Tema: Comportamento à fadiga de varões de GFRP pré-esforçados, sob condições ambientais agressivas

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1 Tema: Comportamento à fadiga de varões de GFRP pré-esforçados, sob condições ambientais agressivas (Fatigue behaviour of presstressed GFRP rebars under aggressive environmental conditions). Aluno: Raquel Miranda da Rocha Número do Aluno: Orientadora: Maria Isabel Brito Valente 1. Introdução A presente proposta de trabalhos refere-se à Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil, do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, subordinada ao tema Comportamento à fadiga de varões de GFRP pré-esforçados, sob condições ambientais agressivas. A dissertação será desenvolvida pela aluna Raquel Miranda da Rocha, Nº 51330, sob orientação científica da Doutora Isabel Valente, Professora Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. O pré-esforço externo foi inicialmente desenvolvido para o reforço estrutural de pontes, mas é hoje usado tanto em reforço de estruturas existentes como na construção de novas estruturas. O pré-esforço externo caracteriza-se pela aplicação de varões pré-esforçados, não colados, que são ancorados nas extremidades do elemento estrutural, às vezes com um ou mais desviadores ao longo do seu desenvolvimento. Este método de reforço é vantajoso porque permite aumentar a capacidade de carga do elemento estrutural. O uso de FRP (Polímeros Reforçados com Fibras) como material de pré-esforço utilizado em elementos de betão armado, tem vindo a aumentar nas últimas duas décadas. O FRP tem o potencial de se tornar amplamente utilizado em estruturas de betão armado, devido ao seu peso relativamente baixo, elevada rigidez e capacidade resistente e o fato de não ser corrosivo. A utilização de materiais FRP em navios, tubagens de indústrias corrosivas, tanques de armazenamento e diversas aplicações das indústrias petrolíferas e de tratamento de águas residuais proporcionam evidência prática da boa durabilidade daqueles materiais em ambientes relativamente agressivos e corrosivos. A aplicação de polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP) em forma de varões, em estruturas de betão armado, oferece uma alternativa que permite evitar os problemas de corrosão que ocorrem nas armaduras tradicionais. Deste modo, estas estruturas terão menos intervenções durante o seu tempo de serviço e têm, consequentemente, menores custos de manutenção ou reparação. Além do bom comportamento em termos de durabilidade, os varões de fibra de vidro têm uma elevada capacidade resistente. 1

2 Vários estudos têm sido realizados sobre os parâmetros que afetam a durabilidade e comportamento a longo prazo dos GFRP. Esses estudos concluíram que os tipos mais comuns de varões de GFRP apresentam problemas de deterioração quando submetidos a ambientes agressivos. A humidade, a alcalinidade e a temperatura elevada são os principais parâmetros que afetam a durabilidade dos materiais compósitos. Nos últimos anos, a temática da durabilidade e compreensão dos fenómenos de degradação destes materiais tem vindo a ganhar relevo, procurando-se a caracterização destes materiais sob condições adversas a curto e longo prazo. É frequente recorrer-se a ensaios experimentais acelerados para simular a degradação a longo prazo, no entanto, os resultados deste tipo de ensaios são muito dependentes dos esquemas de ensaio e apresentam resultados por vezes contraditórios. A extrapolação de resultados de curto prazo para períodos mais longos (várias décadas) tem limitações, uma vez que ainda não foi desenvolvida uma correlação consistente e exaustiva entre os envelhecimentos artificiais acelerados e o envelhecimento natural. A grande quantidade de parâmetros envolvidos no envelhecimento natural e as suas complexas interações dificulta a sua simulação e previsão. Muito esforço em compreender a fadiga e o comportamento da fadiga ambiental dos GFRP tem sido focado na fadiga por tração, com menos atenção dada ao comportamento de fadiga sob outros tipos de carregamento. A falta de dados de durabilidade, métodos de ensaio e controlo de qualidade padrão é um dos obstáculos técnicos que impedem o uso extensivo de GFRP na construção. Diante deste problema enfrentado pela indústria da construção, o presente trabalho focar-se-á em gerar dados de fadiga ambiental e compreender as limitações de desempenho, de forma que se possa ganhar confiança no uso do GFRP em aplicações estruturais. 2. Objetivos A realização deste projeto visa a obtenção dos seguintes objetivos: Avaliar o comportamento à fadiga de varões de FRP, tendo em consideração diferentes níveis de carregamento e condições ambientais normais; Avaliar o comportamento à fadiga de varões de FRP, tendo em consideração diferentes níveis de carregamento e condições ambientais agressivas/corrosivas. 3. Metodologia Para a realização do presente trabalho são necessários alguns meios que estão à partida assegurados, nomeadamente bibliografia relacionada com o tema, computador pessoal e software para análise numérica do comportamento estrutural dos perfis. A metodologia de trabalho, que servirá de orientação a todo o estudo a desenvolver, divide-se em oito tarefas principais, que se apresentam de seguida: 2

