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INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Estudo de reabilitação de um viaduto
Nuno Henrique Pinto Vieira
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientador: Professor Doutor António José da Silva Costa
Júri Presidente: Professor Doutor Luís Manuel Coelho Guerreiro Orientador: Professor Doutor António José da Silva Costa
Vogal: Professor Doutor Rui Vaz Rodrigues
Outubro de 2016
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Agradecimentos
A realização deste trabalho não seria possível sem o apoio prestado das várias pessoas que me
acompanharam durante esta etapa final.
Antes de tudo, os meus profundos agradecimentos ao Professor António Costa, por me ter concedido
a possibilidade de escolher o presente tema de dissertação, facultando-me acesso ao caso de
estudo, pela disponibilidade demonstrada e pelos esclarecimentos prestados ao longo da elaboração
deste trabalho.
A todos os meus colegas, pela partilha de conhecimento e pela motivação que me prestaram um
sincero agradecimento. De todos os colegas não posso deixar de destacar o Pedro Preto, Matos,
Viana, Edu, Macedo, Filipa, Inês (Chicharito), Patrícia, Catarina e muitos outros que neste último ano
tiveram presentes nesta etapa final do meu percurso académico.
Aos meus amigos dos quais destaco Luís Vaz e André Vieira (companheiros do “d2”), João Tojal
(companheiro do FM), e Barão (o velhote) que me ajudaram com bons conselhos e me
proporcionaram momentos de lazer que em muito contribuíram para melhorar o meu estado de
espírito na realização deste trabalho.
Ao meu amigo e colega de treino do ginásio Afonso, que muito contribuiu para a minha excelente
forma física ao longo de todos estes anos de estudo.
Apesar de não ter tido o final desejado, gostaria de agradecer a todos os meus amigos e colegas do
União Desportiva Ponte Frielas. De todos não posso deixar de destacar o “Pai Sorre” que demonstrou
uma qualidade quase tão boa como a minha.
Ao meu pai, mãe e irmã por todo o apoio incondicional e financeiro ao longo de todos os estes anos.
Ao meu Tio Zé pelos bons conselhos.
À minha avó Eduarda que sempre me apoio e me deu ânimo para acabar os meus estudos. Assim
como agradeço à minha avó, não posso deixar de destacar o meu avô Eduardo que por infelicidade
da vida não me pode acompanhar até ao fim desta etapa. Agradeço pelo homem que foi, pelos bons
conselhos, por todo o carinho demostrado e por ter sido dos principais responsáveis pela minha
educação.
Por fim, um grande e especial obrigado à minha namorada Catarina que se juntou nesta caminhada
recentemente, mas representou um papel fundamental na minha felicidade. Agradeço todos os
momentos partilhados e todo o carinho demonstrado.
iv
v
RESUMO
Actualmente o parque de construções existentes é muito vasto requerendo um elevado esforço de
manutenção e reabilitação estrutural. Com isto, é cada vez mais importante o desenvolvimento e
implementação das técnicas de reparação e/ou reforço de estruturas.
A reabilitação de uma estrutura tem como objectivo repor as condições iniciais de segurança para as
quais foi projectada, ou, se a utilização da estrutura mudar, elevar os níveis de segurança da
estrutura estrutural para as novas exigências funcionais.
O tipo de intervenção a implementar implica um estudo pormenorizado da estrutura existente, quer ao
nível do seu estado de degradação, quer ao nível do seu comportamento estrutural.
O reforço estrutural da estrutura representa a fase final da intervenção. Resumidamente, a
intervenção de reforço engloba protecção, reparação e reforço, sendo que os dois primeiros têm
como principal objectivo proteger e prevenir a evolução da deterioração.
Desta forma, um projecto de reabilitação de estruturas de betão armado requer uma estratégia
adequada à especificidade da estrutura em causa. A qualidade de um projecto de reabilitação
relaciona-se com a metodologia de avaliação do estado da estrutura e com conhecimento prévio das
matérias relativas à reparação e reforço estrutural.
