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CONSTRUÇÃO DE ELEMENTOS ESTRUTURAIS EM GRC

JOÃO FERREIRA FERNANDO BRANCO Prof. Eng.º Civil Prof. Eng.º Civil IST IST Lisboa Lisboa SUMÁRIO O GRC é um material compósito que consiste numa matriz de cimento, areia, água e aditivos no interior da qual são dispersas fibras de vidro de pequeno comprimento. Este material é geralmente utilizado no fabrico de elementos não estruturais de que se destacam os painéis de fachada. Neste artigo apresenta-se o estudo da aplicação do GRC em elementos estruturais, desenvolvido no âmbito de um projecto europeu em que colaboraram entidades ligadas à investigação e à indústria. 1. INTRODUÇÃO O GRC, do inglês “Glas fibre Reinforced Cement”, consiste basicamente numa matriz cimentícia composta por cimento, areia, água e aditivos, na qual são dispersas fibras de vidro de pequeno comprimento. O efeito das fibras traduz-se essencialmente no aumento da resistência ao choque e à tracção do material. O GRC é utilizado desde há cerca de trinta anos em elementos não estruturais, como os painéis de fachada [1], que constituem cerca de 80% da produção mundial total de GRC, manilhas para redes de saneamento, cofragens perdidas decorativas e outros produtos [2]. Um dos principais problemas que se puseram no início da utilização do GRC relacionava-se com a durabilidade das fibras, que se tornavam frágeis devido à permanência no meio alcalino da matriz de cimento. Este problema está hoje praticamente ultrapassado, quer devido aos novos tipos de fibra alcalino-resistente entretanto desenvolvidas quer à utilização de aditivos que impedem os processos que levam à fragilização das fibras.

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O estudo da aplicação estrutural do GRC apresentado neste artigo foi recentemente realizado no âmbito de dois projectos financiado pela Comissão Europeia [3]. As vantagens que o GRC apresenta do ponto de vista estrutural face às soluções em betão armado resultam da sua mais elevada resistência à tracção e da redução de peso que à partida é possível conseguir. Para além disso, e no sentido de obter um material de maior durabilidade, em que não ocorra corrosão, os elementos de reforço considerados foram fibras de carbono e aço inoxidável. No âmbito do estudo referido foram analisados os dois principais processos de produção do GRC, nomeadamente o processo de projecção, ou “spray-up” e o de pré-mistura, ou “premix”. Este último foi o processo adoptado para o fabrico de elementos estruturais devido à maior homogeneidade do material que pode garantir e à maior velocidade de produção que se pode conseguir.

A primeira fase do estudo desenvolvido consistiu na determinação experimental das propriedades mecânicas do GRC fabricado por pré-mistura através de ensaios sobre provetes. Nestes ensaios determinou-se nomeadamente a resistência mecânica [4] à tracção e à compressão, módulo de elasticidade, parâmetros de retracção e fluência, e diagramas tensão-extensão em tracção, compressão e comportamento cíclico. Foram realizados ensaios de provetes constituídos por GRC simples e por GRC com elementos contínuos se reforço em fibras de carbono e de vidro e em aço inox. Foram ainda realizados ensaios de resistência mecânica (tracção) em provetes previamente submetidos a ensaios de envelhecimento acelerado. Esta fase do estudo permitiu determinar as condições de fabrico para optimização das propriedades do material. Estes material foi então aplicado na produção de torres de 30 m para suporte de antenas de telecomunicações. As torres, longitudinalmente, são pré-esforçadas e reforçadas com fibras contínuas de carbono e/ou com varões de aço inox. Foram realizados diversos ensaios à escala real de protótipos de torres quer à rotura quer em condições de serviço. Os resultados destes ensaios permitiram calibrar e validar os modelos numéricos desenvolvidos para o seu dimensionamento, garantindo-se assim a sua segurança face às acções regulamentares.

