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/ Artigo #18 : Reforço Estrutural com Aplicação de Camada com Fibra de Carbono : Estudo de Caso Viga Seção Retangular em Concreto Armado

L. Filgueiras

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 a flexão em vigas de concreto armado. O elemento estrutural está localizado em uma região onde houve problemas associados à execução da estrutura e subdimensionamento dos elementos estruturais. A conclusão para escolha do tipo de reforço foi através da definição técnica que incidisse de forma superficial na geometria das vigas, pois elas estão localizadas na garagem do subsolo. Foi utilizado fibra de carbono seguindo dimensionamento e recomendações do ACI – American Concrete Institute.

É demonstrado ganho de resistência à flexão para o elemento estrutural em concreto armado a partir da técnica desenvolvida e executada pela construtora G MAIA.

INTRODUÇÃO:

Para Souza e Ripper (1998) o crescimento acelerado da construção civil trouxe em si a aceitação implícita de maiores riscos, ainda que dentro de certos limites regulamentados das mais diversas formas. Também nesse sentido, o aumento do conhecimento sobre estruturas e materiais, que transmite a ideia de maior domínio e controle sobre o comportamento estrutural, pode, de maneira controversa, ser um fator que contribua para um desempenho insatisfatório dos elementos projetados.

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.

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 RIPPER, 1998). 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 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).

As fibras dispostas unidirecionalmente dentro das matrizes poliméricas absorvem as tensões de tração decorrentes dos esforços solicitantes atuantes.

O reforço com fibra de carbono orientadas ao longo do comprimento do elemento estrutural fornecerá um aumento na resistência à flexão para viga. Meier e Kaiser 1991; Ritchie et al. 1991; Sharif et al. 1994 demostram que o aumento na resistência à flexão com o reforço de fibra de carbono pode alcaçar 10 a 160%.

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 ganho de resistência de vigas de concreto armado reforçadas com fibra de carbono submetidas à flexão simples.

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 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. Após análise criteriosa, foi gerado modelo de cálculo verificando o momento fletor solicitante máximo, para dimensionamento das camadas de fibra de carbono.

Figura 1 - Escoramento dos elementos comprometidos

Figura 1 – Escoramento dos elementos comprometidos

Figura 2 - Planta baixa – Vigas que houve reforço

Figura 2 – Planta baixa – Vigas que houve reforço

                                                       

 Figura 2.1 - Planta baixa – Vigas que houve reforço

Verificação Momentos fletores:

Figura 3 - Modelo de cálculo e momento fletor - Viga

Figura 3 – Modelo de cálculo e momento fletor – Viga

Temos o momento solicitante máximo (ELU) = 224,30 kN.m.

APLICAÇÕES DAS CAMADAS DE FIBRA DE CARBONO COMO REFORÇOS PARA FLEXÃO

                                                            

Figura 4 - Especificação técnica de projeto

Figura 4 – Especificação técnica de projeto

É especificado procedimento executivo para perfeita execução dos serviços. Deve-se ter a superfície do concreto limpa, seca e isenta de poeira. Aplicar o adesivo epóxi tixotrópico (camada mínima de 0,5 mm) sobre o substrato. Em seguida emulsionar a primeira camada de fibra de carbono com resina epoxidica utilizando rolo de lã e aplicá-la sobre a resina. A fibra deve ser pressionada contra a resina ainda fresca utilizando um rolo de disco metálico de forma que fique completamente saturada. Repetir o procedimento para as demais camadas. Para essa viga analisada, foi utilizado 3 camadas de fibra de carbono ao longo da face inferior da viga. Posteriormente, nas extremidades foi realizado reforço em forma de U, garantindo a ancoragem e aumentando a capacidade cisalhante da viga.

