POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRA (PRF) AUTORES: Correia, M.M. (manuel.correia@stin-eng.com) Gonilha, J.A. (jose.gonilha@stin-eng.com) Nunes, F. (francisco.nunes@stin-eng.com) 1. INTRODUÇÃO Um dos maiores desafios para a indústria da construção civil e para a sociedade em geral no início deste século prende-se com os custos de manutenção das estruturas e infraestruturas, geralmente ligados a fenómenos de corrosão em estruturas de aço e de betão armado. De facto, segundo a Associação Americana de Engenheiros Civis (ASCE), de modo a colmatar as deficiências estruturais existentes em infraestruturas de pontes nos EUA num prazo de 15 anos será necessário um aumento do investimento anual de 60% [1]. Neste contexto, a utilização de materiais polímeros reforçados com fibra (em inglês, fibre reinforced polymer, FRP), já amplamente utilizados noutros ramos da engenharia (Aeronáutica, Naval, Automóvel, etc.) [2], tem sido sugerida devido às excelentes propriedades mecânicas (resistência), físicas (leveza) e de durabilidade (resistência à corrosão) [3]. Dentro dos materiais FRP, os perfis pultrudidos (produzido através do processo de pultrusão, semelhante à extrusão mas puxado (pull) em vez de empurrado contra um molde) em polímero reforçado com fibras de vidro (GFRP) são aqueles que apresentam maior potencial como materiais estruturais já que aliam um bom comportamento mecânico a custos de produção bastante competitivos [3]. 1
2. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS PERFIS GFRP Os perfis pultrudidos em GFRP são materiais compósitos constituídos por uma matriz polimérica e pelo reforço em fibra de vidro, sendo este o principal responsável pelo comportamento mecânico e a matriz pela distribuição de tensões entre fibras, estabilidade dimensional e proteção das fibras contra agentes agressivos. A matriz é normalmente composta por resinas epoxídicas, fenólicas, poliéster ou viniléster, que podem ser misturadas com elementos secundários para obter determinadas características (diferente cor, melhor resistência ao fogo, etc.). O reforço de fibras, por sua vez, é normalmente composto pela combinação de mechas unidirecionais e mantas bi- ou multidirecionais. A Tabela 1 apresenta as propriedades comuns dos perfis pultrudidos em GFRP, de especial interesse para o engenheiro projetista de estruturas, enquanto a Figura 1 compara o comportamento tensão-extensão destes materiais com outros materiais estruturais. Tabela 1 Propriedades típicas de perfis GFRP (adaptado de [2]). Propriedade Direção Longitudinal Transversal Resistência à tração (MPa) 200-400 50-80 Resistência à compressão (MPa) 200-400 70-140 Resistência ao corte (MPa) 25-30 Módulo de elasticidade (GPa) 20-40 5-9 Módulo de distorção (GPa) 3-4 Coef. de Poisson (-) 0.23-0.35 0.09-0.15 Figura 1 Relação extensão tensão: perfis pultrudidos GFRP e outros materiais. 3. APLICAÇÕES O potencial dos perfis GFRP como material estrutural e as suas vantagens em relação 2
aos materiais tradicionais, em particular o seu baixo peso e durabilidade melhorada, têm tornado este material estrutural cada vez mais atrativo para aplicações em pontes e edifícios. A título de exemplo, apresenta-se na Figura 2 a ponte basculante de Bonds Mill no Reino Unido, construída em 1994 inteiramente com perfis pultrudidos em GFRP. Neste caso paradigmático, a primeira ponte rodoviária inteiramente em GFRP no Reino Unido, a leveza do material estrutural permitiu a redução significativa dos custos com a maquinaria que faz o levantamento da ponte. Mais recentemente em Portugal (Viseu) foi construída uma ponte pedonal mista GFRP-aço recorrendo a perfis pultrudidos, ilustrada na Figura 3. Figura 2 - Ponte basculante de Bonds Mill [4]. Figura 3 - Ponte pedonal mista GFRP-aço (cortesia do Eng. Mário Sá). O primeiro edifício com estrutura inteiramente em perfis pultrudidos de GFRP foi o edifício Eye Catcher em Basileia, na Suíça (Figura 4). Desde aí a utilização destes elementos em estruturas de edifícios tem vindo a aumentar, apresentando-se como exemplo da sua aplicação em Portugal os passadiços técnicos do Oceanário de Lisboa (Figura 5). Estas estruturas são suportadas pela cobertura do edifício que é autoportante. Nesse sentido, a leveza do material (para além da sua durabilidade em ambientes corrosivos) foi determinante para a sua escolha nesta aplicação. 3
Figura 4 - Edifício Eye Catcher [5]. Figura 5 - Passadiços técnicos do Oceanário de Lisboa (cortesia do Eng. Armando Ruano) [6]. 4. DESAFIOS PARA O FUTURO Apesar da competitividade do material GFRP e das suas vantagens face aos materiais tradicionais quando são considerados os custos de ciclo-de-vida, a verdade é qua ainda não há uma verdadeira aceitação destes elementos como materiais estruturais por parte da comunidade da construção civil em geral e, em particular, por parte dos engenheiros projetistas de estruturas. Para combater este facto têm sido determinantes as investigações científicas levadas a cabo pelas Universidades Portuguesas, em particular pelo Instituto Superior Técnico e pela Universidade do Minho. Por outro lado, surgem agora novos grupos de projetistas que fazem do seu conhecimento destes materiais uma mais-valia que os destaca da demais concorrência. Em resumo, a tendência crescente da utilização estrutural do GFRP faz antever que nas próximas décadas a utilização destes materiais se generalize, quer em estruturas inteiramente em GFRP, quer em estruturas mistas GFRP-betão ou GFRP-aço. 4
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ASCE. 2013 Report Card for American's Infrastructure. Sítio on-line: http://www.infrastructurereportcard.org/, visited in 10/10/2014. [2] Correia JR. GFRP Pultruded Profiles in Civil Engineering: Hybrid Solutions, Bonded Connections and Fire Behaviour, Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, 2008. [3] Bank LC. Composites for construction: Structural design with FRP materials. John Wiley & Sons, Inc., Nova Jersey, 2006. [4] M. Vasile. Sítio on-line da Mogapan: http://www.mogapan.ro/, consultado em 21/8/2014. [5] Composite Construction Laboratory (CCLAB). Sítio on-line: cclab.epfl.ch/, consultado 14/8/2014. [6] Sociedade Técnica de Estruturas Pultrudidas (STEP). Sítio on-line: www.step.pt, consultado em 25-11-2014. 5