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ENC Palestra em Bauru SP.msg COMUNICAÇÃO TÉCNICA

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Nº 176398

Reforço de estruturas de concreto armado com polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC). Ciro José Ribeiro Villela Araujo

Slides apresentado da Palestra proferida na Faculdade de Engenharia de São Paulo – FESP, São Paulo, 2019.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Reforço de estruturas de concreto armado com Polímero Reforçado com Fibras de Carbono (PRFC)

• Centro Tecnológico de Obras de Infraestrutura

• Seção de Engenharia de Estruturas

• Eng. Ms Ciro José Ribeiro Villela Araujo

1

2

INTRODUÇÃO

A necessidade de recuperação e reforço ? •Falhas de projeto •Falhas de execução •Falta de manutenção – degradação •Alteração do uso da edificação •Acidentes – Choques de veículos, incêndios, etc.

Falhas de projeto

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Concepção da estrutura inadequada na execução do anteprojeto ou da elaboração do projeto de execução.

Detalhes construtivos inexequíveis

Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Eng. Renato Idas Leoni

Falhas de projeto

4

Falhas de projeto

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Falhas de execução

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Falta de manutenção

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Viga 1 Viga 2

Aparelho de apoio

Falta de manutenção

8

Alteração do uso

9 Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Eng. Renato Idas Leoni

Acidentes

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11

Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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1) Definição de materiais compósitos

• Materiais compósitos: Dois ou mais materiais diferentes, que trabalhando em conjunto desempenham capacidades estruturais superiores às obtidas isoladamente.

• Multifásicos: uma fase (a matriz) é contínua e menos rígida e envolve completamente a outra, a dispersa, que é descontínua e mais rígida denominada “fibra”.

• Inicialmente utilizados na engenharia aeronáutica por volta dos anos 60, e

posteriormente aplicados nas construções navais, automotivas e até mesmo em equipamentos esportivos.

• Devido apresentarem elevada resistência à tração mantendo uma massa volumétrica reduzida, são utilizados na construção civil como alternativa de reforço estrutural de elementos de concreto armado, destacando-se o reforço à flexão de vigas e lajes, reforço ao cisalhamento de vigas, reforço em pilares, com o confinamento do concreto. (João Diniz)

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• O Japão foi o precursor na utilização desse tipo de reforço em estruturas de concreto armado devido aos frequentes abalos sísmicos. Esse sistemas de reforço permitem a rápida recuperação das estruturas além do acréscimo de capacidade resistente do elemento estrutural.

1) Definição de materiais compósitos

Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

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Exemplos de compósitos formados com fibras de carbono

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Exemplos de compósitos formados com fibras de carbono

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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• Função de suportar as solicitações mecânicas dos compósitos • módulo de elasticidade e resistência à tração elevados • baixa densidade • comportamento frágil (comportamento elástico sem

patamar de escoamento)

1) Definição de materiais compósitos • FIBRAS

20

Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

1) Definição de materiais compósitos • FIBRAS

21

• Segundo CEB - FIB Bulletim 40: FRP reinforcement in RC structures

• fibras de carbono com elevado módulo (a); fibras de carbono com elevada resistência (b); fibras de aramida (c); fibras de vidro (d; e) e fibras de basalto (f).

1) Definição de materiais compósitos • FIBRAS

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• Segundo ACI 440.2 R-08 - Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures

1) Definição de materiais compósitos • FIBRAS

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• Segundo Rodrigues,2009 apud Vieira, 2013

Dos vários tipos de fibra, as de carbono são as que apresentam melhor desempenho mecânico

1) Definição de materiais compósitos • FIBRAS

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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• Função:

• transferir os esforços para as fibras

• manter as fibras unidas em conjunto

• proteger as fibras das agressões ambientais, de danos mecânicos;

• deve ser quimicamente, termicamente e mecanicamente compatível com as fibras

1) Definição de materiais compósitos • MATRIZ

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Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

1) Definição de materiais compósitos • MATRIZ

28 Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

1) Definição de materiais compósitos • MATRIZ

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• Resinas à base epoxi: quando associadas às fibras de carbono para a criação de FRP apresentam elevada resistência, rigidez e durabilidade. • Vantagens: baixa retração e excelentes propriedades

adesivas.

• Desvantagem: elevada viscosidade dificultando o seu processamento e manuseamento em relação as resinas de poliéster.