Com o referido nos parágrafos anteriores, procurou-se, nesta dissertação, desenvolver os principais
passos de um projecto de reabilitação, nomeadamente, causas e efeitos da deterioração relacionada
com o ambiente onde a estrutura se insere, avaliação da degradação da estrutura em estudo,
desenvolvimento das várias etapas de um projecto de reabilitação e por último, o dimensionamento
dos elementos a reforçar.
No dimensionamento dos elementos a reforçar, desenvolvem-se várias técnicas como:
encamisamento de betão armado, colagem de chapas metálicas e colagem de CFRPs. Para as
várias técnicas apresentam-se os modelos de dimensionamento ao estado limite último dos
elementos a reforçar e algumas disposições regulamentares.
Palavras-chave: Reforço de estruturas de betão armado, Durabilidade, Reabilitação, Encamisamento
de betão armado, Chapas metálicas, CFRPs.
vi
vii
ABSTRACT
Currently the amounts of existing constructions are very large requiring a high maintenance effort and
structural rehabilitation. With this, the development and implementation of repair or strengthening is
becoming increasingly important.
The rehabilitation of structures aims to restore the initial security conditions for which it was designed,
or if the use of the structure changes, there is a need to verify the safety levels of the structure for the
new function requirements.
The type of intervention to implement involves a detailed study of the existing structure, both in terms
of degradation state and structural behavior.
The structural reinforcement of the structure can be the final phase of the intervention. In summarily,
the reinforcement measure includes protection, repair and reinforcement. The first two are primarily to
protect and prevent the evolution of deterioration.
Therefore, a rehabilitation project of concrete structures requires a proper strategy to the specific
nature of the structure in question. The quality of a rehabilitation project is related to the condition
assessment methodology of the structure and prior knowledge of matters relating to the repair and
structural reinforcement.
Based on the information shared on the previous paragraphs, this document tries to develop the
main steps of a rehabilitation project, in particular, causes and effects of deterioration related to the
environment where the structure is located, assessment of degradation of the structure under study,
the development of various stages of a rehabilitation project and finally, the design of the elements to
be strengthened.
In the dimensioning of the elements to strengthen, various techniques are developed, such as:
strengthening with reinforced concrete, strengthening of concrete structures using externally bonded
steel plates and strengthening using CFRPs. For the various techniques, there are presented design
models to the ultimate limit state of the elements to be strengthened and some regulations.
Keywords: Strengthening of reinforced concrete structures, Durability, Rehabilitation, Strengthening
with reinforcement concrete, Strengthening of concrete structures using externally bonded steel
plates, CFRPs.
viii
ix
Índice
1 Introdução ......................................................................................... 1
1.1 Enquadramento do tema ......................................................................................................... 1
1.2 Motivação e Objectivos ........................................................................................................... 3
1.3 Organização do trabalho ......................................................................................................... 3
2 Durabilidade de estruturas expostas a ambiente marítimo .......... 5
2.1 Deterioração de estruturas expostas a ambiente marítimo .................................................... 5
2.1.1 Processos Químicos ........................................................................................................ 7
2.2 Penetração dos cloretos .......................................................................................................... 8
2.2.1 Mecanismos de transporte .............................................................................................. 9
2.3 Corrosão ................................................................................................................................ 12
2.3.1 Processo de corrosão .................................................................................................... 15
3 Reabilitação de estruturas de betão armado ............................... 17
3.1 Introdução .............................................................................................................................. 17
3.2 Métodos de protecção contra a corrosão .............................................................................. 20
3.2.1 Métodos electroquímicos ............................................................................................... 20
3.2.2 Inibidores de corrosão ................................................................................................... 24
3.2.3 Substituição do betão contaminado .............................................................................. 25
3.3 Preparação da superfície de betão ....................................................................................... 27
3.3.1 Betão existente .............................................................................................................. 27
3.3.2 Armaduras ..................................................................................................................... 28
3.3.3 Tratamento de fendas ................................................................................................... 29
3.3.4 Protecção superficial ..................................................................................................... 30
3.4 Técnicas de reforço estrutural ............................................................................................... 32
3.4.1 Encamisamento de betão .............................................................................................. 32
3.4.2 Chapas metálicas .......................................................................................................... 40
3.4.3 Laminados CFRP .......................................................................................................... 46
x
4 Avaliação Estrutural do viaduto ................................................... 55
4.1 Descrição do viaduto ............................................................................................................. 55
4.1.1 Descrição das anomalias .............................................................................................. 56
4.2 Análise estrutural ................................................................................................................... 57
4.2.1 Propriedades mecânicas dos materiais ........................................................................ 57
4.2.2 Vigas e travessas .......................................................................................................... 57
4.2.3 Laje ................................................................................................................................ 57
4.2.4 Estacas .......................................................................................................................... 58
4.2.5 Validação do modelo ..................................................................................................... 59
4.3 Avaliação de segurança ........................................................................................................ 60
4.3.1 Acções e combinações .................................................................................................. 60
4.3.2 Fase construtiva ............................................................................................................ 63
4.3.3 Fase serviço .................................................................................................................. 65
5 Reforço do viaduto......................................................................... 71
5.1 Introdução .............................................................................................................................. 71
5.2 Opção de reforço com encamisamento ................................................................................ 71
5.3 Opção de reforço com recurso a chapas metálicas .............................................................. 73
5.4 Opção de reforço com laminados CFRP ............................................................................... 76
6 Considerações finais ..................................................................... 79
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 – PRINCIPAIS FACTORES QUE INFLUENCIAM A DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS (ADAPTADO DE [7]).
