REFORÇO DE PILARES COM CHAPAS DE AÇO COLADAS E SOLDADAS ESTUDO DE CASO

REFORÇO DE PILARES COM CHAPAS DE AÇO COLADAS E SOLDADAS ESTUDO DE CASO F. E. K. FALKEMBERG M. R. GARCEZ Eng. Civil Prof. Eng.ª Civil UNISINOS UFRGS Porto Alegre; Brasil Porto Alegre; Brasil falkemberg@hotmail.com mrgarcez@hotmail.com RESUMO A necessidade de se reforçar uma estrutura pode ocorrer a partir do momento que se verifica que um determinado elemento estrutural não é capaz de suportar um aumento nos esforços solicitantes oriundos de alterações na concepção original da estrutura. Esse aumento no carregamento original pode ocorrer pelo aumento do carregamento atuante com o passar dos anos, por modificações executadas na estrutura depois de acabada ou até mesmo durante sua construção, entre outros. O presente trabalho tem como objetivo apresentar uma discussão sobre a execução de reforço de pilares de concreto armado com chapas de aço coladas com resina epóxi e soldadas, na forma de um estudo de caso. A edificação em estudo necessitou a execução de reforço estrutural antes mesmo de entrar em carga, devido à alterações no projeto original, que ocorreram durante a execução da obra. A técnica de reforço apresentada neste trabalho se mostrou uma ótima alternativa para execução rápida que era necessária, pois mesmo com algumas dificuldades logísticas de movimentação e instalação das peças junto aos pilares, apresentou grande produtividade e qualidade no resultado final. Palavras-chave: chapa de aço, reforço, concreto. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos verifica-se que a construção civil está bastante voltada ao tema da durabilidade das estruturas, buscando incessantemente a qualidade das obras. No entanto, é observado que determinadas manifestações patológicas ainda persistem e que os métodos disponíveis para sua prevenção e correção necessitam de aperfeiçoamentos. As causas que originam as manifestações patológicas podem ser das mais variadas, desde erros de projeto, cargas não previstas, corrosão das armaduras, variações térmicas, agentes químicos e biológicos, e agentes atmosféricos, dentre outros. As estruturas de concreto armado, apesar do rápido desenvolvimento, possuem métodos e técnicas de reabilitação que são baseadas muitas vezes na experiência empírica acumulada, pois os problemas encontrados nos processos de reabilitação são enfrentados distintamente através das próprias especificidades. O reforço estrutural geralmente é tratado como uma intervenção com a função de aumentar a capacidade resistente dos elementos estruturais previstos inicialmente no projeto original de uma estrutura. A necessidade de reforço estrutural pode estar associada a diversas situações, dentre as quais pode-se citar as seguintes: Correção de anomalias decorrentes de deficiências de projeto ou de construção; Degradação dos materiais estruturais provocada pelos agentes atmosféricos; Degradação da estrutura devido a assentamentos de apoio; Modificação da geometria da estrutura; Modificação das ações, seja devido a nova regulamentação ou nova utilização, ou seja resultado de ações acidentais (choques, explosões, incêndios, etc.); Aumento do nível de segurança da estrutura. Entre as diversas técnicas existentes para o reforço de estruturas, pode-se destacar as que empregam concreto convencional, argamassa com adições, chapas de aço coladas com resina epóxi ou polímeros reforçados com fibras (PRF). 1

Visando contribuir para uma melhor compreensão dos reforços em estruturas de concreto armado, o presente trabalho tem o objetivo de apresentar as práticas executivas de reforço de pilares por meio de chapas de aço coladas e soldadas, a partir de estudo de caso para explorar os conceitos utilizados, assim como verificar na literatura sua correta execução. A metodologia utilizada consiste em registros fotográficos do acompanhamento da execução de uma obra de reforço estrutural de determinada edificação que teve a necessidade de alteração de projeto após a obra ser retomada, pois com o passar do tempo, verificou-se que os usos previstos para a edificação sofreram adaptações. Ainda, apresenta considerações acerca da técnica envolvida para o reforço, levando-se em conta o estudo técnico e econômico para viabilizar o investimento. 