Reabilitação e Reforço de Estruturas

1 Mestrado em Engenharia Civil 2011 / 2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 17: Projecto de Reforço com FRP. José Sena Cruz 1/60

2 FRP Conceito FRP (fiber reinforced polymer) são sistemas compósitos reforçados com fibras. Atualmente os FRP têm larga aplicação em Engenharia Civil, devido fundamentalmente às seguintes propriedades: Leveza; Boas propriedades mecânicas (resistência e rigidez); Resistência à corrosão; Bom comportamento à fadiga; Fácil aplicação; Disponibilidade quase ilimitada em termos de geometria. 2/60

3 FRP Exemplos de aplicação Diversas aplicações em Engenharia Civil 3/60

4 FRP Exemplos de aplicação 4/60

5 FRP Características e constituição Do ponto de vista da macroescala, os materiais compósitos são constituídos por duas ou mais fases (materiais), cuja performance é projetada de modo a que o conjunto seja superior às partes individuais. Fases que constituem o compósito: Reforço (fibras) Matriz Interface (ou interfase) MATRIZ (CONTÍNUA) REFORÇO (DISPERSO) INTERFACE 5/60

6 FIBRAS PARA COMPÓSITOS As fibras mais usadas no fabrico dos compósitos são: 1. Vidro 2. Carbono 3. Aramida 4. Basalto As fibras são feitas de filamentos contínuos extremamente finos, cuja manipulação individual é muito difícil. Por esse motivo, as fibras são comercializadas em diferentes formatos. 6/60

7 SISTEMAS FRP PROPRIEDADES Nos FRP as fibras são responsáveis pela capacidade de carga e rigidez do compósito, enquanto que a matriz garante a transferência de tensões entre fibras, bem como a sua proteção ao meio ambiente. FIBRA Fibra MATRIZ 7/60

8 SISTEMAS DE FRP Tipos Fiber Reinforced Polymer (FRP) Carbon (C) Glass (G) Aramida (A) CFRP GFRP AFRP Curados in-situ Tecidos/Mantas - Unidirecional - Multidirecional - Manta - Prepreg - Strands Barras - Laminado - Varão - Grelha - Perfil - etc. Pré-fabricados 8/60

9 TÉCNICAS DE REFORÇO Técnicas de reforço EBR: Externally bonded reinforcement technique NSM: Near-surface mounted technique MF-FRP: Mechanically fastened FRP technique MF-EBR: Mechanically fastened and externally bonded reinforcement technique 9/60

10 TÉCNICAS DE REFORÇO Técnica EBR 10/60

11 TÉCNICAS DE REFORÇO Técnica NSM 11/60

12 TÉCNICAS DE REFORÇO Técnica MF-FRP 12/60

13 TÉCNICAS DE REFORÇO Técnica MF-EBR 13/60

14 TÉCNICAS DE REFORÇO Vantagens da técnica NSM: 1. Redução do tempo de aplicação do reforço 2. Menor suscetibilidade ao destacamento 3. Maior facilidade de se ancorar a elementos adjacentes 4. Níveis mais elevados de eficácia 5. O FRP encontra-se mais protegido contra ações de impacto, ações mecânicas, fogo e atos de vandalismo 6. Nalguns casos a capacidade última do FRP pode ser atingida 7. A estrutura reforçada fica virtualmente intacta 14/60

15 TÉCNICAS DE REFORÇO Vantagens da técnica MF-FRP: 1. Fácil aplicação sem requerer técnicos especializados 2. Não requer o tratamento da superfície 3. A estrutura reforçada fica apta a ser utilizada imediatamente após a aplicação do reforço 15/60

16 TÉCNICAS DE REFORÇO Comportamento à flexão de diferentes técnicas EBR 150 120 NSM Force [kn] 90 60 30 0 0 5 10 15 20 25 30 Displacement at mid-span [mm] REF EBR MF-EBR NSM MF-EBR 16/60

