PILARES DE CONCRETO COM CANTOS ABAULADOS E ENCAMISAMENTO PARCIAL COM CFRP CONCRETE COLUMNS WITH ROUNDED CORNERS AND PARTIALLY STRENGTHENED WITH CFRP Iana Ingrid Rocha Damasceno (1); Leila Cristina Nunes Ribeiro (1); Leonyce Sousa dos Santos (1); Cristiano Comin (1); Dênio Ramam Carvalho de Oliveira (2) (1) Graduanda(o) em Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará (2) Professor Doutor, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará Rua Augusto Corrêa, Número 01. Guamá-Belém-Pará. CEP: 66075-970 Resumo São apresentados e discutidos os resultados experimentais para doze pilares de concreto à compressão axial, sendo que nove foram reforçados com material compósito de fibra de carbono (CFRP). Em todos os reforços foi utilizada uma faixa de tecido de fibra de carbono nas dos pilares. Dentre os pilares com seção quadrada, um foi para referência e os demais apresentaram cantos abaulados e dos pilares com seção retangular dois foram para referência e seis apresentaram cantos abaulados. A resistência à compressão do concreto foi de aproximadamente 30 MPa aos 28 dias de idade. O principal objetivo do trabalho foi avaliar a influência da variação do raio de abaulamento dos cantos dos pilares no desempenho dos reforços. Os pilares sem os cantos abaulados apresentaram resistência significativamente inferiores àquelas obtidas com os cantos abaulados. Palavra-Chave: Concreto Armado, Pilar, CFRP Abstract Experimental results for twelve concrete columns with rectangular cross section under axial compression are presented and discussed. Nine columns were strengthened with one layer of CFRP at their ends. The aim of this work was to evaluate the performance of strengthened columns with several rounded corners' radius. The experimental results showed that the rounded corner columns presented a better performance and ultimate resistance but still brittle failures. Keywords: Reinforced Concrete, Column, CFRP
1. INTRODUÇÃO As primeiras pesquisas utilizando reforço com CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) foram desenvolvidas no Japão, há aproximadamente 25 anos, devido aos problemas que o país enfrentava (e continua enfrentando) devido a abalos sísmicos. Usualmente os japoneses reforçam as dos pilares com fibra de carbono para enrijecer os nós das estruturas, reduzindo as vibrações nas estruturas e retardando assim a liquefação do solo durante os abalos sísmicos. Atualmente o reforço é instalado mesmo em estruturas novas para evitar que estas venham a ruir em virtude de abalos. Os Estados Unidos começaram a usar esse tipo de reforço em projetos aeroespaciais e, posteriormente, sua utilização se estendeu à indústria automobilística, como revestimento de automóveis de passeio e de competição, para a proteção dos pilotos em casos de colisões. O mercado brasileiro faz uso desta técnica há aproximadamente dez anos. Uma das primeiras aplicações foi no reforço estrutural do viaduto Santa Tereza, uma obra da prefeitura de Belo Horizonte. Atualmente, quatro empresas credenciadas distribuem sistemas de reforço estrutural com fibras de carbono no Brasil. O confinamento é uma das principais técnicas para reforço de pilares de concreto submetidos à compressão axial e excêntrica, trazendo-lhe diversos benefícios em seu comportamento estrutural. Porém, segundo SUDANO (2005), dependendo da forma da seção transversal o grau de eficiência do reforço pode variar devido à distribuição da pressão de confinamento. No caso de pilares de seção circular esta distribuição é uniforme. Assim, quanto mais próxima desta for a seção do pilar a ser reforçado, mais uniforme será a distribuição das pressões de confinamento e, conseqüentemente, maior será a eficiência do reforço. Já em pilares de seção quadrada ou retangular, existe a concentração de tensão nos cantos da seção transversal, o que, no caso de reforço por encamisamento com CFRP, pode causar a ruptura prematura da camisa, resultando em um reforço ineficiente. Assim, o presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência do raio de abaulamento dos cantos de pilares com seção transversal quadrada e retangular reforçados com CFRP na variação de suas resistências últimas. 2. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO CONFINADO De acordo com CARNEIRO et al. (2002) e TOUTANJI (1999) (apud SEIXAS e FILHO, 2003), o confinamento externo em pilares de concreto aumenta sua resistência à compressão e ductilidade, e tem sido aplicado com o objetivo de recuperá-los ou de aumentar sua capacidade resistente e, por este motivo, os sistemas de reforço com fibra de carbono vêm sendo largamente utilizados no reforço de estruturas de concreto. Em função destas vantagens, o confinamento é uma das principais técnicas para reforço de pilares de concreto. Expressões para avaliar a resistência do concreto de elementos de seção circular e quadrada confinados com compósitos de resina e fibras podem ser encontradas no ACI COMITTEE 440 (2001), e algumas são apresentadas na tabela 1.
