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/ Artigo # 16 – Reforço Estrutural com Aumento da Seção Transversal e Aplicação de Camada com Fibra de Carbono

REFORÇO ESTRUTURAL COM AUMENTO DA SEÇÃO TRANSVERSAL E APLICAÇÃO DE CAMADA COM FIBRA DE CARBONO : ESTUDO DE CASO VIGA SEÇÃO I EM CONCRETO ARMADO.

L. Filgueiras
Author – Construtora G MAIA, Belo Horizonte, Brasil

R. Silva
Co-Autor – Construtora G MAIA, Belo Horizonte, Brasil

RESUMO:

O presente artigo tem a finalidade de apresentar estudo de caso do reforço com fibra de carbono no combate ao cisalhamento em vigas de concreto armado. O elemento estrutural está localizado em uma região de intensa agressividade ambiental, em área industrial. O reforço foi desenvolvido através do estudo da técnica que incidisse superficialmente no funcionamento do galpão, sendo sua execução rápida, impactando menos na produção e atividades diárias. Foi utilizado fibra de carbono seguindo recomendações do ACI – American Concrete Institute.

De forma cronológica, segue descrição resumida das atividades: escoramento da estrutura, garantindo a segurança no trabalho, seções de apoio foram preenchidas com graute estrutural, execução da técnica do reforço com fibra de carbono. É demonstrado ganho de resistência da seção transversal de concreto a partir da técnica desenvolvida e executada pela construtora G MAIA.

INTRODUÇÃO:

Quando uma estrutura de concreto não atende mais suas funções originais, ou se tem uma mudança na função que exija desta estrutura um aumento em sua capacidade de suporte de carga, o reforço estrutural passa a ser uma alternativa.

Para a ABNT NBR 15575:2013 o conceito de vida útil pode ser descrito como o período de tempo em que um edifício e seus sistemas se prestam às atividades para as quais foram projetados e construídos. Já a durabilidade é, segundo a mesma norma, a capacidade da edificação ou de seus sistemas desempenharem suas funções sob as condições de uso e manutenção especificadas. Esses dois conceitos estão diretamente ligados à deterioração estrutural, um processo bastante complexo, com diversas causas e consequências que deve ser compreendido a fim de se garantir a qualidade de uma edificação em serviço.

As causas da deterioração são variadas, podendo acontecer naturalmente ao passo do envelhecimento da estrutura, ou de maneira imprevisível e repentina, ocasionando, por vezes, grandes acidentes.

No caso de estruturas de concreto armado, o processo de deterioração provoca diferentes graus de degradação da rigidez de seus elementos componentes, independentemente da causa. A quantificação da rigidez de elementos deteriorados é um aspecto de grande importância para avaliação estrutural e consequente decisão sobre a necessidade de se realizar procedimentos de reparo e/ou reforço.

De maneira geral, os processos de reforço e reparo estrutural visam adequar uma estrutura de modo que ela possua, respectivamente, a resistência e as condições em serviço necessárias para atender às atividades para as quais foi projeta e construída. Portanto, quando os serviços a serem executados implicarem em introdução de novos materiais com finalidade de aumentar ou reconstituir a capacidade portante da estrutura, tem-se um procedimento de reforço estrutural.

Por outro lado, caso os serviços sejam executados no intuito de atender às condições de serviço e de durabilidade do elemento estrutural, sem a adição de materiais para aumento ou restituição de sua resistência, tem-se um processo de reparo estrutural (SOUZA E RIPPER, 1998). Existem técnicas que podem ser aplicar para a reabilitar ou reforçar a estrutura. O reforço estrutural com fibra de carbono é uma tecnologia que se desenvolveu na Suíça desde os anos 1980, porém sua utilização no Brasil ainda é de pouca expressão.

Para a realização do reforço estrutural Souza e Appleton (2003) citam que a utilização de materiais compósitos tem recebido considerável atenção nos últimos anos, havendo muitos estudos desenvolvidos em diferentes instituições de pesquisa. Os autores afirmam que este tipo de reforço oferece uma alternativa interessante principalmente devido à sua leveza, o que facilita as operações de manuseio e instalação. Além disso, esses materiais, dos quais se destacam os polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polimer), possuem alta resistência, são inertes ao processo de corrosão eletroquímica ou corrosão por outros agentes agressivos e possuem grande versatilidade de aplicação, o que gera seu vasto campo de aplicação na engenharia.

