UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ - UFPR AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM LÂMINAS DE CFRP TENSIONADAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ - UFPR AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM LÂMINAS DE CFRP TENSIONADAS CURITIBA 2003

CELCIO JOSÉ ESCOBAR AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ESTRUTURAL DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADAS COM LÂMINAS DE CFRP TENSIONADAS Diertação apreentada como requiito parcial à obtenção do título de metre em Contrução Civil, etor de Engenharia, Univeridade Federal do Paraná. Orientador: Dr. Marco Antonio Marino CURITIBA 2003

TERMO DE APROVAÇÃO CELCIO JOSÉ ESCOBAR REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO COM LÂMINAS DE CFRP TENSIONADAS Tee aprovada como requiito parcial para obtenção do grau de metre em Contrução Civil, etor de Engenharia, da Univeridade Federal do Paraná, pela eguinte banca examinadora: Orientador Proº. Dr. Marco Antonio Marino, Ph.D Setor de Tecnologia, UFPR Proº. Daniel Domingue Loriggio, Dr. Setor de Tecnologia, UFSC Proº. Eliabeth Penner, Dra. Departamento Acadêmico de Contrução Civil, CEFET-PR Proº. Antônio Stramandinoli Júnior, Mc. Setor de Tecnologia, UFPR Proº. Raul Oório de Almeida, Eng. Conultor Independente Curitiba, 30 de outubro de 2003 i

Ao meu ilho Eric e Thaí, pela muita noite em que adormeceram ao lado da minha mea de trabalho; ii

AGRADECIMENTOS Ao proeor Marco Antônio Marino pela orientação e colaboração imprecindível na realização dete trabalho; Ao proeor Rui Medeiro pela coniança e amizade de longa data; Ao proeor Antônio Stramandinoli Jr. pelo incentivo e pela atenção dipenada dede o início. A todo o uncionário do Laboratório de Tecnologia de Concreto da Itaipu Binacional e em epecial Sr. Gilmar Fabro pela intena colaboração na realização do enaio; À emprea Sika do Brail pelo ornecimento do materiai de reorço; Ao colega Edion Sahd e Carmen Loro pelo companheirimo e ajuda inetimável em longo dia de etudo; À todo o meu amiliare que muito colaboraram nete trabalho; À Deu que empre eteve ao meu lado. iii

SUMÁRIO LISTA DE SIMBOLOS... ix LISTA DE TABELAS... xv LISTA DE FIGURAS... xvi RESUMO... xx ABSTRACT... xxi CAPÍTULO 1 OBJETIVO... 01 1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS... 01 1.2 OBJETIVOS... 02 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO... 02 CAPÍTULO 2 HISTÓRICO SOBRE A UTILIZAÇÃO DE POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRAS... 05 2.1 CRONOLOGIA... 05 2.2 ESTUDOS ANALÍTICOS... 06 2.3 ESTUDOS EXPERIMENTAIS... 08 CAPÍTULO 3 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES SOBRE A RECUPERAÇÃO E O REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO... 13 3.1 PATOLOGIA DAS ESTRUTURAS... 13 3.2 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO COM UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS COMPÓSITOS COM FIBRAS DE CARBONO. 15 CAPÍTULO 4 MATERIAIS COMPÓSITOS UTILIZADOS EM REFORÇO ESTRUTURAL... 18 4.1 INTRODUÇÃO... 18 4.2 MATERIAIS COMPONENTES... 18 4.2.1 Matrize... 18 4.2.2 Fibra... 19 4.2.2.1 Fibra de vidro... 20 4.2.2.2 Aramida... 20 v

4.2.2.3 Fibra de carbono... 21 4.3 COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE CARBONO... 22 4.4 LAMINADOS DE CFRP... 24 4.5 RESINAS EPOXÍDICAS... 25 4.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE COMPÓSITOS REFORMADOS COM FIBRAS DE CARBONO... 27 4.7 COMPORTAMENTO NA RUPTURA... 27 CAPÍTULO 5 PROCEDIMENTOS PARA A APLICAÇÃO DE REFORÇOS COM LÂMINAS DE CFRP PRÉ-TENSIONADAS... 31 5.1 INTRODUÇÃO... 31 5.2 ESTRUTURAS DE CONCRETO PROTENDIDO... 31 5.3 RECUPERAÇÃO E/OU REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO COM CFRP... 33 5.4 LAMINADOS DE CFRP PRÉ-TENSIONADOS... 36 5.4.1 Solicitaçõe Normai... 38 5.4.2 Solicitaçõe Tangenciai... 40 5.5 PROCEDIMENTOS PARA APLICAÇÃO DE UM REFORÇO COM LÂMINAS PRÉ-TENSIONADAS... 43 5.6 NEAR SURFACE MOUNTED REIFORCEMENT NSRM PARA APLICAÇÃO NO REFORÇO COM LÂMINAS PRÉ-TENSIONADAS... 44 5.7 COMPARAÇÃO ENTRE REFORÇOS DE CFRP COLADOS EXTERNAMENTE... 45 CAPÍTULO 6 REFORÇO À FLEXÃO CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA EMPREGO DA LÂMINA PRÉ-TENSIONADA... 49 6.1 INTRODUÇÃO... 49 6.2 COEFICIENTE DE SEGURANÇA À FLEXÃO PARA O REFORÇO... 50 6.3 TIPOS DE RUPTURA DE VIGAS REFORÇADAS... 54 6.4 CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAMENTO... 57 6.4.1 Reorço à Flexão Segundo o ACI... 58 6.4.2 Reorço à Flexão Segundo a FIB... 64 6.4.3 Reorço à Flexão Segundo a JSCE... 67 v

CAPÍTULO 7 DIMENSIONAMENTO DO REFORÇO DE VIGAS DE CONCRETO... 69 7.1 FUNDAMENTOS... 69 7.2 ESTADO LIMITE ÚLTIMO DOMÍNIOS DA NBR 6118... 69 7.2.1 Domínio 2, 3 e 4... 69 7.2.2 Recomendaçõe da NBR 6118... 71 7.3 TENSÕES NA REGIÃO DE CONCRETO COMPRIMIDO... 73 7.4 VARIÁVEIS ADIMENSIONAIS ELU... 74 7.4.1 Elemento Geométrico de Seçõe Retangulare... 74 7.4.2 Diagrama Adimenional Tenão Deormação do Aço... 75 7.4.3 Diagrama Adimenional Tenão-Deormação da Fibra de Carbono... 78 7.5 EQUAÇÕES GERAIS... 81 7.5.1 Poição da Linha Neutra e Condição de Segurança... 81 7.5.2 Valor Aproximado de A... 84 7.5.3 Proceo Iterativo... 85 7.5.4 Programa VRFC ( Viga Reorçada com Fibra de Carbono)... 87 7.6 DEFORMAÇÕES ESPECÍFICAS DA FIBRA DE CARBONO ANTERIORES AO REFORÇO... 88 7.6.1 Deormaçõe Epecíica do Concreto Anteriore ao Reorço... 88 7.6.2 Deormação Epecíica da Fibra de Carbono Dependente do Carregamento anterior ao Reorço... 92 7.6.3 Pré-Alongamento da Fibra de Carbono... 92 7.6.4 Conideraçõe da Deormaçõe Epecíica da Fibra de Carbono Devida ao Carregamento Anterior ao Reorço e ao Pré-Alongamento... 93 CAPÍTULO 8 ANCORAGEM... 98 8.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS... 98 8.2 EQUAÇÕES DE ANCORAGEM... 101 8.3 ANCORAGEM COM LÂMINAS PRÉ-TENSIONADAS... 106 CAPÍTULO 9 ESTUDO EXPERIMENTAL... 110 9.1 INTRODUÇÃO... 110 9.2 MATERIAIS... 113 vi

