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Artigo submetido ao Curso de Engenharia Civil da UNESC - como requisito parcial para obtenção do Título de Engenheiro Civil

ANÁLISE EXPERIMENTAL DE VIGAS MISTAS DE CONCRETO ARMADO E PERFIS DE GFRP UTILIZADOS COMO SUBSTITUTOS

PARCIAIS DAS ARMADURAS TRANSVERSAIS

Igor Souza Hoffman (1), Prof.MSc. Elaine Guglielmi Pavei Antunes (2)

UNESC – Universidade do Extremo Sul Catarinense (1) [email protected], (2) [email protected]

RESUMO

A utilização de perfis estruturais de GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers) no setor da construção civil vem crescendo devido as suas propriedades atrativas, como a durabilidade e resistência a ambientes marinhos, e altas resistências mecânicas. Com isso faz-se necessário a realização de estudos que busquem avaliar o desempenho desses materiais em aplicações estruturais. Sendo assim o presente trabalho tem por objetivo analisar o desempenho mecânico de vigas mistas de concreto armado com perfis de GFRP, em comparação a vigas de concreto armado, através da análise de grupos com distintos espaçamentos entre armaduras transversais. Em todos os grupos não houve alteração nas armaduras longitudinais, e os grupos D e Q eram constituídos, respectivamente, por armaduras transversais espaçadas conforme o dobro e o quadruplo do calculado para as vigas referência, e apresentavam os perfis de GFRP em sua constituição. Todas as vigas foram ensaiadas a flexão quatro pontos, e strain gages foram postos em uma das vigas de cada grupo estudado. Os resultados obtidos nos ensaios apresentaram um aumento de resistência de 83,67 % nas vigas do grupo D, e de 79,91 % para o grupo Q, em relação as referências. A análise de deformações longitudinais mostrou aumentos de rigidez e de momentos de fissuração nas vigas mistas. Sendo assim as estruturas mistas estudadas podem constituir futuras soluções para construções expostas a condições ambientais agressivas, com o intuito de aumentar a sua durabilidade, e também contribuir para o dimensionamento de tais elementos estruturais com menores taxas de armadura.

Palavras-Chave: Perfil de GFRP, vigas mistas, armaduras transversais, pultrusão.

1. INTRODUÇÃO

Os materiais compósitos são definidos como uma substância composta de dois ou

mais materiais, combinados em uma escala macroscópica, insolúveis entre si, que

são associados para formar um material de engenharia útil com certas propriedades

que não se encontram nos seus constituintes isoladamente (ASTM D3878-16, 2016;

ALMEIDA apud SANTOS et al, 2009).

A utilização de compósitos, em especial os materiais formados por polímeros

reforçados com fibras (FRP- Fiber Reinforced Polymer), tem sido ampla e competitiva

em algumas áreas da engenharia, tais como o setor automobilístico, naval e

aeroespacial, sendo o último um dos grandes responsáveis pelos avanços em

pesquisa e aplicabilidade desses materiais (VINSON, SIERAKOWSKI, 2002).

2 Artigo submetido ao Curso de Engenharia Civil da UNESC - como requisito parcial para obtenção do Título de Engenheiro Civil

UNESC- Universidade do Extremo Sul Catarinense – 2017/02

Segundo Mosallam (2002) as propriedades atrativas dos polímeros reforçados com

fibras são: durabilidade e resistência a ambientes marinhos; resistência mecânica,

particularmente em baixas temperaturas; capacidade de resistir a vibrações e

absorver energia sobre carregamentos sísmicos; transparência eletromagnética;

baixo valor do coeficiente de expansão térmica; pigmentação e características

decorativas; além de excelente relação rigidez por peso e resistência por peso, e

assim, reduz os custos de transporte e montagem. Devido a tais propriedades o seu

uso tem sido amplamente estudado como um substituto viável para o aço e o concreto

armado, especialmente em estruturas expostas a ambientes agressivos, como

tabuleiros de ponte, que necessitam de constantes manutenções devido aos

problemas de corrosão (XIN et al, 2017; CORREIA, 2006).

O uso dessa tipologia de materiais compósitos no setor da construção civil cresce com

os anos, principalmente nos países desenvolvidos, que realizam estudos para

melhorar as propriedades e a aplicabilidade desses materiais nesse setor. O uso de

FRP pode ser visualizado comumente em estruturas mistas de concreto e perfis

estruturais de resinas reforçadas com fibra (CORREIA et al, 2009), em estruturas

constituídas integralmente de perfis estruturais de FRP (XIN et al, 2017), ou ainda,

com o uso de barras de FRP em lugar das barras convencionas de aço em estruturas

de concreto armado (NAJM, 2012).

Apesar das vantagens que esses materiais possuem em relação aos tradicionalmente

usados na construção civil, pode-se apontar algumas dificuldades quanto as suas

propriedades e aplicações, em especial relacionado aos perfis estruturais de FRP,

como: reduzido módulo de elasticidade, anisotropia, comportamento frágil,

necessidade de desenvolvimento de novas formas estruturais e sistemas de ligação,

e custos iniciais pouco competitivos na maior parte das aplicações (CORREIA, 2006).

Os polímeros reforçados com fibras tradicionalmente são constituídos por duas fases

distintas, a matriz e as fibras, sendo que as fibras utilizadas são as de carbono,

aramida e vidro, estas últimas formam os compósitos denominados GFRP (Glass

Fiber Reinforced Polymer). As características físico-químicas do elemento final da

união entre ambas é determinado pelas propriedades de cada material que as

constitui. Portanto, acaso um dos componentes seja alterado, modifica-se também as

propriedades do compósito produzido. Segundo Tavares (2006) os fatores que mais

afetam o comportamento físico desses materiais são as propriedades mecânicas,

orientação, comprimento, forma e composição das fibras; localização das fibras no



interior da matriz; e propriedades mecânicas da resina matriz e da aderência entre a

matriz e as fibras.