.............................................................................................................................................. 5
FIGURA 2.2 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UMA ESTRUTURA DE BETÃO ARMADO EXPOSTA À ÁGUA DO
MAR (ADAPTADO DE [8]). .......................................................................................................... 6
FIGURA 2.3 – ATAQUE QUÍMICO NO BETÃO [21]. ................................................................................ 7
FIGURA 2.4 – PRINCIPAIS FACTORES QUE ENVOLVEM O TRANSPORTE DE CLORETOS (ADAPTADO DE [11]).
.............................................................................................................................................. 9
FIGURA 2.5 - REPRESENTAÇÃO DA PERMEABILIDADE (BETÃO SUBMERSO) (ADAPTADO DE [12]). ......... 10
FIGURA 2.6 - REPRESENTAÇÃO DA SUCÇÃO CAPILAR NO BETÃO (ADAPTADO DE [12]). ....................... 10
FIGURA 2.7 - REPRESENTAÇÃO DO TRANSPORTE DE CLORETOS POR DIFUSÃO DE IÕES (ADAPTADO DE [12]).
............................................................................................................................................ 11
FIGURA 2.8 – MECANISMOS DE TRANSPORTE RELEVANTES NA PENETRAÇÃO DE CLORETOS AO NÍVEL DAS
ARMADURAS (ADAPTADO [3]). ................................................................................................. 12
FIGURA 2.9 – PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO (ADAPTADO DE [7]). ..................................... 13
FIGURA 2.10 – DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS – INÍCIO DA CORROSÃO (ADAPTADO DE [7]). .......... 13
FIGURA 2.11 – DESPASSIVAÇÃO DA PELÍCULA DE ÓXIDO DE FERRO E “RECICLAGEM” DOS CLORETOS
(ADAPTADO DE [15]). ............................................................................................................. 14
FIGURA 2.12 – MODELO SIMPLIFICADO DO PROCESSO DE CORROSÃO (ADAPTADO DE [15]). ............... 15
FIGURA 2.13 – CORROSÃO “NEGRA” [21]. ....................................................................................... 16
FIGURA 3.1 – ÂNODO DE SACRIFÍCIO EMBEBIDOS (ADAPTADO DE [27]). ............................................. 21
FIGURA 3.2 – ESQUEMA DA PROTECÇÃO CATÓDICA POR ÂNODO DE SACRIFÍCIO (ADAPTADO DE [15]). . 21
FIGURA 3.3 – ESQUEMA DA APLICAÇÃO DA PROTECÇÃO CATÓDICA POR CORRENTE IMPRESSA (ADAPTADO DE
[25]). .................................................................................................................................... 22
FIGURA 3.4 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA DESSALINIZAÇÃO (ADAPTADO DE [25]). ................. 23