Figura 5 - Execução do reforço G MAIA - Viga

Figura 5 – Execução do reforço G MAIA – Viga

PROCEDIMENTO EXECUTIVO – MANTA DE FIBRA DE CARBONO:

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 6 - Ensaio Pull Off

Figura 6 – 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 à flexão e cisalhamento das vigas e colunas de concreto existentes, sendo a seção transversal envolvida de forma total – pilares – ou parcial – vigas (Malvar et al. 1995). Para esse artigo abordaremos o dimensionamento à flexão, descrito no capítulo 10 – ACI 440.

O projeto de reforço resistente à flexão φMn refere-se à força nominal do membro multiplicada por um fator de redução de força, sendo superior o momento no estado limite último (Mu) das ações.

Figura 7 - Coeficiente e redução ACI440

Figura 7 – Coeficiente e redução ACI440

Esta equação da figura 7 define o fator de redução em 0,90 para seções dúcteis, 0,65 para seções frágeis onde a seção possue ruptura abrupta, ou seja, sem aviso prévio e fornece uma transição linear para o fator de redução entre esses dois extremos.

                                

Figura 8 - Propogação de fissuras e desplacamento reforço face inferior

Figura 8 – Propogação de fissuras e desplacamento reforço face inferior

A figura 8 acima apresenta o comportamento do elemento estrutural com reforço fixado apenas na face inferior. Na figura 8(b) é detalhado o comportameno no meio do vão, onde devido à flexão, as fissuras de tração comecam a aparecer na face inferior do elemento, iniciando o afastamento entre a fibra de carbono e o substrato, gerando uma falta de adesão com o concreto e ao longo da camada adesiva. A figura 8(c) apresenta o progresso com o desplacamento da seção de concreto/fibra de carbono mais extrema, quando não existe o reforço da fibra de carbono nas extremidades, em forma de U.

Uma melhoria de até 30% na resistencia ao desplacamento foi observado quando utilizado fibra de carbono em U, para auxiliar a ancoragem do reforço longitudinal CECS-146 (2003).

Figura 9 - Falha de adesão causado pelo desplacamento da camada superficial de concreto

Figura 9 – Falha de adesão causado pelo desplacamento da camada superficial de concreto

Para ilustrar e detalhar a resolução do case apresentado, descreveremos de forma superficial os conceitos de cálculo aplicados para um seção retangular com reforço único na face inferior (não protendido).

A figura abaixo  ilustra a deformação interna e distribuição de tensão para uma seção retangular sob flexão simples no estado limite último. O procedimento de cálculo usado para chegar a força( ELU) deve satisfazer a compatibilidade de tensão, equilíbrio de forças e deve considerar o modo de falha. Vários procedimentos de cálculo podem ser derivados para satisfazer essas condições.

 Figura 9.1 - Falha de adesão causado pelo desplacamento da camada superficial de concreto

DETALHAMENTO METODOLOGIA DE CÁLCULO:

- Equações ACI- 440:

 Figura 9.3

Foi utilizado na seção transversal 20×60 cm², na face inferior da viga, 4 barras de 16 mm de diâmetro como armadura longitudinal de flexão.

Figura 9.4

Estado de tensão:

Figura 9.5

Figura 9.6

     Figura 9.7

CONCLUSÃO:

Como podemos ver, o momento fletor solicitante máximo na estrutura é 224,30 kN.m, sendo que a armadura especificada não atende à condição de utilização atual. O momento fletor resistente associado a armadura encontrada em campo é 162 kN.m, havendo uma diferença significante.

O reforço com fibra de carbono, nas camadas e diretrizes especificadas em projeto, possibilitou o acréscimo de 109,38 kN.m, correspondendo a um aumento da capacidade resistente em relação a seção inicial.

A combinação das resistências devido ao aço e a fibra de carbono resultou em 229,51 kN.m, atendendo fatores de redução descritos no ACI. O valor resultante do reforço atende as solicitações de cálculo no estado limite último, de acordo com metodologia de cálculo.

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 American Concrete Institute, que a seção transversal ao término da execução do reforço, aumenta sua capacidade de suporte a esforços fletores, 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 à flexão sem análise prévia dos apoios, pode resultar em falhas da seção cisalhante.

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 .

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

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

 

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