O reforço de fibra de carbono possibilita reabilitar a estrutura de forma rápida, sem grande acréscimo ao peso próprio da estrutura, sem grandes alterações em suas formas arquitetônicas. O sistema de compósitos estruturados com fibras de carbono (CFC), é um sistema obtido pela associação de dois elementos. Cabe a cada um desses elementos exercerem funções distintas como citado por Machado (2002).

A matriz polimérica, a quem cabe a função de manter as fibras que as estruturam coesas propiciando a transferência das tensões de cisalhamento entre os dois elementos estruturais, concreto e fibra de carbono; O elemento estrutural, constituído pelas fibras de carbono. As fibras dispostas unidirecionalmente dentro das matrizes poliméricas absorvem as tensões de tração decorrentes dos esforços solicitantes atuantes.

A fibra de carbono é a que melhor apresenta características mecânicas para o reforço estrutural sendo, por este motivo, o tipo de fibra mais aconselhável para essa finalidade (Carvalho 2011).

O presente trabalho tem por objetivo analisar e avaliar a eficiência da contribuição do reforço estrutural com fibras de carbono no cisalhamento, aplicados em vigas de concreto armado.

CARACTERÍSTICAS DAS VIGAS E MATERIAS CONSTITUINTES:

A partir dos dados de projeto e visitas em campo, foi levantado seção do elemento estrutural e esforços solicitantes. Foi gerado modelo de cálculo verificando os esforços cortantes nas regiões de apoios, para começar a determinar a faixa de implantação das fibras de carbono.

Figura 1 - Vista da viga estudada

Figura 1 – Vista da viga estudada

Figura 2 - Detalhes do projeto inicial Viga I

Figura 2 – Detalhes do projeto inicial Viga I

Verificação esforços cortantes:

Figura 3 - Modelo de cálculo e esforço cortante - Viga I

Figura 3 – Modelo de cálculo e esforço cortante – Viga I

Como se observa na figura 2, na posição 1,7 m para o apoio, o valor do diagrama de esforço cortante indica carga de 51,15 ton. A seção transversal não resistente a esse esforço com armadura indicada em projeto e nas condições de degradação do concreto verificadas, ou seja, não consegue absorver sozinha os esforços.

APLICAÇÕES DAS TIRAS DE FIBRA DE CARBONO COMO REFORÇOS AO CISALHAMENTO

Figura 4 - Escoramento - Viga I

Figura 4 – Escoramento – Viga I

Após o escoramento, as regiões próximas aos apoios deverão ter suas “cavidades” preenchidas conforme detalhado em projeto. É realizada ancoragem previa de armaduras com adesivo estrutural, posteriormente a seção é preenchida com graute estrutural.

Figura 5 - indicação de projeto G MAIA - Viga I

Figura 5 – indicação de projeto G MAIA – Viga I

Figura 6 - Amação comprementar - Viga I

Figura 6 – Amação comprementar – Viga I

  PROCEDIMENTO EXECUTIVO – MANTA DE FIBRA DE CARBONO:

                                           

Figura 7 - Detalhamento posição reforço fibra de carbono - Viga I

Figura 7 – Detalhamento posição reforço fibra de carbono – Viga I

Figura 8 - Execução reforço fibra de carbono - Viga I

Figura 8 – Execução reforço fibra de carbono – Viga I

ENSAIO DE VERIFICAÇÃO – FIXAÇÃO FIBRA: Ensaio de Arrancamento Por Tração (Pull Off)

Este ensaio consiste na mensuração da força de tração necessária ao arrancamento de “pastilhas metálicas” (seção circular com diâmetro de 50mm), previamente coladas na superfície das mantas de fibra de carbono já curadas;

Figura 9 - Ensaio Pull Off

Figura 9 – Ensaio Pull Off

DIMENSIONAMENTO E RESULTADOS:

Para o dimensionamento da nova seção reforçada utilizamos a sequência de cálculo estabelecida pelo ACI 440.2R-08 – Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.

O sistemas de reforço em fibra de carbono aumentam a resistência ao cisalhamento das vigas e colunas de concreto existentes, sendo a seção transversal envolvida de forma total – pilares – ou parcial – vigas –  (Malvar et al. 1995).

