Ana Karla Brum Domiciano Graduado em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Izabela Hendrix (CEUNIH),

9 Análise critica do reforço estrutural com polimero reforçado com fibra de carbono em pilares de concreto armado submetidas à compressão: estudo de caso Ana Karla Brum Domiciano Graduado em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Izabela Hendrix (CEUNIH), anakarlabrum@yahoo.com.br Elieza Alves Pena Graduado em Engenharia Civil pelo Centro Universitário Izabela Hendrix (CEUNIH), elieza.pena@gmail.com Elizeth Rodrigues Machado Mestre em Engenharia de Estruturas pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) elizeth.machado@izabelahendrix.edu.br DOI: http://dx.doi.org/ 10.15601/2359-5302/ptr.v2n1p126-140 Resumo O aparecimento de problemas patológicos em estruturas de concreto armado indica que houve falhas durante uma ou mais fases do processo de construção, tais patologias podem ser reparadas sem a necessidade da substituição da peça através de sistemas de reforço estrutural. O uso dos compósitos com fibras de carbono surgiu da necessidade de uma tecnologia que possua características inovadoras. O presente trabalho consiste em analisar através de um estudo de caso, a viabilidade da fibra de carbono em estruturas submetidas à compressão. Para isso foi realizado o dimensionamento do reforço de um elemento estrutural com o uso da fibra de carbono, conforme prescrições das normas estadunidense do American Concrete Institute ACI318R-95 e ACI440-2000, uma vez que o Brasil não possui uma norma que regulamente seu uso. Como resultado encontrou-se um total de dezoito camadas de fibra de carbono para que o sistema a ser reforçado resista à carga solicitante. Concluindo, para o estudo de caso em questão, que o compósito com fibra de carbono não é uma alternativa de reforço, devido à grande quantidade de camadas necessárias para resistir à carga solicitante. Palavras-chave: Fibra de Carbono, Reforço Estrutural, Compressão e Pilares Curtos. 1 Introdução Com a crescente demanda de estruturas de concreto armado e o perecimento ao longo do tempo de sua concepção inabalável, tem-se a necessidade de restabelecer as condições 126

originais das estruturas danificadas, recuperando-as, ou promovendo adequações da capacidade resistente das estruturas em função do uso, reforçando-as (REIS, 2001). Salienta-se que, é necessário conhecer as técnicas de reforços aplicáveis que, além da eficiência estrutural, tragam viabilidade em relação ao custo e tempo. Atualmente são usadas técnicas de reforço com emprego de concreto armado, chapas metálicas e sistemas de fibra de carbono, sendo que a melhor escolha fica condicionada ao tipo de esforços a que estrutura está submetida (SALIBA JÚNIOR, 2008). O polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC) como reforço estrutural surgiu da necessidade de inovação na construção civil, Segundo Souza e Ripper (2009), seu estudo começou no Japão diante da ausência um material que suportasse os abalos sísmicos existentes no país, e por possuir características como desempenho mecânico, alta resistência à flexão e ao cisalhamento e elevada rigidez, viu-se cada vez mais estudos sobre este sistema. O PRFC apresenta ainda um bom comportamento à fadiga, uma elevada resistência a ataques químicos, não sofre corrosão por ser um material inerte, possui uma leveza extrema devido ao seu baixo peso específico e ainda, seu antimagnetismo, o possibilita atuar em locais específicos. Como limitações, as estruturas reforçadas com a fibra de carbono apresentam baixa resistência ao fogo, comportamento linear-elástico até a ruptura, e alto custo comparado às demais técnicas de reforço (MACHADO, 2010). Visto isso, o presente trabalho busca analisar, através de um estudo de caso, a viabilidade do uso dessa técnica de reforço estrutural em pilares submetidos à compressão. 2 Referencial teórico 2.1 Reforço estrutural A NBR 6118 (ABNT, 2014) preconiza que uma estrutura ou parte dela atinge um estado limite quando se torna inutilizável ou quando deixa de satisfazer as condições para sua utilização. São requisitos esperados para uma edificação, que a estrutura deva reunir condições adequadas de segurança, funcionalidade e durabilidade, de modo a atender todas as necessidades para as quais foi projetada. 127