Refira-se ainda que, além da segurança estrutural destes elementos, foram à partida impostas determinadas restrições no que se refere à sua interferência electro-magnética sobre as telecomunicações. Ao se ter utilizado materiais não magnéticos, como o carbono e o aço inox, essas condições foram satisfeitas, o que não aconteceria por exemplo no caso de se terutilizado varões de aço corrente [5]. 2. FABRICO DO GRC Os dois principais métodos de produção do GRC são, como referido, o de projecção, ou “spray-up” e o de pré-mistura, ou “premix”. Na produção através do método “spray-up” a pasta (cimento, areia, água e aditivos) é produzida antes da incorporação das fibras que apenas é feita no jacto da pistola de projecção. Os dois

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componentes são então projectados contra o molde do elemento a produzir [6]. A pistola de projecção pode ser operada manualmente ou montada em equipamento automático. Os cordões de fibra de vidro, fornecidos em rolo, são cortados na própria pistola de projecção com o tamanho requerido (tipicamente entre 25 mm e 40 mm) através de um tambor rotativo provido de lâminas. A matriz apresenta tipicamente relação areia/cimento de 1/1 e água/cimento de 1/3. A relação água/cimento deverá ser mantida com valores tão baixos quanto possível (desde que não comprometa a necessária trabalhabilidade e capacidade de dispersão das fibras) dado que o seu aumento implica uma redução da resistência do produto final. Habitualmente utilizam-se fluidificantes por forma a garantir a necessária trabalhabilidade sem acréscimo da relação água/cimento. No GRC produzido através deste processo podem-se incorporar quantidades de fibras até cerca de 5% em termos de peso. Após a fase de projecção o material é compactado contra o molde através de um rolo cilíndrico que garante a eficiente moldagem, a impregnação das fibras no interior da pasta, a libertação de ar retido durante o processo e a obtenção de uma densidade adequada. Após a fase de compactação com rolo a superfície pode ser regularizada através de espátula. O controlo da espessura é realizado com uma agulha de comprimento igual à espessura pretendida para o elemento.

Na produção de GRC através do processo “premix” todos os componentes – cimento, areia, água, aditivos e fibras de vidro pré-cortadas – são previamente misturados. Para produzir GRC com a necessária qualidade este processo deve compreender duas etapas. A primeira consiste na preparação da pasta com a adequada trabalhabilidade, por forma a permitir a dispersão uniforme das fibras no seu interior. A segunda fase corresponde à mistura das fibras com a pasta. Estas duas etapas são preferencialmente realizadas no mesmo contentor [7]. A dosagem do GRC assim produzido depende em grande medida do produto a fabricar. Apesar disso podem-se apontar como valores típicos relações areia/cimento de 0.5/1 e água/cimento até 0.35/1. Também neste processo se recorre frequentemente à utilização de fluidificantes por forma a obter a necessária trabalhabilidade sem aumento da quantidade de água. A quantidade de fibras incorporadas neste processo pode chegar a valores de cerca de 3.5% em termos de peso. O comprimento habitual das fibras é de cerca de 12 mm, podendo em alguns casos chegar a 25 mm. Com fibras de maior comprimento a trabalhabilidade da mistura passa a ficar comprometida. A dispersão das fibras na argamassa deve ser realizada no final dado que o processo de mistura pode implicar a degradação das fibras, devido à sua relativa fragilidade. A produção de elementos através do processo “premix” pode envolver diferentes técnicas como injecção e vibração de moldes, projecção, prensagem, ou outras. A técnica mais habitual é a injecção, sendo também frequentemente utilizada a projecção. A técnica de projecção é muito semelhante ao processo “spray-up”. Neste caso, porém, o jacto é constituído pela mistura da pasta com as fibras, em vez de a mistura ser realizada apenas à boca da pistola. A técnica de injecção é semelhante ao método de pré-fabricação corrente de betão, consistindo na deposição da mistura de GRC num molde aberto ou de parede dupla, que é subsequentemente vibrado. A vibração garante o preenchimento total do molde e a libertação do ar do interior da pasta. 3. TORRE DE GRC O estudo da produção de torres em GRC foi realizado em colaboração com o grupo Pavicentro com o objectivo de ultrapassar alguns problemas ocorrentes nas soluções tradicionais correntemente utilizadas. Os principais problemas nas soluções de torres em estrutura metálica ou em betão armado prendem-se com a durabilidade e com as interferências electro-magnéticas.

