Uso de laminados de carbono para reforço e reabilitação de vigas de madeira

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1 Uso de laminados de carbono para reforço e reabilitação de vigas de madeira João Henrique Jorge de Oliveira Negrão, Universidade de Coimbra, Faculd. Ciências e Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, Coimbra, Portugal, jhnegrao@dec.uc.pt Ana Maria Resende Balseiro, anabalseiro@gmail.com José Manuel Araújo de Amorim Faria, Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia, Departamento de Engenharia Civil, Porto, Portugal, jmfaria@fe.up.pt Resumo: Neste trabalho estuda-se o potencial e as possibilidades do uso, em reforço/reabilitação, de laminados de carbono colados com resina epóxica na face tracionada de vigas de madeira. Numa tentativa de melhorar a eficácia do sistema compósito assim constituído, utilizou-se uma técnica de pré-esforço que pode ser facilmente aplicada em obra. Os laminados CFRP foram também utilizados para reabilitar vigas de madeira maciça anteriormente levadas à rotura. Dada a variabilidade da superfície de rotura em vigas reais, um grupo de vigas foi serrado a meio vão, a partir da face inferior tracionada e até à linha neutra. Tanto estas como as vigas efectivamente fraturadas foram reabilitadas e ensaiadas, tendo sido comparados os resultados. Foi também realizada uma campanha de ensaios em provetes pequenos a fim de averiguar da resistência ao corte da ligação madeira-cfrp. A principal conclusão é que o sistema é bastante eficiente em condições secas, embora a influência de efeitos como a fluência e o carregamento cíclico requeiram mais investigação. Palavras-chave: CFRP, resina epóxica, pré-esforço, reforço. Use of carbon laminates for the strengthening and rehabilitation of timber beams. Abstract: This paper investigates the potential and possibilities of use, for purposes of strengthening or rehabilitation of timber beams, of carbon fiber laminates glued to the tensile side with an epoxy resin. In an attempt to improve the effectiveness of the composite system so constituted, a prestressing technique was used which is easy to be implemented on site. The CFRP laminates were also used for the rehabilitation of beams previously loaded to failure. Given the variability of the failure surface in the real beams, a set of beams was sawn, at the central span section, from the bottom face up to the neutral axis. Both these and the actually collapsed beams were rehabilitated and tested again, and the results compared. An experimental campaign with small-size specimens was also undertaken, in order to inestigate the shar strength of the timber-cfrp glued interface. The main conclusion is that the system is very effective under dry conditions, though the influence of effects such as creep and cyclic loading requires further investigation. Keywords: CFRP, epoxy, prestressing, strengthening. 1

2 1. Introdução A reparação de estruturas de madeira danificadas é sempre seleccionada de entre um conjunto limitado de possibilidades: redefinição estrutural, substituição total ou parcial, reparação local da área danificada ou aplicação de um reforço externo. Todos os métodos têm vantagens e inconvenientes comparativos e a escolha depende fortemente das condições e restrições específicas do local. Com respeito à última opção enumerada, uma possibilidade consiste em colar barras ou faixas de reforço à face da madeira ou inseri-las em rasgos praticados nesta, utilizando colas ou adesivos estruturais na ligação. Os materiais estruturais avançados, como as fibras de vidro (GFRP) ou de carbono (CFRP) reforçadas com polímeros têm sido utilizados com sucesso no reforço de estruturas de betão armado, suscitando a possibilidade do seu uso, de forma similar, em reabilitação de estruturas de madeira. Todavia, um cálculo preliminar permite concluir que o impacto dessa medida no aumento de resistência é muito menor em estruturas de madeira do que de betão, o que se justifica pela capacidade que o primeiro daqueles materiais possui para suportar tensões de tração. Por outro lado, a compatibilidade entre a madeira e o reforço CFRP na interface limita o uso deste a um nível de tensão muito inferior ao da sua resistência o que, tendo em consideração o seu elevado custo, suscita interrogações quanto à racionalidade da sua utilização com madeira. Tendo em consideração estes aspectos e num esforço para aumentar a eficiência do sistema misto madeira-cfrp, foi usada uma técnica