Ainda segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014), o estado limite último (ELU) é aquele relacionado ao colapso ou a qualquer outra forma de ruína estrutural que determine a paralisação, no todo ou em parte, do uso da estrutura. O estado limite de serviço (ELS) é aquele relacionado ao conforto do usuário e à durabilidade, aparência e boa utilização das estruturas sejam em relação aos usuários, às máquinas e aos equipamentos suportados pelas estruturas. A execução realizada com todos os controles de qualidade, o correto dimensionamento, o uso adequado da estrutura e a manutenção periódica da mesma, são condições ideais para prolongamento da vida útil do concreto armado, porém, se houver falha em alguma dessas etapas e decorrer algum processo de degradação da estrutura, deve-se proceder a sua recuperação renovando ou aumentando sua segurança (REIS, 2001). Segundo Oliveira (2013), os problemas patológicos têm suas origens motivadas por vários fatores dentre eles, falhas durante o projeto: má avaliação das cargas atuantes, detalhamento errado ou insuficiente, inadequação ao ambiente, imprecisão nas juntas de dilatação; falhas na utilização: alterações estruturais, sobrecargas exageradas, alterações nas condições do terreno; ações mecânicas: recalque de fundação, acidentes imprevisíveis; ações físicas: variação de temperatura, insolação, atuação da água; ações químicas; ações biológicas. A qualidade obtida em cada etapa tem sua devida importância no resulto final do produto. Diante das possíveis causas de deterioração do concreto, surge à necessidade de uma investigação, buscando um histórico da obra antes de iniciar o projeto de recuperação e reforço da mesma, este histórico é composto por projetos estruturais, plantas, memórias de cálculo e especificações de materiais (REIS, 2001). 2.2 Reforço com fibra de carbono A obtenção das fibras de carbono segundo Souza e Ripper (2009), se dá por meio do tratamento térmico dos polímeros orgânicos derivados do petróleo e/ou carvão, e pode ser resumido em dois ciclos: o primeiro ciclo é a oxidação sob temperaturas de 200 ºC a 300 ºC; o segundo é a carbonização, onde a temperatura pode chegar até 1500 ºC. Nesses processos, os átomos de hidrogênio são removidos enquanto o oxigênio é adicionado, e quanto maior for à 128

temperatura, maior módulo de elasticidade da fibra. Ao final, têm-se átomos de carbono alinhados e organizados garantindo maior resistência mecânica ao material. Ainda segundo Souza e Ripper (2009), a fibra de carbono sozinha não tem eficiência alguma como reforço estrutural, já que elas não resistem isoladamente à compressão longitudinal ou a esforços transversais. Desta maneira, seu emprego torna-se possível, mediante a utilização de matrizes, constituídas pelas resinas epóxi, estas responsáveis por envolver completamente a fibra, proporcionando proteção mecânica e mantendo as fibras posicionadas no elemento estrutural reforçado, compondo o que é denominado polímero reforçado com fibra de carbono. O reforço de pilares e colunas pode ser feito de duas maneiras distintas, tanto pelo aumento de sua resistência à flexão, quanto por aumento da sua resistência à compressão axial, através do confinamento, sendo esta última a mais utilizada em estruturas submetidas à compressão, pois produz um ganho na ductilidade e um aumento na resistência do concreto através da pressão lateral exercida, entretanto esse reforço só será eficiente em pilares considerados curtos, ou seja, com esbeltez menores que 40 (MACHADO, 2010). Sob a aplicação de uma força axial de compressão, os pilares reagem induzidos pelo efeito de Poisson, conforme observado na Figura 1, surgindo deformações devido à expansão lateral do concreto. Um confinamento eficiente será alcançado através da orientação correta das fibras de carbono (CARNEIRO, 2004). Figura 1 Pilar de seção circular submetido à compressão Fonte: CARRAZEDO (2005). As fibras dispostas transversalmente ao eixo longitudinal do elemento aumentam a resistência axial e a capacidade resistente à compressão do concreto armado. Além disso, a pressão lateral exercida pelo confinamento fornece um suporte adicional contra a flambagem das 129