FIGURA 3.5 – APLICAÇÃO DE INIBIDORES (ADAPTADO DE [28]). ......................................................... 25
FIGURA 3.6 – FORMAÇÃO DO ÂNODO INCIPIENTE DEPOIS DA REPARAÇÃO (ADAPTADO DE [15]). .......... 26
FIGURA 3.7 – MÉTODOS DE REMOÇÃO DE BETÃO (ADAPTADO DE [23 E 27]). ..................................... 27
FIGURA 3.8 – MÉTODOS DE LIMPEZA (ADAPTADO DE [22 E 30]). ....................................................... 28
FIGURA 3.9 – PERDA DE SECÇÃO DEVIDO À CORROSÃO (ADAPTADO DE [27]). ................................... 28
FIGURA 3.10 – MATERIAL DE REPARAÇÃO DE FENDAS (ADAPTADO DE [27]). ...................................... 29
FIGURA 3.11 – TÉCNICAS DE PROTECÇÃO SUPERFICIAL – IMPREGNAÇÃO (ADAPTADO DE [23]). .......... 30
FIGURA 3.12 – ESQUEMA REPRESENTATIVO DA PROTECÇÃO SUPERFICIAL POR REVESTIMENTO [27]. . 31
FIGURA 3.13 – TELAS BETUMINOSAS [27]. ....................................................................................... 31
FIGURA 3.14 – REFORÇO DE VIGA A FLEXÃO POR ENCAMISAMENTO DE BETÃO [31]. ........................... 32
FIGURA 3.15 – REFORÇO DE VIGAS À FLEXÃO E AO ESFORÇO TRANSVERSO (ADAPTADO DE [29]). ...... 32
FIGURA 3.16 – ESPESSURA A BETONAR EM FUNÇÃO DO TIPO DE MATERIAL (ADAPTADO DE [29]). ....... 35
FIGURA 3.17 – VERIFICAÇÃO DA LIGAÇÃO BETÃO-BETÃO NOVO – ENSAIO PULL-OFF (ADAPTADO DE [30]).
............................................................................................................................................ 37
xii
FIGURA 3.18 – MODELO DE CÁLCULO DE UMA VIGA REFORÇADA À FLEXÃO POR ENCAMISAMENTO DE BETÃO.
............................................................................................................................................ 37
FIGURA 3.19 – MODELO DE CÁLCULO DE VERIFICAÇÃO DE SEGURANÇA DA LIGAÇÃO. ......................... 38
FIGURA 3.20 – ALTURA ÚTIL DO REFORÇO PARA O CÁLCULO DO ESFORÇO TRANSVERSO RESISTENTE
(ADAPTADO DE [29]). ............................................................................................................. 40
FIGURA 3.21 – REFORÇO ESTRUTURAL POR COLAGEM DE CHAPAS METÁLICAS [34]. .......................... 40
FIGURA 3.22 – REFORÇO À FLEXÃO COM DIMENSÕES RECOMENDADAS (ADAPTADO DE [36]). ............. 42
FIGURA 3.23 – REFORÇO AO ESFORÇO TRANSVERSO COM DIMENSÕES RECOMENDADAS (ADAPTADO DE [36]).
............................................................................................................................................ 42
FIGURA 3.24 - CHAPAS METÁLICAS [23]. ......................................................................................... 43
FIGURA 3.25 – MODELO DE CÁLCULO PARA APLICAÇÃO DO REFORÇO POR COLAGEM DE CHAPAS METÁLICAS.