2. REFORÇO COM CHAPAS DE AÇO 2.1 Chapas de aço Segundo [1], desde os anos 60 que a técnica de reforço de elementos estruturais com chapas metálicas coladas é utilizada na África do Sul, no Japão, e em alguns países da Europa. As chapas e perfis metálicos são muito utilizados na reabilitação de estruturas, principalmente em vigas e pilares deteriorados. No caso de reabilitação de vigas e pilares, geralmente usa-se elementos metálicos laminados, chapas ou cantoneiras. Para a execução de reforço com chapas coladas, é necessária a utilização de pessoal capacitado, qualificado, instruído e responsável, visto a importância de todas as etapas executivas. Devem ser tomados os cuidados necessários para a preparação da superfície que receberá o reforço, na qual a mesma deve ser limpa, assim como a chapa de aço. Ainda, deve-se observar a regularidade das superfícies, qualidade e quantidade do adesivo utilizado para o reforço, bem como a realização eficaz da cura do elemento reforçado. A eficiência deste tipo de reforço está condicionada à realização minuciosa e criteriosa de cada uma das etapas descritas. O método de reforço em estruturas de concreto armado com chapas de aço coladas com resina epóxi é um sistema rápido, com insignificante aumento de seção, de fácil execução, mesmo exigindo cuidados especiais em relação ao projeto e execução [2] As chapas metálicas devem ser submetidas à decapagem, de modo a potencializar ao máximo sua capacidade de aderência. A decapagem pode ser realizada através de jato de areia ou lixamento elétrico ou mecânico. No final do processo de reforço tem-se um elemento estrutural composto por concreto-resina-aço, possibilitando à estrutura uma resistência maior ao esforço cortante e ao momento fletor. Isso torna o pilar mais rígido, resultando em pequena deformação antes de iniciar um eventual colapso. É de fundamental importância que a resina utilizada para fazer a colagem concreto-aço seja de qualidade comprovada e a superfície do concreto e do aço sejam preparadas adequadamente. 2.2 Resina Epóxi São muitas as resinas sintéticas usadas na construção civil, e as que mais se destacam, devido à frequente utilização, são as resinas de poliéster, acrílicas, poliuretanos e as resinas epóxi. Epóxi são monômeros ou pré-polímeros que reagem com endurecedores, visando-se formar materiais termofixos de alta performance. Possuem características muito variáveis, de acordo com as características do monômero ou da mistura com o catalisador ou de agentes de cura que tenham sido empregados na reação. As resinas epoxídicas são as mais utilizadas no Brasil, pois resultam de dois componentes, a epicloridrina e o bisfenol. As características destas resinas são determinadas de acordo com as proporções destes dois materiais, e com isso é possível dosar uma resina e obter-se as características distintas para determinadas aplicações. De acordo com[3], as formulações epoxídicas utilizadas como ligantes não são sensíveis à umidade e por esta razão são utilizadas para combater a corrosão das barras das armaduras. Estas formulações têm boa aderência à maioria dos materiais, como concreto, argamassas e aço, mas não aderem a superfícies sujas de ceras, graxas ou óleos ou a materiais desagregados. 2

As resinas epóxi necessitam de outro elemento para que venham a reagir. Esses elementos são chamados de catalisadores ou agentes de cura. A resina e o catalisador possuem características físicas e químicas que são de fundamental importância para a recuperação e o reforço de estruturas. Como características que tornam este adesivo um material com qualidades para execução de reparos e reforços, pode-se citar a grande resistência mecânica à compressão e tração, apresentando ainda, boa resistência ao cisalhamento, abrasão e ao desgaste. [4] afirma que o epóxi endurecido pode proporcionar resistência à tração de 30 a 90 MPa; resistência à compressão de 120 a 210 MPa; retração menor que a do aço e alongamentos à ruptura de 2 a 5%. Um fator a ser considerado durante a aplicação das formulações epoxídicas é a temperatura ambiente. A utilização destes produtos a temperaturas inferiores a 10ºC pode redundar em insucesso, porque o processo de polimerização é capaz de não ocorrer. Por outro lado, os reparos com este material são, em geral, ineficazes nos casos de peças sujeitas a temperaturas elevadas (acima de 50ºC), pois o mesmo se torna plástico, perdendo a rigidez ([3]). 