de pré-esforço que pode ser facilmente aplicada in situ. Consiste esta na imposição de uma contraflecha na peça de madeira, por meio de um macaco ou similar, posto o que se procede à colagem de um laminado de CFRP no canto côncavo (inferior, em regra) libertando-se a viga da coação imposta após a cura da cola. Por vezes, os elementos de madeira estão partidos ou danificados, impossibilitando a aplicação do pré-esforço nos termos descritos, porque o elemento não suporta a aplicação da contraflecha necessária para a colagem dos laminados de reforço. Nesses casos, estes deverão ser usados apenas como armadura passiva, situação que também foi investigada. Foram ensaiadas até à rotura algumas vigas. Como a superfície de rotura era altamente irregular, constituindo um factor de dispersão dos resultados, preparou-se um conjunto adicional de vigas nas quais foi maquinado um entalhe a meio vão, desde a face inferior (tracionada) até à linha neutra, a fim de se trabalhar numa base mais regular. Foram reparadas as vigas de ambos os tipos danificados (fractura natural e artificial) e comparados os resultados dos seus ensaios. Dado que a resistência e a rigidez da ligação madeira-laminado desempenham um papel fundamental na mecânica do sistema compósito, realizou-se um programa experimental de ensaios de corte em provetes pequenos, antes da fase de ensaio dos elementos de dimensão estrutural. O objectivo daquele programa de testes foi o de avaliar a resistência média ao corte da interface colada e a sua sensibilidade a parâmetros como o teor em água da madeira e o comprimento da linha de colagem. Esta parte da investigação é a seguir descrita em detalhe. 2. Ensaios em provetes pequenos É sabido da literatura (Adams and Wake(1984)(1)) que as ligações coladas são virtualmente rígidas até à carga última, rompendo então de maneira frágil por tração, corte ou um modo combinado. Isto pode também acontecer quando, devido a algum erro de produção ou às condições de serviço e ambientes, o potencial de resistência do adesivo não é integralmente explorado. Por isso, as reservas a respeito das ligações coladas têm mais a ver com aspectos de fiabilidade do que de resistência. Com esta perspectiva, foram produzidas e ensaiadas oito séries de provetes pequenos, cada uma obtida por variação de um único parâmetro a respeito de uma série de referência. Os parâmetros considerados foram os que se crê afectar de forma mais relevante o desempenho mecânico global da ligação colada em estudo, nomeadamente o teor em água 2

3 (t.a.), o tipo de carregamento e o comprimento da linha de cola na direcção do fio e da força de corte. As séries foram constituídas por 2 provetes, cujo aspecto genérico se representa na fig.1. Nalgumas séries, a tendência geral ficou bem patente com um pequeno número de ensaios, enquanto noutras foi utilizada uma amostra de maior dimensão, a fim de melhorar a confiança estatística nos resultados. As tiras de laminado foram coladas nas placas de madeira mais longas, as quais foram separadas 3mm para minimizar as tensões espúrias de tração perpendiculares ao fio na interface, que podem surgir devido a desalinhamentos mínimos das superfícies dos dois elementos de madeira (fig. 2). A espessura destes foi de 7mm. Figura 1 Geometria dos provetes pequenos. Fonte: Autor. Figura 2 Desalinhamento das faces de colagem. Fonte: Autor. Com o objective de alinhar o plano de colagem com o eixo das garras de tração, colaram-se placas de madeira de menor dimensão às placas de base. Os espécimes foram serrados das lamelas de uma viga de madeira lamelada colada de espruce, classificada na classe resistente GL24h segundo a EN1194 (CEN, 24)(3)). O laminado de carbono (CFRP) utilizado foi o CarboDur S614, colado à madeira com Sikadur 3, uma resina epóxica de 2 componentes. Ambos os produtos são fabricados pela Sika AG. As propriedades relevantes para o estudo são apresentadas na tab.1. Largura (mm) Tabela 1 Propriedades geométricas e mecânicas dos laminados CarboDur S614 Espessura (mm) Secção (mm 2 ) Resistência à tração (MPa) Módulo Young(GPa) ε última (%) 6 1,4 84 f g,k > 28 ; f g.m = > 1,7 Os cálculos preliminares mostraram que, tendo em conta a muito elevada resistência à tração do laminado e a dimensão das peças de madeira dos provetes, não era necessário utilizar toda a largura do laminado num provete individual. Portanto, tendo em conta que se trata de um material com um custo muito elevado, a régua de 6mm de largura foi cortada à 3