............................................................................................................................................ 44
FIGURA 3.26 – DIAGRAMA DE FORÇAS NA INTERFACE DO ELEMENTO A REFORÇAR (ADAPTADO DE [36]).45
FIGURA 3.27 – FORMAS PRINCIPAIS DOS FRPS [37 E 38]. ............................................................... 46
FIGURA 3.28 – REFORÇO DE VÁRIOS ELEMENTOS COM CFRPS (ADAPTADO DE [39]). ........................ 47
FIGURA 3.29 – S&P LAMINADO DE FIBRA DE CARBONO [41]. ............................................................ 48
FIGURA 3.30 – REFORÇO À FLEXÃO POR COLAGEM DE CFRPS. ....................................................... 49
FIGURA 3.31 – TÉCNICAS DE CONTROLO DA APLICAÇÃO [38]. ........................................................... 51
FIGURA 3.32 – MODOS DE ROTURA NO REFORÇO POR CFRPS [39]. ................................................ 51
FIGURA 3.33 – MODOS DE ROTURA EM ESTRUTURAS REFORÇADAS À FLEXÃO COM LAMINADOS/MANTAS
(ADAPTADO DE [39]). ............................................................................................................. 52
FIGURA 3.34 – MODELO DE CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO DO REFORÇO À FLEXÃO POR COLAGEM DE
LAMINADOS CFRPS. ............................................................................................................. 52
FIGURA 4.1 – VIADUTO DE LIGAÇÃO AO ESTALEIRO NAVAL (ADAPTADO DE [18]). ................................ 55
FIGURA 4.2 – CORTE TRANSVERSAL DO VIADUTO (ADAPTADO DE [18]). ............................................. 55
FIGURA 4.3 – FENDILHAÇÃO DA VIGA LATERAL. ................................................................................ 56
FIGURA 4.4 – DELAMINAÇÃO DA VIGA LATERAL DO LADO POENTE. .................................................... 56
FIGURA 4.5 – FENDILHAÇÃO DA TRAVESSA. ..................................................................................... 56
FIGURA 4.6 – DETERIORAÇÃO DA PINTURA DOS GUARDA-CORPOS [19]. ............................................ 56
FIGURA 4.7- PAVIMENTO DO VIADUTO. ............................................................................................ 56
FIGURA 4.8 – ELEMENTOS DE BARRA LINEARES (VIGA, TRAVESSA E ESTACA). ................................... 57
FIGURA 4.9 – MODELO COM AS VIGAS E TRAVESSAS A COINCIDIR COM O TOPO DA LAJE. .................... 57
FIGURA 4.10 – DISCRETIZAÇÃO DAS MOLAS NAS ESTACAS. .............................................................. 58
FIGURA 4.11 – PORMENOR EM PLANTA E EM CORTE DA PRÉ-LAJE (ADAPTADO DE [18]). ..................... 64
FIGURA 4.12 – CORTE DA VIGA (ADAPTADO DE [18]). ....................................................................... 65
FIGURA 4.13 – DEFORMAÇÕES NA LAJE DO TABULEIRO. ................................................................... 67
FIGURA 4.14 – CORTE DA VIGA (ZONA DO APOIO A), ZONA DO VÃO B)) (ADAPTADO DE [18]). ............... 67
FIGURA 4.15 – ENVOLVENTE DOS MOMENTOS FLECTORES. .............................................................. 68
FIGURA 4.16 – ENVOLVENTE DOS ESFORÇOS TRANSVERSOS. .......................................................... 69
FIGURA 5.1 – PORMENORIZAÇÃO DA SOLUÇÃO A APLICAR NO VIADUTO. ............................................ 73
xiii
FIGURA 5.2 – PORMENORIZAÇÃO DA SOLUÇÃO DE REFORÇO POR CHAPAS METÁLICAS. ...................... 74
FIGURA 5.3 – PORMENORIZAÇÃO DA SOLUÇÃO DE REFORÇO COM DOIS CONECTORES. ...................... 76
FIGURA 5.4 – VIGA REFORÇADA COM DOIS LAMINADOS (AF=2,24 CM2). ............................................ 76
xiv
ÍNDICE DE TABELAS
TABELA 2.1 – COMPOSTOS QUÍMICOS DE ELEVADA ALCALINIDADE. ............................................................. 12
TABELA 3.1 – PRINCÍPIOS DE REPARAÇÃO (ADAPTADO DE [27]). ................................................................. 19
TABELA 3.2 – EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DOS PRINCÍPIOS DE REPARAÇÃO DEPENDO DO TIPO DE ANOMALIA
(ADAPTADO DE [27]). ....................................................................................................................... 19