A principal função da matriz nos perfis de FRP é manter as fibras unidas através da

coesão e adesão, realizando assim a transmissão e distribuição dos carregamentos

aplicados sobre a estrutura para as fibras que compõem o material, que são os

principais componentes responsáveis pela absorção das cargas aplicadas. A matriz

também possui como função evitar o efeito de flambagem nas fibras, proteger as

superfícies das fibras de eventuais danos provocados pela exposição direta ao meio

ambiente, e proteger a estrutura de danos causados por micro rupturas durante o

serviço. (BAGHERPOUR, 2012; AU, 1999).

Em vista de tais propriedades que os polímeros reforçados com fibras possuem, e

devido a sua crescente utilização em diversos setores da engenharia, que tem tornado

estes materiais cada vez mais competitivos, e que tem ampliado o desenvolvimento

de novas técnicas e aplicações, torna-se necessário a realização de estudos que

busquem avaliar o desempenho desses materiais em aplicações estruturais no setor

da construção civil. Como em estruturas constituídas integralmente de perfis de

GFRP, avaliando-se o desempenho das seções dos perfis, estudo de falhas e fraturas,

análise de ligações, entre outros parâmetros; assim como o estudo do comportamento

desses materiais quando constituindo elementos estruturas mistos, como vigas mistas

de concreto armado e perfis de GFRP, que podem aumentar a durabilidade das

estruturas em ambientes agressivos, entre outros.

Em virtude desses apontamentos o presente trabalho tem por objetivo analisar o

desempenho mecânico de vigas mistas de concreto armado com perfis de GFRP, em

comparação a vigas de concreto armado comumente utilizadas na construção civil,

através da análise de grupos com distintos espaçamentos entre armaduras

transversais. Assim sendo, submete-se as amostras de cada grupo a esforços de

flexão e cortante, para o estudo do comportamento da estrutura mista, e análise do

desempenho dos perfis utilizados como substitutos parciais das armaduras

transversais.



2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 METODOLOGIA

Com a finalidade de cumprir os objetivos desse estudo foram realizados três grupos

diferentes de vigas, grupo REF, D e Q, constituídas por três amostras cada. Para todos

os grupos os elementos estruturais possuíam comprimento total de 160 cm, e um vão

efetivo de 150 cm (Figura 5). Os perfis de GFRP compõem uma fôrma estrutural, que

serve como molde para a execução das vigas e também como elemento estrutural

(Figura 7).

Para o cálculo das armaduras transversais foi utilizado o modelo II de cálculo,

conforme ABNT NBR 6118:2014, considerando o ângulo da biela de compressão

ϴ=450 (conforme indicado na estrutura dos ensaios na Figura 5), e o ângulo dos

estribos α=900. O dimensionamento foi realizado considerando o elemento estrutural

no domínio 3 de estado limite último, e os carregamentos máximas atuantes sobre as

vigas que resultam no máximo momento fletor resistido pelas armaduras longitudinais

de combate a flexão.

As informações e descrições dos grupos de vigas são apresentadas na Figura 1 e

Figura 2.

Figura 1 — Informações dos grupos de amostras.

Descrição

Seção

transversal de

concreto (cm)

Perfil de

GFRP

Armadura

longitudinal

Armadura

transversal

REF 15,00 x 25,00 Não 2Φ12,5mm Conforme cálculo

D 15,00 x 25,00 Sim 2Φ12,5mm Dobro de cálculo

Q 15,00 x 25,00 Sim 2Φ12,5mm Quadruplo de

cálculo

Fonte: Autor, 2017.

Figura 2 — Descrição dos grupos de amostras.

REF D Q

REF-1 D-1 Q-1

REF-2 D-2 Q-2

REF-3 D-3 Q-3

Fonte: Autor, 2017.



Esse trabalho será realizado em quatro etapas principais, estas estão descritas de

acordo com a Figura 3, que apresenta as informações referentes as etapas

secundárias que compõem cada etapa principal.

Figura 3 — Informações referentes as etapas realizadas.

Primeira etapa: Cálculos e definições

preliminares

Escolha dos perfis que compõem a

fôrma de GFRP.

Escolha da resina utilizada para a

colagem concreto/perfil.

Cálculo preliminar das armaduras que

compõem os grupos, conforme ABNT

NBR 6118:2014

Segunda etapa: Execução e ensaio

de uma viga teste (conforme

especificações do grupo Q)

Secagem dos agregados graúdos e

miúdos para concretagem.

Limpeza das paredes internas da fôrma

de GFRP, e aplicação da resina

conforme recomendações do fabricante.

Concretagem de uma viga e moldagem

de seis corpos de prova cilíndricos,

conforme ABNT NBR 5738:2015.

Ensaios mecânicos após 28 dias de cura

do concreto.

Terceira etapa: Concretagem das

vigas constituintes dos grupos REF,

D e Q.

Secagem dos agregados graúdos e

miúdos para concretagem.

Limpeza das paredes internas das

fôrmas de GFRP, e aplicação da resina

conforme recomendações do fabricante.

Concretagem das vigas e moldagem de

seis corpos de prova cilíndricos por

grupo de vigas executadas, conforme

ABNT NBR 5738:2015.

Quarta etapa: Ensaios mecânicos e

análise dos resultados.

Colagem de strain gages nas vigas REF-

1, D-1 e Q-1.

Ensaios mecânicos após 28 dias de cura

do concreto, concernente a cada grupo.

