Comportamento Estrutural Vigas e Concreto e Carbono

Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforadas com

Compsitos de Fibra de Carbono

Andriei Jos Beber

PORTO ALEGRE 2003

ii

Andriei Jos Beber



Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia

Porto Alegre Julho 2003

iii

Andriei Jos Beber



Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obteno do ttulo de

DOUTOR EM ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelo professor

orientador e pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil da Universidade

Federal do Rio Grande do Sul.

Porto Alegre 28 de julho de 2003.

Prof. Amrico Campos Filho Dr. pela USP

Orientador/Coordenador do PPGEC-UFRGS

BANCA EXAMINADORA

Prof. Ivo Jos Padaratz (UFSC) PhD. pela University of Edinburgh

Prof. Mauro de Vasconcellos Real (FURG) Dr. pela UFRGS

Prof. Francisco de Paula Simes Lopes Gastal (UFRGS) PhD. pela North Carolina State University

Prof. Joo Luiz Campagnolo (UFRGS) MSc. pela UFRGS

iv

A vitria metade conquistada quando se desenvolve o hbito de estabelecer metas e alcan-las. Mesmo a mais entediante rotina torna-se suportvel quando se marcha convencido que toda tarefa,

no importando sua dimenso, lhe traz cada vez mais perto de conquistar seus sonhos.

v

AAGGRRAADDEECCIIMMEENNTTOOSS

O desenvolvimento de uma tese de doutorado experimental representa, acima de

tudo, um exerccio de esforo coletivo na busca de um objetivo. Com enorme satisfao,

gostaria de prestar meus mais sinceros agradecimentos a todos aqueles que, de alguma forma,

contriburam para a concretizao deste trabalho.

Primeiramente gostaria de agradecer ao Prof. Amrico Campos Filho, entusiasta deste

trabalho desde seu incio, pelos seus ensinamentos, rigor cientfico, disponibilidade e,

principalmente, amizade e incentivo permanente.

Aos professores, colaboradores e bolsistas de iniciao cientfica do LEME, pelo

incentivo e apoio constantes durante a conduo de todas as etapas desta tese. Estendo meu

agradecimento, tambm, aos demais funcionrios do PPGEC e do Departamento de

Engenharia Civil. Em particular, agradeo ao Prof. Joo Luiz Campagnolo, grande

incentivador deste trabalho.

Aos amigos Eurpedes Martins Fontes e Dirceo Santarosa, grandes companheiros

durante esta jornada, sempre presentes em todos os momentos do desenvolvimento desta

tese. Agradeo, ainda, querida Liliani Gaeversen que, com sua contribuio maternal foi

muito importante, principalmente nos momentos de dificuldade.

Gostaria de agradecer a importante contribuio da Votorantim Cimentos S/A,

Siderrgica Rio-Grandense S/A e Belgo-Mineira, pela doao de materiais para a realizao

dos ensaios desta tese. Alm disso, gostaria de prestar meus agradecimentos aos engenheiros

Jos Eduardo Granato, Paulo Cruz e Fbio Andr Viecili, funcionrios da Master Builders

Technologies do Brasil, pela doao dos sistemas de reforo CFK 200/2000 e

C-Sheet 240 empregados nesta tese.

Gostaria de agradecer, ainda, ao CNPq pelo suporte financeiro durante a elaborao

deste trabalho.

A Deus, pela fora e graa de poder realizar este trabalho.

vi

SUMRIO

Lista de Quadros ........................................................................................................................................ x

Lista de Tabelas ......................................................................................................................................... xi

Lista de Figuras ......................................................................................................................................... xii

Notao e Simbologia ............................................................................................................................ xvii

Resumo ...................................................................................................................................................... xx

Abstract ..................................................................................................................................................... xxi

Glossrio .................................................................................................................................................. xxii

CAPTULO 1 INTRODUO .................................................................................................................. 1 1.1 Consideraes iniciais .............................................................................................................. 1

1.2 Reabilitao de estruturas de concreto ................................................................................. 5

1.3 Mtodos convencionais de reforo estrutural ..................................................................... 9

1.3.1 Aumento de seo transversal ..................................................................................... 10

1.3.2 Protenso externa .......................................................................................................... 10

1.3.3 Chapa de ao colada com resina epxi ....................................................................... 11

1.4 Reforo de estruturas de concreto com materiais compsitos ....................................... 13

1.5 Objetivos do trabalho ............................................................................................................ 14

CAPTULO 2 MATERIAIS COMPSITOS ........................................................................................... 18 2.1 Consideraes iniciais ............................................................................................................ 18

2.2 Histrico .................................................................................................................................. 20

2.3 Composio ............................................................................................................................ 21

2.3.1 Matriz .............................................................................................................................. 21

2.3.2 Fibras ............................................................................................................................... 23

2.3.2.1 Fibras de vidro .......................................................................................................... 24

2.3.2.2 Fibras de aramida ..................................................................................................... 25

2.3.2.3 Fibras de carbono ...................................................................................................... 25

2.4 Compsitos de FRP ............................................................................................................... 26

2.4.1 Propriedades dos compsitos de FRP ....................................................................... 29

2.4.1.1 Resistncia e rigidez ................................................................................................... 29

2.4.1.2 Fadiga ....................................................................................................................... 29

vii

2.4.1.3 Fluncia .................................................................................................................... 30

2.4.1.4 Coeficiente de expanso trmica .................................................................................. 30

2.4.2 Compsitos de CFRP ................................................................................................... 30

2.4.2.1 Sistemas pr-fabricados .............................................................................................. 31

2.4.2.2 Sistemas curados in situ ............................................................................................. 32

2.4.3 Vantagens e desvantagens do reforo estrutural com compsitos de CFRP ....... 35

2.4.3.1 Resistncia ...................................................................................................................... 36

2.4.3.2 Peso prprio ............................................................................................................... 36

2.4.3.3 Transporte ................................................................................................................. 36

2.4.3.4 Versatilidade de projeto ............................................................................................. 36

2.4.3.5 Facilidade de aplicao ............................................................................................... 37

2.4.3.6 Menor necessidade de fixao ..................................................................................... 37

2.4.3.7 Durabilidade ............................................................................................................. 38

2.4.3.8 Resistncia ao do fogo ........................................................................................... 38

2.4.3.9 Manuteno ............................................................................................................... 38

2.4.3.10 Menor tempo de interdio ....................................................................................... 39

2.4.3.11 Protenso ................................................................................................................. 39

CAPTULO 3 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL ............................................................................ 40 3.1 Histrico das principais investigaes ................................................................................ 40

3.2 Aplicaes de compsitos de CFRP ................................................................................... 47

3.3 Modos de ruptura .................................................................................................................. 49

3.4 Comportamento de vigas reforadas flexo .................................................................... 53

3.4.1 Condio inicial ............................................................................................................. 54

3.4.2 Anlise no estado limite ltimo (ELU) ...................................................................... 56

3.4.3 Verificao de modos de ruptura prematuros ........................................................... 62

3.5 Comportamento de vigas reforadas ao cisalhamento ..................................................... 67

3.5.1 Generalidades ................................................................................................................. 68

3.5.2 Configuraes de um reforo ao cisalhamento ......................................................... 70

3.5.3 Princpios gerais de dimensionamento ....................................................................... 73

3.5.3.1 Contribuio do concreto ............................................................................................. 76

3.5.3.2 Contribuio da armadura transversal ........................................................................ 79

3.5.3.3 Contribuio do reforo externo .................................................................................. 81

viii

CAPTULO 4 PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................... 93 4.1 Consideraes iniciais ............................................................................................................ 93

4.2 Caractersticas das vigas ........................................................................................................ 94

4.2.1 Vigas reforadas flexo .............................................................................................. 96

4.2.2 Vigas reforadas ao cisalhamento ............................................................................... 97

4.3 Concreto .................................................................................................................................. 99

4.3.1 Dosagem ....................................................................................................................... 100

4.3.2 Mistura .......................................................................................................................... 101

4.3.3 Moldagem ..................................................................................................................... 101

4.3.4 Adensamento ............................................................................................................... 101

4.3.5 Retirada das frmas e cura ......................................................................................... 102

4.3.6 Controle tecnolgico ................................................................................................... 103

4.4 Ao ......................................................................................................................................... 103

4.5 Compsitos de CFRP .......................................................................................................... 104

4.5.1 Sistema pr-fabricado ................................................................................................. 104

4.5.2 Sistema curado in situ .................................................................................................. 104

4.5.3 Aplicao do reforo ................................................................................................... 105

4.5.3.1 Preparao da superfcie ........................................................................................... 105

4.5.3.2 Aplicao do compsito de CFRP ............................................................................ 107

4.6 Metodologia de ensaio ................................................................................................... 113

4.6.1 Instrumentao ............................................................................................................ 116

4.6.1.1 Cargas ..................................................................................................................... 116

4.6.1.2 Deslocamentos verticais ............................................................................................ 116