1) Definição de materiais compósitos • MATRIZ

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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São construídos com dois elementos distintos e fundamentais: Matriz polimérica, possui função de manter a estrutura das fibras coesas, propiciando a transferência das tensões de cisalhamento entre as fibras de carbono. Também deve ter um alongamento de ruptura muito maior do que o alongamento da fibra de carbono, permitindo que a mesma continue a possuir capacidade de carga mesmo após a tensão na fibra ter atingido a sua tensão de ruptura (limite de resistência).

Fibras de carbono, que são dispostas unidirecionalmente dentro das matrizes poliméricas e absorvem as tensões de tração decorrentes dos esforços solicitantes atuantes.

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

32

3/8

1/5

33

Os sistemas compostos com fibras de carbono devem trabalhar com ruptura frágil da fibra e ruptura dúctil da matriz, figuras A e B. A figura C mostra ruptura frágil da fibra e da matriz.

A B C

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Segundo CEB - FIB Bulletim 14: Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures

PRFC Fibra Matriz

Módulo

Tensão Resist.

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Segundo ACI 440.2 R-08 - Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Segundo ACI 440.2 R-08 - Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Empresas nacionais que comercializam esse tipo de reforço. • S&P Reinforcement • Sika • Viapol

Laminados - PRFC Módulo Resist. Tração Deformação Teor de fibras

N/mm2 N/mm2 % %

SP Reinforcement 168.000 205.000 2.400 3.000 0,4 a 1,55 > 70

Sika 165.000 300.000 1.500 3.200 0,45 a 1,7 68

Viapol 165.000 3.000 1,7 68

ACI 440.2 R-08 100.000 140.000 1.020 2.080 1,0 a 1,5 40 a 60

CEB - Fib 14 170.000 300.000 1.300 2.800 0,5 a 1,6 50 a 65

1) Definição de materiais compósitos • Compósitos de PRFC

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Exemplo de NSM

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Técnica EBR

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

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Exemplos de compósitos formados com fibras de carbono

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

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Técnica NSM

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

Fonte: PhD Gláucia Maria Dalfré e Renato Idas Leoni

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Exemplos de compósitos formados com fibras de carbono

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critério de cálculo / verificações na flexão

4) Estudo de caso – Técnica NSM

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Concreto armado – ABNT NBR 6118:2014

48

Concreto armado – ABNT NBR 6118:2014

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Concreto armado – ABNT NBR 6118:2014

50

51

Concreto armado – ABNT NBR 6118:2014

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São admitidas as seguintes condições de projeto (ACI440.2R-17 ): •As deformações no concreto e na armadura são proporcionais às suas respectivas distâncias ao eixo da linha neutra

•as seções transversais se mantêm planas após as deformações

•a deformação das barras passivas aderentes em tração ou compressão são as mesmas do concreto em seu entorno

•a máxima deformação no concreto comprimido é de 0,003 e 0,0035 (NBR6118)

•a resistência à tração do concreto é considerada nula

•diagrama tensão x deformação do laminado de fibra de carbono é elástico-linear até a ruptura; admite-se que existe perfeita aderência entre o concreto e o laminado.

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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Sequência interativa de verificações e cálculo:

1) Levantamento da real capacidade portante do elemento frente a geometria e materiais existentes • Verificação da seção com base nas informações do concreto e

armadura existentes, • Identificação do domínio de deformação em que o elemento se

encontra e posição da LN,

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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2) Verificação do nível de deformação inicial no concreto antes da instalação da fibra

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3) Arbitra-se a posição da LN • Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d.

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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4) Estimativa da tensão e deformação última do laminado

ffu = tensão de tração máxima de projeto do compósito de FRP ffu*= tensão de tração máxima de projeto do compósito de FRP (fornecida por ensaio ou fabricante) fu = deformação máxima de projeto do compósito de FRP fu*= deformação máxima do compósito de FRP (fornecida por ensaio ou fabricante) CE = coeficiente de exposição ambiental

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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•Def. Efetiva fibra

•Def. da armadura

5) Calculam-se as deformações dos materiais considerando-se a linearidade da variação das deformações

Conhecida a extensão efetiva do FRP, a extensão existente no substrato no instante de aplicação do reforço, bi, e a posição da linha neutra, c, a tensão no aço pode ser calculada por intermédio da seguinte condição de compatibilização de deformações:

•Def. do concreto

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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O equilíbrio interno de forças só é obtido se a Equação abaixo apresentada for satisfeita, caso contrário deve-se efetuar o processo iterativo até o equilíbrio ser alcançado.

