REFORÇO DE VIGAS DE CONCRETO À FLEXÃO E AO CISALHAMENTO COM TECIDOS DE FIBRA DE CARBONO Caroline Maia Araújo TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DE PÓS GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: Pro. Ibrahim A. E. M. Shehata, Ph.D. Proª. Lídia C. D. Shehata, Ph.D. Pro. Ronaldo Barros Gomes, Ph.D. Proª. Regina Helena F. de Souza, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2002
ARAÚJO, CAROLINE MAIA Reorço à Flexão e ao Cisalhamento de Vigas de Concreto com Tecidos de ibra de Carbono [Rio de Janeiro] 2002 XIII, 140 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Civil, 2002) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Reorço Estrutural 2. Fibras de Carbono 3. Flexão e Cisalhamento I. COPPE/UFRJ II. Título ( série ) ii
Agradecimentos Desejo expressar o meu reconhecimento a todas as pessoas e entidades que contribuíram, direta e indiretamente, para a realização e conclusão deste trabalho. Aos meus pais pelo apoio e dedicação e por despertar em mim o gosto pela engenharia. Ao proessor Ibrahim pelos ensinamentos, rigor cientíico, revisão crítica, disponibilidade permanente e ajuda na condução dos ensaios. À proessora Lídia pelos importantes ensinamentos, dedicação às revisões e sugestões indispensáveis para a melhoria deste trabalho. Aos proessores da UFRN, Joaci, Márcio, Robinson, Roberto e Olavo pelos ensinamentos undamentais na minha ormação e pelo incentivo. A Ítalo, pelo incentivo e compreensão e pelas idéias para a melhoria dos gráicos, tabelas e apresentação deste trabalho. À minha amília, pelos inúmeros exemplos de perseverança e sucesso e em especial a Neidinha, Josué, Laura e Luíza por me proporcionarem tempo, espaço, apoio moral e inspiração. Aos amigos da COPPE, pela convivência e companheirismo e em especial aos colegas Sérgio e Emílio, pela grande ajuda em toda a parte experimental deste trabalho. Aos uncionários do laboratório de estruturas da COPPE/UFRJ, pelos serviços prestados na execução dos ensaios. Aos uncionários do laboratório de micros da COPPE/UFRJ, pela ajuda, paciência e atenção. Ao CNPq e à Capes pelo apoio inanceiro concedido. À SIKA S.A., pelo ornecimento de material e pessoal para a realização do programa experimental. iii
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) REFORÇO DE VIGAS DE CONCRETO À FLEXÃO E AO CISALHAMENTO COM TECIDOS DE FIBRA DE CARBONO Caroline Maia Araújo Março/2002 Orientador: Ibrahim A. E. M. Shehata Programa: Engenharia Civil Este trabalho visou o estudo do comportamento estrutural de vigas de concreto armado reorçadas à lexão, ao cisalhamento, e à lexão e ao cisalhamento simultaneamente, com tecido de ibra de carbono colado com resina epóxica. O programa experimental consistiu no ensaio de quatro vigas, uma destas vigas oi reorçada à lexão com cinco camadas de tecido de ibra de carbono coladas na parte tracionada da viga, enquanto outra viga oi reorçada apenas ao cisalhamento por meio de colagem de três camadas de tecido de ibra de carbono nas suas aces inerior e laterais na orma de U. A terceira viga oi reorçada simultaneamente à lexão e ao cisalhamento, com cinco camadas de tecido de ibra de carbono tendo dimensões iguais às dos respectivos reorços eitos nas vigas mencionadas anteriormente. A quarta viga não oi reorçada e serviu como reerência. O comportamento estrutural dessas vigas oi avaliado em termos de lecha, deormação do concreto e das armaduras internas e de reorço, e carga de ruptura. Os resultados experimentais mostraram o aumento da resistência e da rigidez das vigas e tornaram possível estabelecer critérios de ruptura para as vigas reorçadas e propor métodos de cálculo, baseados na teoria de lexão simples e no modelo de treliça, que apresentam bons resultados quando comparados aos resultados experimentais. iv
Abstract o Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial ulillment o the requirements or the degree o Master o Science (M.Sc.) SHEAR AND FLEXURAL STRENGTHENING OF CONCRETE BEAMS USING BONDED CFRP SHEETS Caroline Maia araújo March/2002 Advisor: Ibrahim A. E. M. Shehata Department: Civil Engineering This work aimed to study the structural behavior o strengthened reinorced concrete beams either in bending, in shear, and in both bending and shear with bonded CFRP sheets. The experimental program comprised tests o our beams, one strengthened in bending with ive layers o CFRP sheet bonded on the tension side, while the other beam was strengthened in shear with three layers o CFRP sheet U stirrups bonded on the web. The third beam was strengthened in both bending and shear, with ive layers o CFRP sheet. The orth beam was not strengthened and served as a reerence beam. The structural behavior o the beams was evaluated in terms o delection, concrete, steel and CFRP strain, and ultimate load. The tests results showed increase in resistance and stiness o the beams and made it possible to establish ailure criteria or the strengthened beams and propose calculation models based on the lexural theory and the truss model, that gave good results when compared to the experimental ones. v
Índice 1. Introdução 1 2. Revisão Bibliográica 3 2.1. Introdução 3 2.2. Polímeros reorçados com ibra de carbono (PRFC) 4 2.2.1. Composição 4 2.2.2. Sistemas de reorço 9 2.2.3. Execução do reorço 11 2.2.4. Mecanismos de ligação 12 2.2.4.1. Modos de Ruína 12 2.2.4.2. Resistência da Ligação 14 2.3. Alguns estudos experimentais sobre reorço com tecido de ibra de carbono 19 2.3.1. Norris et al (1997) 19 2.3.2. Souza et al (1998) 24 2.3.3. Brosens et al (2000) 27 2.3.4. Silva e Moreno (2000) 29 2.3.5. Beber et al (2000) 31 2.3.6. Khalia e Nanni (2000) 33 2.3.7. Matthys (2000) 36 2.3.7.1. Vigas reorçadas à lexão 36 2.3.7.2. Vigas reorçadas ao cisalhamento 38 2.4. Estudos experimentais sobre vigas com reorços colados externamente realizados na COPPE 40 2.4.1. Morais (1997) 40 2.4.2. Carneiro (1998) 44 2.4.3. Pinto (2000) e Cerqueira (2000) 47 2.5. Considerações inais 50 3. Resultados Experimentais 52 3.1. Introdução 52 3.2. Materiais 52 3.2.1. Concreto 52 3.3.2. Aço 54 3.2.3. Fibras 57 3.3. Projeto estrutural 59 3.3.1. Vigas 59 3.3.2. Reorço 62 3.3.2.1. Dimensionamento 62 3.4. Conecção das vigas 66 3.4.1. Fôrmas 66 3.4.2. Concretagem 66 3.4.3. Instrumentação 67 3.4.3.1. Extensômetros elétricos de resistência (EER) 67 3.4.3.2. Extensômetro mecânico 67 3.4.3.3. Delectômetros elétricos 68 vi