Análise das cargas máximas obtidas,

deslocamentos verticais, deformações

nos materiais, relação carga suporte e

peso próprio nas vigas, e modo de

ruptura. Análise através dos métodos

estatísticos ANOVA, teste t de Student e

Teste Tukey.

Fonte: Autor, 2017.



Após as atividades de concretagem (Figura 4) na segunda e quarta etapas, as vigas

foram cobertas com lonas, afim de evitar as perdas de água na mistura do concreto,

e os corpos de prova foram colocados em um tanque com água e solução de hidróxido

de cálcio, conforme especificação da norma ABNT NBR 5738:2015.

Figura 4 — Concretagem das vigas mistas de concreto armado em perfis de GFRP.

Fonte: Autor, 2017.

A quarta etapa é constituída pelos ensaios mecânicos destrutivos nas vigas e corpos

de provas moldados. Os ensaios foram realizados 28 dias após a concretagem dos

elementos, respeitando-se assim o tempo de cura necessário para o concreto atingir

a resistência desejada para este trabalho.

Todas as vigas foram submetidas a ensaios de flexão quatro pontos, seguindo o

modelo da norma ASTM C78/C78M-16 com adaptações em relação à altura das vigas,

definições de apoios e posicionamentos de aplicação das cargas, estas foram

posicionadas próximas aos apoios, formando um ângulo de 450 em relação ao apoio,

a altura das vigas e o ponto de aplicação, afim de majorar-se os esforços cortantes

nas vigas ensaiadas. As atividades foram realizadas no Laboratório Experimental de

Estruturas (LEE), pertencente ao IDT/UNESC. Os testes foram realizados com o uso

de uma célula de carga HBM U10M com capacidade máxima de 500kN, apoiado sob

um pórtico de reação. Para a obtenção dos valores das deflexões verticais foi utilizado

um LVDT de 100 mm. O esquema dos ensaios de flexão quatro pontos, bem como as

orientações das posições de aplicação de carga e posicionamento do LVDT são

apresentados na Figura 5.



Figura 5 — Modelo dos ensaios de flexão quatro pontos realizados em todas as vigas.

Fonte: Autor, 2017.

Os medidores de deformação (strain gages) foram inseridos na face superior de

concreto nas vigas “REF-1”, “D-1” e “Q-1” (Figura 6: a) e na parte inferior nas vigas

“D-1” e “Q-1”, nas fôrmas de GFRP (Figura 6: b). Além destes, foi inserido um strain

gage em uma das barras que compõem a armadura longitudinal inferior nas vigas

“REF-1”, “D-1” e “Q-1” (Figura 6: c). Todos os sensores foram posicionados no centro

do vão teórico.

Figura 6 — a) Strain gage no concreto. b) Strain gage no perfil de GFRP. c) Strain gages nas armaduras dos grupos REF, D e Q.

Fonte: Autor, 2017.

Os sensores utilizados nos ensaios foram ligados em um módulo de aquisição de

dados Quantum X MX840 da marca HBM, e o software utilizado para a recepção,

registro e sincronismo de dados foi o Catman 3.0.

Os ensaios de compressão axial e módulo de elasticidade no concreto foram

realizados no Laboratório de Materiais de Construção Civil (LMCC), pertencente ao

a b c



IDT/UNESC. Os ensaios de compressão axial foram realizados conforme ABNT NBR

5739:2007, em uma prensa hidráulica modelo EMIC PC200I, com capacidade máxima

de 2000 kN. Os módulos de elasticidade foram obtidos mediante ensaios realizados

conforme norma ABNT NBR 8522:2008, em uma prensa hidráulica modelo EMIC

PC200CS, com capacidade máxima de 2000 kN.

2.2 MATERIAIS

2.2.1 Perfis de GFRP

Os perfis de GFRP formaram fôrmas estruturais, que foram utilizadas para a

moldagem das vigas, e que serviram como parte da estrutura. Estas foram

constituídas de um perfil pultrudado do tipo eletro-calha com as dimensões de

15,00x10,00x0,32 cm, e duas chapas pultrudadas de 25,00x0,32 cm, que foram

coladas em ambos os lados das paredes do perfil do tipo eletro-calha com o uso de

cola poliuretano. Assim obteve-se uma seção transversal com as dimensões finais de

15,00x25,00x,32 cm, e um comprimento total de 160 cm, mantido em todas as fôrmas

utilizadas (Figura 7).

Figura 7 — Perfis de GFRP utilizada nos grupos D e Q.

Fonte: Autor, 2017.

Os perfis são pultrudados, e possuem uma taxa mínima de fibra/resina de 55%, as

fibras que constituem os perfis e suas respectivas características são apresentadas

na Figura 8.



Figura 8 — Propriedades das fibras.

Descrição Tipo de

fibra Massa linear

- ISO 1889 Perda ao fogo – ISO 1887 (%)

Umidade – ISO 3344

(%)

Roving Unidirecional

Vidro - E 740 ± 54 0,52 ± 0,18 ≤ 0,05

Manta bidirecional Vidro - E 25 4,6 ≤ 0,15

Fonte: Do fabricante, sd.

A resina utilizada no perfil trata-se de uma matriz de poliéster insaturada, isoftálico,

totalmente polimerízavel, com alta reatividade, alta viscosidade e não acelerado.

As propriedades mecânicas do material compósito em estudo são apresentadas na

Figura 9, conforme especificações do fabricante.

Figura 9 — Propriedades mecânicas do compósito GFRP.