6) Verificação da posição da linha neutra com base nas tensões e deformações dos materiais

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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6) Tendo em conta a distribuição de deformações e de tensões anteriormente representadas, o momento fletor resistente da seção, na verificação aos estados limite último, pode ser calculado conforme a seguinte equação :

onde: As é a área da armadura convencional de tração existente na seção; fs é a tensão de tração no aço; h e d são a altura total e altura útil da seção, respectivamente; β1 é o fator de transformação do diagrama de tensões; c é a posição do eixo neutro (linha neutra); Ψf é o coeficiente de minoração da resistência do FRP. Na flexão pode-se adotar o valor de 0,85. Af é a área de FRP; ffe é a tensão de tração efetiva no FRP.

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

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Admite-se que após reforçada, a peça tem nível aceitável de ductilidade se a deformação no aço, no momento da ruptura por esmagamento do concreto à compressão e no momento do descolamento do FRP do substrato, for superior ou igual a 0,005.

Para simular este efeito é definido um fator φ determinado da seguinte forma:

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

φ = fator de minoração de resistência, relacionado com a ductilidade da seção Mn = resistência fletor resistente de cálculo da seção de estudo Mu = momento fletor solicitante da combinação mais desfavorável para a análise

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Estrutura da apresentação

1) Definição de materiais compósitos (temperatura ambiente) a. Fibras b. Matrizes c. Polímero reforçado com fibras de carbono – PRFC

2) Aplicação do PRFC nas estruturas

3) Critérios de cálculo / verificações na flexão

4) Estudo de caso – Técnica NSM

Analisar os resultados experimentais do comportamento de viga de concreto armado reforçada com PRFC pela técnica NSM.

Comparar os resultados experimentais com um viga de referência ensaiada com mesmas características, porém sem reforço.

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Concepção dos modelos

63

50 50 50

150

180

•Estribos 6,3mm a cada 10cm •Concreto Fcj=29Mpa •Aço Fy = 594,3 MPa

4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Instrumentação

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Instrumentação

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Concretagem e instrumentação

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Concretagem e instrumentação

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Instrumentação

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

•Caracterização dos Materiais

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4) Estudo de caso – Técnica NSM

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•Resultados analíticos preliminares:

Viga sem reforço Mresist = 866 kN.cm Ruptura = Dom 2 A`s = tracionado s/ escoar As = tracionado escoando X = 2,3cm

Viga com reforço Mresist = 1825 kN.cm Ruptura = Dom 2 A`s = localizado na L.N. As = tracionado escoando X = 4,0cm

4) Estudo de caso – Técnica NSM

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Resultados: Viga de referência (sem reforço)

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Resultados: Viga de referência (sem reforço)

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Resultados: Viga reforçada com PRFC

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Resultados: Viga reforçada com PRFC

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Resultados: Viga reforçada com PRFC

Viga sem reforço Viga com PRFC

Pontos de análise da viga com reforço de PRFC. Gráfico da relação Força-célula de carga x deformação. Os pontos A`, B`e C` correspondem os mesmos valores de deformações obtidos na viga sem reforço. O ponto P1 refere-se ao início de escoamento das armaduras tracionadas. O ponto P2 refere-se a deformação de 10‰ nas armaduras tracionadas. O ponto P3 é referente ao laminado com deformação de cálculo ɛfd = 0,7.ɛfu

correspondendo a Ɛfd = 8,54‰ e o ponto P4 refere-se à fibra com deformação última Ɛfu =11,96‰.

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Resultados Experimentais

Concreto

E4 (‰) E5 (‰) F3 (‰) F4 (‰) E1 (‰) E4 (kN) E5 (kN) E4 (kN) E5 (kN)