4.6.1.3 Deformaes especficas do concreto ............................................................................ 117

4.6.1.4 Deformaes especficas da armadura e reforo ........................................................... 121

4.6.2 Sistema de aquisio de dados ................................................................................... 123

CAPTULO 5 AVALIAO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................. 125 5.1 Vigas reforadas flexo .................................................................................................... 125

5.1.1 Avaliao da resistncia: cargas e modos de ruptura .............................................. 126

5.1.2 Avaliao da rigidez: deslocamentos e deformaes especficas .......................... 132

5.1.2.1 Deslocamentos verticais ............................................................................................ 132

5.1.2.2 Deformaes especficas na armadura ........................................................................ 136

5.1.2.3 Deformaes especficas no concreto ............................................................................ 140

ix

5.1.3 Avaliao do comportamento do reforo: deformaes especficas e tenses .. 146

5.1.4 Modelos analticos para a previso do desempenho das vigas reforadas .......... 151

5.2 Vigas reforadas ao cisalhamento ...................................................................................... 156

5.2.1 Avaliao da resistncia: cargas e modos de ruptura .............................................. 156

5.2.2 Deslocamentos verticais ............................................................................................. 174

5.2.3 Deformaes especficas ............................................................................................ 175

5.2.4 Modelos analticos para a previso do desempenho das vigas reforadas .......... 178

CAPTULO 6 CONCLUSES E SUGESTES .................................................................................... 187 6.1 Concluses ............................................................................................................................ 187

6.2 Sugestes para trabalhos futuros ....................................................................................... 192

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................................................ 194 APNDICE .............................................................................................................................................. 206

x

LISTA DE QUADROS

QUADRO 1-1 Possveis causas para o surgimento de manifestaes patolgicas no concreto ............ . 6

QUADRO 2-1 Tipos de fibra de vidro e suas principais aplicaes .......................................................... 25

QUADRO 2-2 Descrio das mantas e tecidos empregados nos sistemas FRP curados in situ ............ 34

QUADRO 2-3 Principais caractersticas e aspectos de instalao de sist. de reforos com CFRP ..... . 35

QUADRO 3-1 Modos de ruptura possveis [Juvandes, 1999; Hollaway & Leeming, 1999] .................. 51

QUADRO 4-1 Esquema de reforo das vigas do grupo F ......................................................................... . 97

QUADRO 4-2 Esquema de reforo das vigas do grupo C ......................................................................... 99

QUADRO 4-3 Consumo de materiais para 1 m3 de concreto .................................................................. 101

QUADRO 4-4 Propriedades do laminado pr-fabricado CFK 200/2000 S&P Reinforcements ......... 104

QUADRO 4-5 Propriedades da manta flexvel Replark 20 Mitsubishi Chemical Corporation ............. 105

QUADRO 4-6 Propriedades da manta flexvel C-Sheet 240 S&P Reinforcements ............................... 105

QUADRO 4-7 Valores aceitveis de irregularidade da superfcie de concreto ...................................... 106

QUADRO 4-8 Coordenadas de posicionamento dos strain gages da armadura e reforo (grupo F) ... 122

xi

LISTA DE TABELAS

TABELA 2-1 Propriedades mecnicas de algumas resinas [Nanni et al, 1993] ........................................ 23

TABELA 2-2 Propriedades tpicas de algumas fibras [Kendall, 1997] ...................................................... 27

TABELA 4-1 Composio granulomtrica do agregado grado .............................................................. 100

TABELA 4-2 Composio granulomtrica do agregado mido ............................................................... 100

TABELA 4-3 Caractersticas das armaduras ................................................................................................ 103

TABELA 5-1 Comparao entre cargas e modos de ruptura (grupo F) ................................................. 126

TABELA 5-2 Comparao entre cargas e deformaes especficas no escoamento (grupo F) .......... 137

TABELA 5-3 Resultados das tenses mximas no reforo (grupo F) ..................................................... 147

TABELA 5-4 Resultados de tenses mximas no reforo (grupo F) ...................................................... 152

TABELA 5-5 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas (grupo F) ...................... 153

TABELA 5-6 Comparao entre cargas de ruptura de acordo com a abordagem de Teng et al (2001) 154

TABELA 5-7 Comparao entre cargas de ruptura de acordo com a abordagem do ACI (2002) ..... 154

TABELA 5-8 Comparao entre cargas de ruptura experimentais (grupo C) ........................................ 158

TABELA 5-9 Resultados de inclinao da biela no momento da ruptura das vigas do grupo C ........ 177

TABELA 5-10 Comparao entre os modelos para determinao da contribuio do concreto ....... 179

TABELA 5-11 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas (Khalifa et al, 1998) .. 179

TABELA 5-12 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas (fib, 2001) .................... 181

TABELA 5-13 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas (ACI, 2002) ................ 182

TABELA 5-14 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas (Teng et al, 2001) ...... 183

TABELA 5-15 Comparao entre cargas de ruptura experimentais e tericas ...................................... 185

xii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1-1 Tipos de estratgia de renovao ............................................................................................... 7

FIGURA 1-2 Esquema organizacional da tese .............................................................................................. 17

FIGURA 2-1 Diagrama tenso-deformao de fibras e metais .................................................................. 27

FIGURA 2-2 Diagrama esquemtico do processo de pultruso ................................................................ 32

FIGURA 2-3 Diagrama esquemtico do processo de fabricao do sistema curado in situ ................... 33

FIGURA 3-1 Modos de ruptura possveis [Juvandes, 1999; Hollaway & Leeming, 1999] ..................... 51

FIGURA 3-2 Modos de ruptura observados por Buyukosturk & Hearing (1997) .................................. 52

FIGURA 3-3 Efeito de peeling off na interface concreto/compsito [Buyukosturk & Hearing, 1997] .. 52

FIGURA 3-4 Diagrama esquemtico de equilbrio da seo transversal reforada ................................. 57

FIGURA 3-5 Fluxograma para a determinao da capacidade resistente flexo .................................. 59

FIGURA 3-6 Possveis localizaes de uma falha na interface ................................................................... 63

FIGURA 3-7 Falhas no concreto ..................................................................................................................... 63

FIGURA 3-8 Modelo tenso de adernciadeslizamento proposto por Chen & Teng (2001) ............. 64

FIGURA 3-9 Dependncia entre mdulo de elasticidade e orientao das fibras ................................... 70

FIGURA 3-10 Possveis configuraes de um reforo ao cisalhamento .................................................. 71

FIGURA 3-11 Exemplo de aplicao do envolvimento da seo transversal com tiras de reforo ..... 72

FIGURA 3-12 Exemplos de distribuio do reforo com compsitos de CFRP .................................... 72

FIGURA 3-13 Exemplos de orientao das fibras de reforo dos compsitos de CFRP ...................... 73

FIGURA 3-14 Mecanismos de resistncia ao cisalhamento de vigas de concreto armado .................... 74

FIGURA 3-15 Notao para esquema de reforo ao cisalhamento ........................................................... 82

FIGURA 4-1 Etapas bsicas da engenharia estrutural .................................................................................. 94

FIGURA 4-2 Detalhamento da armadura das vigas do grupo F ................................................................ 96

FIGURA 4-3 Detalhamento da armadura das vigas do Grupo C .............................................................. 98

FIGURA 4-4 Detalhe das armaduras .............................................................................................................. 98

FIGURA 4-5 Detalhes da concretagem ........................................................................................................ 102

FIGURA 4-6 Preparao da superfcie de concreto para receber o reforo ........................................... 106

FIGURA 4-7 Esquema de preparao da superfcie para o sistema curado in situ ................................ 107

xiii

FIGURA 4-8 Corte do laminado pr-fabricado .......................................................................................... 108

FIGURA 4-9 Preparao da resina epxi ..................................................................................................... 108

FIGURA 4-10 Aplicao do laminado ......................................................................................................... 109

FIGURA 4-11 Corte da manta flexvel ........................................................................................................ 110

FIGURA 4-12 Esquema de aplicao da manta flexvel ........................................................................... 111

FIGURA 4-13 Mistura e aplicao da resina de saturao ........................................................................ 111

FIGURA 4-14 Posicionamento da manta flexvel ...................................................................................... 112

FIGURA 4-15 Retirada do ar aprisionado e acabamento do reforo ..................................................... 113

FIGURA 4-16 Esquema de ensaio ............................................................................................................... 114

FIGURA 4-17 Vista frontal do sistema de ensaios .................................................................................... 115

FIGURA 4-18 Vista lateral do sistema de ensaios ..................................................................................... 115

FIGURA 4-19 Detalhes do posicionamento dos LVDTS ...................................................................... 117

FIGURA 4-20 Detalhe do posicionamento dos transdutores de deslocamento superf. (grupo F) ..... 117

FIGURA 4-21 Caractersticas geomtricas dos transdutores de deslocamento superficial ................. 118

FIGURA 4-22 Detalhe do posicionamento dos transdutores de deslocamento superf. (grupo F) ..... 119