17 TÉCNICAS DE REFORÇO Guidelines 17/60

18 CONTRIBUIÇÃO DA UM Estudo das técnicas EBR, NSM, MF-FRP e MF-EBR ao nível: Caracterização da aderência Comportamento à flexão e ao corte Comportamento a ações cíclicas Comportamento a longo prazo e de durabilidade Experimental Numérico Analítico 18/60

19 CONTRIBUIÇÃO DA UM RILEM TC 234-DUC O principal objetivo é esclarecer os problemas gerais e questões críticas com base nos dados experimentais existentes, detetar discrepâncias nos códigos existentes, lacunas no conhecimento e, sobre estas questões identificadas, apresentar novas propostas. 19/60

20 PROJETO DE REFORÇO CNR-DT 200/2004 20/60

21 GENERALIDADES A aplicação de reforços com recurso a FRP baseia-se no facto de: 1. A solução adotada é feita por um ENGENHEIRO qualificado e com experiência; 2. O reforço deverá ser aplicado por empresas qualificadas e com experiência no ramo; 3. Durante a aplicação deve haver fiscalização e controlo de qualidade. 4. O sistema de reforço dimensionado deve apresentar características adequadas de resistência, serviço e durabilidade. 5. Os sistemas de FRP devem apenas ser usados no reforço a zonas onde existam tensões de tração. 21/60

22 REQUISITOS BÁSICOS O dimensionamento de sistema de FRP deve ser baseado nos seguintes princípios: 1. O risco da estrutura deve ser identificado, e removido ou atenuado; 2. Em caso de uma solicitação severa, o reforço deverá resistir com danos localizados aceitáveis; 3. O colapso do sistema de reforço deverá ser dúctil. 22/60

23 REQUISITOS BÁSICOS Assim, no projeto de reforço deve-se: 1. Efetuar uma escolha adequada dos materiais; 2. O reforço é adequado com uma escolha criteriosa dos processos construtivos; 3. Procedimentos de controlo de qualidade devem ser adotados quer na fase do projeto quer na fase da execução do reforço. 23/60

24 REQUISITOS DE DURABILIDADE O projeto de reforço tem de efetuado atendendo a requisitos de durabilidade. Para tal haverá que atender a: 1. Tipo de uso da estrutura reforçada; 2. Avaliação das condições ambientais; 3. Composição, propriedades e performance dos materiais existentes e novos; 4. Escolha adequada da solução de reforço; 5. Qualidade da mão-de-obra e nível de controlo; 6. Adoção de medidas protetoras (e.g., fogo, impacto); 7. Plano de manutenção. 24/60

25 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO O projeto de reforço tem de efetuado de modo a cumprir requisitos em termos de Estados Limite de Serviço e Últimos. De uma forma geral, na verificação aos Estado Limite Últimos, tem de ser cumprida a seguinte condição: E d R d 25/60

26 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO O dimensionamento da estrutura deve ser efetuado com base no método dos coeficientes parciais de segurança. Coeficientes parciais para as ações: Consultar Eurocódigos (EC0 e EC1) Coeficientes parciais para os materiais: A avaliação correta das propriedades das estruturas existentes deverá ser efetuada com regulamentação adequada No caso do betão, aço, mistas, madeira, alumínio e alvenaria os Eurocódigo específicos apresentam valores para estruturas novas. 26/60

27 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO Coeficientes parciais para os FRP: De uma forma geral todas as propriedades devem ser avaliadas com base no seu valor característico à exceção do módulo de Young, que deve ser usado o valor médio. No caso de sistemas curados in-situ, os valores de α fe α ff não devem ser superiores a 0.90. Assim, para uma propriedade genérica (e.g. tensão de rotura à tração uniaxial), o valor de cálculo será dado por: X d X = η γ k m 27/60

28 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO Coeficientes parciais para os FRP (Cont.): X k = valor característico da propriedade γ m = fator parcial dependente do modo de rotura/tipo de aplicação η = fator de conversão para situações especiais Notas: (1) Sistemas de reforço certificadosde acordo com o Capítulo 2 da CNR-DT 200/2004 (2) Sistemas de reforço não certificados acordo com o Capítulo 2 da CNR-DT 200/2004 (3) Para verificação aos Estados Limite de Serviço, γ m = γ f = 1.0 28/60