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3.1 Protótipo da torre O primeiro protótipo da torre tinha altura de 30 m, e era constituído por três troços fabricados separadamente. O troço inferior, designado por troço 1, extende-se até 6 m de altura, o troço 2, intermédio, situa-se entre essa cota e os 18 m, enquanto o troço 3 se extende dos 18 m aos 30 m. A secção transversal da torre é definida exteriormente por um dodecaedro e, interiormente, por um vazio de forma circular. As dimensões da secção transversal variam progressivamente em altura desde a base até ao topo. A espessura da secção, na zona mais fina (na mediatriz dos lados do dodecaedro) é constante e vale 3 cm. A torre é constituída por GRC reforçado com cordões de fibra de carbono e varões de aço inox nas zonas mais críticas. No interior da torre correm cabos de pré-esforço por forma a garantir a sua segurança face às acções horizontais. Cada troço da torre é fabricado por injecção dos respectivos moldes com GRC premix. Antes do processo de injecção os elementos de reforço (fibras de carbono e varões de aço inox) são dispostos no molde, como mostra a Figura 1, sendo posteriormente envolvidos pela pasta de GRC [8]. Os cordões de fibra de carbono e os varões de aço inox são posicionados longitudinalmente por forma a incrementar a resistência à tracção das secções transversais da torre e, consequentemente, à flexão provocada pelas acções horizontais.

Figura 1: Disposição dos elementos de reforço no molde da torre.

São utilizados 12 cabos de pré-esforço no fabrico da torre, todos eles ancorados na secção da base. Seis destes cabos têm a sua outra ancoragem no topo do troço 1 (a cerca de 6.7 m da base), três são ancorados no topo do troço 2 (a 18.7 m de altura) e os restantes três no topo da torre. Os cabos são dispostos de forma a que a sua distribuição ao longo do perímetro das secções da torre seja homogénea em toda a altura.

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3.2 Verificação da segurança Foi desenvolvido um algoritmo para determinação das curvas de interacção momento flector vs esforço normal em secções constituídas por GRC reforçado com elementos contínuos. Estas curvas permitem verificar a segurança da torre face às acções regulamentares, nomeadamente no que se refere à acção do vento, que é condicionante em termos de força horizontais. Na Figura 2 apresentam-se as curvas de interacção para as secções críticas da torre, bem como os pontos (momento flector, esforço normal) correspondentes à mínima acção do vento para a qual ocorre o colapso da primeira secção transversal da torre. Considerou-se um perfil de velocidades do vento proporcional ao preconizado no RSA – Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes. Verificou-se que a velocidade do vento no topo da torre correspondente ao estado limite último de resistência é de 115 km/h. As secções transversais consideradas críticas em cada troço foram as de extremidade (excluindo a zona de ligação na qual a espessura da parede de GRC é significativamente superior ) dado que correspondem aos locais de máximo momento flector actuante (extremidade inferior) e de mínimo momento flector resistente (extremidade superior).

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

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0

1000

0 200 400 600 800 1000 1200

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Secção 30.0 m

Figura 2: Curvas de interacção das secções críticas da torre e pontos correspondentes à acção do

vento para a combinação em análise. 3.3 Ensaios experimentais Por forma a avaliar experimentalmente as características de resistência e deformabilidade da torre e as comparar com os respectivos valores adoptados nos modelos numéricos foram realizados diversos testes em protótipos à escala real. Realizaram-se ensaios de carga para avaliação do comportamento em serviço e ensaios dinâmicos em protótipos completos de torres com 30 m de altura e ensaios de rotura em protótipos correspondentes a troços individuais, incluindo a zona de ligação e um segmento do troço adjacente inferior. Neste artigo apresentam-se os resultados de um dos ensaios de carga sobre protótipos de 30 m e de um dos ensaios de rotura realizados.

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O ensaio de carga consistiu na aplicação de forças na torre, através do puxe de cabos de aço, a três diferentes níveis, por forma a simular acções correspondentes a valores pré determinados da velocidade do vento no topo da torre. Na Figura 3 apresenta-se uma vista geral do ensaio realizado. Na Figura 4 apresenta-se um diagrama com os deslocamentos obtidos experimentalmente e analiticamente [9], utilizando um modelo de consola elástica, para os diferentes patamares de carga e de descarga, nas secções da torre em que as forças foram aplicadas (níveis 29 m, 17 m e 5 m). Os deslocamentos obtidos experimentalmente são inferiores em cerca de 20% aos obtidos com o modelo de consola elástica. Estas diferenças podem dever-se quer a variações na geometria da torre face aos valores nominais quer a diferenças das propriedades dos materiais face aos valores adoptados no modelo numérico, sendo ainda de considerar que os elementos secundários montados na torre (escadas metálicas) podem ter contribuído para o aumento da sua rigidez de flexão. Nos ensaios dinâmicos foram medidos os deslocamentos horizontais numa secção da torre, em direcções perpendiculares, através de acelerómetros, após a aplicação de uma pequena excitação. Através da FFT (“Fast Fourier Transformed”) dos sinais obtidos ao longo do tempo foram determinadas as duas primeiras frequências próprias da torre. Obtiveram-se valores de 1.0 Hz e 3.7 Hz, respectivamente para a primeira e a segunda frequências próprias, que são praticamente iguais aos obtidos numericamente através do modelo de consola elástica.