4 lâmina com tiras de 1mm de largura. Este trabalho teve de ser feito lenta e cuidadosamente, dada a natureza fibrosa do laminado, que tendia a desviar a lâmina do alinhamento de corte pretendido. A tab. 2 descreve as características das séries de provetes pequenos consideradas. Tabela 2 Programa experimental de ensaio de provetes pequenos Série Característica diferenciadora Condições de ensaio 1 Série de referência ω G =12; ω T =12; L=; carreg. monotónico 2 Condição húmida ω G =2; ω T =2; L=; carreg. monotónico 3 Retracção da madeira ω G =2; ω T =12; L=; carreg. monotónico 4 Inchamento da madeira ω G =12; ω T =2; L=; carreg. monotónico Função de carga ω G =12; ω T =12; L=; carreg. segundo EN Comprimento de colagem duplo ω G =12; ω T =12; L=1; carreg. monotónico 7 Comprimento de colagem triplo ω G =12; ω T =12; L=1; carreg. monotónico 8 Carregamento cíclico ω G =12; ω T =12; L=; carreg. cíclico ω G - Teor em água na colagem [%]; ω T - Teor em água no ensaio [%]; L Compr. colagem [mm] A Série 1 foi a de referência. A madeira foi condicionada a um teor em água de cerca de 12% e mantida nessas condições durante todo o processo, nomeadamente durante a colagem do laminado e durante o ensaio de corte. Considerou-se serem estas condições representativas do ambiente seco que caracteriza a Classe de Serviço 1, tal como definida no Eurocódigo. O comprimento de colagem básico foi de mm e a carga foi monotonicamente aplicada a uma taxa de 12N/s o que, tendo em conta a estimativa do valor médio da resistência ao corte da interface, apontava para uma duração do ensaio de cerca de 3s. As séries 2 a 4 investigam o efeito de mudanças no teor em água (t.a.), antes e após a operação de colagem, na resistência ao corte da interface. Na série 2, os elementos de madeira foram primeiro condicionados a 2% t.a. numa câmara climática. O processo de humidificação foi controlado recorrendo a pesagem periódica de um grupo de provetes de amostragem e a um humidímetro de agulhas. Dada a pequena espessura dos elementos, foram necessários apenas alguns dias para se atingir o teor em água pretendido. Após a colagem, os provetes foram mantidos em câmara climática durante o período de cura e ensaiados logo a seguir, não se tendo registado variações significativas do t.a. durante esse intervalo de tempo. Esperava-se um fraco desempenho para esta série causado, por um lado, pela redução de resistência da madeira devida ao aumento de t.a. e, por outro e principalmente, pelo efeito lubrificante da água na superfície da madeira, dificultando a indentação mecânica do adesivo nos interstícios e fendas da madeira. As séries 1 e 2 correspondem, respectivamente, a condições estacionárias secas e húmidas da madeira. Os efeitos das mudanças de t.a. após a colagem são simulados nas séries 3 e 4. Os provetes da série 3 são colados em condição húmida e subsequentemente secos e ensaiados, enquanto os provetes da série 4 estão inicialmente secos e são humidificados após a colagem. Admitindo que a resina não é sensível a mudanças de humidade, estas alterações resultarão em tensões de tração (para o caso 3) ou de compressão (para o caso 4) perpendiculares ao fio sob a interface. Contudo, acredita-se que o factor que mais negativamente afecta o desempenho da colagem é a superfície molhada para a série 3, no momento da colagem. A série é semelhante à de referência, excepto em que foi usada a função de carga definida na EN26891 (CEN(1991)(4)), ao invés do carregamento monotónico. É sabido que as ligações coladas em madeira têm pouca ou nenhuma capacidade de deformação plástica. Por isso, a distribuição de tensões de corte na interface é altamente variável, com as tensões mais elevadas ocorrendo na proximidade dos topos da área colada (Adams and Wake(1984)(1)). Não é clara, contudo, a relação entre o aumento de resistência 4

5 ao corte e o comprimento de colagem. Este é o aspecto a clarificar por via das séries 6 e 7, nas quais o comprimento de colagem duplica (1mm) e triplica (1mm), respectivamente. Os histogramas referentes às várias séries estão representados na fig. 3. As ordenadas representam as frequências absolutas correspondentes a cada intervalo da resistência ao corte média, em abcissas (kn). 2 1 Series Series Series Series Series 2 1 Series Series Series Figura 3 Frequências absolutas para a força de rotura [kn]. Fonte: Autor. Da observação destes gráficos podem imediatamente extrair-se algumas conclusões. Em primeiro lugar, a baixa variabilidade na série 1 mostra que, em condições secas