Descrição Norma Tensão

Máxima (MPa)

Módulo de

Elasticidade (MPa)

Compressão

longitudinal ASTM D 695 249,65 ± 34,56 11826,20 ± 6927, 11

Compressão

transversal ASTM D 695 72,58 ± 9,96 3583,47 ± 2586,52

Tração longitudinal ASTM D 638-10 229,20 ± 0,49 43915,00 ± 9728,00

Tração transversal ASTM D 638-10 92,20 ± 4,28 13452,00 ± 1182,00

Flexão

(longitudinal) ASTM D 790-10 437,60 20314,00

Flexão

(transversal) ASTM D 790-10 186,10 11190,00

Cisalhamento

interlaminar

(longitudinal)

ASTM

D2344/D2344M-13 33,40 -

Cisalhamento

interlaminar

(transversal)

ASTM

D2344/D2344M-13 20,80 -

Fonte: Do fabricante, 2015.

Os perfis de GFRP apresentam de modo geral uma massa específica de 1800 kg/m3,

conforme indicado pela empresa fornecedora do material.



Observa-se pelo esquema da Figura 10, que o perfil do tipo eletro-calha possui um

encaixe de 1,00 cm em suas paredes verticais. Estes foram retirados para que as

chapas pultrudadas fossem coladas nas laterais do perfil, e assim obter a altura final

de 25,00 cm.

Figura 10 — Seção transversal eletro-calha.

Fonte: Autor, 2017.

2.2.2 Concreto

O concreto utilizado nas vigas foi dosado para apresentar uma resistência a

compressão de 40 MPa após 28 dias. As informações referentes ao concreto utilizado

estão na Figura 11.

Figura 11 — Traço e informações do concreto utilizado

Traço unitário em massa 1 : 2,87 : 2,13

Relação água/cimento 0,48

Fibra polipropileno 0,90 kg/m³

Abatimento do tronco de cone (ABNT NBR NM 67) 70 ± 20 mm

Fonte: Autor, 2017.

O cimento utilizado foi do tipo CPIV-32 com propriedade resistente a ambientes

agressivos, principalmente ao ataque de sulfetos.



Os agregados utilizados no concreto foram caracterizados segundo ABNT NBR NM

248:2003. As caraterísticas do agregado graúdo e miúdo são apresentados na Tabela

1.

Tabela 1 — Características dos agregados utilizados no concreto.

Areia lavada média Brita 3/4

Módulo de Finura 2,37 6,65

Dimensão máxima

característica 2,40 mm 19,00 mm

Composição mineralógica Quartzo Basalto

Massa específica seca

(kg/m³) 2364,91 2999,06

Massa unitária (kg/m³) 1580,70 1542,98

Fonte: LMCC – Laboratório de Materiais de Construção Civil, 2017.

O concreto foi reforçado com o uso de fibras de polipropileno multifilamentado, estas

segundo Canalli (2010) são utilizadas a fim de diminuir o risco de fissuração plástica

(efeito da retração no concreto), melhorando assim o desempenho da adesão

perfil/concreto, que foi realizada através do uso de uma resina epoxídica. O teor de

fibras utilizado foi de 0,9 kg/m³, segundo Figueiredo (2002) teores baixos de fibras

compreendidos entre 0,9 à 2,7 kg/m³ não influenciam no aumento da resistência do

concreto. Os dados referentes a fibra utilizada estão presentes na Figura 12.

Figura 12 — Características físico/mecânicas das fibras utilizadas.

Diâmetro 18,00 µm

Comprimento 12,00 mm

Matéria-prima Polipropileno

Peso Específico 0,91 g/cm³

Resistência a tração (MPa) 300 MPa

Módulo de Young (MPa) 3.000 MPa


2.2.3 Resina de aderência perfil/concreto

A ligação entre o perfil de GFRP e o concreto foi realizada com o uso de uma resina

epoxídica bicomponente tixotrópica.

As características mecânicas da resina utilizada são apresentadas na Figura 13.



Figura 13 — Características da resina utilizada.

Massa específica 2,009 kg/dm³

Cura inicial 24 horas

Cura final 7 dias

Resistência à compressão às 24 horas (NBR 5739) 40 MPa

Resistência à compressão aos 7 dias (NBR 5739) 70 MPa


A aplicação foi realizada nas paredes do perfil, nas áreas próximas aos apoios das

vigas (região de maior esforço cortante), e na área do fundo dos perfis, que

compreendem o local que apresenta o maior esforço de flexão. Os pontos em que a

resina foi aplicada estão apresentados nas áreas indicadas nas Figura 14.

Figura 14 — Pontos de aplicação de resina nas paredes e fundo das fôrmas, respectivamente, diagramas de esforço cortante e momento fletor.

Fonte: Autor, 2017.



A aplicação da resina foi realizada manualmente, com o uso de espátulas (Figura 15),

com uma espessura de aproximadamente 2 mm de cola, conforme indicações do

fabricante.

Figura 15 — a) Aplicação manual da resina epoxídica nas fôrmas pultrudadas. b) Resina aplicada no perfil.

Fonte: Autor, 2017.

2.2.4 Armaduras

O cálculo das armaduras utilizadas nas vigas foi realizado conforme a norma ABNT

NBR 6118:2014.

Para este trabalho foram mantidas fixas as armaduras longitudinais de combate a

flexão em todos os grupos de vigas, sendo que foram utilizados 2Ø12,5 mm,

totalizando uma área de aço de 2,5 cm2. As barras utilizadas para as armaduras

longitudinais são do tipo CA-50, nervuradas.

As armaduras longitudinais superiores foram mantidas com diâmetros de 5,0 mm, com

barras lisas, em todos os grupos de vigas.

As armaduras transversais foram compostas por barras de aço do tipo CA-50,

nervuradas, com diâmetro de 6,30 mm.

Os detalhamentos das vigas dos grupos REF, D e Q são apresentados,

respectivamente, na Figura 16 em conformidade aos dados apresentados na Figura

1.

a b



Figura 16 — Detalhamento de armaduras para os grupos a) REF; b) D; c) Q. (medidas em cm).