armaduras longitudinais, comportando-se similarmente aos estribos. Já as fibras dispostas longitudinalmente, não devem se considerada para o confinamento (MACHADO, 2010). Segundo Carrazedo (2005), quanto maior o número de camadas de fibras no reforço, maior será a resistência da estrutura, entretanto, um aumento exagerado de camadas, não resultará em um aumento da resistência na mesma proporção. Para garantir a perfeita resistência do PRFC como reforço estrutural, a execução da técnica requer uma sequência executiva correta, começando pela limpeza da superfície, que tem por objetivo remover poeira, pó, substâncias oleosas e graxas, corrigindo as irregularidades e deixando a superfície lisa, para que haja uma perfeita aderência entre o PRFC e a estrutura. Em seguida, em casos de pilares com sessões retangulares faz-se necessário o arredondamento das arestas, o que promove maior resistência ao sistema de confinamento pelo PRFC. Finalizando, tem-se a aplicação do imprimador (primer), com a finalidade de reduzir a porosidade do concreto, a aplicação da resina de colagem e a aplicação da fibra de carbono, seja como manta ou como lâmina. Caso tenha mais de uma camada da fibra, repetir a camada de resina e por último a aplicação da película de acabamento que tem por objetivo a proteção contra a corrosão e bem como, o acabamento estético das estruturas (FORTES, 2000). Quanto as especificações e normas, segundo Garcez (2007) a necessidade de elaboração das mesmas surgiu com a crescente demanda do uso do sistema de reforço com PRFC, com o objetivo de garantir aos projetistas e aos usuários maior segurança. Alguns países como Japão, Canadá e Estados Unidos desenvolveram ao longo dos últimos anos normas e especificações sobre o dimensionamento e reforço estrutural com PRFC, entretanto o Brasil ainda não possui nenhuma norma técnica que regulamente seu dimensionamento. 3 Metodologia O presente trabalho é classificado como de natureza aplicada, pois tem como principal objetivo avaliar a viabilidade do uso da fibra de carbono em estruturas submetidas à compressão através de um estudo de caso. Os objetivos do trabalho são de ordem explicativa, uma vez que visa à caracterização de uma dada realidade. 130

Este trabalho apresenta um estudo da viabilidade do uso do PRFC como reforço estrutural em pilares curtos, baseado em um estudo de caso, em que foi apresentada, através de dimensionamentos e de um referencial teórico consistente, a possibilidade do uso desta técnica de reforço. 3.1 Caracterizações da pesquisa Para a realização do estudo, foi procedida uma revisão bibliográfica baseada em livros e manuais técnicos, bem como em sites científicos e Google acadêmico, utilizando as seguintes palavras chaves: concreto armado, fibra de carbono e reforço estrutural, em que se buscou conhecer o uso da técnica de reforço estrutural com PRFC aplicado em pilares e colunas curtas, bem como as características da fibra. A coleta de dados deste trabalho foi feita a partir de um projeto de reforço estrutural. Os dados para o estudo foram disponibilizados por uma empresa especialista em cálculo estrutural, aqui denomidada Empresa X, que elaborou o projeto de reforço dos pilares. Tratase da construção de um Hospital da rede particular, localizada na região centro-oeste da cidade de Belo Horizonte, Minas Gerais, em que foi constatada a necessidade de reforçar dois elementos estruturais (pilares), devido à baixa resistência característica à compressão (fck) do concreto destes pilares. A partir da análise do relatório técnico do reforço do pilar em questão, foi constatado o uso da técnica de adição de armadura combinada com a fibra de carbono, devido a uma premissa de projeto em que os reforços projetados deveriam, na medida do possível, preservar as formas geométricas destes pilares nos respectivos níveis, com o mínimo de interferência na circulação interna do edifício, por se tratar da garagem do mesmo. O estudo de caso apresentado buscou mostrar através do dimensionamento do reforço com PRFC, à viabilidade de utilizar esta técnica de reforço em um pilar submetido à compressão. O dimensionamento foi feito conforme prescrições das normas estadunidenses do American Concrete Institute ACI318R-95 (Building code requirements for structural concrete) e ACI440-2000 (Guide the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for 131

