (1999), Footbridge Constructed from Glass-Fibre-Reinforced Profiles, Denmark, Structural Engineering International, IABSE, Vol 9, No 4, [6] Pecce, M. (2001), Structural behaviour of FRP profiles, Composites in Construction: A Reality, Proceedings of the ASCE International Workshop, Capri, [7] Fiberline Composites (1995), Fiberline Design Manual. [8] Creative Pultrusions, Inc. (1999), The New and Improved Pultex Pultrusion Design Manual for Standard and Custom Fiber Reinforced Polymer Structural Profiles. [9] Karbhari, V., Seible, F. (1999), Fiber-Reinforced Polymer Composites for Civil Infrastructure in the USA, Structural Engineering International, IABSE, Vol. 9, No. 4, [10] Keller, T. (2002), Fibre Reinforced Polymer Materials in Bridge Construction, Towards a Better Built Environment Innovation, Sustainability, Information Technology, IABSE Symposium, Melbourne, Australia (CD-Rom). [11] Barbero, E.J., Fu, Shin-Ham, Raftoyiannis, Ioannis (1991), Ultimate Bending Strength of Composite Beams, Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol. 3, No. 4, [12] Nagaraj, V., GangaRao, H.V.S. (1997), Static Behaviour of Pultruded GFRP Beams, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 1, No. 3, [13] Roberts, T.M., Al-Ubaidi, H. (2002), Flexural and Torsional Properties of Pultruded Fiber Reinforced Plastic I-Profiles, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 6, No.1, [14] Saadatmanesh, H., Ehsani, M.R. (1991), RC Beams Strengthened with GFRP Plates. I: Experimental Study, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 117, No. 11, [15] Taheri, F., Shahin, K., Widiarsa, I. (2002), On the parameters influencing the performance of reinforced concrete beams strengthened with FRP plates, Composite Structures, Vol. 58, [16] Wu, Z.J., Davies, J.M. (2003), Mechanical analysis of a cracked beam reinforced with an external FRP plate, Composite Structures, Vol. 62, [17] Snow, R.K. (1999), Encapsulation: Protecting Concrete Piles in Marine Environments, Concrete International, ACI, Vol. 21, No. 12, [18] Fam, A.Z, Rizkalla, S.H. (2002), Flexural Behavior of Concrete-Filled Fiber-Reinforced Polymer Circular Tubes, Journal of Composites for Construction, ASCE, Vol. 6, No. 2, [19] Fam, A.Z., Schnerch, D.A., Rizkalla, S.H., Rectangular FRP Tubes Filles with Concrete for Beam and Column Applications, Fibre-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Proceedings of the Sixth International Symposium on FRP Reinforcement for Concrete Structures (FRPPCS-6), Ed. Kiang Hwee Tan, Singapore, July [20] Deskovic, N., Triantafillou, T., Meier, U., Innovative Design of FRP Combined with Concrete: Short-Term Behaviour, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 7, [21] Ribeiro, M.C.S., Ferreira, A.J.M., Marques, A.T., Flexural Behaviour of GFRP-Polymer Concrete Hybrid Structural Systems, Fibre-Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures, Proceedings of the Sixth International Symposium on FRP Reinforcement for Concrete Structures (FRPPCS-6), Ed. Kiang Hwee Tan, Singapore, July [22] Seible, Frieder, Karbhari, V,M.,Burgueño, R. (1999), Kings Stormwater Channel and I-5/Gilman Bridges, USA, Structural Engineering International, IABSE, Vol. 9, No. 4, [23] Correia, J.R. (2004), Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP). Aplicação de Vigas Mistas GFRP-Betão na Construção, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico. [24] Knowles, P.R., Composite Steel and Construction, Butterworths, 194 p. [25] Wang, Y.C. (1998), Deflection of Steel-Concrete Composite Beams with Partial Shear Interaction, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 124, No. 10, [26] Bank, L.C. (1989), Flexural and Shear Moduli of Full-Section Fiber Reinforced Plastic (FRP) Pultruded Beams, Journal of Testing and Evaluation, ASTM, Vol. 17, No.1, [27] Especificação LNEC E226, Betão. Ensaio de Compressão., Lisboa, [28] Especificação LNEC E397, Betões. Determinação do Módulo de Elasticidade em Compressão., Lisboa, Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 17

18 JOÃO RIBEIRO CORREIA Assistente da Secção da Construção do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura do Instituto Superior Técnico, onde obteve os graus de Licenciatura em Engenharia Civil (2001) e Mestrado em Construção (2003). Investigador do Instituto de Engenharia de Estruturas, Território e Construção do IST (ICIST), com actividade na área da aplicação dos novos materiais estruturais e nas tecnologias da construção. Autor de diversas publicações em revistas e conferências nacionais e internacionais e de relatórios técnicos, referentes a actividades de consultadoria e a estudos especiais para entidades públicas e privadas. FERNANDO BRANCO Professor Catedrático e responsável pela Área da Construção no Instituto Superior Técnico. Membro de diversas organizações científicas nacionais e internacionais, Chairman da WC8 - "Operation, Maintenance and Repair of Structures" da IABSE - Internat. Assoc. for Bridge and Structural Engineering e Consultor da Comissão "Evaluation of Concrete Bridges" do ACI - American Concrete Institute. Autor de 150 publicações científicas em revistas e conferências e de 400 relatórios técnicos, com actividade de investigação nas áreas do comportamento estrutural, tecnologias da construção, durabilidade e construção sustentável. Consultor e autor de estudos especiais para entidades públicas e privadas em diversas grandes obras nacionais como a Ponte de S. João, Ponte Internacional do Guadiana, Obras da CML do Eixo Norte-Sul, Centro Cultural de Belém, Ponte Macau-Taipa, Centros Comerciais da SONAE, Ponte Vasco da Gama. JOÃO FERREIRA Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura do Instituto Superior Técnico, onde obteve os graus de Licenciatura, Mestrado e Doutoramento em Engenharia Civil. Autor de diversas publicações em revistas e conferências nacionais e internacionais e de inúmeros relatórios técnicos, com actividade de investigação na área das estruturas metálicas, aplicação de novos materiais estruturais, e análise experimental do comportamento de estruturas. Colaboração em estudos especiais para entidades públicas e privadas em diversas grandes obras nacionais como a Ponte Vasco da Gama, o Oceanário de Lisboa ou diversos Viadutos da rede nacional de Auto Estradas. Revista Internacional Construlink; Nº 6 JUN VOL. 2 18