9.2.1 Concreto... 113 9.2.2 Aço... 115 9.2.3 Tecido de Fibra de Carbono... 115 9.2.4 Reina Epóxidica... 116 9.3 DESCRIÇÃO DAS VIGAS ANTES DO REFORÇO... 117 9.3.1 Caracterítica Geométrica e Mecânica... 117 9.3.2 Reitência Teórica da Viga Ante do Reorço... 118 9.3.2.1 Reitência à lexão... 119 9.3.2.2 Reitência à ora cortante... 119 9.3.2.3 Reultado encontrado... 120 9.4 FORMAS... 121 9.5 CONCRETAGEM... 123 9.6 DESCRIÇÃO DAS VIGAS REFORÇADAS... 123 9.6.1 Reorço à Flexão... 123 9.6.2 Aplicação do Reorço... 125 9.7 INSTRUMENTAÇÃO DAS VIGAS... 125 9.8 EXECUÇÃO DOS ENSAIOS DAS VIGAS... 126 CAPÍTULO 10 APRESENTAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS... 128 10.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS... 128 10.2 DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS... 128 10.2.1 Viga de Reerência (V6)... 130 10.2.2 Viga V1... 130 10.2.3 Viga V2... 133 10.2.4 Viga V3... 136 10.2.5 Viga V4... 137 10.2.6 Viga V5... 140 10.2.7 Viga V7... 142 10.2.8 Viga V8... 144 10.3 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS... 147 10.3.1 Comparação da Carga de Ruptura... 147 10.3.2 Comparação da Flecha Obtida... 152 vii

10.3.3 Comparação da Fiura Encontrada... 153 CAPÍTULO 11 CONCLUSÕES... 154 REFERÊNCIAS... 157 ANEXOS... 162 ANEXO 1 FOTOS DO ESTUDO EXPERIMENTAL... 223 ANEXO 2 ENSAIOS DO AÇO... 225 ANEXO 3 ENSAIOS DOS CORPOS DE PROVA... 228 ANEXO 4 PROCESSO DE PULTRUSÃO... 231 ANEXO 5 PROCEDIMENTOS DE EXECUÇÃO... 233 ANEXO 6 RESISTÊNCIAS TEÓRICAS CALCULADAS PELO PROGRAMA VRFC... 243 ANEXO 7 COMPRIMENTO DE ANCORAGEM... 249 viii

LISTA DE SÍMBOLOS LETRAS ROMANAS A A S Área da eção tranveral do tecido de ibra de carbono; Área da eção da armadura longitudinal de tração; A Área da eção da armadura longitudinal de compreão; A w Área da eção de um etribo; b Largura da eção; b c Largura do compóito de ibra de carbono; Cobrimento; CFRP Compóito de Fibra de Carbono; d Altura útil da eção; E c E E c ck ct u t y yk F c Módulo de elaticidade do concreto; Módulo de elaticidade do compóito de ibra de carbono; Módulo de elaticidade do aço; Reitência do concreto à compreão; Reitência caracterítica à compreão do concreto; Reitência do concreto à tração; Reitência última à tração do compóito de ibra de carbono; Reitência do compóito de ibra de carbono à tração; Reitência de ecoamento da armadura longitudinal; Reitência caracterítica à tração do aço; Força de compreão; F cc Força de compreão no concreto; F c Força de compreão no aço; F t F t Força de tração; Força de tração no compóito de ibra de carbono; F TS Força de tração no aço; h Altura da viga; J CR Momento de inércia da eção iurada coniderando-e a homogeneização a mema; M Momento letor atuante; ix

M k Momento letor caracterítico; M n Momento letor nominal; M u Momento letor de ruptura; M R Momento letor reitente; M S d Momento letor de cálculo; P Carga; Epaçamento entre o etribo interno; t Epeura do compóito de ibra de carbono; V Fração de volume da ibra; x0 Ditância da linha neutra à borda comprimida do concreto; w k Abertura de iura; W Peo da ibra; z Braço de alavanca; M n momento letor reitente nominal, obtido a partir da compatibilidade da deormaçõe, do equilíbrio interno de orça e do controle do modo de ruína (M n = ( c e y )) correponde ao M Rd da NBR 6118; c reitência à compreão do concreto correponde ao ck da NBR 6118; e y reitência à tração do aço correponde ao yk da NBR 6118; Um momento letor atuante, obtido atravé da combinaçõe da açõe atuante na eção correponde ao M Sd da NBR 6118; M D momento letor devido à carga permanente ( dead load ) correponde ao M gk da NBR 6118; M L B D momento letor devido à carga acidental ( live load ) correponde ao M qk da NBR 6118; largura da eção; altura útil da eção; c reitência à compreão do concreto;,d u y h tenão de tração eetiva no FRP; tenão de tração no FRP devida à carga permanente; reitência à tração do FRP; tenão de tração no aço; reitência à tração do aço; altura total da eção; x

k m n t x A A E E M n M u b coeiciente para atender à ruína prematura; número de camada de FRP; epeura do FRP (mm); poição da linha neutra; área de FRP; área de armadura exitente na eção; módulo de elaticidade do FRP; módulo de elaticidade do aço; momento letor reitente nominal; momento letor olicitante; largura da bae da viga; d: altura útil da eção; d poição do centro de gravidade da armadura de compreão; cd u yd h n t x A A reitência de cálculo do concreto; tenão de tração eetiva no FRP; reitência à tração do FRP; reitência de cálculo do aço; altura da viga; número de camada de FRP; epeura do FRP (mm); poição da linha neutra; área da armadura de reorço de FRP; área da armadura de tração; A : área da armadura de compreão; E E módulo de elaticidade do FRP; módulo de elaticidade do aço; M Rd momento reitente de cálculo; xi

LETRAS GREGAS φ: ator de minoração da reitência; β1 Coeiciente adimenional; β Ângulo de inclinação entre o entido da ibra e o eixo longitudinal; Δu Delexão na carga de ruptura; Δy Delexão na tenão de ecoamento do aço; εc Deormação epecíica do concreto em um etágio de carregamento; ε C0 εcu ε ε 0 εe εi εmáx Deormação epecíica prévia do concreto; Deormação epecíica última do concreto; Deormação epecíica do compóito de ibra de carbono; Deormação epecíica da pré-tenão no compóito de ibra de carbono; Deormação epecíica eetiva do compóito de ibra de carbono; Deormação epecíica genérica no compóito de ibra de carbono; Deormação epecíica máxima no compóito de ibra de carbono; εu Deormação epecíica na ruptura do compóito de ibra de carbono; εs Deormação epecíica do aço em um etágio de carregamento; ε S 0 Deormação epecíica prévia do aço; εsmáx Deormação epecíica máxima no aço; φ Coeiciente de egurança global; φcfc Coeiciente de egurança para o compóito de ibra de carbono; φu Curvatura na região de momento contante quando da carga de ruptura; φy Curvatura na região de momento contante quando da tenão de ecoamento da armadura; γc Coeiciente de egurança do concreto; γs γ Coeiciente de egurança do aço; Coeiciente de egurança do compóito de ibra de carbono; λ Fator de tamanho; μ Índice de ductilidade; μe Ductilidade de energia; μ Δ Ductilidade de delexão; xii