3.4.4. Execução do reorço 69 3.5. Descrição dos ensaios 70 3.5.1. Montagem 70 3.5.2. Execução 70 3.6. Resultados dos ensaios 74 3.6.1. VC-1R 74 3.6.2. VC-1 78 3.6.3. VC-2 83 3.6.3. VC-3 87 4. Análise dos Resultados 93 4.1. Introdução 93 4.2. Resistência teórica das vigas antes do reorço 93 4.2.1. Resistência à lexão 93 4.2.2. Resistência ao cisalhamento 95 4.3. Resistência teórica das vigas depois do reorço 96 4.3.1. Resistência à lexão 96 4.3.2. Resistência ao cisalhamento 97 4.4. Análise das grandezas medidas 99 4.4.1. Flechas 99 4.4.2. Deormação da seção transversal do meio do vão 101 4.4.3. Deormação das armaduras longitudinais internas e de 101 reorço 4.4.4. Resistência à lexão das vigas reorçadas 104 4.4.5. Deormação das armaduras transversais internas e de reorço 106 4.4.6. Resistência ao cisalhamento das vigas reorçadas 108 4.5 Considerações inais 110 5. Conclusões e sugestões 113 Reerências Bibliográicas 115 Anexo A - Fotograias 120 Anexo B Tabelas de Resultados 133 vii
Índice de iguras Capítulo 2 Revisão Bibliográica 2.1 Diagrama tensão-deormação dos principais tipos de ibra (MATTHYS, 2000) 6 2.2 Modos de ruptura para reorço à lexão sugeridos por Triantaillou 13 (1998a) 2.3 Esquema de reorço ao cisalhamento reerente às equações 2.10 e 2.11 18 2.4 Comprimento d w usado na equação 2.13 19 2.5 Detalhamento das vigas ensaiadas por Norris et al (1997) 20 2.6 Orientação das ibras e disposição do reorço das vigas de Norris et al (1997) 21 2.7 Detalhamento da armadura das vigas de Souza et al (1998) 24 2.8 Detalhamento do reorço das vigas de Souza et al (1998) 25 2.9 Detalhamento da armadura e reorço das vigas de Brosens et al (2000) 28 2.10 Detalhamento das armaduras e dos reorços das vigas de Silva e Moreno (2000) 29 2.11 Detalhamento das vigas ensaiadas por Beber et al (2000) 32 2.12 Esquematização das vigas de Khalia e Nanni (2000) 34 2.13 Geometria das vigas de Matthys (2000) 36 2.14 Detalhamento da armação e do reorço das vigas de Matthys (2000) reorçadas à lexão 37 2.15 Detalhamento do reorço das vigas de Matthys (2000) reorçadas ao cisalhamento 39 2.16 Geometria e carregamento das vigas de Morais (1997) 41 2.17 Reorços de lexão e cisalhamento das vigas de Morais (1997) 42 2.18 Geometria e carregamento das vigas de Carneiro (1998) 44 2.19 Reorços de lexão e cisalhamento das vigas de Carneiro (1998) 45 2.20 Reorços de lexão e cisalhamento das vigas de Pinto(2000) e Cerqueira (2000) 48 Capítulo 3 Programa Experimental 3.1 Diagrama tensão-deormação das barras lisas de diâmetro 5,0 mm usadas nas vigas VC-1R, VC1 e VC-3. 54 3.2 Diagrama tensão-deormação das barras nervuradas de diâmetro 6,3 mm usadas nas vigas VC-1R, VC1, VC-2 e VC-3. 55 3.3 Diagrama tensão-deormação das barras nervuradas de diâmetro 8 mm usadas nas vigas VC-1R, VC1, VC-2 e VC-3 55 3.4 Diagrama tensão-deormação das barras nervuradas de diâmetro 16 mm usadas nas vigas VC-1R, VC1, VC-2 e VC-3 56 3.5 Diagrama tensão-deormação das barras nervuradas de diâmetro 20 mm usadas na viga VC1 56 3.6 Diagrama tensão-deormação do corpo de prova de tecido de ibra de carbono 59 3.7 Geometria, carregamento e diagramas de esorços solicitantes das vigas ensaiadas 60 3.8 Detalhamento da armadura interna de VC-1R e VC-3 61 viii
3.9 Detalhamento do reorço das vigas 65 3.10 Esquema das ôrmas 66 3.11 Posicionamento dos extensômetros elétricos nas armaduras internas das vigas 67 3.12 Posicionamento dos extensômetros elétricos no reorço das vigas 68 3.13 Posicionamento das placas de cobre para medição da deormação do concreto 69 3.14 Posicionamento dos delectômetros para medição das lechas das seções do meio e de aplicação de uma das cargas 69 3.15 Esquema de ensaio das vigas 71 3.16 Esquema do tirante usado para manter a viga sob carga durante a execução do reorço 72 3.17 Diagrama triangular de deormações e de tensões para a ase elástica de uma viga letida 72 3.18 Esquema de orças e diagrama de momento letor para a viga ancorada pelo tirante 73 3.19 Diagrama carga-deormação dos estribos 1, 2 e 3 da viga VC-1R 75 3.20 Diagrama carga-deormação dos estribos 4, 5 e 6 da viga VC-1R 75 3.21 Diagrama carga-deormação da barra longitudinal da viga VC-1R 76 3.22 Diagrama carga-lecha da viga VC-1R 76 3.23 Diagrama de distribuição da deormação da seção transversal do meio do vão da viga VC-1R 79 3.24 Diagrama carga-deormação dos estribos 1,2 e 3 da viga VC-1 79 3.25 Diagrama carga-deormação dos estribos externos 1r,2r e 3r da viga VC-1 79 3.26 Diagrama carga-deormação dos estribos 4,5 e 6 da viga VC-1 80 3.27 Diagrama carga-deormação dos estribos externos 4r,5r e 6r da viga VC-1 80 3.28 Diagrama carga-deormação da barra longitudinal da viga VC-1 81 3.29 Diagrama carga-lecha da viga VC-1 81 3.30 Diagrama de distribuição da deormação da seção transversal do meio do vão da viga VC-1 82 3.31 Diagrama carga-deormação dos estribos 1,2 e 3 da viga VC-2 84 3.32 Diagrama carga-deormação dos estribos 4,5 e 6 da viga VC-2 84 3.33 Diagrama carga-deormação da barra longitudinal da viga VC-2 85 3.34 Diagrama carga-deormação do reorço de lexão da viga VC-2 85 3.35 Diagrama carga-lecha da viga VC-2 86 3.36 Diagrama de distribuição da deormação da seção transversal do meio do vão da viga VC-2 86 3.37 Diagrama carga-deormação dos estribos 1,2 e 3 da viga VC-3 89 3.38 Diagrama carga-deormação dos estribos externos 1r,2r e 3r da viga VC-3 89 3.39 Diagrama carga-deormação dos estribos 4,5 e 6 da viga VC-3 90 3.40 Diagrama carga-deormação dos estribos externos 4r,5r e 6r da viga VC-3 90 3.41 Diagrama carga-deormação da barra longitudinal da viga VC-3 91 3.42 Diagrama carga-deormação do reorço de lexão da viga VC-3 91 3.43 Diagrama carga-lecha da viga VC-3 92 3.44 Diagrama de distribuição da deormação da seção transversal do meio do vão da viga VC-3 92 ix
Capítulo 4 Análise dos Resultados 4.1 Diagrama retangular simpliicado de tensões e diagrama de deormações da seção da viga 94 4.2 Diagrama retangular simpliicado de tensões e diagrama de deormações da seção da viga reorçada 97 4.3 Diagrama carga-lecha das vigas em todos os ciclos de carregamento 100 4.4 Diagrama de deormação da armadura longitudinal na seção do meio do vão 102 4.5 Diagrama de deormação da armadura longitudinal e da armadura de reorço na seção do meio do vão da viga VC-2 103 4.6 Diagrama de deormação da armadura longitudinal e da armadura de reorço na seção do meio do vão da viga VC-3 103 4.7 Comprimento do reorço de lexão considerado na equação 4.18 e 4.19 105 4.8 Diagrama de deormação da armadura transversal interna e de reorço mais solicitadas da viga VC-1 107 4.9 Diagrama de deormação da armadura transversal interna e de reorço mais solicitadas da viga VC-3 107 4.10 Detalhe do reorço de cisalhamento considerado na equação 4.20 109 4.11 Fluxograma do modelo de dimensionamento proposto para reorço à lexão 112 x
