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ARTIGO #19 – REFORÇO ESTRUTURAL COM APLICAÇÃO DE CAMADA COM FIBRA DE CARBONO

REFORÇO ESTRUTURAL COM APLICAÇÃO DE CAMADA COM FIBRA DE CARBONO ESTUDO DE CASO ENVELOPAMENTO DE PILARES EM CONCRETO ARMADO

L. Filgueiras Autor — Construtora G MAIA, Belo Horizonte, Brasil

Resumo:
Uma técnica de reforço bastante utilizada para melhorar o desempenho de peças axialmente solicitadas é o emprego de sistemas compostos estruturados com fibras de carbono. Nesse artigo apresentamos estudo de caso do reforço com fibra de carbono em pilares de concreto armado. O elemento estrutural está localizado em uma região onde houve problemas associados à execução da estrutura e subdimensionamento dos elementos estruturais. Foi utilizado fibra de carbono seguindo dimensionamento e recomendações do ACI – American Concrete Institute.

Introdução:
Quando uma estrutura de concreto não atende mais suas funções originais, ou se tem uma mudança na utilização, que exija desta estrutura um aumento em sua capacidade de suporte de carga, o reforço estrutural passa a ser uma alternativa para se manter o planejamento e nova função da estrutura. O reforço estrutural utilizando materiais compósitos como a fibra de carbono tem se tornado comum na engenharia, pois garante a resistência necessária à peça deteriorada sem grande interferência construtiva. Os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono não são eficientes para a absorção de esforços de compressão. Entretanto, por meio do confinamento da seção das peças axialmente solicitadas, a deformação transversal do concreto, oriunda da atuação da carga axial, consegue-se aumentar substancialmente a resistência dos pilares à compressão, além de propiciar um representativo aumento na dutibilidade do elemento reforçado.
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. 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 Appleton (2003). Existem técnicas que podem ser aplicas para 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 (2003) cita 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. Em relação ao reforço para pilares, quando o concreto é comprimido axialmente o efeito de Poisson induz a ocorrência de deformações radiais que tem como resultante a expansão lateral do concreto. 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 objetivo principal deste trabalho é avaliar o comportamento dos pilares em concreto armado, reforçadas com fibra de carbono.

CARACTERÍSTICAS DO CALCULO DE PILARES:
Para valores críticos da tensão longitudinal, normalmente situados entre 75% a 80% de (fc), as fissuras que são formadas na pasta de concreto situada entre os agregados graúdos produzem um grande aumento na deformação transversal para acréscimos relativamente pequenos da tensão longitudinal de compressão. Esse incremento rápido da deformação resulta em uma igualmente rápida expansão volumétrica do concreto, conforme mostrado na figura abaixo:

A partir de determinada tensão de compressão f’c as deformações devido a compressão são elevadas, e consequentemente a capacidade resistente é reduzida.

Através do confinamento continuo da peça comprimida de concreto por uma envelopamento pelo sistema composto com fibras de carbono pode-se combater a expansão lateral do concreto. A resistência à tração das fibras introduz uma pressão de confinamento na peça de concreto. Para baixos níveis de tensões longitudinais de compressão as deformações transversais são tão baixas que as fibras de carbono produzem tão somente um pequeno confinamento. Contudo, para tensões longitudinais de compressão acima da tensão crítica o aumento na deformação transversal é dramático, mobilizando a fibra de carbono e fazendo com que a pressão de confinamento se torne significativa.

A partir dos dados de projeto, e visitas em campo, foi levantado seção do elemento estrutural e esforços solicitantes de acordo com utilização, atendendo a NBR 6120 – Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. Primeiramente, para garantir o perfeito avanço das atividades e segurança, os elementos comprometidos estruturalmente foram devidamente escorados. Atendendo as especificações do ACI 318 — 9.3.2 – Strength reduction factor e – ACI 440: 11.1 — Axial Compression.

O ACI especifica critérios distintos para dimensionamento do reforço com fibra de carbono, para seções transversais circulares e retangulares.

A carga de compressão admissível em uma coluna reforçada com envelopamento de fibra de carbono deve ser calculada através das seguintes expressões, derivadas da ACI – 318, que variam de acordo com o tipo de estribo com que foi armado o pilar.

O coeficiente (0,85) vem embutido nas suas expressões onde a resistência à compressão varia em função da existência de estribos em espiral ou comum.

As seções circulares são as mais eficientemente reforçadas com a utilização de sistemas compostos estruturados com fibras de carbono.