μ φ μ θ ν ν Ductilidade de curvatura; Ductilidade de rotação; Volume do compóito; Volume da ibra de carbono; θu Rotação na região de momento contante quando da carga de ruptura; θy Rotação na região de momento contante quando da tenão de ecoamento da armadura; ρ ρs Taxa geométrica de armadura do compóito de ibra de carbono; Taxa geométrica de armadura do aço tracionado; ρ S Taxa geométrica de armadura do aço comprimido; ρc Denidade do compóito; ρ Denidade da ibra de carbono; σ 1, σ 2 Tenõe principai; σ Tenão no compóito de ibra de carbono; σmáx σu σ S σs Tenão máxima no compóito de ibra de carbono; Tenão última do compóito de ibra de carbono; Tenão no aço longitudinal de tração; Tenão no aço longitudinal de compreão; σsmáx Tenão máxima no aço longitudinal de tração; γ c : coeiciente de minoração do CFRP; ξ Coeiciente adimenional; ε c ε ct deormação na ibra mai comprimida do concreto; deormação na ibra mai tracionada do concreto; ε cti deormação exitente no ubtrato de concreto ante da aplicação do reorço; ε ε u ε deormação longitudinal eetiva no FRP; deormação longitudinal na ruína do FRP; deormação longitudinal na armadura; ε y deormação longitudinal de ecoamento na armadura ; φ ator de minoração; γ ator de correção da reitência do concreto; xiii

ψ: coeiciente de minoração da reitência do FRP na lexão, admitido igual a 0 ψ c 85; coeiciente de minoração da reitência do FRP devido à luência ( creep ); ωω ωs ω S Taxa mecânica do reorço em compóito de ibra de carbono, da armadura longitudinal de tração e da armadura longitudinal de compreão, repectivamente; φ CFR ator de minoração do CFRP; φ MAT leva em conta o devio e o nível de imprecião da propriedade do material, ao comparar-e o reultado de enaio com o valore teórico; φ PROD avalia a variação do produto ace ao tipo de proceo de produção; φ CURA parcela devido ao proceo de cura utilizado; φ LOC epelha a dierença do deempenho proveniente da ituação do proceamento, dentre outra, e a caracterítica de campo; φ DEGRAD leva em conta o comportamento do CFRP na condiçõe ambientai ao longo do tempo, tai como eeito de temperatura e luência, variando de um modo geral entre 0,3 e 1,0; δ G : coeiciente que poiciona a reultante de compreão na região de concreto comprimido (ditribuição retangular de tenõe de compreão - δ G = 0,4); ε c deormação da ibra de concreto mai comprimida; ε ct ε cti ε cu ε ε u ε deormação na ibra mai tracionada do concreto; deormação inicial do concreto à tração; deormação última do concreto; deormação do FRP; deormação última do FRP; deormação da armadura tracionada; ε deormação da armadura comprimida; γ c coeiciente de minoração do FRP; ψ: coeiciente para utilização do diagrama impliicado (ditribuição retangular de tenõe de compreão - ψ = 0,8). xiv

LISTA DE TABELAS TABELA 1 PROPRIEDADES DAS MATRIZES... 19 TABELA 2 COMPARATIVO ENTRE AS TÉCNICAS COM COLAGEM DE CHAPAS DE AÇO E CFRP... 35 TABELA 3 COMPARATIVO ENTRE MATERIAIS CFRP LAMINADOS, TECIDOS E NSRM... 46 TABELA 4 VALORES DE ψ c - FLUÊNCIA... 62 TABELA 5 FLEXÃO SIMPLES CA-50 + FIBRA DE CARBONO CF-130. 81 TABELA 6 CONSUMO DE MATERIAL POR M 3... 113 TABELA 7 RESISTÊNCIA MÉDIA À COMPRESSÃO DOS CORPOS DE PROVA... 114 TABELA 8 RESULTADOS DOS DIMENSIONAMENTOS DAS VIGAS À FLEXÃO E AO CORTANTE... 120 TABELA 9 ABERTURA DAS FISSURAS NA VIGA DE REFERÊNCIA... 129 TABELA 10 ABERTURA DE FISSURA NA VIGA V1... 131 TABELA 11 ABERTURA DE FISSURA DA VIGA 2... 134 TABELA 12 ABERTURA DAS FISSURAS DA VIGA 3... 136 TABELA 13 ABERTURA DA FISSURA CENTRAL NA VIGA V4... 138 TABELA 14 ABERTURA DAS FISSURAS DA VIGA 5... 140 TABELA 15 ABERTURA DAS FISSURAS DA VIGA 7... 142 TABELA 16 ABERTURA DAS FISSURAS DA VIGA 8... 145 TABELA 17 TIPOS E VALORES DE CARGAS DE RUPTURA DAS VIGAS ENSAIADAS... 149 TABELA 18 ACRÉSCIMO DE RESISTÊNCIA NAS VIGAS REFORÇADAS EM RELAÇÃO À VIGA DE REFERÊNCIA V6... 151 TABELA 19 ACRÉSCIMO DE RESISTÊNCIA NAS VIGAS EM RELAÇÃO À VIGA DE REFERÊNCIA REFORÇADA V4... 151 TABELA 20 FLECHAS OBTIDAS NOS ENSAIOS E COMPARAÇÕES EM RELAÇÃO À VIGA DE REFERÊNCIA V6... 152 xv

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE DIVERSOS TIPOS DE FIBRAS E AÇO... 20 FIGURA 2 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO ESPECÍFICA DE LÂMINAS DE FIBRAS DE CARBONO... 23 FIGURA 3 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE TECIDOS DE FIBRAS DE CARBONO... 23 FIGURA 4 PROCESSOS DE PULTRUSÃO... 24 FIGURA 5 LAMINADOS DE CFRP... 25 FIGURA 6 ESTÁGIOS DAS DEFORMAÇÕES AO LONGO DO TEMPO - CABOS DE FRP...... 28 FIGURA 7 ESTÁGIOS DE DEFORMAÇÕES AO LONGO DO TEMPO CABOS DE GFPR... 29 FIGURA 8 ESTÁGIOS DE DEFORMAÇÃO AO LONGO DO TEMPO CABOS DE CFRP... 29 FIGURA 9 SISTEMA DE ANCORAGEM PARA LAMINADO DE CFRP PRÉ-TENSIONADO DESENVOLVIDO NO EMPA - LABORATÓRIO SUÍÇO DE TESTES E MATERIAIS... 37 FIGURA 10 VIGAS REFORÇADAS COM CFRP... 39 FIGURA 11 REFORÇO COM CFRP/FRP PROTENDIDO... 40 FIGURA 12 APLICAÇÃO DA PROTENSÃO EM ESTRIBOS E LIGERAÇÃO DA CARGA... 41 FIGURA 13 CALÇOS METÁLICOS PARA ESTRIBOS PRÉ TENSIONADOS DE CFRP... 42 FIGURA 14 RUPTURA EM ESTRIBOS DE CFRP PRÉ-TENSIONADOS... 42 FIGURA 15 ABERTURA DE FENDAS NO CONCRETO PARA NSRM... 45 FIGURA 16 EXEMPLOS DE NSRM UTILIZANDO MATERIAIS CFRP... 48 xvi