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Load step

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t (m

m)

d29expd29modd17expd17modd5expd5mod

Figura 3: Ensaio de carga Figura 4: Deslocamentos obtidos por via experimental e não destrutivo. numérica no ensaio de carga não destrutivo.

No ensaio de rotura a torre foi solicitada através do puxe de um cabo de aço ligado ao topo até à ocorrência do colapso. O colapso ocorreu por compressão do lado mais comprimido da secção situada a 5.2 m abaixo do topo da torre. Na Figura 5 apresentam-se duas vistas gerais do ensaio de rotura realizado, antes e após a ocorrência do colapso. Refira-se que antes do colapso se verificou a ocorrência de fendilhação acentuada no lado das tracções.

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Figura 5: Ensaio de rotura.

Da curva de interacção momento flector vs esforço normal correspondente à secção de rotura obtém-se, para um valor de esforço normal igual ao valor do pré-esforço aplicado, um valor do momento último praticamente igual ao verificado experimentalmente. Refira-se que as curvas de interacção são obtidas considerando diagramas de extensão lineares na secção, correspondentes à rotura por compressão na fibra mais comprimida. Pode-se afirmar que as fibras de carbono absorveram parte das tensões de tracção na secção, na medida em que a sua rotura ocorreu sem escorregamento.

Os varões de aço inox foram dispostos na base do troço, situando-se a sua extremidade superior abaixo da secção em que se verificou o colapso. 4. CONCLUSÕES O estudo realizado permitiu extrair as seguintes conclusões. A utilização de GRC reforçado com cordões de fibra de vidro e com varões de aço inox como material estrutural, nomeadamente na produção de torres de GRC do tipo das analisadas, é viável,

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garantindo níveis de resistência e de deformabilidade compatíveis com as exigências da projecto. Os modelos adoptados para avaliação das características de resistência, deformabilidade e comportamento dinâmico da torre apresentam boa correlação com o comportamento registado em ensaios experimentais. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o financiamento da Comissão Europeia e da FCT (Fundação para a Ciência e Tecnologia) através dos projectos “STRUCTA-GRC BES2-5315” e PRAXIS/P/ECM/14046/1998 - “Betão Reforçado com Fibras de Vidro – Aplicações Estruturais”. 6. REFERÊNCIAS [1] Knowles, E. S., et al., “Recommended Practice on Glass Fibre Reinforced Concrete Panels”,

PCI publication, USA, 1987. [2] Bentur, A., Mindess, S., “Fibre Reinforced Cementitious Composites”, Elsevier Applied

Science, UK, 1990. [3] Persano-Adorno, G. et al., “Structural Applications of Glass-Fibre Reinforced Concrete

Components (STRUCTA-GRC)”, final technical report of project CRAFT-BES2-5315”, 2000.

[4] Branco, F. et al., “Caracterização da Resistência à Tracção de Provetes de GRC”, Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas, LNEC, Lisboa, 1998.

[5] Branco, F. et al., “The Use of GRC as a Structural Material”, Symposium on Mechanics of Composite Materials and Structures, Coimbra, 1999.

[6] Curiger, P., et al., “Glass Fibre Reinforced Concrete. Practical Design and Structural Analysis”, Beton-Verlag, Dusseldorf, 1995.

[7] Boon, D. et al., “Design of Thin Wall Units”, FIP Recommendations, London, 1998. [8] Ferreira, J. et al., “Fabrico de Torres de Telecomunicações em GRC”, 1º Congresso

Nacional da Indústria de Pré-Fabricação em Betão, ANIPC, Portugal, 2000. [9] Ferreira, J. et al., “Comportamento de Torres de Telecomunicações em GRC”, Congresso

Betão Estrutural 2000 , Portugal, 2000.