6 estacionárias, a fiabilidade da ligação colada é elevada. O valor médio da resistência ao corte obtido para esta série foi de,4n/mm 2 e o corte ocorreu dominantemente na madeira, tenha sido no interior ou na vizinhança da interface. Como se esperava, as séries 2 e 3 evidenciaram uma perda quase total de resistência ao corte. O modo de rotura consistiu na separação da camada de cola da superfície da madeira, sugerindo que os altos teores em água na madeira impedem uma penetração profunda do adesivo por entre as fibras de madeira, perdendo-se o benefício mecânico daí resultante. Nalguns casos, a separação madeira-laminado ocorreu no início do carregamento, com carga praticamente nula. Além disso, as diferentes taxas de retracção ou inchamento radial e tangencial originam empenos e tensões de tração perpendiculares ao fio e, consequentemente, a separação da interface, como se mostra na fig. 4. Figura 4 Empenamento devido a variação de teor em água. Fonte: Autor. A série 4 revelou também um comportamento de acordo com o esperado. A rotura foi novamente dominada por corte no interface, do lado da madeira, e o coeficiente de variação dos resultados foi moderado. Todavia, dado o efeito redutor da humidade sobre a resistência da madeira, a carga última média é inferior à da série de referência. As condições da série foram idênticas à da série 1, excepto no respeitante à função de carga. Os resultados das duas séries comparam extremamente bem e as ligeiras diferenças observadas estão dentro da variabilidade normal para estes materiais e ensaios. Pode concluir-se, por conseguinte, que as diferenças entre o carregamento monotónico e o prescrito pela EN não têm efeito relevante na carga de rotura da ligação colada. 8 Ultimate load, N [kn] Series 1 Series 2 Series 3 Series 4 Series Series 6 Series 7 Series 8 N estimated [kn] N experimental [kn] Figura Cargas de rotura estimadas versus experimentais. Fonte: Autor. 6

7 Os resultados das séries 6 e 7 corres-ponderam também às expectativas. Como anteriormente referido, a distribuição fortemente não linear de tensões de corte na interface e a limitada capacidade de deformação plástica dos materiais intervenientes resulta numa relação menos que proporcional entre a carga última e o comprimento da linha de colagem. Efectivamente, com relação à série de referência, o aumento de carga foi de cerca de % para a série 6 (comprimento duplo) e 11% na série 7 (comprimento triplo). Este comportamento é mais perceptível se expresso em termos de resistência ao corte média, que foi de 3,98N/mm 2 para a série 6 e 3,74N/mm 2 para a série 7. Contudo, como pode verse na fig., os valores foram superiores ao esperado das estimativas iniciais. A série 8 ilustra o efeito enfraquecedor do carregamento dinâmico. As condições de produção para esta série foram idênticas às da de referência. Contudo, antes dos ensaios até à rotura, os provetes foram submetidos a 2 ciclos de carga-descarga, a uma velocidade de carregamento constante de 1N/s e até 8% do valor característico esperado da resistência ao corte. Este valor foi estimado admitindo uma distribuição uniforme de tensões de corte na interface, igual ao valor médio da resistência ao corte de madeira lamelada colada da classe resistente GL24h segundo a EN1194, porque era esse o material original do qual foram extraídos os espécimes. Adicionalmente, de acordo com Brunner and Schnüriger (26)(2), considerou-se que o valor médio era cerca de 1/3 superior ao valor característico, ou seja f = f (1) 4 v,g,mean 3 v,g,k 3. Ensaios em elementos de dimensão estrutural (vigas) As vigas eram do mesmo material e lote que as peças das quais foram extraídos os provetes pequenos. Tinham 4,m de comprimento e secção transversal de 9mmx22mm. A classe resistente era GL24h segundo a EN1194. A fim de reduzir o comprimento necessário de laminados de CFRP e ter uma amostra maior, cada viga foi cortada transversal e longitudinalmente, resultando em quatro vigas menores de 9mmx11mmx22mm, como se mostra na fig. 6. Figura 6 Corte das vigas originais. Fonte: Autor. Além do mais, como as tensões de flexão diminuem linearmente com a altura de secção, para uma curvatura dada, isto permitiu a aplicação de menores forças de contraflecha e a imposição de maiores curvaturas, tornando mais fácil o controle do processo de produção das vigas pré-esforçadas. Isto também reduziu o papel das tensões de corte cuja importância, em termos comparativos com as tensões de flexão, diminui com a redução da altura de secção. Este aspecto é relevante se se recordar que a interface madeira-laminado estará sujeita a um corte longitudinal intenso. No total, foram preparadas 16 vigas para ensaio. A face exterior das vigas originais foi disposta de forma a ser a face tracionada nos 7