FIGURA 17 TIPOS DE RUPTURAS EM VIGAS REFORÇADAS EXTERNAMENTE À FLEXÃO COM CFRP PRÉ- TENSIONADO... 55 FIGURA 18 MODO DE RUÍNA DE ELEMENTOS DE CONCRETO ARMADO REFORÇADOS COM PRF... 57 FIGURA 19 DISTRIBUIÇÃO DAS TENSÕES E DEFORMAÇÕES NA SEÇÃO CRÍTICA EM ELU - ACI... 59 FIGURA 20 DISTRIBUIÇÃO DAS TENSÕES E DEFORMAÇÕES NA SEÇÃO CRÍTICA EM ELU FIB... 64 FIGURA 21 DOMÍNIOS POSSÍVEIS PARA VIGAS DE CONCRETO ARMADO... 71 FIGURA 22 DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NA REGIÃO DE CONCRETO COMPRIDO... 73 FIGURA 23 SOLICITAÇÃO E ESFORÇOS RESISTENTES EM VIGAS DE CONCRETO ARMADO... 74 FIGURA 24 DIAGRAMA ADIMENSIONAL TENSÃO-DEFORMAÇÃO DO AÇO... 76 FIGURA 25 ALONGAMENTO E ENCURTAMENTO DA ARMADURA... 76 FIGURA 26 DIAGRAMA DIMENSIONAL... 79 FIGURA 27 ALONGAMENTO DAS ARMADURAS E DA FIBRA DE CARBONO... 79 FIGURA 28 SEÇÃO RETANGULAR SOLICITAÇÃO E ESFORÇOS RESISTENTES... 81 FIGURA 29 DEFORMAÇÃO DE VIGA ANTES DO REFORÇO... 89 FIGURA 30 SEÇÕES RETANGULARES... 91 FIGURA 31 DEFORMAÇÃO DA FIBRA DE CARBONO A SER CONSIDERADA ANTES DO REFORÇO... 92 FIGURA 32 DEFORMAÇÕES NA FIBRA DE CARBONO... 93 FIGURA 33 PEELING OFF EM VIGAS REFORÇADAS COM CFRP... 99 FIGURA 34 DESLOCAMENTO DO REFORÇO NA REGIÃO DE MÁXIMO MOMENTO EM VIGA... 99 xvii

FIGURA 35 DESLISAMENTO OCASIONADO POR BRAÇADEIRA SIMPLESMENTE APERTADA...100 FIGURA 36 ANCORAGEM COM BRAÇADEIRA METÁLICA COLADA E APERTADA... 101 FIGURA 37 ENSAIOS DE ADERÊNCIA... 105 FIGURA 38 DEFORMAÇÕES NA LÂMINA DE CFRP AO LONGO DE UMA VIGA PRÉ-TENSIONADA COM 2,5 M DE COMPRIMENTO APÓS A LIBERAÇÃO DA CARGA... 107 FIGURA 39 FORÇAS CORTANTES HORIZONTAIS EM VIGAS REFORÇADAS COM CFRP PRÉ-TENSIONADOS... 108 FIGURA 40 PEELING OF NAS EXTREMIDADES DE UMA VIGA... 108 FIGURA 41 DIAGRAMA TENSÃO IDADE DO CONCRETO... 114 FIGURA 42 ESQUEMA DE CARREGAMENTO ESTÁTICO... 117 FIGURA 43 DIAGRAMA DE ESFORÇOS CORTANTES... 118 FIGURA 44 DIAGRAMA DE MOMENTOS FLETORES (Kn.cm)...118 FIGURA 45 SEÇÃO RETANGULAR SUBMETIDA À FLUXO SIMPLES... 119 FIGURA 46 DETALHAMENTO DAS ARMADURAS DAS VIGAS... 121 FIGURA 47 DETALHAMENTO DAS FORMAS DAS VIGAS VISTA SUPERIOR... 121 FIGURA 48 DETALHAMENTO DAS FORMAS DAS VIGAS VISTA LATERAL... 122 FIGURA 49 DETALHAMENTO DAS FORMAS DAS VIGAS CORTE AA... 122 FIGURA 50 DISPOSIÇÃO DO LAMINADO DE CFRP... 124 FIGURA 51 CORTE AA... 124 FIGURA 52 INSTRUMENTAÇÃO DAS VIGAS... 126 FIGURA 53 SISTEMA PARA APLICAÇÃO DAS CARGAS... 127 FIGURA 54 SISTEMA PARA APLICAÇÃO DAS CARGAS... 127 FIGURA 55 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA DE REFERÊNCIA... 129 xviii

FIGURA 56 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA DE REFERÊNCIA... 130 FIGURA 57 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA V1... 132 FIGURA 58 DIAGRAMA CARGA FLECHA V1... 132 FIGURA 59 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA 2... 135 FIGURA 60 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V2... 135 FIGURA 61 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA V3... 137 FIGURA 62 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V3... 137 FIGURA 63 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA V4... 139 FIGURA 64 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V4... 139 FIGURA 65 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA V5... 141 FIGURA 66 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V5... 141 FIGURA 67 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA V7... 143 FIGURA 68 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V7... 144 FIGURA 69 DIAGRAMA CARGA DEFORMAÇÃO DA VIGA 8... 146 FIGURA 70 DIAGRAMA CARGA FLECHA DA VIGA V8... 147 FIGURA 71 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS... 148 FIGURA 72 GRÁFICO DE COLUNAS E COMPARATIVOS ENTRE AS CARGAS DE RUPTURAS TEORICAS E EXPERIMENTAIS... 149 FIGURA 73 GRÁFICO COMPARATIVO ENTRE AS CARGAS DE RUPTURAS TEÓRICAS E EXPERIMENTAIS... 150 xix

RESUMO Ete trabalho conite de um etudo experimental do comportamento e do deempenho etrutural de viga de concreto armado reorçada com lâmina de compóito de ibra de carbono ( Carbon Fiber Reinorced Polymer - CFRP), ubmetida a olicitaçõe normai (lexão imple). Foram enaiada oito viga biapoiada. A viga, de mema eção tranveral, armadura e vão oram projetada de orma a apreentar iura e deormaçõe decorrente de eorço de lexão máximo no meio do vão. Uma da viga enaiada não oi reorçada e oi utilizada como viga de reerência. A demai viga oram reorçada na regiõe de máximo momento poitivo. Dua viga oram reorçada com lâmina de CFRP, colada egundo o procedimento uual, em pré-alongamento. Trê viga oram reorçada com lâmina de CFRP pré-tenionada ante da aderência, com deormaçõe devida à pré-tenão correpondente a 0,2%, 0,5% e 0,7%. Para tentar reproduzir uma ituação real, dua viga oram ubmetida a um carregamento inicial ante da aplicação do reorço. A deormaçõe principai cauada pelo carregamento inicial oram de 0,3% e 0,15% e o pré-alongamento da ibra oram de 0,5% e 0,7%, repectivamente. A viga oram concretada, intrumentada e enaiada no Laboratório de Concreto da Itaipu Binacional, em Foz do Iguaçu. O reultado obtido para a viga em termo de delocamento, deormação da armadura, iuração, modo e carga de ruptura oram analiado. Foi poível veriicar um aumento igniicativo de reitência da viga reorçada, conirmando a eiciência do reorço com laminado de CFRP. Um programa para dimenionamento de reorço de viga de concreto armado com lâmina de CFRP também é apreentado. xx

ABSTRACT Thi work conit o an experimental tudy o the behaviour and perormance o concrete beam reinorced with heet o CFRP,ubmitted to normal requet (imple lex). Eight double-upported beam were tudied. The beam, o ame tranveral ection, armed and length were projected to how iure and deormation due to eort o max lex in the middle o length. One o the beam wa not reinorced and wa ued a reerral beam. The other were reinorced in the area o max poitive moment. Two beam were reinorced with CFRP heet, attached according to uual procedure, without pre-tretch. Three beam were reinorced with CFRP heet, pre-tretch beore attachment, with deormation due to pre-tenion correponding to 0,2%, 0,5% and 0,7%. To try to reproduce a real ituation, two beam were ubmitted to an initial load beore the application o the reinorcement. The principal deormation caued by the initial load were o 0,3% and 0,15% and the pre-tretch o the iber were o 0,5% and 0,7%, repectively. The beam were concreted, intrumented and reheared at the Concrete Laboratory o Itaipu Binacional, Foz do Iguaçu. The reult obtained or the beam in term o delex, deormation o the armed, iure, mode and charge o rupture were analied. It wa poible to notice a igniicant increae o the reinorced beam, conirming the eiciency o the CFRP heet. A program or the deign reinorcement o concrete beam with CFRP i alo preented. xxi