3. MATERIAIS E MÉTODOS O edifício a que se refere este estudo de caso começou a ser construído com a execução das fundações, pilotis e 1º pavimento. Seu projeto inicial possuía um determinado arranjo no projeto arquitetônico, que previa ainda a construção de 6 pavimentos tipo, com determinada carga de projeto para a função que a edificação teria. O edifício possui 12 pilares com seção de 0,80 x 0,30m espalhados nos seus 240m 2 de área, e dois pavimentos executados. Cabe salientar que no pavimento subsolo, os pilares não tem fechamento, formando os pilotis. Já no pavimento térreo, os pilares fazem parte do fechamento da edificação, estando junto às alvenarias. No entanto, a edificação teve o restante da construção cancelada, sendo que o telhado de cobertura foi executado no primeiro pavimento. Passado um período de 10 anos, a referida obra foi retomada, porém, o projeto da edificação foi alterado, assim como suas cargas de projeto, pois foi acrescido um pavimento técnico, que receberia equipamentos que representam cargas consideráveis. Dessa forma, tornou-se necessário reforçar os pilares do prédio existente para não comprometer a estrutura com o sobrepeso. Na figura 1 é apresentado o projeto de vigas e pilares, que permite qualquer modulação de projeto arquitetônico, premissa assumida desde a concepção do projeto. Figura 1: projeto de vigas e pilares da edificação. A equipe de engenharia responsável pela edificação, em conjunto com o engenheiro estrutural, começou a desenhar as alternativas técnicas possíveis para o referido reforço estrutural, levando em consideração os custos, vantagens e desvantagens de cada método, aliando ainda à utilização requerida pela edificação. Dessa forma, foram propostas 4 alternativas para o reforço dos pilares: Reforço com chapas de aço chumbadas com elementos metálicos: solução que a empresa possuía conhecimento na execução do reforço, portanto dominava os custos envolvidos e as dificuldades encontradas na logística e mão de obra da mesma; Reforço com fibra de carbono: solução considerada pela empresa como inovadora, de alto custo e dificuldade em empregar mão de obra própria, necessitando de equipe terceirizada especializada; Reforço com chapas de aço coladas com resina epóxi: solução idêntica à primeira, porém apresentando custos e prazos menores, substituindo-se a fixação dos elementos metálicos, por resina; 3

Reforço com chapas de aço coladas com resina epóxi e soldadas: solução igual a anterior, na qual se agrega maior garantia de qualidade e resistência. Após deliberação entre os envolvidos, decidiu-se que o reforço metálico seria realizado com chapas de aço coladas com resina epóxi e soladas. Então, era necessário executar um projeto para o reforço da estrutura por profissional habilitado. Na figura 2, é apresentado o projeto de reforço estrutural proposto. Figura 2: projeto de reforço estrutural a ser executado nos pilares de cada pavimento. Foram utilizadas chapas metálicas com espessura de 8mm, na forma de cantoneiras em U, que deveriam ser perfeitamente encaixadas nas extremidades do pilar, utilizando-se primeiramente uma barra de aço rosqueada para apertar as chapas no sentido contrário uma da outra, para após, serem soldados tirantes de aço com largura de 10cm e espessura 6mm, intercalados a cada 30cm, conforme apresentado na figura 3. Em geral, os reforços de pilares de concreto com elementos metálicos são realizados sem que sejam retirdas as cargas atuantes sobre eles. Ao considerar que o pilar reforçado estava submetido a uma força F, o reforço só será solicitado para uma força maior que esta, conforme [5], que ainda aconselha que se despreze a seção existente de concreto e se considere os perfis recebendo a totalidade da carga. Neste caso, não há a necessidade de desconsiderar a seção de concreto, pois a edificação somente será carregada após a execução do reforço. Figura 3: adaptação do detalhamento contido no projeto estrutural. Os pilares tiveram suas medidadas verificadas in loco, para posteriormente as cantoneiras metálicas serem produzidas a partir de chapas de aço dobradas, de maneira que qualquer irregularidade no pilar não comprometesse a conformação das partes. 