Índice de tabelas Capítulo 2 Revisão Bibliográica 2.1 Propriedades típicas dos principais tipos de ibras (MATTHYS, 2000) 6 2.2 Propriedades típicas das resinas mais usadas segundo Taerwe et al (1997) 8 2.3 Descrição dos sistemas de PRFC curados in situ (JUVANDES, 1999) 10 2.4 Dados das vigas de Norris et al (1997) 23 2.5 Dados das vigas de Souza et al (1998) 26 2.6 Dados das vigas de Brosens et al (2000) 28 2.7 Dados das vigas de Silva e Moreno (2000) 31 2.8 Dados das vigas de Beber et al (2000) 33 2.9 Dados das vigas de Khalia e Nanni (2000) 35 2.10 Dados das vigas de Matthys (2000)reorçadas à lexão 37 2.11 Dados das vigas de Matthys (2000) reorçadas ao cisalhamento 40 2.12 Armadura e carregamento durante o reorço das vigas de Morais (1997) 41 2.13 Dados das vigas de Morais (1997) 43 2.14 Dados das vigas de Carneiro (1998) 46 2.15 Dados das vigas de Pinto e Cerqueira (2000) 49 Capítulo 3 Programa Experimental 3.1 Quantidade de material por m 3 de concreto 53 3.2 Valores médios de resistência do concreto à tração e à compressão 54 3.3 Características das barras de aço usadas na armação das vigas 57 3.4 Armaduras de lexão e cisalhamento das vigas 60 3.5 Reorço usado nas vigas 64 3.6 Força nos tirantes usados na ancoragem das vigas 74 Capítulo 4 Análise dos Resultados 4.1 Resistência teórica à lexão das vigas sem o reorço 95 4.2 Resistência teórica ao cisalhamento das vigas sem o reorço 96 4.3 Resultados teóricos da resistência à lexão das vigas reorçadas 98 4.4 Resultados teóricos da resistência ao cisalhamento das vigas reorçadas 99 4.5 Cargas de serviço, de escoamento do aço interno e de ruptura das vigas reorçadas 100 4.6 Relação x/d das vigas obtida nos ensaios 101 4.7 Valores da tensão de cisalhamento limite do concreto sugeridos por diversos autores 104 4.8 Resultados teóricos da resistência à lexão das vigas reorçadas, com limitação da deormação do reorço 106 4.9 Taxa de variação da carga em relação à deormação das armaduras interna e de reorço mais solicitadas 108 4.10 Resultados teóricos da resistência ao cisalhamento das vigas reorçadas, com limitação da deormação do reorço 110 xi
Lista de símbolos Letras latinas a Vão de cisalhamento A Área da seção transversal do reorço A s Área da seção transversal da armadura longitudinal de tração A s Área da seção transversal da armadura longitudinal de compressão A sw Área da seção transversal da armadura de cisalhamento b Largura da seção transversal da viga b Largura do PRF (Polímero Reorçado com Fibras) b r Largura do reorço d Altura útil da seção d Altura útil da seção em relação ao PRF E c Módulo de elasticidade secante do concreto E Módulo de elasticidade longitudinal do PRF E t Módulo de elasticidade transversal do PRF E s Módulo de elasticidade do aço c Resistência à compressão do concreto ck Resistência à compressão do concreto característica cm Resistência à compressão do concreto média t Resistência à tração ct,dir Resistência à tração direta do concreto ctm Resistência à tração do concreto média ctm,dir Resistência média à tração direta do concreto st Resistência à tração do aço y Tensão de escoamento do aço y,exp Tensão de escoamento do aço experimental yk Tensão de escoamento do aço característica F eq Força equivalente a um dos macacos hidráulicos F o Força de pré-tração por tirante/estribo h Altura do reorço de cisalhamento na lateral da viga L Comprimento do reorço de lexão entre a sua extremidade e a extremidade da placa de aplicação de carga L Comprimento do PRF L r Comprimento do reorço L t Distância da seção do meio da viga à seção de ancoragem do tirante M Momento letor M u Momento letor último N Número de camadas do PRF P lim,l Carga correspondente à lecha limite do estado limite de serviço P serviço,els Carga de serviço P u Carga última P u,exp Carga última experimental P y Carga correspondente ao escoamento da armadura longitudinal de tração s Espaçamento da armadura de cisalhamento s Espaçamento dos estribos de PRF s r Espaçamento do reorço de cisalhamento Espessura do PRF t xii
t r T V c V V g V R V R,exp V s V u x x e x p Espessura do reorço Força de tração em cada perna do tirante Parcela de contribuição do concreto na orça cortante resistente da viga Parcela de contribuição do reorço de cisalhamento na orça cortante resistente da viga Força cortante quando da realização do reorço Força cortante resistente da viga Força cortante resistente experimental da viga Parcela de contribuição da armadura de aço na orça cortante resistente da viga Força cortante última Altura da linha neutra Altura da linha neutra elástica Altura da linha neutra plástica Letras gregas δ Flecha δ y Flecha medida quando do escoamento da armadura longitudinal de tração ε e Deormação especíica eetiva do PRF ε u Deormação especíica última ε Deormação especíica do PRF ε,lim Deormação especíica limite do PRF ε u Deormação especíica última do PRF ε s Deormação especíica do aço da armadura longitudinal de tração ε s,g Deormação especíica do aço da armadura longitudinal de tração quando da execução do reorço ε sw Deormação especíica do aço da armadura transversal ε sw,g Deormação especíica do aço transversal durante a execução do reorço ε y Deormação especíica de escoamento do aço ε y * Deormação especíica de escoamento do aço para o diagrama bilinear de tensões µ d Índice de ductilidade ρ Taxa geométrica da armadura longitudinal de tração de PRF ρ L Taxa geométrica do aço da armadura longitudinal de tração ρ T Taxa geométrica do aço da armadura transversal σ Tensão no PRF σ s Tensão no aço da armadura longitudinal de compressão τ lim Tensão cisalhante limite do concreto φ Diâmetro φ e Diâmetro eetivo Coeiciente de segurança global γ g xiii