Strengthening Concrete Structures), conforme recomenda Ari de Paula Machado em seu Manual de reforço de estruturas de concreto armado com fibra de carbono. Seguem as etapas do dimensionamento realizadas nesse estudo de caso: Inicialmente, foram coletados os dados do elemento estrutural (pilar) de seção transversal circular conforme documento técnico fornecido pela Empresa X. O pilar possui as seguintes características, apresentadas na Tabela 1: Tabela 1 Características do elemento a ser reforçado Diâmetro Pé direito Força axial de compressão solicitante de cálculo (P d ) Aço CA50 Armadura longitudinal existente f CK de projeto f CK remanescente Fonte: Elaborado pelas autoras (2015). 80 cm 396 cm 15.000 kn 500 Mpa 20 barras de diâmetro 25 mm 50 Mpa 25 Mpa Foram coletados também os dados do material usado como reforço, que segundo o documento técnico, foi usado um tecido de fibra de carbono unidirecional, projetado para aplicações por processos úmidos ou secos, SIKA WRAP HEX 300C da Sika. As características da fibra de carbono, conforme Ficha Técnica (Sika, 2013), são apresentadas na Tabela 2: Tabela 2 Características da fibra de carbono. Gramatura da fibra de carbono 304 g/m 2 + 10 g/m 2 Espessura do tecido 0, 167 mm Densidade da fibra 1,82 g/cm3 Resistência à tração 4.000 Mpa Módulo de elasticidade 230.000 Mpa Alongamento na ruptura 1,7% Fonte: Adaptado de SIKA (2015). A partir análises dos dados anteriores, iniciou-se o dimensionamento do reforço, que consistiu em calcular o aumento da resistência axial do pilar proporcionado pelo confinamento com reforço com PRFC. Vale ressaltar que este reforço só será eficiente em pila res curtos, ou seja, 132

com índice de esbeltez (λ) menor que 40. Portanto, primeiramente foi verificado se o elemento em questão tinha a esbeltez dentro da faixa permitida, através da expressão abaixo: (1) em que, l e é o comprimento de flambagem; d é o diâmetro do pilar. A segunda etapa de cálculo consistiu na determinação da pressão lateral de confinamento devido ao PRFC, obtida pela expressão abaixo: (2) em que, é o número de camadas; é a espessura da fibra de carbono; é o coeficiente de redução da fibra de carbono sendo sempre igual a 1; é o diâmetro do pilar; é a tensão de tração, que é calculada através da seguinte fórmula: (3) em que, é a deformação transversal igual a 0,004 para fibra de carbono; E é o módulo de elasticidade longitudinal da fibra de carbono. 133

A terceira etapa do dimensionamento consistiu em calcular o aumento da resistência à compressão do pilar decorrente do confinament do concreto, a partir da seguinte expressão: (4) Finalmente, com os dados calculados anteriormente, a carga de compressão resistente de cálculo para uma coluna reforçada com o polímero reforçado com fibra de carbono foi calculada pela expressão abaixo: (5) Em que, é a área da seção transversal da coluna do pilar; é a área da seção transversal da armadura longitudinal; é o coeficiente de redução; é o coeficiente adicional de redução da resistência que para reforços com sistema de fibra de carbono igual a 0,95; é a tensão características de escoamento do aço CA50. O dimensionamento anterior foi realizado para tantas camadas de PRFC quanto foram necessárias para atender ao critério de segurança ϕpn Pd. Os resultados obtidos são apresentados no próximo itém. 4 Resultados e discussão A partir da análise dos resultados, verificou-se que para o pilar submetido à compressão deste estudo de caso, o uso da técnica de confinamento com PRFC não é viável, devido a grande quantidade de camadas necessárias para que o pilar resista à carga solicitante de projeto. O 134