FIGURA 4-23 Detalhe da instrumentao atravs de rosetas (grupo C) ............................................... 120

FIGURA 4-24 Esquema de posicionamento das rosetas (grupo C) ....................................................... 121

FIGURA 4-25 Detalhe do posicionamento das rosetas (grupo C) ......................................................... 121

FIGURA 4-26 Esquema de posicionamento dos strain gages da armadura e reforo (grupo F) ........... 122

FIGURA 4-27 Detalhe da instrumentao da armadura e reforo (grupo F) ........................................ 123

FIGURA 4-28 Detalhe da disposio dos equipamentos durante um ensaio ........................................ 124

FIGURA 5-1 Detalhes do modo de ruptura das vigas V1_A e V1_B ..................................................... 127

FIGURA 5-2 Aspecto geral do descolamento nas vigas reforadas com laminado pr-fabricado ..... 128

FIGURA 5-3 Detalhe do descolamento na interface adesivo/compsito .............................................. 128

FIGURA 5-4 Deslocamento vertical e fissurao da viga V4_B .............................................................. 129

FIGURA 5-5 Detalhe do modo de ruptura das vigas reforadas com uma camada de manta ............ 129

FIGURA 5-6 Detalhe do modo de ruptura das vigas V5 .......................................................................... 130

FIGURA 5-7 Detalhe do modo de ruptura das vigas V7 .......................................................................... 131

FIGURA 5-8 Diagramas carga vs. deslocamento das vigas V1, V2 e V3 ....................................................... 133

xiv

FIGURA 5-9 Diagramas carga vs. deslocamento das vigas V1, V4 e V5 ....................................................... 133

FIGURA 5-10 Diagramas carga vs. deslocamento das vigas V1, V6 e V7 ..................................................... 134




FIGURA 5-14 Diagramas carga vs. deformao especfica na armadura das vigas V1, V2 e V3 .................. 137






FIGURA 5-20 Diagramas carga vs. deformao especfica no concreto (TRD-1) das vigas V1, V2 e V3 .. 140

FIGURA 5-21 Diagramas carga vs. deformao especfica no concreto (TRD-1) das vigas V1, V4 e V5 .. 140

FIGURA 5-22 Diagramas carga vs. deformao especfica no concreto (TRD-1) das vigas V1, V6 e V7 ... 141




FIGURA 5-26 Distribuio das deformaes na seo transversal das vigas V2_B e V3_A ............... 142

FIGURA 5-27 Distribuio das deformaes na seo transversal das vigas V4_B e V5_B .............. 143

FIGURA 5-28 Distribuio das deformaes na seo transversal das vigas V6_B e V7_A .............. 143

FIGURA 5-29 Diagrama momento vs. curvatura e deformada das vigas V1, V2 e V3 ............................... 144






FIGURA 5-35 Perfil de tenses da viga V2_B ............................................................................................ 148



xv




FIGURA 5-41 Perfil de tenses normalizado das vigas V2_B e V3_B ................................................... 150



FIGURA 5-44 Relao tenso vs. rigidez do reforo ...................................................................................... 152

FIGURA 5-45 Detalhe do modo de ruptura das vigas V8_A e V8_B .................................................... 159

FIGURA 5-46 Desempenho das vigas reforadas em tiras orientadas 90o .......................................... 160

FIGURA 5-47 Detalhes do modo de ruptura das vigas V9_A, V9_B e V21_A .................................... 160

FIGURA 5-48 Detalhes do modo de ruptura das vigas V9_A, V9_B e V21_A .................................... 161

FIGURA 5-49 Detalhes do modo de ruptura das vigas V10_A, V10_B e V17_A ............................... 162

FIGURA 5-50 Detalhe do modo de ruptura das vigas V11_A, V11_B e V17_B ................................. 162



FIGURA 5-53 Detalhe do modo de ruptura das vigas V12_A, V18_A e V20_A ................................. 164

FIGURA 5-54 Detalhe do modo de ruptura das vigas V12_A, V18_A e V20_A ................................. 164

FIGURA 5-55 Desempenho das vigas reforadas em tiras orientadas 45o .......................................... 165

FIGURA 5-56 Detalhe do modo de ruptura das vigas V12_B e V14_B ................................................ 166

FIGURA 5-57 Detalhe do modo de ruptura das vigas V19_A e V19_B ................................................ 166

FIGURA 5-58 Desempenho das vigas com reforo contnuo orientado 90o ...................................... 167

FIGURA 5-59 Detalhe do modo de ruptura das vigas V16_A e V18_B ................................................ 168

FIGURA 5-60 Detalhe do modo de ruptura das vigas V13_A, V13_B, V15_B e V16_B ................... 168

FIGURA 5-61 Detalhe do modo de ruptura das vigas V14_A e V15_A ................................................ 169

FIGURA 5-62 Detalhe do modo de ruptura das vigas V20_B, e V22_B ............................................... 170

FIGURA 5-63 Detalhe do modo de ruptura das vigas V21_B e V22_A ................................................ 170

FIGURA 5-64 Desempenho das vigas com reforo em tiras coladas somente na lateral .................... 171

FIGURA 5-65 Desempenho das vigas com reforo em tiras do tipo L .............................................. 171

FIGURA 5-66 Detalhe da ruptura das vigas reforadas com laminados pr-fabricados ...................... 173

xvi

FIGURA 5-67 Detalhe da ruptura das vigas reforadas com laminados pr-fabricados ...................... 173

FIGURA 5-68 Diagramas carga vs. deslocamento das vigas do grupo C ....................................................... 174

FIGURA 5-69 Diagramas carga vs. deslocamento das vigas do grupo C ....................................................... 175

FIGURA 5-70 Diagrama carga vs. deformao especfica vertical no vo de cisalhamento ............................ 176

FIGURA 5-71 Diagrama carga vs. deformao especfica vertical no vo de cisalhamento ............................ 176

xvii

NOTAO E SIMBOLOGIA

LETRAS MINSCULAS

a = distncia entre o ponto de aplicao da carga e o apoio; vo de cisalhamento [cm]

bw = largura da base da viga [cm]

bf = largura do reforo flexo [cm]

d = distncia entre a fibra mais comprimida e o centride da armadura longitudinal tracionada

[cm]

d = distncia entre a fibra mais comprimida e o centride da armadura longitudinal comprimida

[cm]

df = distncia entre a fibra mais comprimida e o centride do reforo [cm]

fc = resistncia compresso do concreto [kN/cm2]

fy = resistncia de escoamento da armadura longitudinal [kN/cm2]

fyw = resistncia de escoamento da armadura transversal [kN/cm2]

h = altura da viga [cm]

hf! = altura do reforo colado na lateral [cm]

hf,e = altura efetiva do reforo colado na lateral [cm]

hf,t = distncia entre a face comprimida e a extremidade superior do reforo [cm]

k1/k2 = coeficientes de modificao [ - ]

"! = vo [cm]

n = nmero de camadas de reforo [ - ]

s = espaamento entre estribos medido segundo o eixo longitudinal da pea [cm]

sf = espaamento entre tiras de reforo ao cisalhamento [cm]

tf = espessura do compsito [cm]

wf = largura do reforo ao cisalhamento [cm]

x = posio da linha neutra [cm]

LETRAS MAISCULAS

Ac = rea da seo transversal de concreto [cm2]

As = rea da seo transversal da armadura longitudinal tracionada [cm2]

As = rea da seo transversal da armadura longitudinal comprimida [cm2]

xviii

Ad = coeficiente de ajuste da forma [ - ]

Af = rea da seo transversal de reforo flexo [cm2]

Afv = rea da seo transversal de reforo ao cisalhamento [cm2]

Asw = rea da seo transversal de um estribo [cm2]

Df = fator de distribuio de tenso do reforo ao longo de uma fissura de cisalhamento

[ - ]

Ec = mdulo de elasticidade do concreto [kN/cm2]

Ef = mdulo de elasticidade do compsito de CFRP [kN/cm2]

Es = mdulo de elasticidade do ao [kN/cm2]

I = momento de inrcia da seo homogeneizada de concreto [cm4]

II = momento de inrcia da seo homogeneizada de concreto no estdio I [cm4]

III = momento de inrcia da seo homogeneizada de concreto no estdio II [cm4]

Le = comprimento de ancoragem efetivo [cm]

Lmx = comprimento de ancoragem mximo [cm]

Mi = momento fletor atuante na ocasio da aplicao do reforo [kN.cm]

Mn = momento fletor atuante [kN.cm]

Mr = momento de fissurao [kN.cm]

Mu = momento ltimo [kN.cm]

Pf = fora mxima de ancoragem de um reforo flexo [kN]

Vc = parcela da fora cortante resistida pelo concreto [kN]

Vf = parcela da fora cortante resistida pelo reforo externo [kN]

Vr = fora cortante resistida por uma viga reforada [kN]

Vsw = parcela da fora cortante resistida pela armadura transversal [kN]