1 CAPÍTULO 1 OBJETIVO 1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS A neceidade de reparar etrutura de concreto armado é uma realidade reqüente. Segundo ALMAKT (1998), reorçar etrutura de concreto armado tem ido uma da mai importante atividade da engenharia civil. A grande quantidade de obra civi com problema etruturai e que neceitam de manutenção e reorço levam à procura por nova técnica e materiai para a execução do reparo. Entre a nova técnica, o reorço de etrutura de concreto utilizando materiai compóito é o que e apreenta como uma olução inovadora. O materiai compóito, como o de ibra de carbono, urgiram no mercado por volta de 1980. Além de pouírem propriedade mecânica uperiore à do aço, itema de reorço mai diundido na época, apreentam outra vantagen obre ete. A rapidez e a acilidade de execução, juntamente com a leveza e a grande trabalhabilidade do material e, principalmente, a reitência à corroão podem er citado como o atore principai que levaram à utilização progreiva do materiai compóito em ubtituição ao reorço com chapa de aço. Epeciicamente, o compóito de polímero reorçado com ibra de carbono (CFRP) pouem outra caracterítica benéica como erem não magnético, não condutivo, geralmente reitente a ataque químico e pouírem alta reitência em relação ao eu peo. Como a demanda por reparo, manutenção e modiicação do uo da etrutura aumenta a cada dia, um melhor conhecimento da propriedade do compóito e da eiciência dete tipo de reorço az-e neceário tanto para o abricante da ibra quanto para o engenheiro que dimenionam, epeciicam e executam reorço etruturai. Introduzir um pré-alongamento (protenão) no compóito com lâmina de CFRP ante de aplicá-lo como reorço, parece er um pao adiante na técnica de recuperação de etrutura.

2 1.2 OBJETIVOS O principal objetivo dete trabalho é o etudo do comportamento e do deempenho etrutural de viga de concreto armado ubmetida a olicitaçõe normai (lexão imple) reorçada com compóito de ibra de carbono (CFRP) pré-tenionado. Foram enaiada oito viga biapoiada. A viga, de mema eção tranveral, armadura e vão oram projetada de orma a apreentar a máxima olicitaçõe normai (lexão imple) no meio do vão. Uma da viga enaiada não oi reorçada e oi utilizada como viga de reerência. A demai viga oram reorçada na regiõe de máximo momento poitivo. Dua viga oram reorçada com lâmina de CFRP, colada egundo o procedimento uual, em pré-alongamento; trê viga oram reorçada com lâmina de CFRP pré-tenionada ante da aderência; e dua viga oram ubmetida a um carregamento inicial ante da aplicação do reorço. Para a execução do enaio oi contruída uma peça metálica que envolveu uma extremidade da viga e permitiu a aplicação da orça de protenão na lâmina de CFRP. Cuidado importante oram tomado quanto à ancoragem na extremidade do reorço. Foram utilizada chapa metálica com epeura 6,3 mm colada na lâmina com adeivo etrutural SIKADUR 30 e apertada por parauo/porca com diâmetro de 12,5 mm. O itema de ancoragem revelou-e eiciente quanto à melhoria da reitência à lexão e não apreentou deiciência de ancoragem ou ruptura precoce da viga enaiada. 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO Capítulo 1: Deine o objetivo deta diertação. Capítulo 2: Motra um breve hitórico obre a utilização de CFRP para reorço de etrutura de concreto armado. Capítulo 3: Apreenta a conideraçõe preliminare obre recuperação e reorço de etrutura. Capítulo 4: Fornece a decrição do materiai compóito utilizado no reorço da etrutura de concreto armado.

3 Capítulo 5: Etão decrito o procedimento para a execução de reorço com lâmina de CFRP pré-tenionada de elemento letido. Capítulo 6: Critério gerai de dimenionamento do reorço. Capítulo 7: Etá apreentado um critério para dimenionamento do reorço de viga de concreto armado ujeita à olicitação normal (lexão imple), baeado no conceito etabelecido pela NBR 6118 etado limite último. Capítulo 8: Etão apreentado o itema de ancoragem para polímero reorçado com ibra. Capítulo 9: Etá decrito o etudo experimental, materiai empregado, detalhamento da viga em reorço e reorçada, equema da intrumentaçõe, itema de aplicação e manutenção de carga e toda a demai etapa neceária para a execução do enaio. Capítulo 10: Etão apreentado o reultado do enaio, motrando o tipo de ruptura, diagrama de carga-deormação e carga-lecha para cada viga. Capítulo 11: Etão apreentada a concluõe e ugetõe para trabalho uturo dentro deta linha de pequia. Anexo 1: Etão apreentada a oto reerente ao programa experimental. Anexo 2: Etão motrado o reultado do enaio da barra de aço uada na conecção da viga. Anexo 3: Etão apreentado o reultado do enaio do corpo de prova de concreto. Anexo 4: Etão motrado o pao do proceo de abricação do laminado de CFRP pelo proceo de Pultruão. Anexo 5: Etão motrado o procedimento para execução de reorço de elemento letido por lâmina de CFRP pré-tenionada.

4 Anexo 6: Anexo 7: Etão apreentada a reitência teórica da viga reorçada obtida pelo programa VRFC, em linguagem EXCEL. Etá apreentado o cálculo do comprimento de ancoragem da viga enaiada.

5 CAPÍTULO 2 HISTÓRICO SOBRE A UTILIZAÇÃO DE POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRAS 2.1 CRONOLOGIA O deenvolvimento do reorço com polímero reorçado com ibra ( Fiber Reinorced Polymer - FRP) etá relacionado com o propóito de expandir o uo de compóito depoi da 2 a Guerra Mundial (ACI-440 e 440H). A indútria aeroepacial já tinha reconhecido a vantagen dete polímero pelo ato de pouírem alta reitência em relação ao eu peo. A expanão da malha viária americana no ano 50 aumentou a neceidade de manutenção permanente, para olucionar problema do tipo acúmulo de al em ponte localizada em auto-etrada próxima ao litoral. Obervou-e, neta etrutura, que o reorço de aço já executado etavam ujeito ao ataque do al marinho apreentando ério problema devido à corroão. Vária oluçõe oram invetigada incluindo cobertura galvanizada, cobertura por pray eletrotático, impregnação de polímero no concreto, cobertura de epóxi, barra de polímero reorçado com ibra de vidro ( Gla Reinorced Fiber Polymer - GRFP), bem como outro tipo de ibra (ACI-440R). Deta opçõe, a armadura de aço com cobertura de epóxi apareceu como a melhor opção e oi implementada no locai de meio ambiente agreivo. A utilização de plático ou polímero reorçado com ibra (FRP) em elemento de concreto, como alternativa ao aço, teve início em meado do éculo XX (RUBINSKY; RUBINSKY, 1954 apud RIPPER; SCHERER, 1999). No inal da década de 60, a pequia de BRESSON E L HERMITE no ITBTP da França conideraram o comportamento de viga de concreto armado reorçada com chapa de aço colada com reina epoxídica. A Concrete Society o Southern Árica também e intereou por ete tipo de pequia e é reponável pela primeira - e por algun ano, única - regulamentação de caráter normativo