Fonte: Autor, 2017.

a

b

c



3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 COMPRESSÃO AXIAL E MÓDULO DE ELASTICIDADE DO CONCRETO

Paralelo aos ensaios de flexão nas vigas foram realizados ensaios de compressão

axial e módulo de elasticidade, para controle do concreto utilizado na moldagem das

vigas, que realizaram-se 28 dias após as atividades de concretagem. A Tabela 2

apresenta os valores das resistências médias obtidas para os corpos de prova

cilíndricos ensaiados, que foram identificados conforme os grupos REF, D e Q.

Tabela 2 — Resultados das resistências médias de compressão axial e módulo de elasticidade à compressão nos corpos de prova de concreto ensaiados.

Grupo Resistência à compressão axial

(MPa) – Média ± D.P*

Módulo de elasticidade à

compressão (GPa) – Média ± D.P*

REF 45,27 ± 1,877 44,70 ± 2,076

D 41,80 ± 2,287 44,38 ± 2,051

Q 43,55 ± 1,327 45,58 ± 1,81

* D.P – Desvio Padrão. Fonte: Autor, 2017.

Através dos resultados obtidos, pode-se constar que o concreto utilizado para a

moldagem das vigas apresentou resistência à compressão axial próxima a pré-

estabelecida para este trabalho.

3.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE FLEXÃO QUATRO PONTOS NAS VIGAS

3.2.1 Análise de cargas e deslocamentos verticais.

Durante os testes foram fixados limites em relação a carga aplicada pelo pistão

hidráulico sobre as vigas, com o objetivo de evitar danos aos equipamentos utilizados,

para tanto foi mantido como limite a aplicação de até 450 kN.

A Figura 17 apresenta o gráfico com os resultados das cargas e deslocamentos

verticais obtidos para as vigas referência (REF), vigas do grupo D e Q, que foram

identificadas conforme a Figura 2.



Figura 17 — Gráfico de cargas e deslocamentos verticais para cada viga ensaiada.

Fonte: Autor, 2017.

Através dos resultados experimentais foi realizada a análise estatística pelo método

do teste t de Student, com 95% de confiabilidade, obtendo-se assim os intervalos de

confiança das populações em relação aos valores médios das cargas máximas

obtidas experimentalmente para os grupos REF, D e Q. Os resultados obtidos através

do teste T são apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 — Resultados da análise das cargas máximas pelo método do teste T.

REF D Q

Maior média das

populações 264,29 kN 466,94 kN 465,67 kN

Média

experimental 239,03 kN 439,03 kN 430,04 kN

Menor média das

populações 213,77 kN 411,11 kN 394,42 kN

Erro Padrão 25,26 kN 27,91 kN 35,62 kN

Fonte: Autor, 2017.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Ca

rga

(kN

)

Deslocamento vertical (mm)

REF-1 REF-2 REF-3

D-1 D-2 D-3

Q-1 Q-2 Q-3



A média das cargas máximas para as vigas do grupo D foi de 439,03 kN, um aumento

de 83,67% em relação aos elementos estruturais do grupo REF, que apresentaram a

média de cargas máximas de ruptura de 239,03 kN.

Já para as vigas do grupo Q a média das cargas máximas foi de 430,04 kN, um

aumento de 79,91% em relação aos elementos do grupo REF, e uma diferença de

2,05 % em relação a média das cargas máximas das vigas do grupo D.

Os resultados obtidos através do teste t de Student mostram que existe diferença

significativa entre as amostras do grupo REF, em relação as vigas dos grupos D e Q.

Ao comparar-se os intervalos inferiores obtidos para as populações dos grupos D e

Q, e os intervalos superiores das populações do grupo REF, obteve-se aumentos de

55,55 e 49,24% nas cargas máximas médias, respectivamente.

Por outro lado os intervalos inferiores e superiores de resistência média das

populações dos grupos D e Q são próximos, estes resultados foram confirmados

através do Teste Tukey, que mostrou diferença estatisticamente verdadeira entre os

grupos D e Q quando comparados as referências (REF), porém não apontou

alteridade significativa entre os grupos D e Q. A análise estatística ANOVA, com 95%

de confiabilidade, foi realizada através das médias das cargas máximas obtidas

experimentalmente para cada grupo de vigas estudado, e apresentou como valor

p=1,42x10-6, sendo assim rejeita-se a hipótese de que todas as amostras dos grupos

apresentaram resultados de resistência mecânica estatisticamente semelhantes.

A Tabela 4 apresenta os resultados mecânicos para cada viga ensaiada, assim como

a carga obtida para o máximo deslocamento vertical de serviço, que segundo a ABNT

NBR 6118:2014 é de L/250, sendo L o vão efetivo da viga considerada.

Tabela 4 — Resultados mecânicos de cada viga ensaiada.