LETRAS GREGAS

= ngulo de inclinao dos estribos em relao ao eixo longitudinal da pea [ o ]

e = relao entre os mdulos de elasticidade do ao e do concreto [ - ]

= ngulo de inclinao entre a orientao das fibras e o eixo longitudinal da pea [ o ] L = coeficiente de comprimento de ancoragem [ - ] P = coeficiente de largura do reforo flexo [ - ] W = coeficiente de largura do reforo ao cisalhamento [ - ] 0 = deformao especfica do concreto na direo 0o (rosetas) [ - ]

45 = deformao especfica do concreto na direo 45o (rosetas) [ - ]

xix

90 = deformao especfica do concreto na direo 90o (rosetas) [ - ]

1 = deformao especfica principal (rosetas) [ - ]

2 = deformao especfica principal (rosetas) [ - ]

c = deformao especfica do concreto comprimido [ - ]

f,e = deformao especfica efetiva do reforo [ - ]

f,u = deformao especfica de ruptura do reforo [ - ]

i = deformao especfica no instante da aplicao do reforo [ - ]

n = deformao especfica no substrato de concreto para um momento fletor

qualquer [ - ]

s = deformao especfica da armadura longitudinal tracionada [ - ]

s = deformao especfica da armadura longitudinal comprimida [ - ]

= comprimento mximo de ancoragem normalizado [ - ] = taxa de armadura longitudinal [ - ] f = taxa de reforo [ - ]

= parmetro geomtrico [ - ] m = coeficiente de minorao da tenso em um reforo flexo [ - ]

v = coeficiente de minorao da tenso em um reforo ao cisalhamento [ - ]

s = tenso na armadura longitudinal comprimida [kN/cm2]

s = tenso na armadura longitudinal tracionada [kN/cm2]

f = tenso no reforo [kN/cm2]

f,e = tenso efetiva no reforo [kN/cm2]

f,mx = tenso mxima admissvel no reforo [kN/cm2]

bu = tenso ltima de aderncia [kN/cm2]

F = tenso de aderncia no reforo [kN/cm2]

= ngulo de inclinao da diagonal comprimida (biela) em relao ao eixo longitudinal da pea [ o ]

1 = ngulo de inclinao da deformao principal 1 [ o ]

2 = ngulo de inclinao da deformao principal 2 [ o ]

xx

RESUMO

BEBER, A. J. Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforadas com Compsitos de Fibra de Carbono. 2003. Tese (Doutorado em Estruturas) Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.

Atualmente, a necessidade de reabilitao estrutural tem se tornado cada vez mais freqente.

Desde o advento do concreto, diversas metodologias de reabilitao estrutural vm sendo

desenvolvidas e aplicadas; e tm tornado-se cada vez mais sofisticadas. A aplicao de

compsitos de fibra de carbono no reforo de estruturas de concreto armado, representa o

que h de mais moderno neste importante segmento da engenharia estrutural. Apesar das

inmeras vantagens de sua aplicao, a incorporao de um material, at ento estranho ao

meio da engenharia estrutural convencional, tem merecido especial ateno por parte dos

pesquisadores envolvidos neste segmento. Este estudo tem por objetivo, portanto, explorar

as principais implicaes estruturais da aplicao dos compsitos de fibra de carbono no

reforo externo de vigas de concreto armado. Para tanto, tornou-se necessria a

implementao de um amplo programa de investigao, fundamentalmente experimental,

baseada na realizao de ensaios de flexo em vigas de concreto armado, reforadas flexo e

ao cisalhamento, com dois tipos de sistemas de reforo. De modo a permitir uma anlise

ampla das evidncias experimentais alcanadas atravs da conduo do programa

experimental, realizou-se uma profunda reviso da literatura disponvel acerca do assunto. O

programa experimental foi dividido em dois grupos. O primeiro, composto por 14 vigas,

reforadas flexo e o segundo, composto por 30 vigas, reforadas ao cisalhamento. Em

ambos os grupos, empregaram-se dois tipos de sistema de reforo (laminados pr-fabricados

e mantas flexveis pr-impregnadas). O procedimento de ensaio, idealizado e implementado

especialmente para a conduo do programa experimental da presente tese, foi totalmente

controlado por computador, conferindo, assim, maior confiabilidade aos ensaios. Em cada

um dos grupos, analisaram-se, alm dos modos e cargas de ruptura, deformaes especficas,

deslocamentos e distribuio de tenses. Finalmente, estes resultados so discutidos e

avaliam-se modelos analticos que permitam simular o comportamento destas estruturas.

Palavras-chave: Estruturas de concreto armado, Anlise experimental, Reabilitao

estrutural, Flexo, Cisalhamento, Compsitos de CFRP.

xxi

ABSTRACT

BEBER, A. J. On the Structural Behaviour of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Composites. 2003. Tese (Doutorado em Estruturas) Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.

Currently, the need for structural rehabilitation has become even more frequent. Since

concretes genesis, several rehabilitation techniques have been developed and applied and

they have become very sophisticated. Structural strengthening with carbon fibre composites

represents the ultimate solution for structural engineering applications. Despite numerous

advantages, the use of such peculiar material has drawn the attention of several researchers

involved in this field. This study aims to explore the main structural implications regarding

the use of carbon fibre composites in the external strengthening of reinforced concrete

beams. In order to accomplish this task it was imperative to carry out an extensive research,

essentially experimental, based on testing the flexural strength of reinforced concrete beams

externally strengthened in shear and bending with two types of carbon fibre composite

systems. In order to establish a comprehensive analysis of these experimental evidences a

very thorough literature review on the subject was carried out. The experimental programme

comprised two sets of beams. The first set, consisting of 14 beams strengthened in flexure

and the second set, consisting of 30 beams, strengthened in shear. For both sets, two types

of carbon fibre composite systems were applied (pre-fabricated laminates and

pre-impregnated sheets). The experimental procedure was especially conceived and

implemented for this thesis and it was completely computer controlled, providing very good

results reliability. Failure loads and modes were analysed together with strains, displacements

and stress profiles. Finally, these results are discussed and some analytical models to simulate

the behaviour of such structures are analysed.

Keywords: Reinforced concrete structures, Experimental analysis, Structural rehabilitation,

Bending, Shear, Carbon fibre composites.

xxii

GLOSSRIO

Ao longo deste trabalho, uma diversidade de termos introduzida e apresentada. O

objetivo deste glossrio , portanto, apresentar com clareza o significado destes termos.

Alm disso, deseja-se promover uma familiaridade nacional com a terminologia empregada

no mbito do reforo estrutural de elementos de concreto com materiais compsitos. Estes

termos e suas respectivas definies foram compilados a partir de publicaes internacionais

como: ACI 440R-1996, ACI 440R2-2002, ASTM D3878-1995, Hollaway (1993) e

Juvandes (1999).

Adesivo ou cola a substncia responsvel pela colagem de dois materiais ao longo

de uma superfcie de ligao e pode apresentar-se sob a forma de um lquido, filme ou

pasta.

Aramida fibras orgnicas derivadas da poliamida aromtica e de sigla (A).

AFRP sigla da famlia dos polmeros (ou compsitos) reforados com fibras de

aramida.

Camada lmina individualizada (mantas, tecidos ou outros sistemas) de material

impregnado com resina de saturao.

Carbono fibra produzida por tratamento trmico das fibras de precursor orgnico

(rayon, PAN ou piche) em uma atmosfera inerte. representado pela sigla (C).

Catalisador agente orgnico utilizado para ativar a polimerizao ou a cura de

sistema de resina.

CFRP sigla da famlia dos polmeros (ou compsitos) reforados com fibras de

carbono.

Cloth termo internacional para representar o sistema de fios contnuos tecidos por

um processo txtil convencional (uni, bi ou multidirecional) e cujo estado final pode

apresentar-se seco ou pr-impregnado. Constitui um tipo de tecido.

xxiii

Compsito ou material compsito combinao de dois ou mais materiais, diferentes, em

nvel macroscpico, na forma ou na composio. Os constituintes mantm as suas

identidades, ou seja, no se dissolvem nem se transformam completamente em outros,

apesar de atuarem em conjunto.

Compsitos de FRP resultam, sobretudo, da combinao de uma matriz polimrica,

termorrgida ou termoplstica, com uma elevada percentagem de fibras de reforo,

contnuas ou no, orgnicas ou inorgnicas, de modo a incrementar resistncia ou

rigidez em uma ou mais direes (uni, bi e multidirecional).

Cura ou polimerizao, o processo qumico de alterao irreversvel das

propriedades de uma resina termorrgida. Geralmente, a cura proporcionada pela

adio de um agente de cura ou catalisador (endurecedor), com ou sem aquecimento

(ou presso).

Delaminao qualquer um dos diversos mecanismos de falha decorrentes do

progressivo destacamento do compsito de FRP do elemento de concreto, segundo

um plano paralelo orientao das fibras.