3 1. Recolher bibliografia relativa ao tema da dissertação, designadamente relativa a trabalhos publicados em livros, artigos de jornais ou revistas, registos referentes a congressos, nacionais e internacionais, bem como outros trabalhos desenvolvidos em ambiente académico como dissertações de mestrado ou doutoramento; 2. Descrever os principais conceitos relacionados com a utilização de GFRP como material estrutural; 3. Apresentar uma descrição geral de conceitos relacionados com esta temática, com especial destaque para a utilização de varões de GFRP como pré-esforço em elementos de betão armado, o comportamento à fadiga de varões de GFRP e a durabilidade de varões de GFRP expostos a condições ambientais agressivas; 4. Abordar e descrever as principais metodologias de cálculo associadas ao dimensionamento de elementos pré-esforçados de betão; 5. Preparar e realizar uma campanha de ensaios experimentais para avaliação do comportamento à fadiga de varões de FRP; 6. Redigir o corpo da dissertação com base nos resultados e conclusões obtidas em cada um dos pontos anteriores. 4. Resultados Esperados A finalidade deste trabalho passa essencialmente por perceber como se comportam, estruturalmente, perfis enformados a frio com secção transversal em Ω com inclusão de nervuras de rigidez, quando sujeitos a esforços de flexão, compressão ou corte. Com base neste trabalho, será possível elaborar tabelas de dimensionamento de perfis metálicos com as características definidas e as dimensões propostas. 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento O trabalho a desenvolver será dividido em sete fases, distribuídas ao longo dos cinco meses previstos para a realização da dissertação: Fase I Fase II Fase III Fase IV Revisão bibliográfica em torno da utilização de GFRP como material estrutural; Descrição geral de conceitos relacionados com esta temática, com especial destaque para a utilização de varões GFRP como pré-esforço em elementos de betão armado e o comportamento à fadiga de varões de FRP; Abordagem às metodologias de dimensionamento de elementos de betão armado pré-esforçados; Preparação de campanha experimental: definição dos provetes a ensaiar, definição do setup de ensaios; fabrico de provetes e acessórios de ensaio; 3

4 05 Mar 09 Mar 12 Mar 16 Mar 19 Mar 23 Mar 26 Mar 30 Mar 02 Abr 06 Abr 09 Abr 13 Abr 16 Abr 20 Abr 23 Abr 27 Abr 30 Abr 04 Mai 07 Mai 11 Mai 14 Mai 18 Mai 21 Mai 25 Mai 28 Mai 01 Jun 04 Jun 08 Jun 11 Jun 15 Jun 18 Jun 22 Jun 25 Jun 29 Jun 02 Jul 06 Jul 02 Jul 06 Jul 09 Jul 13 Jul Universidade do Minho - Escola de Engenharia Fase V Fase VI Fase VII Fase VIII Realização de ensaios experimentais que permitem observar o comportamento cíclico de varões de FRP; Realização de ensaios experimentais que permitem observar o comportamento cíclico de varões de FRP quando expostos a condições ambientais agressivas; Análise e interpretação de resultados; Redação da dissertação, de forma transversal a todas as etapas de desenvolvimento do trabalho. 5.2 Calendarização A realização das diversas fases referidas no ponto anterior encontra-se calendarizada no quadro seguinte. Para o enquadramento das fases no tempo disponível, definiu-se a semana como unidade temporal, atribuindo a cada tarefa um tempo adequado à sua realização, de acordo coma dificuldade e extensão de trabalho envolvido. Naturalmente, existem fases que podem ser efetuadas em simultâneo, daí a existência de algumas sobreposições temporais. O projeto tem início na primeira semana do mês de março, devendo estar concluído na segunda semana do mês de julho. Semanas Fase I X X Fase II X X X X Fase III X X X Fase IV X X X X X X Fase V X X X X X X Fase VI X X X X X X Fase VII X X X X X X X X X X X X Fase VIII X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 4

5 6. Bibliografia - Kin Liao, Carl R. Schultheisz and Donald L., Long-term environmental fatigue of pultruded glass-fiber-reinforced composites under flexural loading, International Journal of Fatigue, Håkan Nordin, Strengthening structures with externally prestressed tendons - Literature review, Luleå University of Technology, David Trejo et al, Preliminary quality control/ quality assurance standards (Criteria) for inspection and testing of FRP bars, Technical Report, Texas Department of Transportation and the Federal Highway Administration, ACI-440.1R-06., Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with FRP bars, American Concrete Institute, Costa, R. L., Durabilidade de perfis pultrudidos de poliéster reforçado com fibras de vidro (GFRP), Instituto Superior Técnico, Lisboa, Alves, J. R., Durability of GFRP Bars Bond to Concrete under Different Loading and Environmental Conditions, University of Manitoba, Reis, V.L.F., Juvandes, L.F.P. Construção de estruturas de betão armado com varões de FRP, 8º Congresso Nacional de Mecânica Experimental, Guimarães, Noël, M. and Soudki, K., Fatigue Behavior of GFRP Reinforcing Bars in Air and in Concrete, American Society of Civil Engineers, Worner, V. J., Use of Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) reinforcing bars for concrete bridge decks, University of Canterbury, New Zealand, Yunfu Ou et al, Mechanical Characterization of the Tensile Properties of Glass Fiber and Its Reinforced Polymer (GFRP) Composite under Varying Strain Rates and Temperatures, Polymers, J.G. Teng and J.G. Dai, Durability of FRP Rebars in aggressive environments, Proceedings of the Eighth International Conference on Fibre-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering, pp 31, Sousa, J.P.G.M. et al, Durabilidade de perfis pultrudidos de GFRP em aplicações estruturais, 2º encontro nacional sobre qualidade e inovação na construção, Lisboa, Estêvão, M. M., Durabilidade de varões de GFRP para reforço de elementos de betão armado, Universidade Nova de Lisboa, Arczewska, P., Practical Performance Criteria and Durability Prediction Modeling of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) Bars, University of Waterloo, Taha Younes et al, Fatigue performance of prestressed concrete beams using BFRP bars, Journal Construction and Building Materials,

6 - Rezazadeh, M. and Carvelli, V., A damage model for high-cycle fatigue behavior of bond between FRP bar and concrete, International Journal of Fatigue, Hamzeh Hajiloo et al, Mechanical properties of GFRP reinforcing bars at high temperatures, Construction and building materials, Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) Rebar - Aslan 100 series, Hughes Brothers,