TABELA 3.3 – MÉTODOS DE REMOÇÃO DE BETÃO (ADAPTADO DE [32]). ....................................................... 34
TABELA 3.4 – MÉTODOS DE LIMPEZA DA SUPERFÍCIE DE BETÃO (ADAPTADO DE [32]). .................................. 34
TABELA 3.5 – COEFICIENTES QUE DEPENDEM DA RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE (ADAPTADO DE [45]). ........... 39
TABELA 4.1 – GRANDEZAS DO COEFICIENTE NH EM FUNÇÃO DO TIPO DE SOLO (ADAPTADO DE [20]). ............. 58
TABELA 4.2 – RIGIDEZ DAS MOLAS NAS ESTACAS NOS ENCONTROS. ........................................................... 59
TABELA 4.3 – RIGIDEZ DAS MOLAS NAS RESTANTES ESTACAS DO VIADUTO. ................................................. 59
TABELA 4.4 – CALCULO DAS REACÇÕES VERTICAIS DEVIDO AO PESO PRÓPRIO. ........................................... 60
TABELA 4.5 – FREQUÊNCIAS OBTIDAS ATRAVÉS DO MODELO. ..................................................................... 60
TABELA 4.6 – MATERIAIS PRESENTES NO VIADUTO .................................................................................... 62
TABELA 4.7 – PESO PRÓPRIO E RESTANTES CARGAS PERMANENTES DO TABULEIRO. ................................... 62
TABELA 4.8 – CARACTERÍSTICAS DOS ESPECTROS CONSIDERADOS NA ANÁLISE SÍSMICA. ............................ 63
TABELA 4.9 – MOMENTOS RESISTENTES DAS PRÉ-LAJES. ........................................................................... 64
TABELA 4.10 – ESFORÇOS RESISTENTES DAS VIGAS PRÉ-FABRICADAS. ...................................................... 65
TABELA 4.11 – MOMENTOS RESISTENTES DA LAJE EM AMBAS AS DIRECÇÕES. ............................................. 66
TABELA 4.12 – MOMENTOS ACTUANTES NA LAJE EM AMBAS AS DIRECÇÕES. ............................................... 66
TABELA 4.13 – ESFORÇOS RESISTENTES NA ZONA DO APOIO E DO VÃO. ..................................................... 68
TABELA 4.14 – MOMENTOS MÁXIMOS. ....................................................................................................... 68
TABELA 4.15 – ESFORÇOS TRANSVERSOS MÁXIMOS. ................................................................................. 69
TABELA 5.1 – MATERIAIS UTILIZADOS NO REFORÇO POR ENCAMISAMENTO. ................................................. 71
TABELA 5.2 – PRESSUPOSTOS UTILIZADOS NO CÁLCULO DA ARMADURA EQUIVALENTE. ............................... 71
TABELA 5.3 – MATERIAL UTILIZADO NO REFORÇO POR COLAGEM DE CHAPAS METÁLICAS. ............................ 73
TABELA 5.4 – PRESSUPOSTOS UTILIZADOS NO CÁLCULO DA ARMADURA EQUIVALENTE. ............................... 73
TABELA 5.5 – CARACTERÍSTICAS DO CONECTOR. ...................................................................................... 74
TABELA 5.6 – CARACTERÍSTICAS DOS CONECTORES. ................................................................................. 75
xv
xvi
Abreviaturas e símbolos
Acrónimos
ACI – American Concrete Institute, Detroit (USA)
CFRP – Carbon fiber reinforced polymer
EBR – Externally-bonded reinforcement
EC2 – Eurocódigo 2 – Projecto de Estruturas de Betão
FIB – Federation Internationale du Béton
FRP – Fiber reinforced polymer
LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil
RAA – Reacção álcali-agregado
REBAP – Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado
Letras Latinas maiúsculas
As – Área da secção transversal da armadura ordinária de tracção
Af – Área da secção transversal do laminado
As,eq – Área equivalente de reforço (varões e reforço externo)
As,i – Área da secção transversal da armadura inicial
As,r – Área da secção transversal da armadura de reforço (varões e reforço externo)
As,tot – Área total de aço da armadura longitudinal
Asw/s – Área de armadura de esforço transverso por metro linear
Asw/si – Área de armadura de esforço transverso por metro linear inicial
Asw/sr – Área de armadura de esforço transverso por metro linear de reforço
Ainf – Área de influência
B – Diâmetro da estaca
D – Comprimento da estaca
Ef – Módulo de elasticidade do reforço FRP a utilizar no reforço
Efu – Módulo de elasticidade na rotura
xvii
Fc – Força de compressão no betão