L/250= 6mm

Carga

Máxima (kN)

Deslocamento

Vertical na

carga máxima

(mm)

Máximo

Esforço

Cortante*

(kN)

Máximo

Momento

Fletor*

(kN.m)

Carga em

L/250 (kN)

REF-1 223,31 240,61 14,27 121,01 30,34

REF-2 234,30 248,31 13,50 124,86 31,30

REF-3 216,92 228,17 14,02 114,79 28,78

Média

±D.P** 224,84 ± 8,79 239,03 ± 10,16 13,93 ± 0,39 120,22 ± 5,08 30,14 ± 1,27



L/250= 6mm

Carga

Máxima (kN)

Deslocamento

Vertical na

carga máxima

(mm)

Máximo

Esforço

Cortante*

(kN)

Máximo

Momento

Fletor*

(kN.m)

Carga em

L/250 (kN)

D-1 320,25 445,50 8,58 223,46 55,95

D-2 356,55 426,05 8,31 213,73 53,52

D-3 330,83 445,54 9,23 223,48 55,96

Média

±D.P** 335,88 ± 18,67 439,03 ± 11,24 8,71 ± 0,47 220,22 ± 5,62 55,14 ± 1,41

Q-1 315,14 446,20 8,90 223,81 56,04

Q-2 381,69 425,09 7,57 213,25 53,40

Q-3 315,27 418,83 8,25 210,12 52,62

Média

±D.P** 337,37 ± 38,39 430,04 ± 14,34 8,24 ± 0,67 215,73 ± 7,17 54,02 ± 1,79

* O cálculo dos máximos esforços cortantes e momentos fletores foram realizados considerando o peso próprio da estrutura de concreto armado com γ = 25 kN/m³; * D.P – Desvio Padrão. Fonte: Autor, 2017.

Os deslocamentos verticais observados experimentalmente durante os ensaios das

vigas, apresentados na Tabela 4, foram obtidos no momento do máximo

carregamento aplicado. Para os elementos do grupo D, o deslocamento vertical médio

foi de 8,71 mm, que é 37,50 % menor que o deslocamento vertical médio obtido para

as vigas do grupo REF, que foi de 13,93 mm.

Já entre as amostras do grupo Q, o deslocamento vertical médio foi de 8,24 mm, uma

diferença de 40,85 % em relação as vigas do grupo REF, e uma diferença de 5,36 %

em relação aos elementos do grupo D.

Os valores obtidos experimentalmente de deslocamentos verticais foram analisados

estatisticamente através do teste Tukey, estes mostraram diferença estatisticamente

significativa entre as amostras dos grupos D e Q em relação ao grupo REF, entretanto

não houve dessemelhança entre as vigas dos grupos D e Q. O teste ANOVA, com

95% de confiabilidade, resultou em p=1,89x10-5, logo rejeita-se a hipótese de que as

amostras dos grupos apresentaram resultados de deslocamentos verticais

estatisticamente semelhantes.



Entretanto apesar de tais resultados significativos, pode-se observar através do

gráfico na Figura 17 que os deslocamentos verticais obtidos no momento de maior

carregamento analisado nos elementos estruturais do grupo REF estão contidos no

Estádio III de deformações, quando as vigas estavam em estado de colapso. Já os

valores encontrados para as amostras do grupo D e Q foram obtidos enquanto os

elementos estavam no Estádio II de deformações, antes do colapso das estruturas.

3.2.2 Análise de cargas e deformações longitudinais nos materiais

Com o objetivo de determinar o desempenho dos perfis de GFRP em relação aos

demais materiais que constituem as vigas, e assim obter uma melhor análise do

comportamento das estruturas como um todo, foi realizado junto a este trabalho o

estudo das deformações longitudinais do concreto, aço e perfis de GFRP no centro

dos vãos teórico das vigas, no ponto de maior momento fletor. Os strain gages foram

colados nas vigas REF-1, D-1 e Q-1. A Figura 18 apresenta os resultados de

deformações dos materiais durante os ensaios de flexão quatro pontos, em relação

ao momento fletor resultante no centro do vão teórico.

Figura 18 — Gráfico de momento fletor e deformação longitudinais dos materiais para as vigas a) REF-1; b) D-1; c) Q-1.

0

10

20

30

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000

Mo

me

nto

fle

tor

(kN

.m)

ε (µm/m)

SG Concreto

SG Aço

a



Fonte: Autor, 2017.

As curvas apresentadas na Figura 18 mostram através dos valores das deformações

longitudinais, que o aço e os perfis de GFRP foram, em conjunto, os responsáveis

pela resistência aos esforços de tração nos elementos estruturais ensaiados.

Observa-se também o comportamento elástico-linear dos perfis de GFRP durante

todo o ensaio, assim como para o concreto na região comprimida, que nas amostras

D-1 e Q-1 não apresentou ruptura por compressão.

Os resultados obtidos para as deformações longitudinais das barras de aço nas vigas

REF-1, D-1 e Q-1 mostram, através da primeira mudança de inclinação das retas nos

gráficos, os momentos de fissuração nos elementos estruturais, quando as vigas

passam do Estádio I de deformações para o Estádio II. Segundo Leonhardt (1979)

0

10

20

30

40

50

60

-2000 0 2000 4000 6000

Mo

me

nto

Fle

tor

(kN

.m)

ε (µm/m)

SG Concreto

SG Aço

SG GFRP

b

0

10

20

30

40

50

60

-2000 0 2000 4000 6000

Mo

me

nto

Fle

tor

(kN

.m)

ε (µm/m)

SG Concreto

SG Aço

SG GFRP

c



este acréscimo de deformações nas barras, apresentadas nos gráficos pelos

aumentos repentinos de deformações para uma pequena variação dos momentos

fletores, reflete o incremento das tensões nas barras tracionadas devido ao

surgimento de fissuras nas regiões de aderência. Nestes pontos elevadas tensões de

aderência surgem devido a diferença de deformações entre as barras de aço e o

concreto, que resultam em perda de aderência por adesão, que no caso de barras

nervuradas originam fissuras transversais nessas regiões.

Observa-se de igual modo que após o momento de fissuração, todos os materiais que

constituem as vigas demonstram alteração da inclinação das retas que os

caracterizam. Esta variação são características de elementos estruturais em Estádio

II de deformações, quando as vigas não apresentam rigidez constante, resultado da

alteração na rigidez dos materiais que as constituem (LEONHARDT, 1979).