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO O concreto armado oi o material de construção mais utilizado no século vinte (MEHTA e MONTEIRO, 1994) e continua sendo um dos materiais mais importantes da construção civil. No entanto, a deterioração das estruturas, muitas vezes prematura e ruto do descaso com aspectos relativos à durabilidade, a inviabilidade de reconstrução em tempo hábil de estruturas vitais, os acidentes naturais e alhas de projeto, de detalhamento e de execução vêm aumentando a prática do reparo e reorço das estruturas de concreto. Há uma constante evolução buscando praticidade na execução, aumento da vida útil e barateamento, além do aumento da capacidade resistente das estruturas. Dentre as técnicas de reparo e reorço de estruturas de concreto armado, a de aplicação de reorços colados tem as vantagens de ser eiciente, de ácil execução e de não aumentar signiicativamente o peso e dimensões do elemento. Os polímeros reorçados com ibras de carbono reúnem um conjunto de propriedades que lhes garante um lugar de destaque entre as técnicas de reparo e reorço por colagem externa: têm alta resistência à tração e alto módulo de elasticidade e são leves e resistentes à corrosão. Para acompanhar o desenvolvimento destes novos materiais e ter-se métodos de cálculos seguros undamentados em expressivo número de resultados experimentais, existe uma grande necessidade de pesquisas sistemáticas nesta área. Este trabalho teve como objetivo analisar o comportamento estrutural de vigas reorçadas à lexão, ao cisalhamento, e à lexão e cisalhamento simultaneamente, com a utilização de tecido unidirecional de ibra de carbono colado 1
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO com adesivo epóxico, e veriicar a eiciência do reorço e a adequação de modelos de cálculo convencionais para o seu dimensionamento. Foram coneccionadas quatro vigas de concreto armado, uma oi carregada continuamente até a ruína, não tendo sido reorçada para servir de reerência e as outras três oram submetidas a dois ciclos de carregamento antes de serem orçadas sob carga constante e carregadas até a ruína. Além destas, também oi tomada como reerência uma viga ensaiada por Morais (1997). O segundo capítulo az uma breve apresentação dos polímeros reorçados com ibra de carbono e resume alguns estudos experimentais da literatura técnica sobre vigas de concreto armado reorçadas por colagem desses materiais. O detalhamento e os resultados do programa experimental desenvolvido neste trabalho são descritos no terceiro capítulo. No quarto capítulo são apresentadas as capacidades resistentes das vigas à lexão e ao cisalhamento teóricas, antes e depois da execução do reorço, e eita comparação destas com as obtidas no programa experimental. É eita também uma análise dos resultados experimentais através de lechas, deormações e cargas últimas. As conclusões gerais do trabalho e sugestões para trabalhos uturos são apresentadas no quinto capítulo. As tabelas com os resultados dos ensaios de cada viga podem ser vistas no anexo A e as otograias dos ensaios no anexo B. 2
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 INTRODUÇÃO As primeiras pesquisas sobre reorço de vigas de concreto armado com adição de chapas metálicas coladas com resina epóxica oram realizadas na década de 60 (THOMAS et al, 1998). Esta técnica, eiciente e de custo relativamente baixo, tem as desvantagens da corrosão do aço, da baixa resistência ao ogo e, em unção do peso e tamanhos comerciais das chapas, da necessidade de escoras e diiculdade de manipulação. Nas últimas décadas, tem havido grande mobilização de esorços para a procura de novos materiais mais duráveis, resistentes e leves para serem utilizados no reorço estrutural. Os materiais compósitos reorçados com ibra surgiram como alternativa para os casos em que emprego dos materiais tradicionais, aço e concreto, não é adequado. Diversas indústrias já utilizavam os materiais compósitos com êxito, e propriedades como elevada resistência à tração, leveza, resistência à corrosão e à adiga, amortecimento ao choque e isolamento eletromagnético atraíram o interesse da indústria da construção civil. Este capítulo az uma breve apresentação dos polímeros reorçados com ibra de carbono e resume alguns estudos experimentais sobre vigas de concreto armado reorçadas por colagem desses materiais e outros estudos sobre reorço realizados na COPPE. 3
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2 POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRA DE CARBONO (PRFC) Inicialmente utilizados para o reorço de pilares submetidos a ações sísmicas, os polímeros reorçados com ibra de carbono ou carbon iber reinorced polymers (CFRP) já se encontram em aplicações práticas no reorço de lajes, vigas, pilares e paredes, em estruturas como ediícios e pontes. Uma vez garantida a boa qualidade do concreto e a ausência de corrosão nas armaduras, tais reorços possibilitam a limitação das issuras e redução das lechas, além de aumento da resistência à lexão e ao cisalhamento. A durabilidade, a leveza e o alto módulo de elasticidade (podendo chegar a 800 GPa) dos PRFC são as características responsáveis pela sua boa aceitação. O custo do compósito, que chega a ser dez vezes maior que o do aço, representa apenas 20% do custo total da obra de reorço e pode ser compensado pela economia gerada na execução mais rápida, ácil e limpa. Os PRFC possuem baixa condutividade térmica transversal (MEIER, 1997) e a sua resistência ao ogo é limitada pela instabilidade da resina exposta a elevadas temperaturas. No entanto, as conseqüências de danos ao reorço são levadas em consideração pelos coeicientes de segurança, admitindo-se que a estrutura resista às ações permanentes e a uma po rcentagem das ações variáveis. 2.2.1 Composição Compósito é a combinação de dois ou mais materiais, que atuam em conjunto e mantêm suas identidades. Os polímeros são materiais compósitos não homogêneos, anisotrópicos e de comportamento pereitamente elástico até a ruína. Os polímeros reorçados com ibra (PRF) ou iber reinorced polymers (FRP) são constituídos por um componente estrutural (as ibras) e por um componente matricial (a resina polimérica e, normalmente, alguns illers e aditivos). O desempenho de um PRF é determinado pelas propriedades e características dos materiais que o constituem, pela interação desses materiais e pelas condições da execução do reorço, daí a sua grande versatilidade. 4