6 obre o aunto: Recommendation or the deign o epóxi bonded external teel plate reinorcement, publicada em 1992 pelo South Arican Road Board. O uceo do itema de reorço de etrutura por colagem de chapa metálica levou um conjunto de pequiadore, na década de 90, entre o quai e detaca Ur Méier,do Laboratório de Tete e Materiai de Zurique, a e dedicarem à invetigação de alternativa ao aço, particularmente com a utilização de materiai mai leve e mai durávei. Ante dito, diante da poibilidade de terremoto no ditrito de Kanto, que inclui a cidade de Tóquio, o governo japonê já havia decidido reparar ua etrutura de concreto exitente, principalmente a do itema viário. Surgiu, a idéia de e utilizar compóito à bae de ibra de carbono (CFRP) no reorço de etrutura de concreto armado como já largamente utilizado na indútria aeronáutica, aeroepacial, naval e automobilítica. Ete produto muito reitente, de ácil aplicação evitaria o problema de durabilidade como o que ão aociado à corroão da chapa de aço. A tecnologia para reorço de etrutura de concreto pela adição de polímero reorçado com ibra de carbono e de vidro conheceu algun ajute importante e ganhou um particular deenvolvimento apó a ocorrência do terremoto de Kobe, em 1995. CARLIN (1998), relacionou o primeiro etudo com polímero reorçado com ibra dividindo-o entre etudo analítico e etudo experimentai. 2.2 ESTUDOS ANALÍTICOS Entre o primeiro etudo analítico podemo citar AN et al. (1991) apud CARLIN (1998), que deenvolveram um modelo para avaliar o comportamento da deormaçõe e orça da viga de concreto armado reorçada externamente com plático reorçado com ibra de vidro (GFRP). O etudo e baeou em cinco hipótee báica: ditribuição linear da tenõe (hipótee de Navier e de Bernouilli); pequena deormaçõe; reitência nula à tração do concreto; deconideração da deormação devido ao eorço cortante; pereita aderência entre o concreto e o GRFP.

7 O etudo oram baeado na teoria cláica de lexão e compatibilidade de deormaçõe. O comportamento da viga reorçada pode er apurado com razoável precião uando o modelo analítico deenvolvido. TRIANTIFILLOU, PLEVRIS (1991) apud CARLIN (1998), uaram a compatibilidade da deormaçõe e a mecânica da ratura para analiar a viga de concreto reorçada externamente com plático reorçado com ibra de carbono (CFRP). Incluíram a hipótee impliicadora da ditribuição retangular da tenõe de compreão na ruptura do concreto. Foi poível antecipar o momento reponávei por cada um do trê tipo de alha: ruptura do CFRP; ecoamento do aço eguido de ruptura do concreto na zona de compreão e ruptura do concreto ante da alha do outro componente. Ete modelo oram comparado com etudo experimentai e coniderado coniávei. BHUTA et al. (1993) apud CARLIN (1998), deenvolveram um modelo para viga de concreto utilizando polímero reorçado com ibra de vidro, carbono e Kevlar. Viga reorçada com Kevlar motraram um grande aumento na capacidade reitente à lexão e ao eorço cortante. Um pequeno aumento ocorreu na viga reorçada com ibra de vidro. A capacidade reitente da viga reorçada com carbono ituou-e entre ete doi compóito. NAAMAN; JEONG (1995) apud CARLIN (1998), deenvolveram um novo conceito de ductilidade. Segundo o autore, a deinição convencional, que e baeia na ruptura do reorço, é inapropriada para a avaliação de viga de concreto reorçada com FRP, devido à diiculdade de e romper a maioria do materiai com FRP. A nova deinição de dutilidade oi exprea como a razão entre a energia total da viga e a energia elática liberada na alha. Ete índice eria aplicável em viga de concreto reorçada com cabo de aço, cabo de FRP, ou a combinação de ambo. Para avaliar o índice de ductibilidade propoto uma érie de 24 viga de concreto protendido oi etudada. O reultado motraram que viga de concreto protendida com FRP têm meno ductilidade que viga de concreto protendida com cabo de aço.

8 2.3 ESTUDOS EXPERIMENTAIS Etudo experimentai envolvendo viga de concreto reorçado com CFRP colado têm ido enaiado por MEIER et al. dede de 1985 no EMPA - Laboratório de Materiai Suíço para Tete e Pequia. Ete programa prevê a ubtituição de chapa de aço por laminado de FRP para o reparo e reorço de viga de concreto. Atualmente, Méier deenvolve pequia com materiai reorçado com FRP ujeito ao mai variado tipo de olicitaçõe. Em 1991, MÉIER realizou enaio em 26 viga de concreto, com dimenõe 15 x 25 x 200 cm, armada com 4 barra de diâmetro 8,0 mm (dua uperiore e dua ineriore). A armadura para eorço cortante oi contituída por etribo de 6,3 mm epaçado a cada 22 cm. Veriicou-e que o carregamento máximo aumentou em mai de 100% quando comparado com a viga de reerência (em reorço) para a aplicação de uma aixa de CFRP de 0,03 x 20 x 200 cm. Contatou-e, também, que o delocamento na viga reorçada oi 50% menor que a viga de reerência. A ruptura na viga reorçada ocorreu com pequena iura epaçada ao longo da viga enquanto que a viga de reerência motrou uma ruptura cláica do concreto armado com grande iura. Ete etudo contitui-e na primeira evidência que laminado de FRP poderiam colaborar na recuperação de viga de concreto deteriorada. O trê tipo de ruptura obervado por MÉIER conitiram em: ruptura no reorço de CFRP; ruptura cláica na zona de compreão do concreto e ruptura continua por peeling o (endilhamento) do CFRP devido a uma uperície irregular do concreto. A ruptura do CFRP oi decrita como repentina e exploiva, ma é acilmente previta pelo aparecimento de iura. No ano eguinte, 1992, MÉIER paou a coniderar a poibilidade de nove tipo de ruptura, ou ejam: 1. eorço cortante na zona tracionada do concreto; 2. eorço cortante interlaminar dentro do CFRP; 3. ruptura na armadura de aço na zona tracionada; 4. ruptura por pouca coeão do adeivo;

9 5. alha do adeivo na interace CFRP/adeivo e 6. alha do adeivo na interace concreto/adeivo. O trê último citado não oram obervado, ma decrito como tecnicamente poívei. O primeiro tete em ecala maior para viga de concreto reorçado com CFRP oram conduzido por SAADATMANESH; EHSANI (1991) apud CARLIN (1998), na Univeridade do Arizona (USA). Foram realizado tete em ei viga de concreto de maior comprimento; cinco com eção retangular (20 x 45 cm) e uma viga eção T (20 x 45 cm na alma e 8 x 60 cm na mea). Toda a viga tinham cinco metro de comprimento. A armadura de lexão e de orça cortante variou para cada viga. Entretanto, o reorço externo com polímero de ibra de vidro (GFRP) oi idêntico, de eção tranveral 6,3 x 25 x 420 cm. A pequia concluiu que adicionar aixa de GFRP aumenta a reitência da viga. O tete motrou que a aixa de GFRP uportam uma coniderável parcela de eorço, diminuindo a tenõe de tração na armadura de aço. Ito icou mai evidente para a viga com pequena taxa de armadura. Faixa de GRFP unidirecional e bi-direcional, colada em viga de concreto uando adeivo à bae de epóxi, alguma ixada por parauo, oram invetigada por DEBLOIS et al. (1992) apud CARLIN (1998). Uma érie de viga de dimenõe 12 x 12 x 100 cm oram enaiada. A aixa GRFP oram aplicada da eguinte orma: aixa bidirecionai colada com epóxi; aixa bidirecionai aplicada com a combinação de epóxi e parauo; aixa unidirecionai colada com epóxi e combinação de aixa unidirecionai com aixa bidirecionai colada com epóxi e reorçada com parauo. A aixa unidirecionai aumentaram em 58% o carregamento último, quando reerido à viga de reerência. O aumento de reitência coneguido pelo laminado bi-direcional oi de 32%. À combinação de dua aixa unidirecionai correpondeu um aumento de 77% em relação à viga de reerência. A dua orma de ixação com lâmina bidirecionai levaram a uma dierença muito pequena no carregamento último. A viga colada reorçada com o