29 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO O fator de conversão ambiental, η a, atende de: 1. Efeitos de ambientes alcalinos 2. Efeito da humidade 3. Efeitos de temperaturas extremas e ciclos de temperatura 4. Efeitos dos ciclos secagem/molhagem 5. Efeitos dos ultravioletas 29/60

30 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO O fator de conversão ambiental, η a 30/60

31 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO Coeficientes parciais para a capacidade resistente A capacidade resistente, R d, deve ser calculada da seguinte forma: em que: 1 R = R X a { ; } d d,i d,i γ Rd R{ } = função modelo mecânico considerado adequado à análise (e.g., flexão, corte, confinamento) X d,u = Valores de cálculo relativos aos materiais a d,i = Valores nominais dos parâmetros geométricos 31/60

32 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO Vandalismo Os sistemas FRP são particularmente vulneráveis a cortes e incisões por intermédio de elementos cortantes. Assim, sugere-se que nas situações suscetíveis de atos de vandalismos (zonas públicas) sejam adotados revestimentos adequados de modo a evitar as consequências destes fenómenos. 32/60

33 PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO Fogo Os sistemas FRP são particularmente sensíveis a temperaturas elevadas. O estado do conhecimento atual no que respeita ao comportamento de resinas de revestimentos sob a ação do fogo é ainda escasso. Por isso, sugere-se que quando esta ação é considerada importante, se deva considerar que o FRP contribui de forma diminuta para a capacidade resistente ao fogo. 33/60

34 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Modos de rotura Quando se utiliza a técnica EBR com FRP no reforço de estruturas existentes podem acontecer os seguintes modos de rotura: I. Rotura do FRP; II. Destacamento do sistema de reforço. Desintegração do betão de recobrimento Destacamento na interface adesivo-betão Destacamento do Adesivo Destacamento do FRP Betão Adesivo FRP 34/60

35 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Modos de rotura No caso de estruturas reforçadas à flexão com laminados ou mantas, pode obter-se um dos seguintes modos de rotura: Modo 1 (Destacamento no final do laminado/manta) Modo 2 (Destacamento intermédio devido a fendas de flexão) Modo 3 (Destacamento devido a fendas de corte) Modo 4 (Destacamento devido a irregularidades e/ou rugosidade do betão) 35/60

36 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Modos de rotura 36/60

37 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Ensaios de arranque Configurações de ensaios 37/60

38 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Ensaios de arranque Exemplo 38/60

39 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Ensaios de arranque Resultados 30 24 B1_fcm40_Lb60_M B2_fcm40_Lb60_M B3_fcm40_Lb60_M 30 24 B1_fcm40_Lb90_M B2_fcm40_Lb90_M B3_fcm40_Lb90_M 30 24 B1_fcm40_Lb120_M B2_fcm40_Lb120_M B3_fcm40_Lb120_M Pullout force F l [kn] 18 12 Pullout force F l [kn] 18 12 Pullout force F l [kn] 18 12 6 6 6 0 0 1 2 3 4 5 Free end slip s f [mm] 0 0 1 2 3 4 5 Free end slip s f [mm] 0 0 1 2 3 4 5 Free end slip s f [mm] 30 24 B1_fcm40_Lb60_M B2_fcm40_Lb60_M B3_fcm40_Lb60_M 30 24 B1_fcm40_Lb90_M B2_fcm40_Lb90_M B3_fcm40_Lb90_M 30 24 B1_fcm40_Lb120_M B2_fcm40_Lb120_M B3_fcm40_Lb120_M Pullout force F l [kn] 18 12 Pullout force F l [kn] 18 12 Pullout force F l [kn] 18 12 6 6 6 0 0 1 2 3 4 5 Loaded end slip s l [mm] 0 0 1 2 3 4 5 Loaded end slip s l [mm] 0 0 1 2 3 4 5 Loaded end slip s l [mm] 39/60

40 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Leis de comportamento 40/60

41 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Comprimento de amarração O comprimento ótimo de ancoragem, l e, é definido como sendo o comprimento a partir do qual a força transferida entre o FRP e o betão não aumenta. l e = Ef 2 f t f ctm em que: E f = Módulo de Young do FRP t f = Espessura do FRP f ctm = Valor médio da resistência à tração do betão 41/60