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA a) Fibras As ibras são responsáveis pela resistência e rigidez do compósito, que varia em unção do tipo, tamanho, grau de concentração e disposição das mesmas na matriz. A direção principal das ibras leva ao valor máximo da resistência e rigidez do compósito, e esses valores vão diminuindo ao se aastar da direção principal até o mínimo que corresponde à direção perpendicular àquela. Vários tipos de ibra, e com grande variedade de propriedades, estão disponíveis comercialmente. As ibras longas (contínuas) e de pequeno diâmetro são as mais adequadas para o reorço de estruturas de concreto pela ótima capacidade de transerência de carga e de aproveitamento de suas propriedades. As ibras contínuas mais utilizadas atualmente são as de vidro, as de aramida (ou Kevlar ) e as de carbono. As propriedades ísicas e mecânicas variam consideravelmente entre os dierentes tipos de ibra e podem variar signiicativamente também para o mesmo tipo de ibra. A tabela 2.1 mostra a variação das propriedades ísicas e mecânicas de diversas ibras e a igura 2.1 az uma comparação do diagrama tensão x deormação das mesmas com o do aço. As ibras de carbono são as mais rígidas e resistentes dentre as ibras utilizadas para o reorço de polímeros. Segundo Ripper e Scherer (1999), destacamse principalmente pela extraordinária rigidez e leveza, ótimo comportamento relativo à adiga e à atuação de cargas cíclicas, estabilidade térmica e reológica e excepcional resistência aos vários tipos de ataques químicos. Por outro lado, em unção de sua boa condutividade elétrica, as ibras de carbono podem possibilitar corrosão do tipo galvânica quando em contato com metais (RIPPER, 1998). 5
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Carbono (C) Aramida (A) Vidro (G) Tabela 2.1 - Propriedades típicas dos principais tipos de ibra (MATTHYS, 2000) Tipo de Fibras tipo PAN* - com alta resistência (HS) tipo PAN* - com alto módulo de elasticidade (HM) tipo Pitch** - com alto módulo de elasticidade (HM) com módulo de elasticidade intermediário (IM) com alto módulo de elasticidade (HM) aluminoborosilicato de cálcio (E) aluminosilicato de magnésio (S) Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (MPa) Deormação última (%) Peso especíico (kg/m 3 ) Diâmetro da ibra (µm) 3500-5000 200-260 1.2-1.8 1700-1800 5-8 2500-4000 350-700 0.4-0.8 1800-2000 5-8 3000-3500 400-800 0.4-1.5 1900-2100 9-18 2700-4500 60-80 4.0-4.8 1400-1450 12-15 2700-4500 115-130 2.5-3.5 1400-1450 12-15 1800-2700 70-75 3.0-4.5 2550-2600 5-25 3400-4800 85-100 4.5-5.5 2550-2600 5-25 *PAN = ibras obtidas por pirólise e oxidação de ibras sintéticas de Poliacrilonitrila **Pitch = ibras obtidas pela pirólise do petróleo destilado ou do piche convertido em cristal líquido Figura 2.1 Diagrama tensão-deormação dos principais tipos de ibra (MATTHYS, 2000) 6
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA b) Matriz A matriz polimérica de um PRF envolve completamente as ibras dando proteção mecânica e contra agentes agressivos e promovendo a transerência de tensões. A seleção da matriz inluencia diretamente a abricação e o custo inal do PRF. As matrizes poliméricas podem ser baseadas em resinas termoplásticas (thermoplastic resins) ou em resinas termoendurecíveis (thermosetting resins). As resinas termoplásticas são caracterizadas por macromoléculas mais lineares e podem ser repetidamente undidas quando aquecidas e endurecidas quando resriadas. Por terem mais ductilidade e tenacidade, são mais resistentes a impactos e micro-issuração que as resinas termoendurecíveis. No entanto, sua alta viscosidade diiculta a incorporação de ibras longas e, por conseqüência, a abricação de compósitos com tais ibras. Uma vez curadas, as resinas termoendurecíveis são caracterizadas por um alto grau de polimerização das moléculas e endurecimento irreversível, se aquecidas depois de endurecidas não undem e se decompõem se expostas a altas temperaturas. Essas resinas impregnam acilmente as ibras sem necessidade de condições especiais, como altas temperaturas ou grandes pressões, e, comparadas às resinas termoplásticas, oerecem melhor estabilidade térmica e química, além de menor retração e relaxação. As resinas mais utilizadas nos PRF são as termoendurecíveis da classe dos poliésteres insaturados, dos vinilésteres e dos epóxidos. As resinas epóxi são bastante usadas nos compósitos de alta perormance pela extensa gama de propriedades ísicas e mecânicas, apesar do alto custo. A tabela 2.2 traz as propriedades típicas das resinas termoendurecíveis mais usadas segundo Taerwe et al (1997). 7
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Tabela 2.2 - Propriedades típicas das resinas mais usadas segundo Taerwe et al (1997) Tipo de resina Resistência à tração (MPa) Módulo de elasticidade (GPa) Peso especíico (kg/m3) Retração na cura (%) Poliéster 35-104 2.1-3.5 1100-1400 5-12 Vinil éster 73-81 3.0-3.5 1100-1300 5-10 Epóxi 55-130 2.8-4.1 1200-1300 1-5 As maiores vantagens das resinas epóxicas são a excelente resistência à tração, boa resistência à luência, boa resistência química e a solventes, orte adesão com as ibras e baixa retração durante a cura. O preço e o longo período de cura são as desvantagens. Ainda, elevadas temperaturas comprometem a resina epóxica, que se torna elastomérica e sore reduções consideráveis de resistência. A temperatura que representa a passagem de um estado vítreo para um estado elástico e dúctil é chamada temperatura de transição vítrea e a aproximação desta temperatura az com que as propriedades mecânicas como resistência e rigidez da resina diminuam acentuadamente. Esse problema pode ser amenizado com o uso de sprinklers e/ou de pintura especial no acabamento do reorço para aumentar a resistência ao ogo. Enquanto não endurecida, são importantes as noções dos tempos de utilização e de endurecimento da resina epóxica. O período em que a resina mantém suas características de aderência e pode ser manipulada sem diiculdade é chamado de tempo de utilização ( pot lie"). Quanto maior a temperatura e quantidade de material a ser preparado, menor o tempo de utilização. Isto ocorre em unção da maior quantidade de calor e conseqüente aceleração das reações. O tempo de endurecimento ( open time ) é o tempo que a resina leva para endurecer e é o intervalo no qual o compósito deve ser colado para que suas propriedades se desenvolvam satisatoriamente. Este tempo é inluenciado pelas temperaturas do ambiente, do compósito e da superície a ser reorçada. Aora a resina, illers e aditivos comumente também compõem a matriz. Os illers têm a unção de diminuir o custo e melhorar as propriedades da matriz 8