10 parauo teve uma eiciência de 2% em relação à olução que utilizou apena cola a bae de epóxi. RITCHIE et al (1992) apud CARLIN (1998), tetou dezeei viga de concreto de dimenõe 15 x 30 x 300 cm com armadura de aço conitindo de dua barra de diâmetro 12,5 mm. Para etudar o eeito do reorço externo oram uado trê tipo dierente de polímero reorçado com ibra de vidro, de carbono e aramida. Um modelo analítico oi deenvolvido para prever a deormação e a reitência da viga reorçada. O reultado motraram um aumento variando entre 17% e 99% na rigidez da viga reorçada, e um aumento de 40% a 97% na reitência à ruptura. NORRIS; SAADATMANESH (1994) apud CARLIN (1998), tetaram treze viga de concreto comparando trê tipo dierente de ibra, itema de epóxi e vária orientaçõe da ibra. A viga de eção tranveral 12 x 20 x 250 cm continham uma armadura mínima de aço (dua barra de 10,0 mm) e oram mai reorçada na armadura de orça cortante. Foram tetado algun tipo de ibra com a inclinaçõe, em relação ao eu eixo longitudinal, de 0 o, 90 o, e 45 o. A ibra unidirecionai (0 o ) aumentaram a reitência e diminuíram a delexão quando comparada à viga de reerência. A viga reorçada com ibra em dua orientaçõe imultânea (0 o /90 o ) reultaram 20% ineriore em eiciência quando comparada com o reultado obtido pela aplicação de ibra unidirecionai. Um decrécimo de 45% na reitência ocorreu com a ibra do laminado orientado a 45 o quando comparado com o de 0 o de orientação. NORRIS et al. (1994) apud CARLIN (1998), concluíram que laminado de CFRP unidirecionai preciam er etudado mai adequadamente. O uo de dierente orientaçõe pode aumentar a rigidez e a reitência da viga de concreto em cauar catátroe. SHAHAWY et al. (1995) apud CARLIN (1998), avaliou a eetividade do reorço externo no termo de momento de iuração, momento máximo, delexão, e tipo de ruptura. Quatro viga oram tetada, utilizando como armadura de lexão dua barra com diâmetro 12,5 mm, com variação da camada de CFRP unidirecional. Um modelo matemático computacional utilizando elemento inito não lineare oi uado para comparar o reultado da experiência. O momento de ruptura da viga reorçada com CFRP oi muito maior que o da viga de reerência.

11 Para a primeira, egunda e terceira camada de CFRP, o momento de ruptura aumentou em 12%, 61%, e 105%, repectivamente. O momento máximo também oi maior que o correpondente obtido no valore teórico. Um aumento de 13%, 66%, e 105% oi obervado para trê dierente camada. A delexão e o tipo de ruptura motraram reultado imilare ao experimento previamente dicutido. A delexão diminuiu inveramente ao número de camada de CFRP em cada viga. O tipo de ruptura comparado entre a viga de reerência e a viga reorçada com CFRP exibiram dierente padrõe. A viga de reerência teve grande iura ditante enquanto a viga reorçada motraram pequena iura em relativamente pouco epaçamento. A pequia de M BAZAA et al (1996) apud CARLIN (1998), oi baeada na otimização do comprimento e na orientação do CFRP para aumentar a reitência e a ductilidade. Oito viga de dimenõe 20 x 30 x 300 cm oram armada com dua barra de diâmetro 10,0 mm, reorçada na armadura de orça cortante. Uma viga oi uada como viga de reerência enquanto a outra oram reorçada com trê camada de CFRP de eção tranveral 0,3 x 16,5 cm. A lâmina variaram em comprimento e orientação da ibra. Quatro tinham ibra unidirecionai com comprimento dierente, e outra trê tinham vária direçõe para a ibra com repeito à direção longitudinal (6 o, 9 o e 12 o ). O reultado do experimento motrou um aumento na reitência e uma diminuição na delexõe quando comparada com a viga de reerência. Toda a alha ocorreram com carga 57% maior que a da viga de reerência. A rigidez oi imilar até o momento de iuração, quando menore delexõe oram obervada na viga reorçada. O dierente ângulo da ibra, bem como o dierente comprimento do laminado de CFRP não tiveram eeito na reitência e rigidez da viga reorçada. O laminado de CFRP unidirecional, em inclinação da ibra, apreentou éria evidência de alha com ruptura bruca. A utilização de compóito contitui mai um pao evolutivo da indútria da contrução civil, na ua contante buca por nova tecnologia, mai imple, reitente e durávei, para a reabilitação de etrutura de concreto. Dá eqüência a um ciclo que ante já paou por metodologia tão dierente quanto a do aumento da eçõe tranverai pela aplicação de concreto projetado e/ou de argamaa modiicada ou, por outro lado, pelo reorço atravé da adição de chapa de aço colada ao concreto (ARAÚJO, A., 2002). Segundo MEIER (2003), a utilização de

12 polímero reorçado com ibra pode er a tecnologia do éculo XXI para reorço e recuperação de etrutura de concreto.

13 CAPÍTULO 3 CONSIDERAÇÕES SOBRE A RECUPERAÇÃO E O REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO 3.1 PATOLOGIA DAS ESTRUTURAS Dede o início da civilização o homem tem executado etrutura adaptada a ua neceidade e dede então, empre tem convivido com o problema decorrente do uo deta etrutura. Etrutura de concreto etrutural, aim como qualquer material contrutivo, poui uma vida útil etimada em unção da ua utilização em erviço. Entende-e por vida útil o período de tempo durante o qual a caracterítica da etrutura de concreto ão mantida, em exigir medida extra de manutenção e reparo. A norma braileira NBR 6118 (2003) etabelece, como exigência de durabilidade, para que eta vida útil eja alcançada, que a etrutura de concreto devem er projetada e contruída de modo que, ob a condiçõe ambientai previta na época do projeto, e quando utilizada conorme preconizado em projeto, conervem ua egurança, etabilidade e aptidão em erviço durante um período mínimo de 50 ano, em exigir medida extra de manutenção e reparo. Eta vida útil pode er diminuída ou ampliada por atore que ocorrerão ao longo dela. O aparecimento de alha em uma ou mai etapa do proceo de contrução ou de utilização poderá levar a vida útil da etrutura a uma redução drática ou até a um encerramento prematuro. Detectada uma alha, a etrutura deve imediatamente er analiada ob ua condiçõe de egurança e obrevida remanecente. A patologia da etrutura vem a er o campo da engenharia da contruçõe, que etuda ete problema, ob o apecto da origen, orma de manietação, coneqüência e mecanimo de ocorrência. Segundo HELENE (1988), a patologia da etrutura pode er entendida como a parte da Engenharia que etuda o intoma, o mecanimo, a caua e a origen do deeito da contruçõe civi. Porém a patologia da etrutura não e preocupa omente com a ocorrência da alha e do itema de degradação