42 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Energia de fratura A energia de fratura, Γ FK, expressa em [N/mm] da interface FRP-betão é dada pela seguinte expressão (unidades: N, mm): Γ Fk = 0.03 k b fck fctm f k b 2 b = b 1 bf 1+ 400 em que: f ck = Valor característico da resistência do betão f ctm = Valor médio da resistência à tração do betão se b f /b<0.33 adotar b f /b=0.33 42/60

43 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Resistência ao destacamento Modo 1 No caso da ocorrência de destacamento do laminado (ou manta) no final da zona de ancoragem (modo 1), cujo o comprimento de amarração é igual ou superior ao ótimo, o valor de cálculo de resistência ao destacamento é dada por (unidades: N, mm): f fdd 1 2 Ef = γ γ t f,d c Γ f Fk Para comprimentos inferiores ao ótimo, l b, a resistência deverá ser corrigida da seguinte forma f fdd,rib l b = ffdd 2 le l l b e 43/60

44 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Resistência ao destacamento Modo 2 O valor de cálculo de resistência máxima ao destacamento em Modo 2 é dada por (unidades: N, mm): k f fdd,2 = k cr f fdd = γ γ f,d 2 E t Γ cr f Fk c f em que: k cr = 3.0 na ausência de informação mais fidedigna A correspondente extensão no laminado (ou manta) é dada por: ε fdd,2 = ffdd,2 Ef 44/60

45 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Resistência ao destacamento Modo 2 O valor de cálculo de resistência máxima ao destacamento em Modo 2 é dada por (unidades: N, mm): k f fdd,2 = k cr f fdd = γ γ f,d 2 E t Γ cr f Fk c f em que: k cr = 3.0 na ausência de informação mais fidedigna A correspondente extensão no laminado (ou manta) é dada por: ε fdd,2 = ffdd,2 Ef 45/60

46 MECANISMOS DE ADERÊNCIA Exemplo Considere que uma viga de BA (0.20 m 0.50 m) será reforçada com laminados de CFRP (E f = 210 GPa; t f = 1.4 mm; b f = 60 mm; f f = 3200 MPa). 1. Determine a evolução da força máxima com o comprimento de ancoragem em Modo 1. Para efeitos de resolução desta alínea considere que o betão é da classe C20/25. 2. Determine a evolução da extensão no laminado com a classe de resistência do betão em Modo 2. 46/60

47 REFORÇO À FLEXÃO Hipóteses de cálculo A análise ao Estado Limite Último de flexão baseia-se nas seguintes hipóteses de cálculo: 1. As secções mantêm-se planas e perpendiculares ao eixo da viga antes e após a deformação 2. Aderência perfeita betão/aço e FRP/betão 3. O betão não resiste à tracção 4. As leis tensões-extensões do aço e do betão são as existentes no EC2 5. O FRP tem comportamento elástico linear até à rotura 47/60

48 REFORÇO À FLEXÃO Generalidades O reforço à flexão com FRP só é efetivo nos casos em que existem pequenas percentagens de armadura longitudinal. Considera-se que a rotura à flexão ocorre quando um dos seguintes casos se verifica: 1. A extensão máxima de compressão no betão é alcançada (ε cu2 ); 2. A extensão máxima de tração no FRP é alcançada (ε fd ); 3. Verificam-se simultaneamente a condição 1 e 2. ε fk ε fd = min η a, ε γ f fdd 48/60

49 REFORÇO À FLEXÃO Generalidades Terá de ser assegurada a capacidade resistente do elemento reforçado ao corte. É admitido o comportamento linear elástico dos materiais para a determinação dos esforços. O estado de tensão/deformação existente no elemento antes do reforço terá de ser tido em conta no dimensionamento da solução de reforço com recurso a FRP. Assim, as extensões de compressão (ε c0 ) e tração (ε 0 ) iniciais são usadas no cálculo orgânico da secção transversal. 49/60