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA (controlar a retração, melhorar a capacidade de transerência de tensões e controlar a tixotropia da resina). Para aumentar a resistência da matriz e acilitar a abricação do compósito, vários tipos de aditivos podem ser usados. Os mais comuns são os inibidores da ação de raios ultravioleta, os antioxidantes, os catalisadores e os desmoldantes. c) Adesivo O adesivo é o material responsável pela colagem do PRF na superície do concreto e pela transerência de tensões, possibilitando a ação conjunta dos dois materiais. A transerência de tensão é eita no plano da interace concreto-adesivocompósito, nele ocorrendo tensões predominantemente cisalhantes, embora tensões normais a essa interace também possam ocorrer. A escolha do adesivo depende do tipo de perormance desejada, do substrato e das condições do ambiente e de aplicação do compósito na execução. Os adesivos estruturais mais usados e aceitos são as resinas epóxicas. 2.2.2 Sistemas de Reorço Os compósitos de ibra de carbono para utilização em concreto armado são comercializados em duas categorias: como barras e grelhas para armadura em substituição ao aço e como tecidos e laminados para reorço. A segunda categoria é dividida em dois grupos: os sistemas pré-abricados (laminados) e os sistemas curados in situ. Os sistemas pré-abricados (lâminas) se apresentam na orma de compósitos totalmente curados, com orma, tamanho e rigidez deinidas, prontos para serem colados no elemento a ser reorçado. Tipicamente, possuem um teor de ibras em torno de 70% e espessura entre 1,0 e 1,5 mm. Em relação aos sistemas curados in situ, têm a vantagem do maior controle de qualidade, uma vez que só as propriedades do adesivo são aetadas pela execução. Contudo, são menos lexíveis. A aplicação de eixes de ibras contínuas na orma de ios, em estado seco ou pré-impregnado, sobre um adesivo epóxico previamente espalhado na superície a ser reorçada constitui os chamados sistemas curados in situ. O adesivo, ao 9
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA impregnar as ibras, transorma o conjunto em um PRF e az a ligação deste com o substrato. Os sistemas curados in situ ainda não têm terminologia padronizada e neste trabalho serão designados por mantas e tecidos, de acordo com a disposição das ibras no plano, e estão resumidos na tabela 2.3 (JUVANDES, 1999), que é baseada em designações citadas no EUROCOMP Design Code and Handbook, no JCI TC952 (comitê técnico em concreto reorçado com ibras contínuas do Japan Concrete Institute) e na versão provisória do ACI Committee 440F. A espessura inal de um compósito curado in situ é inerior à espessura de um compósito pré-abricado e diícil de ser determinada. Para a ibra em estado seco, essa espessura varia entre 0,1 a 0,5 mm. Tabela 2.3 - Descrição dos sistemas de PRFC curados "in situ" (JUVANDES, 1999) Designação Descrição Orientação das ibras Estado TECIDOS "sheets" * Disposição em aixas contínuas e paralelas de ibras sobre uma rede de proteção (200-300 g/ m 2 ) unidirecionais secos préimpregnados "woven * roving" Entrelaçamento direcionado de dois ios ou aixa de ibras ( 600-800 g / m 2 ) bidirecionais: 0/90º 0/45º 0/-45º secas MANTAS "mat" * Espalhamento aleatório das ibras num tapete rolante que, depois, é pulverizado com resina para adquirir consistência multidirecional "cloth" * Fios contínuos tecidos por um processo têxtil convencional ( 150-400 g / m 2 ) unidirecional ou bidirecional ou multidirecional préimpregnadas * designação internacional 10
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2.3 Execução do Reorço O uncionamento apropriado do reorço depende de sua colagem contínua ao substrato. Antes da execução do reorço, o concreto deteriorado deve ser removido e as barras com corrosão devem ser substituídas. Quinas e cantos angulosos na superície do concreto devem ser arredondados para evitar a delaminação do compósito. Para o concreto, a resistência à compressão mínima recomendada pelo ACI Committee 440 (2001) é de 17 MPa e a mínima resistência à tração direta ( ct,dir,determinada pelo teste de pull-o) é de 1,4 MPa. Ainda, nos manuais do CEB- FIP (2001) e da SIKA (2000), o valor mínimo recomendado para ct,dir é igual a 1 MPa. As áreas que vão receber o reorço devem ser apicoadas ou lixadas para remover a camada supericial de concreto. Uma vez limpa e seca, a superície do concreto pode ser melhorada com a aplicação de um primer especiicado pelo abricante. O primer é um produto que penetra no concreto por capilaridade com a unção de melhorar a capacidade adesiva da superície para a recepção da resina de saturação ou do adesivo. Quando necessário, a superície deve ser regularizada com a aplicação de putty, uma argamassa que deve ser compatível com o primer utilizado. A colagem do compósito na superície do concreto diere para cada tipo de PRF. Para a colagem dos PRF curados in situ (tecidos e mantas) um adesivo/resina saturante com alta viscosidade é usado tanto para colar quanto para impregnar o compósito. Os reorços que estarão sujeitos à radiação solar ou a ataques químicos devem ter acabamento apropriado. A temperatura, a umidade relativa do ar e a umidade da superície durante a execução do reorço têm grande inluência na perormance do compósito. Embora altas temperaturas não são indicadas durante a execução do reorço por apressarem a cura da resina, baixas temperaturas e dias chuvosos também prejudicam o serviço, pois tornam a resina muito viscosa e a cura bastante lenta, a temperatura deve estar acima de 5ºC de acordo com Thomas e Thomas (1996) e pelo menos 3ºC acima do ponto de orvalho (SIKA, 2000) para possibilitar a adesão da resina na superície do concreto. 11