Descolamento falha local na interface concreto/reforo. No necessariamente

significa uma ruptura ao longo do adesivo, podendo tambm ser resultado da ruptura

do concreto na regio prxima ao reforo. Ver tambm peeling off.

Endurecedor agente que proporciona a polimerizao (ou cura) quando adicionado a

uma resina termorrgida (ou adesivo). comum aplicar-se s resinas epxi.

Fibra componente estrutural dos compsitos de FRP, apresenta uma micro-

estrutura altamente orientada e livre de defeitos.

Filamento a menor unidade de um material fibroso.

Fios representam sistema simples de feixe de fibras, dispostas paralelamente

(unidirecional).

FRP sigla da famlia geral dos polmeros (ou compsitos) reforados com fibras.

GFRP sigla da famlia dos polmeros (ou compsitos) reforados com fibras de

vidro

xxiv

Impregnao processo de saturao dos interstcios de um sistema de reforo com

fibras (laminados, mantas, tecidos) ou substrato de concreto, atravs de uma resina.

Interface define a fronteira, a junta ou a superfcie entre dois materiais distintos.

Existem, por exemplo, os casos das interfaces concreto-adesivo, adesivo-compsito

ou concreto-adesivo-compsito.

Kevlar marca registrada de uma fibra tipo de aramida e cuja sigla (K).

Laminado pr-fabricado resulta da impregnao de um conjunto de feixes ou camadas

contnuas de fibras (sistema unidirecional) por uma resina termorrgida, consolidado

por um processo de pultruso, com controle de forma (espessura e largura) do

compsito.

Manta flexvel e pr-impregnada sistema de agrupamento de fibras, atravs da

disposio de faixas contnuas e paralelas (unidirecionais) sobre uma rede simples de

proteo e/ou com espalhamento de uma resina de pr-impregnao.

Mat termo internacional para representar o tipo de tecido que resulta do

espalhamento aleatrio das fibras em uma esteira rolante e, posteriormente, da

pulverizao com resina para adquirir consistncia. O seu estado final do tipo

pr-impregnado.

Matriz polimrica representa a outra componente do compsito de FRP.

constituda base de uma resina, termorrgida ou termoplstica, que envolve

completamente as fibras de reforo.

Orientao das fibras refere-se ao direcionamento das fibras em um compsito de

FRP. freqentemente expressa em um ngulo em relao ao eixo longitudinal do

elemento de concreto reforado.

PAN (poliacrilonitrila) uma das possveis matrias-primas na fabricao de fibras de

carbono.

Peeling off designao da literatura internacional, para o efeito conjunto da ao das

tenses normais de trao e das tenses de cisalhamento na interface

xxv

concreto-adesivo-FRP e que provocam as rupturas prematuras por

delaminao/descolamento nesta zona.

Piche material com elevado peso molecular que resduo da destilao destrutiva de

derivados de carvo e petrleo Piche utilizado para a fabricao de fibras de

carbono com alto mdulo de elasticidade.

Polmero define um material orgnico composto por molculas caracterizadas pela

repetio de um ou mais tipos de monmeros, de forma regular. Nesta fase, este

sistema no contm fibras de reforo.

Polimerizao reao qumica que liga os monmeros para formar polmeros, pode

ser interpretada como a cura de um polmero.

Pr-impregnado quando um sistema de fibras (fios, mantas ou tecidos) semi-curado;

resultado da impregnao com resina, em pequena percentagem, para garantir a

consistncia mnima do produto at sua aplicao in situ.

Primer apesar de no se tratar de uma formulao do tipo adesivo, este produto

destina-se a completar e melhorar o desempenho daquele. O primer aplicado aps a

limpeza mecnica da superfcie e apresenta a caracterstica de penetrar no concreto

por capilaridade, de modo a melhorar a propriedade adesiva desta superfcie, para,

ento, receber a resina de saturao ou o adesivo. Este produto indispensvel,

principalmente, para as aplicaes de sistemas de FRP curados in situ (fios, mantas e

tecidos).

Pultruso processo contnuo que combina as aes de trao e extruso para a

produo de um compsito de FRP com seo final constante. Os fios contnuos

embebidos em resina so esticados e passados por um molde aquecido, para processar

a cura e a forma do FRP. Apresenta-se como o processo mais utilizado na fabricao

de sistemas de FRP pr-fabricados.

Putty ou produto de regularizao de uma superfcie. Seu objetivo a eliminao

de pequenas irregularidades na superfcie do concreto, com o intuito de evitar a

formao de bolhas de ar e garantir uma superfcie uniforme para a aplicao do FRP.

xxvi

Reabilitao restaurao da capacidade estrutural de um elemento danificado para a

situao anterior a manifestao do processo de degradao ou sinistro.

Reforo no contexto de materiais compsitos, este termo utilizado para se referir

ao componente estrutural (as fibras) adicionado matriz, de modo a transmitir as

caractersticas desejadas de resistncia e rigidez. Ainda, pode ser entendida como um

conjunto de aes para aumentar a resistncia de uma estrutura ou de seus

componentes, com o objetivo de melhorar a estabilidade estrutural de uma

construo.

Reparo ao tomada para conduzir a um nvel aceitvel, a funcionalidade de uma

estrutura ou seus componentes, que podem apresentar-se deficientes, deteriorados,

degradados ou danificados sem que haja qualquer restrio nos materiais ou mtodos

empregados.

Resina componente de um sistema polimrico, que requer a adio de um

catalisador ou endurecedor, para se iniciar o processo de polimerizao (ou cura) de

um compsito. Pode ser referida, tambm, como a matriz de um compsito de FRP.

Permite a transferncia das solicitaes alm de proteger as fibras do ambiente.

Resina epxi resina formada por reaes qumicas de grupos epxi com aminas,

lcool, fenol e outros. a matriz mais utilizada nos compsitos de FRP e o tipo de

adesivo empregado nas colagens de elementos da construo civil.

Sistema de FRP curado in situ um sistema constitudo por fibras contnuas, com a

forma de fios, mantas ou tecidos em estado seco ou pr-impregnado. Transforma-se

em compsito de FRP, somente aps a execuo do reforo no local, isto ,

polimerizado ou endurecido in situ com a adio de uma resina de saturao das fibras

que, simultaneamente, o agente adesivo de ligao ao elemento estrutural sendo

reforado.

Sistema de FRP pr-fabricado um produto finalizado de FRP (j curado), com

caractersticas mecnicas e fsicas garantidas pelos seus produtores e com a forma

corrente de perfis ou laminados, entre outros.

xxvii

Tecidos representam a forma geral dos sistemas de agrupamento de fibras em um

reforo, atravs da disposio em forma de cloth (uni, bi ou multidirecional),

de woven roving (bidirecional) ou de mat (multidirecional). O estado final do sistema

pode apresentar-se seco ou pr-impregnado.

Tempo de contato (open time) o intervalo de tempo entre o instante em que a mistura

de resina aplicada (sobre o concreto, FRP ou ambos) e o instante em que esta

comea a endurecer e deixa de ser possvel efetuar sua aplicao.

Tempo de cura tempo necessrio para polimerizar um sistema termorrgido ou pr-

impregnado a uma determinada temperatura.

Tempo de utilizao (pot life) tambm denominado tempo de trabalho, o intervalo de

tempo, aps a mistura da resina e catalisador, durante o qual o material lquido

utilizvel sem dificuldade. Esgotado o tempo de utilizao, qualquer mistura de resina

perde drasticamente suas caractersticas de aderncia, motivo pelo qual no deve ser

mais utilizada.

Termorrgido tipo de matriz do polmero que no pode ser fundida nem dissolvida,

depois de curada, como por exemplo, o polister insaturado, o epxi, o vinilster e

outras.

Termoplstico tipo de plstico que pode, atravs de ciclos de aquecimento e

resfriamento, ser repetidamente moldado e reciclado.

Tixotropia propriedade do adesivo que permite seu amolecimento aps agitao e

endurecimento sob descanso. Materiais tixotrpicos apresentam elevada resistncia

esttica ao cisalhamento e reduzida resistncia dinmica ao cisalhamento ao mesmo

tempo. Estes materiais perdem sua viscosidade sob tenso.

Woven roving termo internacional para representar o tipo de tecido que resulta do

entrelaamento direcionado (bidirecionais: 0/90 ou 0/45) de dois fios ou faixa de

fibras e cujo estado final do sistema pode apresentar-se seco ou pr-impregnado.

CAPTULO 1

INTRODUO

Este captulo tem por objetivo apresentar aspectos gerais da engenharia estrutural,

particularmente das estruturas de concreto armado e sua inerente necessidade de reabilitao.

Materiais e tcnicas tradicionais de reabilitao so apresentadas e introduz-se a possibilidade

do emprego de materiais compsitos como alternativa na soluo desses problemas. Essas

informaes, organizadas sistematicamente, servem como ponto de partida para o

desenvolvimento desta tese.