Orientar as faixas do reforço em fibra de carbono na posição transversais ao eixo do elemento estrutural ou perpendiculares a possíveis trincas por cisalhamento é eficaz para fornecer resistência ao cisalhamento adicional na seção (Sato et al.1996).

Figura 10 - Orientação das faixas de reforço de acordo com ACI 440

Figura 10 – Orientação das faixas de reforço de acordo com ACI 440

É apresentado a seguir orientações sobre o cálculo da resistência ao cisalhamento resultante da adição de reforço com camadas de fibra de carbono em uma viga de concreto armado.

A resistência ao cisalhamento adicional que pode ser fornecida pelo sistema fibra de carbonos é baseada em muitos fatores, incluindo geometria da viga ou coluna, esquema de empacotamento e força de contato superficial no concreto existente, mas sempre deve ser limitada de acordo com as disposições do Capítulo 9 do ACI 440.2R-08.

Para o reforço externo com fibra de carbono na forma de tiras discretas, o espaçamento centro a centro entre as tiras não deve exceder a soma de d / 4 mais a largura da tira.

Os três tipos de esquemas de embalagem de fibra de carbono usados ​​para aumentar a resistência ao cisalhamento de vigas prismáticas retangulares ou colunas são ilustrados abaixo:

Figura 11 - Esquema de empacotamento de acordo com ACI 440

Figura 11 – Esquema de empacotamento de acordo com ACI 440

O empacotamento completo do sistema FRP ao redor da seção nos quatro lados é o processo mais eficiente e mais comumente utilizado em elementos estruturais em que o acesso aos quatro lados está disponível.

- Equações ACI- 440:

 Propriedades da manta de fibra de carbono para cálculo

- Resultado:

Resultado 1

 - Equações ACI- 440:

 Calcular o nível de deformação efetivo no reforço

- Resultados:

 Resultado 2

- Equações ACI- 440 e resultado:

 Cálculo da contribuição do reforço para a resistência ao cisalhamento

- Equações ACI- 440 e resultado:

 Cálculo da resistência ao cisalhamento da seção

Figura 12 - Reforço executado – Viga em serviço

Figura 12 – Reforço executado – Viga em serviço

 

CONCLUSÃO:

Apesar de ainda nao haver norma de referência no Brasil especificando o processo de reforço com fibra de carbono, essa tecnica é largamente utilizada na américa e europa.

Foi demonstrado através do dimensionamento, seguindo indicações do documento do ACI- 440 American Concrete Institute, que a seção transversal ao término da execução do reforço, aumenta sua capacidade de suporte a esforços cisalhantes, utilizando a técnica descrita nesse artigo.

Vale ressaltar que os procedimentos de recuperação estrutural envolvem uma série de fatores que não foram exemplificados nesse material, sendo exposto aqui o procedimento de uma forma resumida. A execução e acompanhamento técnico dos serviços devem ser realizados por empresa com experiência nesse segmento, como é o caso da G Maia.

Aumentar a resistência ao cisalhamento também pode resultar em falhas de flexão, quando não acorrem reforços nessa área. Entretanto falhas de flexão são relativamente mais dúcteis(escoamento) em comparação com as falhas de cisalhamento.

NORMAS TÉCNICAS DE REFERÊNCIA E BIBLIOGRAFIA

ABNT NBR-6118: 2014 – Projeto de Estrutura de Concreto – Procedimento

AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Guide for Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures: ACI 440-08. Farmington Hills, 2008.

SOUZA, Regina Helena F. de; APPLETON, Júlio. Estudo Experimental sobre o Reforço de Vigas de Concreto Armado com Tecido Compósito de Fibras de Carbono. In: CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO – COMPETITIVIDADE E EXCELÊNCIA EM CONCRETO, 2003, Vitória. Artigo. Vitória: Instituto Brasileiro do Concreto, 2003. v. 1.

Recuperação e Reforço de Estruturas de Concreto. São Paulo: Ltda., 1998. Editora Pini .

CARVALHO, F. L.. Procedimento Experimental para Avaliação do Fator de Amortecimento em Estruturas. 2002. 141 f. Dissetação (Mestrado) – Área de Engenharia de Estruturas, Universidade Federal de Minas Geais, Belo Horizonte, 2002.

Malvar, L., 1998, “Durability of Composites in Reinforced Concrete,” Proceedings of the First International Conference on Durability of Composites for Construction, Sherbrooke, QC, Canada, Aug

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