dimensionamento foi realizado conforme prescrições da norma ACI318R-95 (Building code requirements for structural concrete) e ACI440-2000 (Guide the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures), uma vez que não existe norma brasileira regulamentadora que prescreva um método de cálculo de reforço em estruturas de concreto com PRFC. Tabela 3 Cálculo do confinamento com fibra de carbono N de camadas Pressão lateral f 1 (kn/cm²) Aumento da resistência à compressão do concreto confinado com fibra de carbono f cc (kn/cm²) A g (cm²) A st. (cm²) (A g -A st ) (cm²) Força de compressão resistente de cálculo ϕ Pn (kn) 1 0,0384 2,7548 5.033,60 98,18 4.935,42 8.897,14 Não 2 0,0768 2,9920 5.033,60 98,18 4.935,42 9.426,67 Não 3 0,1152 3,2143 5.033,60 98,18 4.935,42 9.922,72 Não 4 0,1536 3,4235 5.033,60 98,18 4.935,42 10.389,68 Não 5 0,1921 3,6213 5.033,60 98,18 4.935,42 10.831,05 Não 6 0,2305 3,8089 5.033,60 98,18 4.935,42 11.249,68 Não 7 0,2689 3,9873 5.033,60 98,18 4.935,42 11.647,93 Não 8 0,3073 4,1575 5.033,60 98,18 4.935,42 12.027,77 Não 9 0,3457 4,3202 5.033,60 98,18 4.935,42 12.390,89 Não 10 0,3841 4,4761 5.033,60 98,18 4.935,42 12.738,71 Não 11 0,4225 4,6256 5.033,60 98,18 4.935,42 13.072,48 Não 12 0,4609 4,7694 5.033,60 98,18 4.935,42 13.393,29 Não 13 0,4993 4,9077 5.033,60 98,18 4.935,42 13.702,07 Não 14 0,5377 5,0411 5.033,60 98,18 4.935,42 13.999,68 Não 15 0,5762 5,1697 5.033,60 98,18 4.935,42 14.286,86 Não 16 0,6146 5,2940 5.033,60 98,18 4.935,42 14.564,27 Não 17 0,6530 5,4142 5.033,60 98,18 4.935,42 14.832,51 Não 18 0,6914 5,5306 5.033,60 98,18 4.935,42 15.092,12 Sim Fonte: Elaborado pelas autoras (2015). Atende? A partir da análise da Tabela 3, concluiu-se que foram necessárias 18 camadas de PRFC para que o pilar atingisse a resistência de cálculo à compressão suficiente para atender ao esforço de compressão solicitante de projeto. Além disso, percebeu-se que com uma camada, o aumento da resistência à compressão do concreto (f cc) alcançado com o uso do reforço com PRFC foi de 10,19%, com 18 camadas de fibra foi obtido um aumento de 121,22%. Carrazedo (2005) afirma em seu trabalho que obtém-se acréscimos na capacidade resistente à compressão entre 31 e 64% para uma camada de PRFC com espessura da ordem de 0,5mm, esta diferença pode ser justificada pelo método adotado na pesquisa de Carrazedo (2002), 135

onde os estudos foram baseados em testes com corpos de prova e pelo uso de fórmulas empíricas, ao passo que neste trabalho foi usada a formulação recomendada pelo ACI. Segundo Machado (2010), um desalinhamento das fibras ou uma aderência ineficiente pode ocasionar uma redução na resistência efetiva do sistema composto com PRFC. Neste estudo de caso não foi possível garantir a eficiência na aplicação das fibras devido à numerosa quantidade de camadas. Conforme Carrazedo (2005), quanto maior o número de camadas de fibras de carbono no reforço, maior será a resistência do elemento estrutural, entretanto, um aumento exagerado de camadas, não resultará em um aumento da resistência na mesma proporção. O presente estudo confirma esta afirmação, conforme apresenta o gráfico 1, para uma camada de fibra de carbono, o aumento da resistência à compressão do concreto foi de 10,19% em relação ao fck remanescente, para duas camadas este aumento é reduzido para 9,49%, conclui-se que o aumento não foi na mesma proporção. Gráfico 1 Diferença do percentual de resistência com o aumento do número de camadas Fonte: Elaborado pelas autoras (2015). Outra análise que pode ser feita é em relação ao tamanho do diâmetro do elemento estrutural, Saraiva, Teixeira e Carneiro (2013) afirmam que quanto maior o diâmetro da seção transversal, menor será o efeito do confinamento. No estudo de caso em questão está afirmação é verdadeira, conforme evidenciado no Gráfico 2. Ao aumentar a seção do pilar de 80 cm para 100 cm, mantendo as mesmas características, o efeito do confinamento diminuiu consideravelmente. 136