Tabela 1 Expressões para estimar a resistência de pilares confinados (ACI, 2001) AUTOR TIPO DE SEÇÃO f cc (MPa) CIRCULAR ACI QUADRADA OU RETANGULAR Na tabela, f c0 é a resistência à compressão do concreto não confinado e f l é a tensão lateral de confinamento, dada por: f l ( ) t f f f b x + b y b x b y para seções quadradas e retangulares, onde: t f e f f = são a espessura e resistência à tração do material confinante, respectivamente; b x e b y = são as dimensões da seção transversal. Na expressão que inclui a tensão de confinamento lateral efetiva f le deve-se adotar: (1) f le =k 2.f l e k e 1 ( b x 2 r c ) 2 + b y 2 r c 3 A ( ) 2 (2) Onde: r c = é o raio do abaulamento dos cantos(cm); A = é a área da seção transversal do concreto confinado(cm), como mostra a figura 1. De acordo com SUDANO (2005), a distribuição das tensões de confinamento ao longo de seções transversais elípticas, ao contrário do que acontece com seções circulares, não é uniforme, portanto a eficiência do confinamento é reduzida se comparada com a que ocorre em pilares de seção transversal circular. Por esse motivo, a tensão de confinamento utilizada na previsão da tensão axial máxima deve ser substituída por uma pressão de confinamento efetiva. Essa estimativa utiliza uma área efetiva de concreto confinado correspondente a 60 %
da área bruta da seção transversal para pilares quadrados, podendo se utilizada também para pilares retangulares. 45º concreto não confinado r c compósito de fibras by bx Figura 1 Área de concreto efetivamente confinado para seção quadrada ou retangular (GUIMARAES et al., 2007) 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL 3.1 Características dos pilaretes O programa experimental contou com 12 (doze) modelos reduzidos de pilares (h=500 mm) ensaiados à compressão axial no Laboratório de Engenharia Civil da Universidade Federal do Pará, sendo que nove foram reforçados com material compósito de fibra de carbono (CFRP). Em todos os reforços foi utilizada uma faixa de tecido de fibra de carbono nas dos pilares com mm de largura. Dentre os pilares com seção transversal quadrada de 100 mm x 100 mm, um foi de referência e os demais apresentaram cantos abaulados e reforço. Dos pilares com seção transversal retangular de 120 mm x 100 mm e 150 mm x 100 mm, dois foram de referência e seis apresentaram cantos abaulados e reforço. A variação dos raios de abaulamento dos cantos, tanto nos pilares quadrados quanto nos retangulares, foi: r = 50 mm, r = 55 mm e r = 60 mm. Mais detalhes dos pilares são mostrados na figura 2 e apresentados na tabela 2. A figura 3 detalha os raios de abaulamento. Seção 100 mm x 100 mm Seção 100 mm x 120 mm Seção 100 mm x 150 mm PQR PRR01 PRR02 PQA01 PRA01 500 180 500 180 500 180 PRA04 PRA05 PQA02 PRA02 PQA03 PRA03 PRA06 Figura 2 Seção transversal e vista lateral dos pilaretes
Tabela 2 Características dos pilaretes Pilar Seção Raio (mm) Área (mm 2 ) Tipo de reforço CFRP PQR Quadrada - 1.0000 Sem reforço PQA - 01 Quadrada 50 7.854 PQA - 02 Quadrada 55 8.887 PQA - 03 Quadrada 60 9.509 PRR - 01 Retangular - 12.000 Sem reforço PRR - 02 Retangular - 15.000 Sem reforço PRA - 01 Retangular 50 9.854 PRA - 02 Retangular 55 10.946 PRA - 03 Retangular 60 11.509 PRA - 04 Retangular 50 12.854 PRA - 05 Retangular 55 13.887 PRA 06 Retangular 60 14.509 Figura 3 Quadrante demonstrativo dos raios de abaulamento dos pilares 3.2. Materiais 3.2.1. Concreto O concreto utilizado nos pilares foi dosado in loco empregando o cimento Portland CPII - Z 32. O agregado miúdo e o agregado graúdo utilizados foram a areia lavada de rio e o seixo fino com diâmetro característico de até 9,5 mm. Após 35 dias da moldagem foram realizados os ensaios de compressão axial e de determinação do módulo de elasticidade de