8 ensaios, porque o seu acabamento perfeito facilitou a colagem dos laminados. Além disso, como as vigas originais eram constituídas por lamelas, a lamela central foi dividida pelo corte longitudinal, deixando a linha de cola a menos de 2mm da superfície resultante o que, face a eventual delaminação incipiente, poderia ter um efeito adverso na resistência da viga reforçada com o laminado. O sistema de reforço utilizado foi o Sika CarboDur, cujas principais propriedades mecânicas já estão representadas na tab.1. Os laminados são fornecidos em fita de 1,4mm de espessura e larguras de 6 ou 9mm, Foi feito um cálculo preliminar baseado no modelo constitutivo elastoplástico para determinar a relação entre a resistência da viga préesforçada e a área de laminado, levando em conta as limitações impostas pela tensão admissível na madeira, tanto na fase de instalação do pré-esforço como na de serviço. Para a gama de larguras consideradas (1 a 9mm), concluiu-se que existe uma relação quase linear, embora se verifique uma ligeira redução na eficiência do laminado, e pode conseguirse um aumento de até 6% da resistência em relação à da viga não reforçada. Assim, numa tentativa de compromisso entre o elevado custo do laminado e o aumento de resistência, decidiu-se usar faixas de 3mm de largura. Assim, as tiras originais foram cortadas longitudinalmente em 2 ou 3 mais estreitas, tendo sido usada uma guilhotina fixa industrial para esse efeito, a fim de limitar a irregularidade do corte, uma vez que a matriz orientada das fibras de carbono dificulta a produção de uma linha de corte regular com ferramentas simples. O comprimento das tiras de foi de 22mm, igual ao das vigas. Isto permitiu que os laminados fossem cortados até aos topos das vigas e ficassem trilhados pelos apoios, o que aumentou significativamente a resistência contra a delaminação, devido à compressão causada pelas reacções dos apoios. Antes da operação de colagem dos laminados procedeu-se à determinação do módulo de elasticidade das vigas individuais, a fim de avaliar a sua resistência real e permitir uma estimativa fiável da sua resistência média, necessária para definir o valor da contraflecha de pré-esforço a aplicar. Esta etapa desenrolou-se de acordo com o procedimento estabelecido na EN48 (CEN (23)()). O valor médio medido foi 8% inferior aos 116N/mm 2 esperados para madeira lamelada colada da classe GL24h. O programa originalmente previsto compreendia três séries de ensaios. Em primeiro lugar, ensaiou-se á rotura um grupo de referência, constituído por vigas não reforçadas. Este grupo proporcionou os resultados da resistência e da rigidez com s quais os dos outros grupos foram comparados. Em segundo lugar, foi produzido e ensaiado um conjunto de vigas pré-esforçadas de acordo com o conceito anteriormente descrito, detalhando-se mais adiante o procedimento utilizado nessa fase. Finalmente, as vigas do grupo de referência foram reparadas e reforçadas com faixas de CFRP e novamente ensaiadas, com o objectivo de determinar a fração da resistência original passível de ser recuperada com os processos de reabilitação e reforço utilizados. Neste caso, as faixas de CFRP foram utilizadas apenas como armadura passiva, dada a impossibilidade de aplicar a contraflecha às vigas maciças fracturadas. No entanto, aspectos imprevistos percepcionados no decurso do programa experimental levaram à definição de duas séries adicionais. Por razões que se referirão mais adiante, o efeito de pré-esforço não foi atingido nas duas primeiras vigas a que se impôs a contraflecha, não obstante a colagem dos laminados à madeira ter sido contínua e isenta de defeitos aparentes. Por isso, estas vigas foram consideradas como simplesmente reforçadas (armadas), tendo os seus resultados sido comparados com as das vigas pré-esforçadas. A decisão de produzir uma outra série adicional resultou da constatação de que a extensão e forma irregular das superfícies de fractura das vigas simples ensaidas à rotura dificultava a reposição da sua linearidade para a correcta colagem dos laminados de reforço. Nalguns casos,foi necessário remover fibras e farpas que impediam a retificação da peça, tendo os vazios resultantes sido preenchidos com cola de carpinteiro comum. O efeito deste procedimento algo arbitrário no desempenho das vigas reabilitadas era difícil de prever e, por isso, decidiu-se impôr um dano regular a algumas vigas adicionais, consistindo num corte a meio vão, da face tracionada até meia altura da secção de madeira, sendo depois 8