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para iniciar o reforço estrutural, primeiramente fez-se a escarificação dos pilares do subsolo, quando foi retirado o revestimento de argamassa ao redor dos pilares com equipamentos mecânicos e manuais. Após, fez-se a regularização dos mesmos com argamassa de reparo, devido ao apicoamento gerado pelos equipamentos, conforme apresentado na figura 4. Figura 4: pilares antes e depois do início da retirada de revestimento argamassado. Conforme sugere a literatura, as faces do pilar que teriam o contato com a chapa metálica foram regularizadas e niveladas milimetricamente. Isso é importante para garantir uma espessura pequena e uniforme de resina entre o pilar e a chapa, fundamental para a eficiência da transmissão de esforços do concreto para a chapa de reforço. A espessura da resina indicada é de cerca de 1,5mm, sendo que quanto maior a espessura, pior será o desempenho. Após esses cuidados, a equipe de produção das cantoneiras metálicas tomou as medidas de cada pilar, que seriam em suma, chapas dobradas em formato de U para colagem e fixação junto às menores faces do pilar. Ainda, seriam necessárias pequenas peças complementares entre as vigas e lajes da estrutura para transmissão de esforços. Os materiais eram, então, armazenados no subsolo, conforme apresentado na figura 5. Com os pilares preparados e as cantoneiras metálicas e resina epóxi na obra, iniciou-se o processo de montagem do reforço estrutural. Figura 5: estocagem de perfis metálicos tipo U.

Após verificados todos os procedimentos, iniciou-se a aplicação da resina, utilizando-se uma espátula, tomando-se cuidado para preencher bem todas as cavidades. A camada ideal, de acordo com os principais fabricantes, é entre 1 e 2mm de espessura, o suficiente para promover aderência entre a superfície metálica e o concreto. Concomitantemente no pavimento térreo, já desocupado, as paredes ao redor dos pilares estavam sendo removidas em pelo menos 30cm, de maneira que houvesse espaço para encaixar as cantoneiras metálicas, conforme mostra a figura 6. O forro de gesso também precisou ser removido nas proximidades dos pilares, de maneira a proporcionar a entrada dos metais e executores do serviço. Em alguns casos, foi necessário remover dutos de ar condicionado, remanejar canalizações e eletrodutos junto ao forro dos ambientes internos. Figura 6: demolição das alvenarias adjacentes aos pilares. Devido ao peso próprio dos elementos estruturais, após a inserção das cantoneiras metálicas com a resina já aplicada estas foram submetidas a esforços contrários, sendo apertadas por um mecanismo na base, um no centro e outro na porção superior. Esse mecanismo é formado por barras rosqueáveis, perfis metálicos e porcas, conforme apresentado na figura 7. Cabe salientar que por vezes fez-se necessária a utilização de marretas de borracha para encaixar as cantoneiras junto aos pilares. Figura 7: travamento dos perfis metálicos para promover maior aderência. O projeto do reforço estrutural previa uma chapa de aço na base, de forma a apoiar e distribuir os esforços, uma cantoneira metálica em cada lado do pilar, em forma de U, interligadas por barras metálicas soldadas, tendo ainda em sua porção superior placas formando capitéis para transmitir os esforços junto à viga e laje, de maneira que o reforço ficasse totalmente aderido ao pilar com o uso de resina epóxi. Tais placas, devido ao tamanho reduzido e incertezas de 6