acordo com as normas NBR 5739 (ABNT,1994) e NBR 8522 (ABNT,2003), respectivamente, e os resultados são apresentados na tabela 3. 3.2.2. CFRP Tabela 3 Resistência à compressão e módulo de elasticidade do concreto CP f c (MPa) E sec (GPa) 01 46,4 37,3 02 47,1 36,2 03 49,3 37,1 Média 47,3 36,9 O sistema utilizado para reforçar os pilares foi o MFC-130, distribuído no Brasil pela empresa Rogertec. O tecido é formado por fibras de carbono unidirecionais orientadas na direção longitudinal. É fornecido comercialmente em rolos de 500 mm de largura e possui massa igual a 225 g/m². O sistema de reforço estrutural MFC-130 é composto por três componentes principais: o primer epóxico, o adesivo epóxico estruturante e a manta de fibra de carbono. As tabelas 4 e 5 mostram as principais propriedades dos componentes do sistema de reforço utilizado, de acordo com os dados fornecidos pelo fabricante e repassados pelo distribuidor. Tabela 4 Propriedades do primer e do epóxi estruturante Propriedades Primer Epóxi estruturante Resistência à tração 12 MPa 57 MPa Deformação na tração 1 a 3 % 2,40 % Módulo à tração 687 MPa 2.998 MPa Resistência à flexão 26 MPa 131 MPa Módulo à flexão 570 MPa 3.684 MPa Resistência à compressão 20 MPa 81 MPa Módulo à compressão 619 MPa 2.560 MPa Tabela 5 Propriedades da fibra de carbono Propriedades Fibra Densidade da fibra 1,82 g/cm 3 Resistência á tração Módulo á tração 3,55 x 10 3 MPa 2,35 x 10 5 MPa Espessura 0,165 mm Relação densidade/peso/área 300 g/m 2 Alongamento último 1,50 % Largura 500 mm
XXXIV Jornadas Sul-Americanas de Engenharia Estrutural San Juan Argentina 3.3. Sistema de Ensaio Após 36 dias de suas respectivas moldagens, os pilares foram submetidos a ensaios de compressão axial em uma máquina hidráulica servo-controlada com capacidade de 2.000 kn, da marca AMSLER, como mostra a figura 4. Os pilaretes tiveram suas niveladas com o auxílio de uma esmerilhadeira, para a retirada de qualquer protuberância que viabilizasse elevadas concentrações de tensões e a conseqüente ruptura precoce do concreto durante os ensaios. Foi então aplicado um pré-carregamento em cada pilarete para acomodação do sistema de ensaio e, posteriormente, passos de carga de 10 kn. Figura 4 Pilaretes posicionados para ensaio 3.3.1. Execução do reforço Foram adotadas as recomendações do fabricante na execução de cada reforço. Foi realizada a limpeza da superfície dos pilaretes para remoção de poeira (jato de ar comprimido), graxas e outros materiais que pudessem prejudicar a aderência e o desempenho
dos reforços. O comprimento estabelecido para a fibra de carbono correspondeu a uma vez e meia o perímetro da seção transversal para todos os pilaretes, quadrados e retangulares. Figura 5 Processo de execução dos reforços dos pilaretes. 4. RESULTADOS Os valores obtidos nos ensaios de compressão axial dos pilares (F u ) encontram-se na tabela 6. Observou-se que, como era esperado, para o pilar se seção quadrada com raio de abaulamento de 50 mm o ganho de resistência e ductilidade fosse expressivo, levando em consideração que a área bruta desse pilar é significativamente menor que a área do pilar de referência. Estes pilares, com um raio de abaulamento de 50 mm, apresentaram os melhores resultados quando comparados com os raios de 55 mm e 60 mm. O raio de abaulamento de 55 mm não apresentou ganho de resistência em relação aos pilares de referência, tanto para o pilar quadrado quanto para os retangulares. Provavelmente o reduzido ganho de resistência para os pilares de seção transversal retangular com os cantos abaulados tenha minimizado a influencia dos raios de abaulamento, devido à dificuldade de propagação de tensões de confinamento em seções elípticas ou similares, como apresenta SUDANO (2005). A tabela 7 apresenta as forças de ruptura estimadas em relação às recomendações pelo ACI COMITTEE 440 (2001). Os resultados foram comparados utilizando a relação F u /F cc, sendo F cc a força estimada pela norma americana A figura 6 mostra o aspecto dos pilaretes após a ruptura.