9 colados os laminados de forma análoga à utilizada para a série 3. A tab. 3 sintetiza a descrição das séries. Tabela 3 Programa experimental final Séries Características Nº de vigas 1 Vigas simples (sem reforço) 4 2 Vigas pré-esforçadas 7 3 Vigas intactas reforçadas com CFRP 2 4 Vigas da série 1 reforçadas depois de ensaiadas 4 Vigas cortadas a meio vão e reforçadas Imposição do pré-esforço Quanto maior a curvatura imposta pela contraflecha, maior o pré-esforço final transferido para as vigas. Por outro lado, a contraflecha deve ser limitada a um valor insusceptível de causar rotura durante esta fase de constrangimento temporária do elemento. Neste trabalho, decidiu-se limitar a tensão de flexão máxima causada pela contraflecha a 9% do valor característico da resistência à flexão. Este valor foi estimado relacionando a resistência à flexão com a prescrita pela EN1194, na mesma proporção da determinada para os módulos de elasticidade experimentalmente determinados e o daquela norma. A contraflecha foi imposta usando o esquena de flexão em quatro pontos definido na EN48, por forma a que o diagrama de momentos devidos ao pré-esforço seja do mesmo tipo mas de sinal contrário aos resultantes daquele tipo de carregamento, maximizando a eficiência do pré-esforço. Foram aplicadas duas forças de,6kn. No processo de produção,estas forças foram aplicadas no sentido descendente, mas a viga de madeira foi invertida, de modo que os estados de flexão intermédio e final fossem de sinais contrários. Estas forças foram mantidas durante 24 horas, período necessário para a cura da cola de ligação entre o laminado e a madeira. Como havia que repetir esta operação várias vezes, uma para cada viga a reforçar,não era viável impôr a contraflecha pelos processos habituais dos ensaios de curta duração, como macacos ou actuadores. Assim, utilizou-se um sistema de alavanca, realizado por uma viga de aço ancorada numa viga de reação, sendo o fulcro constituído pela viga de madeira. A fig. 7 ilustra o dispositivo. Figura 7 Pórtico e viga de alavanca. Fonte: Autor A imposição da contraflecha nas primeiras duas vigas foi feita com a força directamente aplicada sobre o laminado recém-colado à madeira. Esperava-se que o ajustamento relativo entre os dois materiais ocorresse por escorregamento na interface, em resposta instantânea à aplicação da carga. No entanto, a compressão entre os materiais sob as cargas impediu 9

10 este movimento relativo, pelo que ocorreu uma folga na parte central entre as duas cargas. Esta foi recuperada após a libertação do estado de coação imposto pelas cargas, mas a consequência foi a de a colagem ter sido efectiva apenas nos terços laterais, mas não no terço central. Assim, nessa região o laminado comportou-se apenas como uma armadura passiva, ancorada lateralmente. Esta foi a razão para a introdução da série 3, inicialmente não prevista. O problema foi ultrapassado por meio de cantoneiras aplicadas sobre as arestas das vigas, nos pontos de aplicação da carga, com o laminado passando entre elas (fig. 8). A compressão perpendicular ao fio foi verificada nestes pontos, para as forças de contraflecha. Figura 8 Cantoneiras laterais de aço. Fonte: Autor. As vigas permaneceram em carga durante 24h e a sua deformação foi medida a cada 1 minutos. Grande parte da contraflecha foi recuperada após a remoção das forças, o que resulta do facto de a tira de laminado causar apenas um ligeiro acréscimo do segundo momento de área da secção homogeneizada, resultando em que o comportamento do elemento reforçado é quase idêntico ao do original. Em termos mais simples, uma grande parte do pré-esforço instalado na fase constrangida perde-se, o que constitui a principal limitação deste sistema Ensaios Como já se referiu, os ensaios foram realizados em conformidade com o disposto na EN48. As deformações foram registadas com 6 transdutores de deslocamentos TML, fixados nos pontos de aplicação da carga e a meio vão, na linha neutra e em cada face da viga. Em cada uma destas secções, o valor relevante do deslocamento foi determinado pela média das leituras dos dois deflectómetros