Gráfico 2 Comparativo do efeito de confinamento entre diferentes diâmetros Fonte: Elaborado pelas autoras (2015). 5 Considerações finais O polímero reforçado com fibra de carbono como reforço estrutural surgiu como uma alternativa inovadora, seu uso em elementos solicitados à flexão é muito empregado atualmente, tendo sida comprovada sua eficiência por estudos e testes realizados. Entretanto seu uso para elementos submetidos à compressão é limitado, já que sua viabilidade ainda é questionável. Observou-se na literatura diversos trabalhos sobre o confinamento em pilares de concreto armado encamisados com PRFC, sendo que a maior parte destes trabalhos os resultados foram obtidos por meio de estudos experimentais, que em sua maioria indicam a eficiência do PRFC como reforço estrutural em elementos estruturais submetidas à compressão. Os resultados obtidos neste trabalho foram embasados conforme prescrições das normas estadunidense de dimensionamentos, e por isso, os resultados tendem a ser mais conservadores. Para o estudo de caso realizado, conclui-se que técnica de reforço com PRFC usada isoladamente se mostrou não viável para um pilar submetido à compressão, devido à grande quantidade de camadas necessárias para resistir à carga solicitante de projeto. O dimensionamento do reforço do elemento em estudo, com a carga solicitante de projeto igual à 15.000 kn, com fck remanescente de 25 MPa resultou em dezoito camadas de PRFC para resistir à carga solicitada, proporcionando um aumento da resistência à compressão do concreto (fck) para aproximadamente 50 MPa. 137

Vale salientar, que para cada elemento estrutural a ser reforçado é necessário que se façam análises críticas e um estudo aprofundado sobre o tipo de reforço e suas implicações, pois mesmo que o PRFC não seja viável para o estudo de caso apresentado neste trabalho, não significa que será ineficiente para outras situações de reforço. À vista disso, apesar do polímero reforçado com fibra de carbono possuir várias características e qualidades já estudadas, no Brasil, ainda é usado timidamente, sobretudo pela falta de uma norma técnica nacional e falta de divulgação deste assunto. Ainda que as normas técnicas internacionais sirvam de referência, há particularidades entre um ambiente e outro que só uma norma do próprio país tem condições de abordar. Critical analysis of structural strengthening with carbon fiber-reinforced polymers in concrete columns under compression: Abstract The onset of pathological problems in reinforced concrete structures indicates that there were failures during a stage of the construction process, since such pathological conditions can be repaired without replacing the defective piece by reinforced structure systems. The carbon fibers composite arose from the necessity of new technology whose characteristics were innovative. This study aims to analyze through a case study, the viability of carbon fiber in structural elements that are under compression. Thus, a reinforcement of a structural element has been designed by using carbon fiber, according to US regulations based on American Concrete Institute ACI318R-95 and ACI440-2000, once there are no Brazilian regulations for the use of carbon fibers in structure elements. As a result, it was found a total of eighteen layers of carbon fiber to ensure that the system to be strengthened will resist the requesting load. Finally for the case study mentioned above the composite carbon fiber is not an alternative reinforcement because of the number of layers required for such reinforcement. Keywords: carbon fibers, structural reinforcement, compression and Short Columns. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-6118: Projeto de Execução de Obras de Concreto. NBR-6118. Rio de Janeiro, 2014. CARNEIRO, Luiz Antônio Vieira. Reforço de vigas e pilares de concreto com materiais compósitos de resina e fibras. 2004. 405 p. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Civil) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2004. Disponível em: <http://www.coc.ufrj.br/index.php/teses-de-doutorado/148-2004/1003-luiz-antonio-vieiracarneiro#download>. Acesso em: 7 jun. 2016. 138

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