Os momentos de fissuração para as vigas analisadas são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5 — Momento de fissuração para as vigas ensaiadas.

REF-1 D-1 Q-1

Momento de

fissuração (kN.m) 6,24 8,30 8,82

Fonte: Autor, 2017.

3.3 RELAÇÃO CARGA DE SUPORTE E PESO PRÓPRIO

A relação entre a carga de suporte obtida experimentalmente e o peso próprio

estimado para cada viga foi realizada com o objetivo de determinar a eficiência das

estruturas. A equação 𝒊 =𝑪𝑺

𝑷𝑷 foi utilizada, sendo cs a carga de suporte experimental

em kN, PP o peso próprio estimado das vigas em kN, e 𝒊 o fator de eficiência. A Tabela

6 apresenta os resultados dos fatores de eficiência encontrados para todas as vigas

ensaiadas.

Tabela 6 — Fatores de eficiência para cada viga ensaiada.

Identificação

Peso de concreto armado

(kN)*

Peso dos perfis de

GFRP (kN)**

Peso total das vigas

(kN)

Carga de suporte

(kN) 𝒊

REF-1 1,50 - 1,50 240,61 160,41



Identificação

Peso de concreto armado

(kN)*

Peso dos perfis de

GFRP (kN)**

Peso total das vigas

(kN)

Carga de suporte

(kN) 𝒊

REF-2 1,50 - 1,50 248,32 165,54

REF-3 1,50 - 1,50 228,17 152,11

Média dos fatores de eficiência (Média ± D.P***) 159,35 ± 6,78

D-1 1,50 0,037 1,54 445,50 289,87

D-2 1,50 0,037 1,54 426,05 277,22

D-3 1,50 0,037 1,54 445,54 289,90


Q-1 1,50 0,037 1,54 446,20 290,33

Q-2 1,50 0,037 1,54 425,09 276,60

Q-3 1,50 0,037 1,54 418,83 272,52


* O cálculo do peso estimado das estruturas de concreto armado foi realizado considerando γ = 25 kN/m³; ** O cálculo do peso estimado dos perfis de GFRP foi realizado considerando γ = 18 kN/m³, segundo dados do fabricante; *** D.P – Desvio Padrão. Fonte: Autor, 2017.

A análise dos coeficientes de eficiência através do método estatístico ANOVA, com

95% de confiabilidade, resultou em p=1,76x10-6, com isso rejeita-se a hipótese de que

as amostras são estatisticamente semelhantes. O teste Tukey apontou, através dos

resultados, diferença estatisticamente significativa ao comparar-se os fatores de

eficiência as vigas dos grupos REF, em relação as vigas dos grupos D e Q. Entretanto

não há diferença estatisticamente significativa entre as vigas dos grupos D e Q.

3.4 MODO DE RUPTURA

O modo de ruptura das vigas referência (REF) em relação as amostras dos grupos D

e Q foram distintas, entretanto o comportamento observado nas vigas dos grupos D e

Q foram semelhantes. Todos os elementos estruturais que compunham o grupo REF

romperam devido aos esforços de flexão, conforme observado na Figura 19.



Figura 19 — Vigas REF após os ensaios de flexão quatro pontos. a) viga REF-1. b) viga REF-2. c) Viga REF-3.

Fonte: Autor, 2017.

Entre as amostras que compunham o grupo D, duas delas (D-1 e D-3) não

apresentaram ruptura até se atingir as cargas máximas de aplicação estabelecidas

para os ensaios. A viga D-2 apresentou ruptura próximo ao apoio, devido ao

cisalhamento no perfil de GFRP na parte inferior, que conduziu a posterior ruptura na

viga devido aos esforços de cisalhamento. A Figura 20 apresenta as vigas do grupo

D após os ensaios de flexão quatro pontos.

Figura 20 — Vigas D após os ensaios de flexão quatro pontos. a) viga D-1. b) viga D-2. c) Viga D-3.

Fonte: Autor, 2017.

As vigas do grupo Q apresentaram comportamento semelhante em relação aos

elementos do grupo D, sendo que a amostra Q-1 não apresentou ruptura até atingir-

se a carga máxima estipulada para os ensaios. Já as vigas Q-2 e Q-3 apresentaram

ruptura próximo aos apoios devido ao cisalhamento do perfil de GFRP na parte

inferior, que causou posteriormente a ruptura nas vigas nessa região, devido aos

esforços cortantes atuantes. A Figura 21 mostra as vigas do grupo Q após os ensaios.

a b c

a b c



Figura 21 — Vigas Q após os ensaios de flexão quatro pontos. a) viga Q-1. b) viga Q-2. c) Viga Q-2. d) Viga Q-3.

Fonte: Autor, 2017.

As vigas D-2 e Q-3 apresentaram desnivelamento nos apoios, proveniente de erros

durante sua execução, e devido a isso a ruptura dos perfis nesses elementos ocorreu

na região em que a viga não se apoiava totalmente, diminuindo consequentemente a

área de contato, que favoreceu ao colapso nessas regiões.

4. CONCLUSÕES

Após os ensaios realizados, e através dos resultados obtidos, este estudo chegou as

seguintes conclusões:

Pode-se constar que os perfis de GFRP apresentaram resistência satisfatória

aos esforços cortantes e momento fletor nas vigas, aumentando

consideravelmente a sua resistência mecânica, sendo que sua utilização como

substituto parcial das armaduras transversais mostrou-se eficaz;

As análises estatísticas mostram que não houve diferença significativa para os

resultados das amostras dos grupos que possuíam os perfis de GFRP, logo

infere-se que os espaçamentos utilizados para as armaduras transversais em

cada grupo não foi um fator relevante para justificar o desempenho mecânico

a b

c d



das vigas, mas sim a presença dos perfis, e que os diferentes espaçamentos

não geraram perda ou ganho de resistência mecânica nas amostras

analisadas;

Através dos ensaios e dos resultados obtidos, pode-se constar que a resina

epoxídica utilizada com o objetivo de aderir a estrutura de concreto armado aos

perfis de GFRP apresentou desempenho satisfatório.