50 REFORÇO À FLEXÃO Capacidade resistente à flexão A determinação da capacidade resistente à flexão do elemento reforçado deverá ser realizada para o cenário mais desfavorável: 1. Extensão máxima no FRP (Região 1); 2. Extensão máxima de compressão no betão (Região 2). 50/60

51 REFORÇO À FLEXÃO Capacidade resistente à flexão - Região 1: rotura do sistema FRP A configuração de extensões deverá ser de acordo com: FRP: ε f = ε fd Betão: ε ε ε x = + ε ( ) ( h x ) c fd 0 cu2 Aço à compressão: 2 ( ) ( h x ) ε = ε + ε s2 fd 0 x d Aço à tração: ( ) ( h x ) ε = ε + ε s1 fd 0 d x 51/60

52 REFORÇO À FLEXÃO Capacidade resistente à flexão - Região 1: rotura do sistema FRP 52/60

53 REFORÇO À FLEXÃO Capacidade resistente à flexão - Região 2: rotura do betão A configuração de extensões deverá ser de acordo com: FRP: ε ε = ( h x) ε ε x cu2 f 0 fd Betão: ε c = ε cu2 Aço à compressão: ε s2 = ε cu x d x 2 Aço à tração: ε s1 = ε cu d x x 53/60

54 REFORÇO À FLEXÃO Dispensa do sistema FRP A dispensa do sistema FRP poderá ser realizada adotando metodologia idêntica à usada no betão armado. Devem adotar-se comprimentos de amarração iguais ou superiores ao ótimo. Caso contrário a tensão de aderência deverá ser corrigida. ( ) a1 = 0.9 d 1 cotα 54/60

55 REFORÇO À FLEXÃO Verificações aos Estados Limite de Utilização Devem ser verificados os seguintes Estados Limite: 1. Limitação das tensões; 2. Controlo das flechas (deformação); 3. Controlo da largura de fendas (fendilhação). Assim, pretende-se: Evitar que para condições de serviço a armadura plastifique e evitar o fenómeno de fluência excessiva no betão e FRP; Evitar deformações excessivas de modo a evitar danos em elementos não estruturais; Evitar fendilhação excessiva que reduza a durabilidade da estrutura, o seu funcionamento, aspeto e performance da ligação betão/frp. 55/60

56 REFORÇO À FLEXÃO Verificações aos Estados Limite de Utilização As hipóteses de cálculo a adotar devem ser as seguintes: 1. Consideração do betão fendilhado e não fendilhado; 2. Comportamento elástico linear dos materiais; 3. Hipótese das secções planas; 4. Aderência perfeita FRP/betão e aço/betão. Assim: 1. Consideração de coeficientes de homogeneização (tendo em conta o tempo de permanência das cargas): n f =E f /E c e n s =E s /E c ; 2. Deve ser tida em conta a fendilhação antes da aplicação do reforço. 56/60

57 REFORÇO À FLEXÃO Limitação das tensões A limitação das tensões deve ser verificada para a combinação de ações quase permanente; Os FRP devem satisfazer a condição: σ η f f fk As tensões no betão, aço e FRP devem ser avaliadas através das seguintes expressões: 57/60

58 REFORÇO À FLEXÃO Limitação das tensões 58/60

59 REFORÇO À FLEXÃO Controlo das deformações No controlo das deformações podem ser adoptados procedimentos idênticos aos usados nas estruturas de betão armado Controlo da fendilhação Esta verificação ainda carece de consenso a nível científico, sendo por isso sugerido que sejam usados modelos propostos na bibliografia 59/60

60 REFORÇO À FLEXÃO Exemplo Recorrendo a laminados de CFRP, dimensione à flexão uma viga simplesmente apoiada com 6.0 m de vão, atendendo aos seguintes dados: Secção transversal: 0.20 m 0.50 m (d = 0.45 m) Armadura de flexão (momentos positivos): 4Ø16 Betão C20/25; Aço A400 NR Cargas permanentes, g k = 40 kn/m Sobrecarga, q k = 10 kn/m Admita que aquando da execução do reforço, as cargas atuantes são iguais às cargas permanentes. 60/60