adesão à estrutura, foram ainda afixadas com chumbadores metálicos e, após executou-se um cordão de solda unindo-as à cantoneira, conforme apresentado na figura 8. Esta técnica é recomendada por [5], para que o reforço dos pilares dê continuidade à sua estrutura, até a fundação, com os esforços sendo transmitidos pelas bases e pelos capitéis. Para executar a base do reforço, foi necessário remover o piso existente nas proximidades do pilar e remover também a argamassa de regularização antiga, sendo executada nova camada de regularização devidamente plana para colar a chapa metálica. Na figura 9, verificam-se os perfis metálicos incorporados à estrutura, em que após as cantoneiras serem devidamente coladas ao pilar e serem apertadas uma contra a outra, fitas de aço foram soldadas a cada 40cm realizando o travamento do reforço. A instalação das cantoneiras requer bastante cuidado na sua execução, pois o peso próprio destes elementos é bastante robusto para movimentar-se sem equipamentos mecânicos. Dessa forma, são necessários vários funcionários para realizar a tarefa, além de conhecimento e experiência para a função. Figura 8: detalhe das placas metálicas que servem de apoio para a viga e laje. Depois de realizado o reforço dos pilares, iniciou-se o processo de fechamento das alvenarias, com a qual o pilar foi envolvido inteiramente por uma tela de estuque para promover a aderência do concreto e do aço com o chapisco e a argamassa, conforme figura 10. Foram soldados ao longo da cantoneira metálica fios de aço (comumente chamados de cabelos), para promover o travamento entre o pilar e a alvenaria. Após, foram executados os trabalhos de acabamento, com a aplicação do revestimento de argamassa e posteriormente massa acrílica e pintura, onde nem sequer são notados os reforços nos pilares. O restante das intervenções de acabamentos foram iniciados a partir desse momento, como a readequação do forro de gesso, recortes e remendos dos pisos, que neste caso eram vinílicos, propiciando facilidade na reposição.

Figura 9: pilares com o reforço finalizado. Figura 10: pilar reforçado recebendo tela e chapisco. 5. CONCLUSÕES O método de reforço apresentado neste trabalho mostra-se uma ótima alternativa para rápida execução, pois mesmo com algumas dificuldades logísticas de movimentação e instalação das peças junto aos pilares, apresenta grande produtividade e qualidade ao reforço pretendido. O reforço com chapas de aço coladas possui a necessidade de escorar o elemento de reforço (perfis metálicos) devido a seu peso considerado elevado para trabalhos manuais, em que em algumas situações torna-se difícil o procedimento executivo. Também é necessário tomar as devidas precauções, de forma a proteger a chapa metálica contra a corrosão. O armazenamento dos perfis nesta obra não seguiu as instruções sugeridas pela literatura, pois estavam sem proteção em área com possibilidade de umidade. Embora os perfis tivessem uma camada de tinta anticorrosiva, foi observado princípio de corrosão. Considerando-se que o carregamento da estrutura deu-se após o reforço, pode-se considerar que a introdução das chapas metálicas com cintas soldadas aos perfis metálicos configura-se como um sistema de confinamento do núcleo de concreto, aumentando a sua capacidade resistente, a qual soma-se a do pilar em concreto e as chapas de aço. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Beber, A. J. Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibra de carbono. Dissertação de Doutorado Universidade Federal de Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 317 p. Disponível em <http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/2974/000379925.pdf?sequence=1>. Acesso em 22 de outubro de 2013. [2] Campagnolo, J.L. et al. Reforço de lajes com chapas de aço coladas com resina epóxi. Porto Alegre: Escola de Engenharia, 1994. Relatório de Pesquisa Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFRGS. [3] SOUZA, V. C. M. ; RIPPER, T. Patologia, Recuperação e Reforço de Estruturas de Concreto. São Paulo: Editora Pini Ltda., 1998. 255 p. [4] ZANATTO, G. A. Desempenho de Reforços em Pilares Esbeltos de Concreto Armado: Análise Numérico- Experimental. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS. 1999. 160 f. Disponível em: <http://hdl.handle.net/10183/10859>. Acesso em 20 de outubro de 2013. [5] Cánovas, Manuel Fernández. Patologia e terapia do concreto. São Paulo: Editora Pini Ltda., 1988. 8