2,78 A 40,22 1006 2,84 2,71 -0,73 24,50 23,35 28,75 719 23,39 23,39

3,78 B 50,63 1266 3,95 3,61 -2,07 29,53 29,40 35,05 876 28,78 28,78

3,97 C 52,55 1314 4,17 3,77 -2,30 29,64 29,47 35,17 879 28,89 28,89

2,78 A` 44,89 1122 2,74 2,81 3,8 3,64 -0,98 23,65 24,21 9,30 8,91 39,64 991 23,39 23,39 8,00 8,00

3,78 B` 54,27 1357 3,7 4,05 4,71 4,52 -1,25 29,40 29,40 11,32 10,86 49,66 1242 28,78 28,78 10,98 10,98

3,97 C` 55,63 1391 3,79 4,22 4,79 4,6 -1,27 29,46 29,46 11,62 11,15 50,47 1262 28,89 28,89 11,50 11,50

4,50 P1 56,37 1409 3,91 4,56 4,86 4,65 -1,31 29,72 29,72 11,87 11,38 52,00 1300 29,00 29,00 12,62 12,62

10,00 P2 62,54 1564 9,78 10,41 5,96 5,72 -1,55 29,72 29,72 14,57 13,99 73,00 1825 29,00 29,00 29,35 29,35

8,54 P3 75,18 1880 >15,92 >15,92 8,62 8,46 -2,20 29,72 29,72 21,09 20,7 62,79 1570 29,00 29,00 21,00 21,00

11,96 P4 90,54 2264 >15,92 >15,92 11,97 11,95 -3,03 29,72 29,72 29,27 29,22 74,00 1850 29,00 29,00 30,00 30,00

Força

teórica

célula de

carga (kN)

Forças teóricas nas barras (kN)

Força nas armaduras Força nas Fibras

Experimental Teórico

Deformações específicas nos extensômetros - Ɛ(‰)

Amaduras inferiores Fibras

Momentos

Fletores

ensaio

(kN.cm)

Momentos

Fletores

teóricos

(kN.cm)

Viga sem

reforço

Viga com

reforço -

PRFC

Deformação

média das

armaduras

Ɛ(‰)

Deformação

média das

fibras Ɛ(‰)

Pontos

no

gráfico

Vigas Força nas armaduras Força nas Fibras

Força

aplicada

célula de

carga (kN)

Forças nas barras (kN)

77

Resultados: Viga reforçada com PRFC

78

Resultados: Viga reforçada com PRFC

79

Resultados: Viga reforçada com PRFC

80

Conclusões

• O reforço aumento da capacidade de carga e redução de flechas

• A ruptura da viga (sem reforço) ocorreu por cisalhamento da biela de compressão

• A ruptura da viga reforçada ocorreu no Domínio 2 • escoamento da armadura longitudinal com deformação de 10‰, • concreto com deformação à compressão de 1,55‰ • fibras com deformação média de 5,84‰.

• A ruína da viga reforçada ocorreu por cisalhamento da biela de compressão

• O reforço alterou o tipo de ruptura da viga, passando de frágil (viga sem reforço), para uma ruptura dúctil, a flexão, no Domínio 2.

• .

81

Conclusões

• O acréscimo de capacidade de carga da viga reforçada em comparação com viga sem reforço, na ruptura, foi de 16% com uma redução de flecha de 62% e para a ruína foi de 72% com uma redução de flecha de 293%.

• Devido a ruptura da viga sem reforço ocorrer por cisalhamento da biela

de compressão, o trecho de viga submetido aos esforços cortantes deveria ter sido dimensionado para uma maior área de aço e distanciamentos menores entre os estribos.

• AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. ACI 440.2R-08: Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. Farmington Hills: ACI, 2008. 80 p.

• AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. ACI 440.2R-17: Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. Farmington Hills: ACI, 2017.

• AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D 3039/D 3039M: Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. West Conshohocken: ASTM, 2008. p. 105-116.

• ARAUJO, C.J.R.V. Estudo experimental de viga de concreto armado reforçada com laminados de fibra de carbono pela técnica NSM. Revista IPT-Tecnologia e Inovação, São Paulo, V.1, n.4, abril 2017.

• ARQUEZ, A. P. Aplicação de laminado de polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) inserido em substrato de microconcreto com fibras de aço para reforço à flexão de vigas de concreto armado. 2010. 242 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2010.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739: Concreto – Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro: ABNT, 2007. 4 p.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projetos de estruturas de concreto: procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 2014. 238p.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7480: Aço – Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado: Especificação. Rio de Janeiro: ABNT, 2008a. 13 p.

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8522: Concreto – Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de Janeiro: ABNT, 2008b. 16 p.

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Referências Bibliográficas

• ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 6892-1: Materiais metálicos – Ensaio de tração Parte 1: Método de ensaio à temperatura ambiente. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. 70p.

• CARVALHO, T. S. Reforço à flexão de vigas de betão armado com compósitos de CFRP. 2010. 185 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2010.

• MACHADO, A. P.; MACHADO, B.A. Reforço de estruturas de concreto armado com sistemas compostos FRP: teoria e prática. São Paulo: PINI, 2015, 517 p.

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Referências Bibliográficas

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Obrigado

Eng. Ms. Ciro José Ribeiro Villela Araujo E-mail: ciroaraujo@ipt.br Tel. 3767-4161

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