Tabela 6 Cargas e modos de ruptura dos pilares Pilar F u (kn) Ganho (%) Pilar F u (kn) Ganho (%) Pilar F u (kn) Ganho (%) PQR 316.0 - PRR - 01 478.0 - PRR - 02 496.0 - PQA - 01 472.0 49,4 PRA - 01 564.0 18,0 PRA - 04 580.0 16,9 PQA - 02 375.0 -- PRA - 02 402.0 -- PRA - 05 415.0 -- PQA - 03 457.0 21,9 PRA - 03 518.0 28,9 PRA - 06 496.0 19,5 Tabela 7 Relação entre a carga última experimental e a carga última estimada Pilar F cc (kn) F u /F cc PQR 300.0 0,67 PQA - 01 596.0 0.60 PQA - 02 436.0 0.65 PQA - 03 461.1 0,75 PRR - 01 360.0 0,84 PRA - 01 467.0 0,92 PRA - 02 520.0 0.60 PRA - 03 545.7 0,72 PRR - 02 450.0 0,70 PRA - 04 571.0 0,77 PRA - 05 624.0 0.50 PRA - 06 656.3 0.57
Figura 6 Aspecto dos pilaretes após os ensaios. 5. CONCLUSÕES Os pilares com raio de abaulamento de 50 mm apresentaram os melhores rendimentos do reforço em relação aos pilares de referência, considerando-se que este raio é o que provoca a maior subtração de área bruta do pilar. O pilar PQA-01, com seção transversal muito próxima da circular, apresentou um rendimento de 49,4 %. Para os pilares com raio de abaulamento de 55 mm, não foi verificado ganho de resistência. Os pilares com raio de abaulamento de 60 mm apresentaram um rendimento intermediário, considerando que esse raio de abaulamento é o que tem a menor subtração de área bruta do pilar. Os resultados dos três raios de abaulamento corroboram os resultados que indicam que o reforço de pilares com seção circular é mais eficiente que aquele em pilares de seção quadrada e retangular, e demonstram claramente que o rendimento do reforço diminui com o aumento da relação b x /b y.
6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao ITEGAM, CNPq, FAPESPA e CAPES pelo apoio financeiro no desenvolvimento desta e de outras pesquisas na Região Norte do Brasil. 7. REFERÊNCIAS Aci Committee 440. Guide for The Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute, 113p., October, 2001. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5739: Concreto Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de janeiro, 1994. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8522: Concreto Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão deformação. Rio de janeiro, 2003. Carneiro, L. A. V., et al. Comportamento de pilares de concreto confinados externamente com materiais compósitos de resina e fibras, 44º Congresso Brasileiro do Concreto. Belo Horizonte, 2002. Ferreira, D. Elementos de pilar de betão armado confinados com Sistemas de CFRP submetidos a carregamento cíclico de Compressão. Rio de janeiro, RJ Brasil, abril de 2002. Guimarães, A. M. P.; Aguiar, A. J. O.; Oliveira, D. R. C. Análise experimental de pilares reforçados com CFRP, 49 Congresso Brasileiro de Concreto. Bento Gonçalves, 2007. Machado, A. P. Reforço de estruturas de concreto armado com fibras de carbono. PINI, São Paulo, 2002. Queiroga, M. V. M. Análise experimental de pilares de concreto de alto desempenho submetidos à compressão simples. São Carlos 1999. Seixas, M. P.; Filho, A. C. Estudo de pilares esbeltos de concreto armado confinados, através do método de elementos finitos, 45º Congresso Brasileiro do Concreto. Vitória, 2003. Sudano, A. L. A influência da forma da seção transversal no confinamento de pilares de concreto armado encamisados com PRFC (polímero reforçado com fibra de carbono). Dissertação de mestrado em Engenharia. EESC/USP. São Paulo, 2005, 147 p. Takeuti, A. R. Reforço de pilares de concreto armado por meio de encamisamento com concreto de alto desempenho. Dissertação de mestrado em Engenharia de Estruturas. São Carlos 1999.