1.1 CONSIDERAES INICIAIS

A histria da humanidade tem sido marcada pela inquietude do homem no ato

contnuo de explorar as potencialidades do universo ao seu redor. Desde cedo, o homem

aprendeu a conviver e, em diversas oportunidades a desafiar, as leis da matria, construindo

estruturas cada vez maiores, mais altas e grandiosas.

Para edificar, o homem teve que buscar um poderoso aliado, a tcnica, ou seja, um

conjunto de habilidades e regras que tornaria possvel a implementao de todos os seus

sonhos. A construo do Pantheon, em 27 a.C. (reconstrudo no sculo II), marcou o incio da

aplicao da pozzolona, tambm conhecida como cimento romano, que se constituiu em uma

tcnica que revolucionou a indstria da construo e abriu novos horizontes para a expresso

Andriei Jos Beber www.ppgec.ufrgs.br Projeto de Tese Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2003

2

arquitetnica da poca. A grande descoberta consistiu no aglomerante que, combinado com

areia e pedra, alm de proporcionar um material de grande resistncia, permitiu a criao e o

desenvolvimento de novas formas e tipologias de estruturas, com necessidades funcionais

especficas [fib, 1999].

O interesse pelo concreto foi tambm manifestado durante o perodo renascentista,

tendo como exemplo a Baslica de So Pedro, em Roma, onde foi empregado um

aglomerante similar pozzolana. Entretanto, foi somente com a introduo do concreto

armado, em fins do sculo XIX, que teve incio sua extraordinria evoluo, que se estendeu

em meados do sculo XX, com a introduo do concreto protendido [McCormac, 1998;

fib, 1999].

O sculo XX foi, portanto, marcado pela consolidao do concreto armado como um

dos mais importantes materiais da engenharia estrutural. O desenvolvimento da tecnologia

do concreto e suas respectivas tcnicas construtivas, em conjunto com a implementao de

ferramentas computacionais sofisticadas, capazes de reproduzir com grande preciso o

comportamento do concreto e do ao, permitiram explorar, plenamente, suas propriedades

[Beber, 1999a]. Este fato notrio principalmente aps a II Guerra Mundial, quando

passaram a ser construdas estruturas mais esbeltas e arrojadas [Juvandes, 1999].

O concreto um material extremamente verstil, contudo est sujeito ocorrncia de

alguns problemas, ignorados at h alguns anos. O concreto apresenta dificuldades de

reajuste, sobretudo de sua capacidade de carga, uma vez consolidada a estrutura

[Juvandes, 1999].

Em todo o mundo, tm sido considerveis os investimentos em obras destinadas

moradia e ao transporte de pessoas, mercadorias e servios. Uma infra-estrutura eficiente a

espinha dorsal de qualquer sociedade e se constitui em um importante indicador da sade

scio-econmica de uma nao. De acordo com o Civil Engineering Institution, do Reino

Unido, uma infra-estrutura eficiente e adequada pode ser considerada como a base da

economia de qualquer nao [Silva Filho, 1999]. No entanto, a segurana destes

investimentos vem sendo questionada [Swamy & Mukhopadhyaya, 1999;

Karbhari & Zhao, 2000].

Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforadas com Compsitos de Fibra de Carbono

3

Embora otimizadas do ponto de vista estrutural e econmico, as novas estruturas de

concreto so mais sensveis a qualquer defeito dos materiais, da execuo ou do clculo,

podendo gerar situaes de risco. As estruturas de concreto armado de hoje, so, portanto,

mais suscetveis a apresentar um quadro patolgico do que as mais antigas, que eram

dimensionadas com uma margem de segurana superior, dispondo de uma reserva de

capacidade resistente para suplantar os efeitos de agentes agressivos, mecnicos e qumicos.

Atualmente, muitas estruturas de concreto armado esto atingindo o perodo de vida

til inicialmente previsto. Nas ltimas dcadas, em virtude de uma conjuno de fatores, a

durabilidade das estruturas de concreto tornou-se alvo de enorme preocupao por parte dos

profissionais envolvidos neste importante segmento da economia. Grande parte das

dificuldades para a compreenso deste fenmeno e sua relevncia no cenrio atual, est

associada pouca importncia dispensada pela comunidade, como um todo, s questes

relacionadas durabilidade, manuteno e vida til destas estruturas. Com efeito, nunca se

deu a devida importncia aos aspectos relacionados durabilidade das estruturas, e tem sido

colocado em segundo plano, o controle de qualidade na construo do concreto armado

[Juvandes, 1999].

A natureza quase artesanal do processo de fabricao do concreto implica que,

pequenas variaes em sua composio (quantidade de agregado, consumo de cimento e

relao gua/cimento) possam conduzir produo de concretos excepcionalmente durveis

ou extremamente vulnerveis. Modernamente, incorporou-se durabilidade ao conceito de

estabilidade, pois no h sentido que uma estrutura seja estvel por um perodo de tempo to

curto que a torne economicamente invivel [Souza & Ripper, 1998]. A discusso a respeito

da manuteno e durabilidade de estruturas de concreto um assunto de vital importncia

nos dias atuais. Apesar do seu desempenho e larga utilizao, a durabilidade das estruturas de

concreto apresenta-se aqum do desejvel.

Mesmo que, de modo geral, as estruturas de concreto armado apresentem um perodo

de vida til longo, seu regime de utilizao pode alterar-se durante este perodo, quer seja

atravs do aumento do nvel de solicitaes ou proveniente de alteraes em sua geometria

[Beber, 1999b]. Alm de modificaes, o envelhecimento natural e/ou a deteriorao

resultante da ao de agentes agressivos alteram as condies iniciais consideradas no projeto

original. No raro, ainda, que estas estruturas, depois de construdas, apresentem diferenas


4

em relao ao projeto original. Adicionalmente, podem existir falhas intrnsecas, geradas pela

adoo de hipteses inadequadas durante as fases de planejamento e projeto, bem como

incorporao de materiais e componentes de baixa qualidade [Nanni, 1995;

Souza & Ripper, 1998; Juvandes, 1999].

Assim, neste incio de terceiro milnio, coloca-se, frente da indstria da construo

civil, o desafio de manter esta infra-estrutura, respeitando as enormes restries econmicas

dos dias atuais, buscando-se fazer mais com menos. Um exemplo da necessidade e

importncia da reabilitao estrutural, como alternativa para a manuteno da infra-estrutura,

tem sido evidenciado atravs dos esforos de norte-americanos, europeus e japoneses.

Em 1981, a quantia de recursos investidos em programas de reabilitao de estruturas

em territrio britnico foi de cerca de US$ 10 bilhes. Menos de quinze anos mais tarde, em

1995, este nmero aumentara em quatro vezes [Beeby & Etman, 1999]. Estes nmeros

tornam-se ainda mais expressivos quando comparados ao total de investimentos na

construo civil. Em 1995, o Reino Unido investiu, na indstria da construo, cerca de

US$ 79 bilhes, dos quais 48% foram direcionados para o reparo, manuteno e melhoria das

estruturas.

Um estudo realizado pelo governo do Reino Unido identificou que cerca de 17% das

pontes britnicas encontram-se deterioradas e necessitando de intervenes para seu reparo

ou reforo. Alm do envelhecimento e dos processos inerentes de deteriorao destas

estruturas, o volume de trfego sofreu um aumento de 40% nos ltimos vinte anos, com um

significativo incremento no peso dos veculos de transporte de mercadorias [Ziara, 2000].

Nos Estados Unidos, de acordo com o FHWA Federal Highway Agency, cerca de

35% das pontes norte-americanas esto classificadas como deficientes ou em necessidade de

reabilitao ou substituio [Klaiber et al, 1987; Karbhari & Zhao, 1999]. A maioria destas

pontes apresenta deficincias em sua capacidade portante, que no suficiente ou

apresenta-se inadequada para os atuais nveis de trfego.

O volume de recursos efetivamente gastos ou que deveriam ser gastos com a

manuteno, reparo e reforo de estruturas de concreto atinge, anualmente, montantes da

ordem de centenas de bilhes de dlares [Beber, 1999b]. Entretanto, h fortes indcios de


5

que esta enorme quantidade de recursos, necessria para retificar e reabilitar esta

infra-estrutura, no ser facilmente conseguida [Swamy & Mukhopadhyaya, 1999].

1.2 REABILITAO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO

O envelhecimento e a degenerao das estruturas de concreto constituem-se em um

processo natural e inevitvel. O problema principal no a degenerao propriamente dita,

mas sim, como este processo se desenvolve e quais as condicionantes que determinam sua

evoluo [fib, 1999]. Durante sua vida til, os materiais, componentes e elementos,

empregados na construo civil, interagem com o ambiente, constitudo, dentre outros, por

agentes agressivos que apresentam variados nveis de agressividade.