14 da etrutura. Cada vez mai, volta-e para a concepção etrutural, projeto e, principalmente, para a evolução da técnica aplicada na recuperação ou reorço da etrutura exitente. A caua que levam a diminuição da vida útil podem ocorrer em uma da trê etapa báica inerente ao proceo genérico a que e denomina contrução civil, ão: concepção; execução e utilização. O urgimento de um problema patológico indica a exitência de uma ou mai alha ao longo deta etapa. Quantiicar etatiticamente a manietaçõe patológica egundo a ua incidência tem ido objeto de muita pequia. A concluõe nem empre ão concordante, como pode er veriicado no QUADRO 1. A pequia etatítica obre a manietaçõe patológica colaboram com um ato de undamental importância para a determinação da terapia a er adotada para a recuperação ou reorço da etrutura, que é um bom diagnótico. Segundo MACHADO (2002), quanto melhor o diagnótico maior erá o êxito da terapia. Apó adotarmo a terapia podemo etabelecer um prognótico do deempenho da contrução. Nete cao, podemo projetar doi cenário ditinto: a etrutura erá REABILITADA, ito é, erão recompota a condiçõe normai de uporte para a quai tinha ido deenvolvida anteriormente e a etrutura erá REFORÇADA, ituação em que erão aumentada a condiçõe normai de uporte. Em ambo o cao, um itema de reorço que vem e irmando como técnica eicaz é o que utiliza materiai compóito reorçado com ibra. Para o reorço ou reabilitação de viga de concreto armado ubmetido ao eorço predominante de lexão o itema mai indicado é o que utiliza compóito em orma de lâmina de CFRP (MÉIER, 2003).

15 QUADRO 1 - ANÁLISE PERCENTUAL DAS CAUSAS DE PROBLEMAS PATOLÓGICOS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO Caua do Problema Patológico em Etrutura de Concreto (%) Fonte de Pequia Concepção Utilização e Materiai Execução de Projeto outro Edward Grunau (Paulo Helene,1992) 44 18 28 10 D.E.Allen (Canadá, 1979) 55 49 - C.S.T.C(Bélgica) (Verçoza, 1991) 46 15 22 17 C.E.B.(Bélgica) (Verçoza, 1991) 50 40 10 F.A.A.P.-Engenharia (Verçoza, 1991) 18 6 52 24 B.R.E.A.S. (Reino Unido, 1972) 58 12 35 11 Bureau Securita (1972) 88 12 E.N.R.(U.S.A.) (1968-1978) 9 6 75 10 S.I.A. (Suiça, 1979) 46-44 10 Dov Kaminetzky (1991) 51 40 16 Jean Blevot (França, 1974) 35-65 - LEMIT (1965-1975) (Venezuela) 19 5 57 19 FONTE: QUADRO ADAPTADO DE SOUZA, V. C.; RIPPER, T. PATOLOGIA, RECUPERAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO, São Paulo: PINI, 1998, p. 23. 3.2 REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO COM A UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS COMPÓSITOS COM FIBRA DE CARBONO O itema etrutural de reorço com ibra de carbono pode er utilizado para reabilitar ou reorçar elemento etruturai de concreto enraquecido ou ragilizado por patologia epecíica, ou então, para reorçar elemento em boa condiçõe etruturai para permitir o aumento da carga olicitante e atender a mudança de detinação (MACHADO, 2002). Caberá ao engenheiro reponável pelo projeto etrutural para a reabilitação ou reorço da etrutura determinar e o itema que utiliza polímero reorçado com ibra é a melhor alternativa. Para ito, deve avaliar criterioamente a etrutura envolvida, etabelecendo de maneira coniável a ua capacidade reitente reidual e identiicando a extenão de qualquer deiciência etrutural exitente.

16 O proceo de avaliação etrutural deverá conter neceária e obrigatoriamente minucioa pequia de campo, etudo e avaliaçõe de deenho exitente da orma e da armaçõe, inormaçõe de obra relevante e igniicativa, documentação a built (deenho, croqui e relatório). Todo o documento devem er reviado, principalmente aquele que e reerem ao elemento etruturai que deverão er reorçado. A dimenõe e a armaçõe exitente deverão er conrontada com a projetada. Pequeno detalhe obtido com inormaçõe no campo, documentação a built ou documentação antiga de obra podem ornecer ubídio importante à avaliação. O dado obtido de enaio eclerométrico, retirada de amotra indeormada, tete de carbonatação, tete de tração na armadura, entre outro, além do tete de carga não detrutivo ão empre elemento importante para a coleta de dado que validarão a inormaçõe encontrada no documento exitente. De uma boa avaliação dependerá a determinação da quantidade e da qualidade do reorço neceário. MACHADO (2002), airma que a avaliação de campo deve conter a eguinte inormaçõe: conirmação entre a dimenõe do elemento indicada no projeto com àquela levantada in-itu ; levantamento da iura etruturai exitente, com a indicação da ua exata localizaçõe, tipo, dimenõe e abertura; levantamento, claiicação e locação de anomalia divera, tai como ninho de concretagem, delaminaçõe, eoliaçõe, depreõe etc; determinação da armadura exitente, ua caracterítica, eu recobrimento, o etado de corroão exitente e ua extenão e pequia da integridade do cobrimento, ua reitência, endilhamento, delaminação etc. A determinação de todo ete elemento contribuirá para avaliar com precião a condição de uporte de carga e a reitência intríneca da etrutura. Concluída a avaliação da condiçõe reai do elemento etrutural a er reorçado pode-e etabelecer a viabilidade e a conveniência da utilização de itema compóito etruturado com ibra de carbono para o reorço. Um dado importante que e reere à viabilidade para a aplicação dete itema, diz repeito à reitência à compreão do concreto do elemento etrutural a er reorçado. Àquele que

17 pouírem em ua contituição, concreto com baixa reitência devem implemente er evitado. Não pode er admitido que o reorço com adição de CFRP venha a er executado obre uperície de concreto degradado, delaminado ou endilhado, ou ainda obre armadura expota ou corroída, que não poam levar a prévia reparação egundo a técnica mai adequada para cada cao epecíico (RIPPER; SCHERER, 1999). Veriicada a viabilidade técnica para a execução do reorço utilizando compóito de ibra de carbono, deverá ainda, er eetuada a análie da viabilidade econômica do procedimento (MACHADO, 2002).

18 CAPÍTULO 4 MATERIAIS COMPÓSITOS UTILIZADOS EM REFORÇO ESTRUTURAL 4.1 INTRODUÇÃO São denominado compóito, o polímero reorçado com ibra. A palavra compóito vem do latim componere que igniica unir ou juntar. RIPPER; SCHERER (1999), deinem compóito como endo o produto contituído por doi materiai dierente, claramente identiicávei, cuja propriedade em conjunto ão uperiore à que pouem em eparado. O concreto armado, por exemplo, é um compóito onde a barra de armadura uncionam como um meio de reorço e o concreto como matriz. MACHADO (2002), deine compóito como a combinação de doi ou mai materiai que dierem entre i na compoição e na orma. O contituinte retêm ua identidade, não e diolvem nem e mituram completamente um no outro, embora atuem conjuntamente. O compóito podem er encontrado em equipamento eportivo, automobilítico, navai, aeronáutico e na indútria aeroepacial. Embora compóito tenham ido uado por algum tempo na indútria da contrução, o uo dete material pode er coniderado novo dentro de perpectiva indutriai. O compóito que podem er utilizado como elemento de reorço etrutural ão plático, à bae de reina epoxídica (eventualmente de poliuretano), armado com ilamento ino, contínuo e rígido de ibra de carbono, de aramida, de vidro ou de poliéter. São a ibra que proporcionam a reitência ao itema compóito podendo er coniderada como o equeleto de utentação do itema. 4.2 MATERIAIS COMPONENTES 4.2.1 Matrize A matrize devem tranerir a orça entre a ibra e protegê-la da agreõe do ambiente onde etão inerida. Na engenharia civil, a reina