aí posicionados, para obviar ao efeito dos empenos. A rotura das vigas ocorreu segundo o padrão habitual, com uma fenda de fractura iniciandose numa junta denteada ou num defeito de crescimento (nó) da face tracionada no ou próximo do terço central, propagando-se depois ao longo do vão, por vezes até à proximidade dos apoios. As vigas revelaram comportamento elástico durante todo o processo de carga, por vezes com um ligeiro troço elastoplástico na vizinhança da rotura. As figs. 9a-b-c ilustram alguns casos. Com as vigas da série 2, o esmagamento das fibras comprimidas na proximidade da carga última tornou-se perceptível. Contudo, a rotura acabou por ocorrer por corte na interface madeira-laminado. Embora a rotura seja aparentemente de tipo frágil, as curvas cargadeslocamento mostram um ramo plástico relativamente longo, mais típico de uma rotura dúctil. Este aspecto também é patente no facto de que, enquanto o pré-esforço aumenta a resistência em apenas 26%, a deformação na carga última mais do que duplica. 6

11 O comportamento na rotura das vigas da Série 3 foi muito semelhante ao das da Série 2. Contudo, o ramo não-linear foi menos pronunciado e a rotura não foi tão abrupta como na série 2. (a) (b) (c) Figura 9 Roturas de vigas. Fonte: Autor. Depois de ensaiadas e reparadas, as vigas de referência foram usadas na constituição da Série 4. Nestas, o mecanismo de rotura foi semelhante ao da série de referência, não obstante a presença do laminado. Na maior parte dos casos, as superfícies de fractura foram as mesmas que as da Série 1, reflectindo o facto de que permaneceram pontos fracos da estrutura reparada. Finalmente, a rotura das vigas da Série caracterizou-se pela propagação de uma fractura iniciada na raiz do entalhe praticado a meio vão, seguramente causada pela concentração de tensões aí existente. O comportamento global foi linear, com rotura frágil. Com base em modelos constitutivos simples, determinaram-se os valores esperados das cargas de rotura médias para cada série, tendo depois sido feita a comparação com os valores experimentais obtidos. Como já se referiu, assumiu-se que os valores médios eram cerca de 1/3 superiores aos valores característicos especificados na EN1194. Considerouse, para as vigas não reforçadas, um modelo constitutivo linear e elástico. Para a Série 2, a resistência última foi calculada como a soma dos incrementos de carga correspondentes a três etapas. Em primeiro lugar, considerou-se o modelo linear para calcular as tensões no elemento sujeito às forças de contraflecha. O laminado é então colado à madeira em posição deformada, o que produz tensões desprezáveis, dada a sua pequena espessura e rigidez de flexão. A partir daí, a secção mista reage monoliticamente à remoção das forças de contraflecha. Este segundo estágio também se desenvolve em regime elástico, quer porque o nível de deformação imposto é moderado, quer porque é de sentido oposto ao introduzido na fase anterior. Por fim, o terceiro estágio consiste na aplicação da carga à viga pré-esforçada, até à rotura. Os resultados experimentais mostraram que, em certa medida, o laminado altera o modo de rotura de tração/frágil para compressão/dúctil, pelo que foi assumido um modelo constituivo elastoplástico para avaliar a carga última. Na Série 3 foram utilizados os primeiro e terceiro modelos considerados para a Série 2. Para a Série 4 não foram considerados modelos analíticos, dados os danos extensos no elemento de madeira. Noutros termos, considerou-se que a toda a resistência conseguida no modelo reabilitado constituiu um ganho em relação à situação de ruína total do elemento. Finalmente, na Série considerou-se novamente o modelo da Série 3, mas com uma secção transversal descontínua, constituída pela metade superior da viga e pela tira de laminado. 4. Discussão Os resultados teóricos e experimentais estão resumidos na tab. 4. A coluna 2 refere-se aos valores estimados da carga última para cada série, avaliados de acordo com a metodologia descrita na secção anterior. A coluna 3 indica o ganho de resistência de cada solução a respeito da de referência. A Série 4, como já foi referido, foi assumida como não tendo resistência. As colunas 3 e contêm informação semelhante às anteriores, mas dizendo 61