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Ripper e Scherer (1999) recomendam que a umidade do substrato, quando da aplicação do reorço, deve ser inerior a 4% e o controle eito por equipamento adequado. Segundo Matthys (2000), a adesão obtida é insuiciente quando a umidade relativa do ar é maior que 80%. 2.2.4 Mecanismos de Ligação A eiciência dos compósitos de ibra de carbono e o estabelecimento de critérios de dimensionamento requerem uma maior compreensão dos mecanismos de ligação que envolvem esse tipo de reorço. O dimensionamento do reorço e a resistência da ligação concreto-adesivo-compósito são deinidores do comportamento estrutural do elemento a ser reorçado. 2.2.4.1 Modos de Ruína A opinião de pesquisadores do assunto ainda diverge em relação ao comportamento estrutural na ruína de vigas reorçadas com PRFC, principalmente no que concerne à ruptura na interace concreto -resina-compósito. Dentre as classiicações encontradas (ARDUINI E NANNI, 1997, JUVANDES, 1999), a de Triantaillou (1998a) é a mais representativa dos modos de ruptura para reorços à lexão e reorços ao cisalhamento. Os sete modos de ruptura em estruturas reorçadas à lexão são mostrados na igura 2.2. Os três primeiros modos listados, (a), (b) e (c), podem ser caracterizados como clássicos, uma vez que sua análise pode ser eita pelos métodos convencionais: hipótese das seções planas, compatibilidade de deormações e equilíbrio das orças. O escoamento da armadura seguido de ruptura do reorço (a) pode acontecer quando as taxas de aço e de reorço orem excepcionalmente baixas, assim como a deormação de ruptura do compósito, ou ainda devido a uma elevada resistência à compressão do concreto. O esmagamento do concreto (c), ao contrário, ocorre quando as taxas de reorço e de aço são elevadas. O modo (b) seria o alvo do dimensionamento ótimo do reorço, onde a ruína é governada pelo escoamento do aço, seguida de esmagamento do concreto 12
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA enquanto o reorço permanece intacto. Os demais modos, (d), (e), () e (g), representam ruínas prematuras que ocorrem de maneira rágil e brusca. O destacamento do compósito nas extremidades da zona de ancoragem (d) é o modo mais crítico no dimensionamento do reorço. Pode ser decorrente de issuras de cisalhamento do concreto junto à interace concreto -adesivo nas extremidades do compósito. Nos locais próximos às demais issuras de cisalhamento, é menos provável a ocorrência de destacamento do compósito (e), pela própria continuidade do reorço de lexão. Quando há uma deormação relativamente alta do compósito junto às issuras de lexão, pode ocorrer o descolamento do reorço, que é o modo () de ruptura. (a) Escoamento da armadura interna seguido de ruptura do reorço (b) Escoamento da armadura interna seguido de esmagamento do concreto (c) Esmagamento do concreto (d) Destacamento do compósito nas extremidades da zona de ancoragem (e) Descolamento do compósito próximo às issuras inclinadas () Descolamento do compósito provocado por issuras de lexão (g) Descolamento do compósito provocado por irregularidades na superície do concreto e alha na concretagem. Figura 2.2 Modos de ruptura para reorço à lexão segundo Triantaillou (1998a) O modo de ruptura (g), causado por descolamento do reorço em unção de irregularidades na superície do concreto, má concretagem e espalhamento incorreto da resina, pode ser prevenido se orem seguidos os cuidados na execução do reorço já mencionados no item anterior. 13
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os modos de ruptura para reorço ao cisalhamento variam bastante com o tipo de PRF (laminado, manta ou tecido), com a disposição nas aces (orientação das ibras, largura e aastamento entre aixas de PRF coladas) e com o tipo de ancoragem das extremidades. Os modos sugeridos por Triantaillou (1998a) são destacamento do concreto próximo à interace concreto -adesivo e ruptura do compósito. A ruptura do compósito pode ocorrer com tensões de tração ineriores à sua resistência à tração causada por concentração de tensões ou áreas de descolamento do compósito. A protensão do compósito representa uma opção para uma maior utilização de sua capacidade resistente à tração. Alguns estudos experimentais (TRIANTAFILLOU et al, 1992) eitos com tecidos unidirecionais protendidos reorçando vigas de concreto armado mostram que o aumento no coninamento do concreto gerado é benéico no controle da issuração e no aumento da capacidade resistente ao cisalhamento, levando a uma diminuição na área de compósito necessária para o reorço. No entanto, a adaptação deste método de reorço para estruturas reais ainda apresenta diiculdades práticas. 2.2.4.2 Resistência da Ligação A compatibilidade de deormações entre os materiais, admitida no cálculo do reorço, é imprescindível para assegurar a aderência e promover o ganho de resistência, rigidez ou ductilidade previstas. O comportamento geral da interace da ligação concreto-adesivo-compósito é undamental na prevenção dos modos indesejados de ruínas prematuras. Esse comportamento é condicionado pelo menor dos valores das resistências à tração e ao cisalhamento dos três materiais envolvidos: a camada supericial do concreto, a resina e o compósito. Nos casos mais comuns tem-se que a superície do concreto é quem limita o desempenho da ligação. A tensão cisalhante máxima a ser resistida pelo concreto, evitando o destacamento do reorço, é inluenciada pelas condições iniciais da estrutura: a classe e o estado de deterioração do concreto e o padrão de issuração da camada mais externa e pelo tipo de preparação do substrato. 14
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Tendo por base o modelo de Mohr-Coulomb modiicado, pode-se estabelecer que a tensão de cisalhamento limite para o concreto é dada por: ô = k (2.1) lim ct,dir O ator k leva em consideração o estado pré-issurado em que se encontra o concreto quando é executado o reorço. Alguns trabalhos encontrados na literatura sugerem os seguintes valores para esse τ lim : Triantaillou (1998b): ô γ lim c = 0,25 γ = 1,5 ctk c (2.2) Beber (1999) ô 1/ 2 lim 0,28 c = (2.3) Pinto (2000) e Cerqueira (2000) ô lim 0,3 = 0,5 ct,dir ct,dir para o concretodoundodaviga para o concretodaslateraisda viga sendo ct,dir a resistência do concreto à tração direta. (2.4) Adhikary e Mutsuyoshi (2001): ô 2/ 3 lim 0,25 c = (2.5) CEB-FIP (2001): ô lim ctk = cbd = 0,21 = 1.8 ã ctm e ctk c ã c = 1,5 sendo ctk = resistência à tração do concreto característica; (2.6) 15
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ctm = resistência à tração do concreto média; A escolha do tipo adequado de resina, que deve ter resistências à tração e ao cisalhamento superiores às do concreto, assim como seus espalhamento e espessura adequados são importantes para evitar o descolamento do reorço. Devese, ainda, limitar a deormação máxima do compósito para garantir a ação conjunta com a armadura interna. Para reorço de lexão, a deormação especíica do mesmo no estado último não deve ser maior que a deormação especíica eetiva (ε e ), que é deinida de dierentes maneiras na literatura: Neubauer et al (1997) å 5 å s a 6 å s = 0,8% (2.7) e 0,5 å u CEB-FIP (2001) 0,65% å e 0,85% (2.8) ACI Committee 440 (2001) å e = k å (2.9) m u sendo k m 1 N E t 1 0.90 para 60 å u 360000 = 1 90000 0.90 para 60 å u N E t N = número de camadas do PRF; E = módulo de elasticidade do PRF; t = espessura de cada camada do PRF; N E N E t t 180000 (unidades SI) > 180000 ε s = deormação especíica do aço da armadura longitudinal de tração; 16