A presença dos perfis de GFRP nas vigas contribuíram para o aumento da sua

rigidez, em relação aos elementos estruturais de referência (REF).

Os ganhos de resistência obtidos nas amostras que possuíam os perfis de

GFRP foram resultado da ação conjunta dos perfis e as armaduras

longitudinais de combate a flexão.

A presença dos perfis de GFRP nas vigas contribuiu para o aumento dos

momentos de fissuração, pode-se deduzir que tal incremento ocorreu devido

as parcelas de tensões de tração resistidas por estas estruturas.

Os resultados gráficos de deformação longitudinais dos materiais que

constituem as vigas mostraram que os perfis de GFRP trabalharam em

conjunto com a estrutura de concreto armado, logo a estrutura de concepção

mista apresentou comportamento satisfatório.

A presença dos perfis de GFRP nas vigas aumentou significativamente a

eficiência das estruturas, ao compara-se as cargas máximas obtidas

experimentalmente em relação ao peso estimado das vigas, sendo que a

presença dos perfis de GFRP não contribuiu significativamente para o aumento

do peso das amostras analisadas.

Para trabalhos futuros sugere-se:

O estudo detalhado de fatores de segurança e metodologias de

dimensionamento para esta nova concepção estrutural, afim de obter-se

estruturas seguras e econômicas.

A análise das vigas mistas em relação a estruturas convencionais de concreto

armado em ambientes agressivos, com o intuito de comparar as suas

durabilidades, em relação a deterioração dos materiais que as constituem e

as suas propriedades mecânicas.



Teste das vigas mistas quando submetidas a carregamentos cíclicos e a

choques mecânicos.

Estudo sobre influência dos pontos de aplicação da resina epoxídica utilizada

para realizar a aderência dos perfis de GFRP e o concreto armado, a fim de

determinar as melhores metodologias para efetuar a aderência entre estes

materiais, de formas mais econômicas.

Análise dos custos das vigas mistas em relação a material, mão-de-obra e

manutenção em relação aos mesmos parâmetros para vigas de concreto

armado sobre diferentes ambientes de aplicação.

Comportamento mecânico das vigas mistas, e microestrutural dos materiais

que as constituem quando submetidas a altas temperaturas.

Influência das classes de resistência do concreto utilizado sobre as

resistências e comportamentos mecânicos das vigas mistas.

Influência das diferentes espessuras de perfis de GFRP, e de diferentes

seções transversais de concreto no comportamento mecânico das vigas

mistas;

Análise experimental da influência dos perfis de GFRP em estruturas mistas

de concreto armado como substituto parcial das armaduras longitudinais de

combate a flexão.

5. REFERÊNCIAS

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______ . NBR NM 67: Concreto – Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. Rio de Janeiro, 1996. 8 p. ASTM- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM C78/C78 – 16: Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple Beam with Third-Point Loading). United States, 2016. 4 p. ASTM- AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3878 – 16: Standard Terminology for Composite Materials. United States, 2016. 6 p. AU, Ching. Behavior of FRP-confined Concrete. 1999. 244 p. Master of science in Civil Engineering, Department Of Civil Engineering, Massachusetts Institute Of Technology, Cambridge, 2001. Disponível em: <https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/84240>. Acesso em: Jan. de 2017. BAGHERPOUR, Salar. Fibre Reinforced Polyester Composites. In: SALEH, Hosam El-din M. et al. Polyesters. Najafabad-Branch: Intech, 2012. Cap. 6. p. 135-166. Disponível em: <https://www.intechopen.com/books/polyester/fibre-reinforced-polyester-composites>. Acesso em: Set. de 2017. CANALLI, Isabel Calegari. Estudo de Comportamento de Estrutura Mista de Concreto e Perfil Pultrudado de PRFV Sob Flexão. 2010. 148 p. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Civil, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2010. Disponível em: <https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/94068>. Acesso em: Fev. de 2017. CORREIA, João Ramôa. Utilização de Perfis Pultrudados de Fibra de Vidro (GFRP) na Construção. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, 2006. Disponível em: <https://sigarra.up.pt/feup/pt/conteudos_service.conteudos_cont?pct_id=30541&pv_cod=Zaaaw0TxFa>. Acessado em: Dez. 2016. CORREIA, João Ramôa; BRANCO, Fernando A.; FERREIRA, João. GFRP–concrete hybrid cross-sections for floors of buildings. Engineering Structures, [s.l.], v. 31, n. 6, p.1331-1343, jun. 2009. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2008.04.021. Disponível em: <https://www.researchgate.net/publication/222210888>. Acesso em: Mar. 2017. FIGUEIREDO, A.D., TANESI, J.; NINCE, A.A. Concreto com fibras de polipropileno (CFP). Téchne, São Paulo, v.10, n.66, p.48-51, 2002. Disponível em: <https://www.researchgate.net/profile/Antonio_Figueiredo4/publication/292995381_Concreto_com_fibras_de_polipropileno_CFP/links/56b4f5dc08ae5ad3605777ed.pdf?origin=publication_detail>. Acesso em: Ago. de 2017. LEONHARDT, Fritz. Construções de concreto vol. 4: Verificação da capacidade de utilização: limitação da fissura, deformações, redistribuição de momentos e teorias das linhas de ruptura em estruturas de concreto armado. 1. ed Rio de Janeiro: Interciência, 1979. 210 p.



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