Para o caso de seções confinadas não circulares os testes realizados demonstram que ocorre uma diminuição da eficiência dos sistemas comparativamente às seções circulares. O ACI Committee 440 recomenda:

“Testes tem confirmado que o confinamento de seções quadradas com a utilização de envelopamento de fibra de carbono é cerca de 50% menos eficiente do que o de elementos circulares. O atual fator de eficiência deve ser determinado para elementos não circulares baseado na geometria, na proporcionalidade entre os lados e na configuração da armadura de aço. O fator de eficiência deverá ser confirmado através de testes. Seções retangulares com relação entre os lados (B/H) excedendo 1,50 ou dimensões dos lados, B ou H, excedendo 900mm não devem ser confinadas através de jaquetas de fibra de carbono até que testes demonstrem sua efetividade”.

Para o dimensionamento das seções é avaliado a pressão de confinamento da seção e contribuição do estribo no confinamento.
Vale ressaltar que, previamente à aplicação da fibra de carbono, deve ocorrer injeção de resina estrutural em todas as fissuras existentes na peça. Com o procedimento inicial de recuperação estrutural, deve-se proceder a aplicação da fibra de carbono.

Procedimentos para a execução do envelopamento com fibra de carbono:
* Arredondar os “cantos” dos elementos estruturais a ser objeto de intervenções considerando raio mínimo de 2,5cm;
* Lixar e preparar os substratos de forma a obter superfícies sem abaulamentos e/ou depressões utilizando argamassa para reparos estruturais, atendendo às recomendações do fabricante, inclusive no que diz respeito a espessuras de camadas e condições de cura;
* Executar limpeza dos substratos deixando-os isentos de contaminações, material solto e/ou pulverulento;
* Aplicar 1 farta demão de resina epoxídica sobre o substrato sobre o substrato preparado;
*Emulsionar resina sobre a manta a ser instalada sobre uma bancada externa;
* Aplicar a manta emulsionada sobre o substrato preparado. A manta deve ser pressionada contra a resina ainda fresca, utilizando-se “rolo” com discos metálicos, de forma que fique completamente saturada com a resina e manter o prefeito alinhamento das fibras;
* | Impregnar a manta com outra camada de resina;
* Aplicar a segunda camada de manta emulsionada sobre o substrato úmido e pressionada mais uma vez com o rolo de discos metálicos, de forma que fique completamente saturada com a resina e com as fibras devidamente alinhadas;
* Repetir o procedimento até o número de camadas especificado em projeto;
* Aplicar sistema de proteção mecânica e ambiental sobre a manta;

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;

* A profundidade do corte deve ser da ordem de 15 milímetros no concreto;
*A tensão mínima deve ser de 1,5MPa. (15kg/cm²) para 80% dos resultados e nenhum menor que 1,0 MPa (10kg/cm²);
* Esse ensaio admite a tensão de aderência seja o mesmo valor da tensão de tração do concreto (fct,p), obtendo-se dividindo a força aplicada na ruptura pela seção transversal da pastilha.

DIMENSIONAMENTO E RESULTADOS :

Para o dimensionamento da quantidade de camadas de fibra de carbono foi utilizado critério de cálculo estabelecido pelo ACI 440.2R-08 – Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.

* Exemplo Dimensionamento prático:

- Seção transversal retangular : 40×60 cm²
– fck = 25 Mpa
– A coluna está armada longitudinalmente com 16 barras de diâmetro 16mm (aço CA-50) e estribos com diâmetro 8mm espaçados cada 20 cm.
– Comprimento de flambagem da coluna é 360 cm.
– Nk= 171 ton
– Efe = 235.000 MPa

Segundo as recomendações da ACI temos:

Para os estribos existentes tem-se:

Verificação para 03 camadas de lâminas de fibras de carbono, conforme projeto:

Segundo as recomendações da ACI temos:

CONCLUSÃO:
Como podemos ver, o esforço solicitante máximo axial nos pilares da estrutura é Nk= 171 ton, ou seja, Nd = 233 ton( estado limite último). O reforço com três camadas de fibra de carbono possibilitou uma resistência última de 252,69 ton para a seção do pilar.
Verificamos um acréscimo na resistência última da seção devido ao reforço com fibra de carbono da ordem de 8 %, com o envelopamento do pilar.
O valor de resistência última é incrementado de acordo com a quantidade de camadas de fibra de carbono, no exemplo apresentado foram utilizadas 3 camadas.
Apesar de ainda não 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 e ACI – 318 American Concrete Institute, que a seção transversal ao término da execução do reforço, aumenta sua capacidade de suporte a esforços, 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.

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.

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

CECS-146 Technical Specification for Strengthening Concrete Structures with Carbon Fiber Reinforced Polymer Laminates

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.

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.

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