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ε u = deormação especíica última do PRF. Para o reorço de cisalhamento, as deinições de ε e são as seguintes: CEB-FIP (2001) para reorço de PRFC mostrado na igura 2.3(a) å e = 0,17 ( E e 2/3 cm ñ ) 0,30 2/3 cm 0,65 ( ) E ñ = 2/3 cm 0,17 ( ) E ñ å Para reorço de PRFC mostrado na igura 2.3(b) å 0,56 0,30 u 10 å 3 u (2.10) (2.11) com valores de cm em MPa e E em GPa. 17
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Figura 2.3 Esquema de reorços ao cisalhamento reerentes às equações 2.10 e 2.11. ACI Committee 440 (2001) sendo k v å u å e = 0.4% para ( em unidades SI), k k v 1 k1 k 2 L = 11900 å c = ( ) 27 2/3 ; k u 2 e 0,75 e dw L dw = d w 2L d w 23300 = (N t E ) para reorço em "U" c = resistência à compressão do concreto; ρ = taxa geométrica do PRF; d w = comprimento mostrado na igura 2.4; L e e e 0,58 para reorço colado só nas laterais (2.12) (2.13) 18
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Figura 2.4 Comprimento d w usado na equação 2.13. 2.3 ALGUNS ESTUDOS EXPERIMENTAIS SOBRE REFORÇO COM TECIDOS DE FIBRA DE CARBONO Um resumo de alguns trabalhos que utilizaram tecidos de ibra de carbono como reorço e suas principais contribuições e conclusões são apresentados neste item. 2.3.1 Norris et al (1997) Neste estudo oram ensaiadas 19 vigas de concreto armado com o objetivo de investigar o comportamento de vigas reorçadas com mantas e tecidos de ibra de carbono, de orma e disposição variadas, à lexão ou ao cisalhamento. As vigas tinham seção retangular de 127mm x 203 mm, eram simplesmente apoiadas e oram divididas em dois grupos, com armaduras distintas, para estudar o comportamento à lexão ou ao cisalhamento (ver igura 2.5). As 13 vigas que oram utilizadas na investigação do comportamento à lexão (vigas de lexão) mediam 2440 mm de comprimento, tinham taxa de armadura transversal para o trecho entre cargas igual a 0,27% e para os demais trechos 0,87%. A taxa de armadura longitudinal era de 1,1%. As seis vigas restantes oram utilizadas na investigação do comportamento ao cisalhamento (vigas de cisalhamento), mediam 1220 mm de comprimento, tinham taxa de armadura transversal igual a 0,22% e taxa de armadura longitudinal igual a 1,93%. Todas as vigas oram pré-issuradas, ou seja, oram submetidas a um carregamento correspondente à deormação de escoamento da armadura 19
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA longitudinal de tração e conseqüente aberturas de issuras antes da realização do reorço, com exceção das vigas de controle tanto de lexão quanto de cisalhamento. Figura 2.5 Detalhamento das vigas ensaiadas por Norris et al (1997). As barras de aço utilizadas tinham tensão de escoamento ( y ) igual a 420 MPa e o concreto utilizado tinha resistência média à compressão de 36,5 MPa. Foi estudado também o eeito de dois tipos de adesivos epóxicos designados por epóxi A ( t = 28,9 MPa e ε u = 15,5%) e epóxi B ( t = 28,3 MPa e ε u = 10,2%), sendo t a resistência à tração e ε u a deormação especíica última. Os três tipos de reorço utilizados oram denominados de tipo I, tipo II e tipo III. O reorço tipo I era ormado por duas camadas de tecido unidirecional de ibra de carbono e resina epóxi A. Os reorços tipo II e tipo III utilizaram resina epóxi B sendo que o primeiro era ormado por duas camadas de manta unidirecional de ibra de carbono e o segundo por uma camada de manta bidirecional de ibras de carbono perpendiculares entre si. Seis sistemas de reorço com dierentes ormas de orientação das ibras de carbono oram utilizados (ver igura 2.6). 20
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Figura 2.6 Orientação das ibras e disposição do reorço das vigas de Norris et al (1997). O sistema (A) consistia de duas camadas de ibras longitudinais coladas no undo e laterais da viga. O sistema (B) era ormado por duas camadas unidirecionais com orientação paralela (1ª camada) e perpendicular (2ª camada) ao eixo da viga, coladas no undo e laterais da viga. O sistema (C) era constituído por duas camadas de ibras orientadas em ângulos de ± 45º. O sistema (D) era idêntico ao sistema (C) exceto pela porção central da viga que não recebeu reorço nas laterais. O sistema (E) era ormado por ibras coladas perpendicularmente ao eixo da viga. O sistema (F) era idêntico ao sistema (C) sendo que o reorço cobria toda a altura da lateral da viga. Todos os sistemas de reorço possuíam a mesma quantidade de ibra de carbono por área. A tabela 2.4 traz os dados das vigas, sendo E t o módulo de elasticidade transversal do reorço e P u a carga última. Segundo o autor, os resultados oram apresentados apenas para as vigas cujo comportamento oi considerado representativo para uma mesma orientação das ibras do reorço. Todas as vigas reorçadas exibiram aumento na carga de ruptura resistida, sendo que a magnitude desse aumento e o modo de ruptura estavam relacionados à orientação das ibras do reorço. 21
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os extensômetros adicionais das vigas IBi e IIBi oram dispostos ao longo da ace inerior e lateral e indicaram a ormação de novas issuras de lexão nas extremidades do reorço. Não houve grande dierença de comportamento entre o tecido e a manta de CFRP utilizados. As dierenças mais signiicativas ocorreram em unção da orientação das ibras e disposição do reorço utilizadas. Foram observados aumentos de resistência e rigidez de todas as vigas reorçadas, sendo a magnitude do ganho de resistência inversamente proporcional à ductilidad e na ruptura. As vigas que tiveram as ibras do reorço direcionadas perpendicularmente às issuras, tanto de lexão quando de cisalhamento, tiveram grande acréscimo de rigidez e capacidade de carga, mas a ruptura oi brusca e ocorreu pelo destacamento do concreto nas extremidades do reorço. Quando as ibras do PRFC oram dispostas obliquamente em relação às issuras o modo de ruptura oi mais dúctil, embora o aumento na rigidez e capacidade de carga tenha sido menor que o das vigas mencionadas anteriormente. 22