12 respeito sobretudo aos resultados experimentais. Os valores da coluna são as tensões correspondentes aos valores da carga última experimental, avaliadas de acordo com os modelos descritos anteriormente. Finalmente, a coluna 7 representa o excedente dos valores experimentais em relação aos esperados da teoria. Força última estimada (kn) Tabela Comparação de resultados - Tensões Podem extrair-se várias conclusões da análise desta tabela. Em primeiro lugar, o ganho de resistência das vigas reforçadas com CFRP foi de cerca de 19% em relação à das vigas de madeira lamelada colada simples (sem reforço), valor que subiu para 26% quando se utilizou pré-esforço. Embora modesto, pode valer a pena usar este ganho adicional, dada a facilidade de aplicação do sistema de pré-esforço descrito e a quase inexistência de sobrecustos relativamente à situação de colagem simples. As resistências últimas das vigas foram muito semelhantes e consideravelmente superiores aos valores médios obtidos a partir dos valores da EN1194. Esta diferença foi ainda maior para as vigas reparadas, o que se terá provavelmente devido ao facto de os modelos simples usados para calcular as tensões não conseguirem representar com precisão o complexo estado de tensão desses casos. As vigas reabilitadas recuperaram % da resistência das vigas originais, valor que, ainda que modesto, poderá nalguns casos evitar o recurso a substituição do elemento, ainda que a troco de restrições ao uso e ao nível de carga. Deve sublinhar-se que, em todos os casos, os valores experimentais foram bastante superiores aos estimados, o que sugere que os procedimentos teóricos usados nas estimativas podem considerar-se seguros para projecto de reabilitação estrutural, com coeficientes de segurança adequados. Por fim, o valor máximo da tensão de corte na interface madeira-laminado foi de 1,7N/mm 2, o que é inferior ao valor médio da resistência ao corte obtida nos ensaios em provetes pequenos.. Conclusões A técnica de madeira pré-esforçada aqui discutida fornece um aumento moderado de resistência, em relação a sistemas de reforço passivo (não pré-esforçado), praticamente sem acréscimo de custos. Além disso, altera o modo de rotura do habitualmente frágil para um modo muito mais dúctil, com esmagamento das fibras comprimidas e um claro ramo não-linear na curva carga-deformação. A principal limitação do método é a perda de préesforço causada pela recuperação elástica, após a remoção das forças de contraflecha. Este problema pode ser resolvido com o uso de sistemas de pré-esforço externo, mas estes requerem equipamento que pode não ser compatível com o espaço disponível, para reabilitação in situ. Quanto à reparação de vigas danificadas, sem pré-esforço, demonstrouse que o uso de laminados CFRP como armadura passiva podem proporcionar a recuperação de cerca de % da resistência original. Agradecimentos Aumento em relação à referência(%) Força última experimental F(kN) Tensão de flexão na rot. (N/mm 2 ) Aumento em relação à referência(%) Aumento em relação ao previsto (%) Série 1 16,, 29,27 6,4, 76,8 Série 2 22, 32,9 36,83, 2,9 67,4 Série 3 2, 24,2 34,7 3, 18,7 69,1 Série 4, -1, 1,64 78,8-46,6, Série 9,13-44,8 14,67 73,9-49,9 6,7 Os autores agradecem à Fundação Para a Ciência e a Tecnologia (FCT) e ao Programa Operacional Ciência e Inovação (POCI 21), co-financiado pelo fundo FEDER da União 62

13 Europeia, pelo apoio proporcionado por via do Projecto de Investigação POCI/ECM/689/24. Referências (1) Adams, R. D. and Wake, W. C. (1984). Structural Adhesive Joints in Engineering, Elsevier Applied Science, London, ISBN (2) Brunner, Maurice and Schnüriger, Marc (26). Timber beams strengthened by attaching prestressed carbon FRP laminates with a gradiented anchoring device. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON BOND BEHAVIOUT OF FRP IN STRUCTURES, Hong Kong, China. (3) CEN - Comitê Europeu de Normalização (24). EN 1194:24 - Timber structures - Glued laminated timber - Strength classes and determination of characteristic values, Bruxelas, Bélgica. (4) CEN - Comitê Europeu de Normalização (1991). EN Timber structures. Joints made with mechanical fasteners. General principles for the determination of strength and deformation characteristics, Bruxelas, Bélgica. () CEN - Comitê Europeu de Normalização (23). EN 48:23 - Timber structures - Structural timber and glued laminated timber - Determination of some physical and mechanical properties, Bruxelas, Bélgica. (6) El-Hacha R., Wight R., Green M. (21).Prestressed fiber-reinforced polymer laminates for strengthening structures, Progress in Structural Engineering and Materials, V.3, Nº. 2, p

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