A ao do meio ambiente ocorre, fundamentalmente, atravs da combinao de

efeitos distintos dos diversos agentes de deteriorao. Estes efeitos, contudo, no podem ser

somados linearmente, ou seja, a combinao de diferentes agentes pode produzir um efeito

maior do que a soma dos efeitos destes agentes atuando individualmente. Desta forma, o

conhecimento das origens dos mecanismos de deteriorao indispensvel. O estudo das

causas responsveis pelo surgimento dos processos de deteriorao em estruturas de concreto

denominado patologia. Apesar da grande variedade de leses que as estruturas possam

apresentar, existe uma soluo para a maioria dos quadros patolgicos em estruturas de

concreto.

As estruturas de concreto devem ser consideradas como produtos extremamente

complexos, que apresentam uma enorme variedade de caractersticas, das quais depender a

sua maior ou menor adequao aos propsitos estabelecidos inicialmente pelo projeto.

Excetuando-se os casos correspondentes ocorrncia de catstrofes naturais, pela violncia

das solicitaes e carter imprevisvel das mesmas, os problemas patolgicos tm suas origens

motivadas por falhas que ocorrem durante uma das trs etapas bsicas do processo da

construo: concepo, execuo/materiais e utilizao. O quadro 1-1 apresenta, em cada

uma destas etapas, as possveis causas para o surgimento de manifestaes patolgicas em

estruturas de concreto.


6

O processo de tratamento de uma estrutura apresenta vrias etapas. A primeira delas

constitui-se, normalmente, em uma anlise preliminar, atravs do levantamento de dados

sobre a condio da estrutura, e normalmente denominada diagnstico. De posse dos

resultados desta anlise, procede-se a uma avaliao das possveis causas e discusso de

alternativas de interveno passveis de serem aplicadas. Esta etapa denominada anlise.

Em seguida, na etapa de prognstico, procede-se a uma simulao e verificao dos riscos e

conseqncias da adoo de cada alternativa proposta. Finalmente, considerando todos os

dados e informaes, reunidos nas etapas anteriores, define-se qual o tipo de interveno a

ser aplicada. A etapa de aplicao do tratamento escolhido para restabelecer as condies de

segurana ou funcionalidade de uma estrutura denominada terapia. A etapa de terapia

caracterizada pela ao sobre o elemento.

QUADRO 1-1 Possveis causas para o surgimento de manifestaes patolgicas no concreto

Etapa Possveis causas

Concepo da estrutura

projeto

[1] Elementos de projeto inadequados, m definio das aes atuantes, modelo analtico no apropriado, deficincia no clculo, etc.;

[2] Falta de compatibilidade entre a estrutura e a arquitetura, assim como com os demais projetos;

[3] Especificao inadequada de materiais; [4] Detalhamento insuficiente ou errado; [5] Detalhes construtivos inexeqveis; [6] Falta de padronizao das representaes (convenes); [7] Erros de dimensionamento.

Execuo da estrutura construo

[1] Baixa capacitao e falta de experincia dos profissionais; [2] Instalao inadequada do canteiro de obras; [3] Deficincias na confeco de frmas, escoramentos; [4] Deficincias no posicionamento e quantidade de armadura; [5] Baixa qualidade dos materiais e componentes; [6] Baixa qualidade do concreto, desde sua fabricao at a cura.

Utilizao da estrutura manuteno

[1] Utilizao inadequada; [2] Falta de um programa de manuteno apropriado.

Alm do surgimento de manifestaes patolgicas, que venham a comprometer a

segurana e a funcionalidade das estruturas de concreto, muitas destas estruturas compem o

patrimnio histrico arquitetnico da sociedade, e a demolio, na maioria dos casos, no

representa uma opo vivel [Beber, 1999a].


7

Originalmente, uma estrutura de concreto armado concebida para atender a uma

determinada finalidade. Durante sua vida til, esta finalidade pode ser alterada ou estendida.

No entanto, sua capacidade de atender a um determinado propsito, originalmente

considerado ou agregado ao longo de sua vida til, ir determinar o tipo de interveno a ser

adotada para a sua adequao. Esta interveno pode apresentar diferentes intensidades e

objetivos. A terapia de uma estrutura consiste, portanto, em executar a sua reabilitao,

atravs de sua restaurao parcial ou total, devolvendo ao conjunto, condies mnimas de

segurana e funcionalidade [Emmons et al, 1998; Beber et al, 1999].

Embora no exista pleno consenso quanto terminologia mais adequada para

descrever as aes desenvolvidas durante a etapa de terapia de uma estrutura, no mbito deste

trabalho, necessrio estabelecer a distino que deve existir entre os termos reparo, reforo

e retrofitting, que freqentemente se sobrepem.

Diante da necessidade de uma interveno para a renovao de uma estrutura, duas

estratgias podem ser adotadas: a reabilitao ou a substituio [Karbhari & Zhao, 2000].

Estas estratgias so ilustradas na figura 1-1.

FIGURA 1-1 Tipos de estratgia de renovao

De acordo com o fib Fdration Internationale du Bton (resultado da associao do

CEB - Comit Euro-International du Bton e da FIP Federation Internationale de la Precontrainte, em

1998), reabilitar significa restabelecer a funcionalidade de uma estrutura ao nvel original ou

mais alto, tanto do ponto de vista da durabilidade quanto de resistncia. Entende-se por

reparo de uma estrutura, o ato de corrigir uma deficincia estrutural ou funcional; como por

exemplo, a recuperao de um elemento severamente deteriorado. O reparo no

necessariamente objetiva o restabelecimento das condies de resistncia e durabilidade

Renovao

Reabilitao Substituio

Retrofitting Reparo Reforo


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originais da estrutura ou componente. Esta ao, em muitas oportunidades, destina-se

simplesmente a reduzir a taxa de deteriorao, sem melhorar significativamente o nvel atual

de funcionalidade.

Por outro lado, o reforo caracteriza-se como uma atividade especfica para os casos

em que se deseja elevar o desempenho de uma estrutura, dotando-a de maior resistncia e/ou

rigidez. Finalmente, o termo retrofitting, ou em alguns casos seismic retrofitting, define as

atividades de reforo que visam, exclusivamente, dotar o elemento estrutural de resistncia

ao ssmica, atravs do aumento da ductilidade e da resistncia ao cisalhamento, permitindo

maior capacidade de deformao e dissipao de energia [Beber et al, 1999;

Karbhari & Zhao, 2000].

As aes para a reabilitao de estruturas constituem-se em um complexo ramo da

engenharia, cujo impacto torna-se cada vez maior, na medida em que a demanda por reparos,

reforos e manuteno, aumenta a cada dia. Estratgias de reabilitao eficientes e que

satisfaam uma multiplicidade de restries de projeto e execuo representam o grande

desafio a ser enfrentado. Na maioria dos casos, a opo pela reabilitao de uma estrutura

representa a melhor alocao dos escassos recursos disponveis [Beber, 1999b].

A civilizao moderna est baseada na manuteno do desempenho de uma grande

variedade de estruturas (edifcios residenciais, comerciais e industriais, pontes, viadutos,

barragens, etc.). Aparentemente, embora estas estruturas possam parecer diferentes,

identificam-se, entre elas, diversas semelhanas:

(i) Degenerao estrutural ocasionalmente acelerada pela ao de agentes agressivos;

(ii) Mudanas no regime de utilizao e aumentos nas solicitaes;

(iii) Necessidade de mnima interrupo durante as possveis intervenes de reparo;

(iv) Necessidade de estender a vida til, minimizando os custos de manuteno;

(v) Restries econmicas que impem uma rigorosa avaliao do custo-benefcio

das diversas solues de manuteno.

O nmero de estruturas continua a crescer em todo o mundo, assim como a sua idade

mdia. Cada vez mais, a necessidade de manuteno est tornando-se inevitvel. A completa

reposio de uma estrutura tende a tornar-se muito onerosa e certamente representa um


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desperdcio de recursos naturais e econmicos, na medida em que a reabilitao uma

alternativa vivel [Hollaway & Leeming, 1999].

1.3 MTODOS CONVENCIONAIS DE REFORO ESTRUTURAL

Juntamente com o advento do concreto, a demanda pelo reforo de estruturas surgiu

como resposta aos problemas de deteriorao, projetos inadequados e problemas de

construo, ou ainda, para antecipar-se ao aparecimento de cargas adicionais sobre as

estruturas. Inicialmente, em funo do pouco conhecimento sobre o comportamento das

estruturas, as tcnicas de reforo limitavam-se adio de novos elementos, apoios e no

incremento das sees resistentes; mtodos que so empregados at hoje. Modernamente,

com o surgimento de novas tecnologias, as tcnicas de reforo tornaram-se mais sofisticadas

[Emmons et al, 1998; Beber, 1999b; Carolin, 2001].

A necessidade de reforo estrutural est geralmente associada a uma mudana de

utilizao da estrutura ou como uma alternativa para o melhoramento de sua capacidade para

suportar determinado conjunto de solicitaes. Um projeto de reforo estrutural

caracterizado pela peculiaridade que cada situao pode apresentar. Assim, existem

disponveis, atualmente, diversas tcnicas de reforo, cuja aplicao e desempenho iro

depender da configurao geomtrica e de carregamento. A escolha, portanto, de uma destas

tcnicas dever estar baseada nas seguintes consideraes [Robery & Innes, 1997]:

(i) Custo de aplicao;

(ii) Desempenho do reforo;

(iii) Durabilidade do reforo;

(iv) Facilidade e rapidez na instalao.

importante salientar que freqentemente mais complicado reforar uma estrutura

do que construir uma nova. Especial precauo deve ser tomada com o material existente,

geralmente deteriorado, durante o procedimento de reforo. Em muitos casos o acesso pode

ser difcil em reas que necessitam de reforo. Alm disso, a documentao existente sobre a

estrutura geralmente deficiente e no retrata a realidade encontrada. Adicionalmente,


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quando um reforo empregado, as possveis alteraes no comportamento estrutural do

elemento devem ser cuidadosamente consideradas. Um reforo flexo, por exemplo, pode

conduzir ruptura por cisalhamento ao invs de permitir que seja alcanada a capacidade

portante desejada [Sharif, 1994; Beber, 1999b; Carolin, 2001].

1.3.1 Aumento de seo transversal

Esta metodologia de reforo estrutural to antiga quanto a prpria indstria da

construo. O aumento de seo transversal consiste na colocao de uma camada adicional

de concreto armado em um elemento estrutural existente. Pilares, vigas, lajes, tabuleiros de

pontes e vigas-parede podem ter suas sees resistentes aumentadas para elevar sua

capacidade de carga, rigidez, ductilidade, etc. A nova camada deve ser aplicada superfcie de

concreto existente com o objetivo de produzir um elemento monoltico. Argamassas

tambm so empregadas nestas aplicaes. Recentemente, este mtodo desenvolveu-se

sobremaneira atravs da utilizao de concreto e argamassa projetada.

No entanto, o alto risco de corroso das armaduras, em virtude de cobrimentos

reduzidos, e a conseqente deteriorao do concreto do reforo e o aumento da carga

permanente sobre a estrutura caracterizam-se como as principais desvantagens deste mtodo

[Emmons et al, 1998; Pinto, 2000]. Estes problemas esto, tambm, associados com a

relativa incompatibilidade entre o concreto novo e o existente. O concreto existente, na

maioria dos casos, no mais afetado por alteraes em seu volume devido retrao. Por

outro lado, o surgimento de tenses de trao, podem ocasionar fissurao e destacamento se

o concreto novo for impedido de deformar-se.

1.3.2 Protenso externa

Apesar de se constituir em uma tcnica construtiva amplamente utilizada desde a

dcada de 50, aps permanecer latente por algum tempo, foi redescoberta como uma

excelente alternativa no reforo de estruturas de concreto armado. A protenso externa vem

desenvolvendo-se rapidamente no reforo de estruturas de concreto, principalmente, nos

EUA, Japo e Sua. A aplicao da protenso externa contribui para a reduo das


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deformaes na estrutura existente, bem como aumentar a capacidade portante destes

elementos. Dentre as principais vantagens deste mtodo de reforo, pode-se destacar: (i) a

relativa simplicidade do mtodo construtivo; (ii) a ausncia de problemas com o cobrimento

dos cabos; (iii) a possibilidade de inspeo e eventual reposio dos cabos durante a vida til.

Por estar localizado no exterior dos elementos estruturais, apresentam-se como

desvantagens desta tcnica, a sua vulnerabilidade ao do fogo, da corroso eletroqumica e

atos de vandalismo. A proteo de um sistema de protenso externa contra um ambiente

agressivo ou a ao do fogo pode ser alcanada atravs do encapsulamento dos cabos com

concreto convencional ou projetado.

1.3.3 Chapa de ao colada com resina epxi

No presente, a aplicao de reforos externos, atravs de chapas de ao coladas em

elementos de concreto, considerada como uma das melhores tcnicas de reforo ou reparo

de elementos de concreto deteriorados. Desde meados dos anos 60, o reforo externo com

chapas de ao coladas em vigas de concreto armado tem sido utilizado na frica do Sul,

Japo e em vrios pases da Europa. Este mtodo utilizado para reparar ou reforar

elementos de concreto com capacidade resistente insuficiente devido a danos estruturais,

mudanas de utilizao, e, muito freqentemente, por corroso das armaduras. O princpio

desta tcnica bastante simples: chapas ou outros elementos de ao so colados na superfcie

de elementos de concreto atravs de adesivos epxi [Saadatmanesh & Ehsani, 1990].

A grande aceitao desta tcnica pode ser atribuda ao desenvolvimento de adesivos

com base epxi de alta qualidade, aliado ao fato de ser uma tcnica simples, econmica,

eficiente e de aplicao relativamente fcil, permitindo reforar o elemento sem que haja um

aumento significativo em suas dimenses.

O primeiro caso notificado da utilizao desta tcnica, aconteceu em Durban, na

frica do Sul (dcada de 60). As vigas de um complexo residencial foram reforadas com

chapas coladas porque a armadura existente, devido a falhas durante a execuo, era menor

do que a projetada. Na antiga Unio Sovitica, em 1974, um arco de uma ponte de concreto

armado com 60 anos de idade foi reforado com chapas de ao coladas. Cerca de 25% das


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armaduras da ponte original estavam corrodas por conta de deficincias no sistema de

drenagem de guas pluviais. Na Polnia, onde muitas pontes de concreto armado e

protendido foram reforadas, verificou-se que este um dos mtodos mais econmicos e

prticos de reforo de pontes. Diversas pontes de uma rodovia elevada no Japo, tambm

foram reforadas com chapas coladas com resina epxi, mostrando a eficincia da tcnica

[Beber, 1999a].

Comprovou-se, atravs de diversos ensaios, que as chapas de ao coladas nas faces

tracionadas de vigas de concreto armado conduzem a aumentos significativos na resistncia

flexo, em conjunto com incrementos na rigidez flexo evidenciada por menores

deformaes e fissuras [Swamy et al, 1987; Campagnolo et al, 1997]. As chapas de ao atuam

como um suplemento a armadura existente no interior do elemento de concreto, e so

consideradas como uma armadura secundria, aplicada para reduzir as tenses na armadura

existente em nveis aceitveis.

Entretanto, alguns estudos demonstraram que se deveria dispensar ateno especial

aos reforos com chapa colada. Um vasto programa experimental conduzido pelo Transport

and Road Research Laboratory investigou, atravs de uma srie de ensaios de durabilidade, o

comportamento de longo prazo de estruturas reforadas atravs desta tcnica [Calder, 1979,

1988, Calder & Lloyd, 1982]. Os resultados demonstraram que aps longos perodos de

exposio, a corroso nas chapas de ao evidente, em especial na interface adesivo/chapa.

Esta corroso, ocorrendo ao longo da interface do adesivo, compromete perigosamente a

aderncia entre os elementos, alm de ser muito difcil de ser diagnosticada em inspees de

rotina.

Embora sejam altamente suscetveis corroso, este processo emprega chapas de ao

com baixo teor de carbono. Imediatamente aps a sua instalao, o reforo deve ser

protegido, criando tarefas adicionais de manuteno, alm do comprometimento da

durabilidade em funo do grande potencial para a manifestao da corroso na interface

chapa/adesivo [Emmons et al, 1998a]. Alm disso, outro problema que envolve a tcnica de

chapa colada est relacionado ao manuseio de elementos que possuem grandes dimenses,

devido ao elevado peso prprio do ao. Apresenta-se, ainda, como dificuldade, a fabricao

de chapas para o reforo de elementos com formas complexas. Este mtodo demanda,


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tambm, um sistema de escoramento para suportar o peso destes elementos durante as

operaes de fixao das chapas [Spadea et al, 1997].

Embora no sejam to freqentes, em funo das dificuldades inerentes de cada

metodologia de reforo, a aplicao de estribos externos pr-tracionados (variao da

protenso externa), a adio de vergalhes ou perfis metlicos colados com resina epxi e a

incorporao de novos elementos estruturais, se constituem, tambm, em alternativas viveis

para o reforo de estruturas de concreto armado [Emmons et al, 1998; Pinto, 2000].

O emprego de materiais convencionais, como ao e concreto, na reabilitao de

estruturas, apresenta inmeras vantagens, principalmente por causa da tradio destes

materiais na construo civil e em funo de apresentarem um custo relativamente baixo.

Contudo, embora estes materiais e tecnologias sejam adequados em muitas situaes, a falta

de longevidade em alguns casos, e a rpida deteriorao em outros, conduzem necessidade

de um melhoramento em suas propriedades e o desenvolvimento de novas tecnologias

[Karbhari & Zhao, 2000]. Em alguns casos, ainda, restries de projeto podem impedir a

aplicao de determinadas alternativas de reabilitao, tanto do ponto de vista estrutural

quanto de funcionalidade.

1.4 REFORO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO COM MATERIAIS COMPSITOS

Nos ltimos anos, div

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Comportamento Estrutural Vigas e Concreto e Carbono