Fsi – Força de tracção nas armaduras iniciais
Fsr – Força de tracção no reforço
Fsd – Força na chapa metálica correspondente ao valor de cálculo
Fr – Força resistente de tracção no apoio
Ft – Força de tracção
K – Rigidez do terreno
K(Z) - Módulo de reacção horizontal do terreno, função da profundidade z
L – Comprimento de transmissão de tensões
Linf – Comprimento de influência
Llaje – Comprimento da pré-laje
Mcr – Momento de início de fendilhação
Mrd – Momento flector resistente
Mserv – Momento flector em condições de serviço
M(x) – Variação do momento ao longo do elemento
N – Esforço axial
Nfa,max - Força máxima de tracção do laminado
P – Perímetro da estaca
Pp – peso próprio
Psd – Valor de cálculo das solicitações actuantes
Rd – Valor de cálculo inicial de resistência do conector
SEk – Valor característico da acção sísmica. Para esta acção não se considera nenhum coeficiente
parcial de segurança visto que o espectro de resposta respectivo já vem majorado de acordo com o
Eurocódigo 8
Sc – Sobrecarga construtiva
Sd – Valor de cálculo do esforço actuante
SGi,k – Valor característico de cada esforço correspondente às acções permanentes
xviii
SQi,k – Valor característico de cada esforço correspondente à acção variável base
SQi,k – Valor característico de cada esforço correspondente às acções variáveis acompanhantes
Vsd – Valor de cálculo de esforço transverso actuante
VRd – Valor de cálculo de esforço transverso resistente
VRdi – Valor de cálculo de esforço transverso resistente inicial
VRdr – Valor de cálculo de esforço transverso resistente do reforço
VRdmax
– Valor de cálculo de esforço transverso resistente máximo
VRd,b – Valor de cálculo de resistência ao corte dos conectores
Z – Profundidade do terreno
Letras Latinas Minúsculas
al – translação do diagrama de forças
br – Largura da secção reforçada
bi – Largura da secção antes do reforço
bf – Largura da lâmina de reforço de FRP
bs – Largura da chapa de aço de reforço à flexão
c – Parâmetro relacionado com a rugosidade da superfície
c1 – Constante interveniente na expressão de Nfa,max que pode ser obtida por teste de calibração
c2 – Constante interveniente na expressão de Nfa,max que pode ser obtida por teste de calibração
d – Altura útil da secção
deq – Altura útil equivalente da secção reforçada
di – Altura útil da secção reforçada relativamente à armadura existente
dr – Altura útil da secção reforçada relativamente à armadura de reforço
e - espessura
fa – Factor de redução da resistência dos conectores referente ao espaçamento
fb – Factor de redução da resistência dos conectores referente à classe de betão
fcbd – Valor de cálculo da tensão de aderência do betão
xix
fcd – Valor resistência da cálculo tensão de rotura à compressão do betão
fck – Valor característico da tensão de rotura à compressão do betão
fcm – Tensão de rotura à compressão média de provetes cilíndricos de betão
fctk – Valor característico da tensão de rotura à tracção do betão
fctm – Tensão de rotura à tracção média do betão
ffd – Valor de cálculo da tensão do FRP
fyd – Valor de cálculo da tensão de cedência de tracção da armadura
fydi – Valor de cálculo da tensão de cedência de tracção da armadura existente
fydr – Valor de cálculo da tensão de cedência de tracção da armadura de reforço
hlaje – espessura da laje
kb – Factor que tem em conta a influência da geometria da zona de ancoragem de um sistema
FRP
kc – Factor que tem em conta as condições de execução do reforço da FRP
kh,fuste – Rigidez horizontal das molas inseridas ao nível dos nós da estaca
kv,fuste – Rigidez vertical das molas inseridas ao nível dos nós da estaca
kv,ponta – Rigidez vertical da mola inserida na ponta da estaca
ls – Representa a distância da secção de esforço máximo à extremidade da chapa
lb,max – Comprimento de amarração máximo
n – número de conectores
nh – Taxa de variação do coeficiente de reacção do solo em profundidade
tf – Espessura da fibra de FRP
tg – Espessura da resina de colagem
ts – Espessura da chapa de reforço
x – Posição do eixo neutro
zi – Braço de uma secção de betão relativamente à armadura existente
zr – Braço de uma secção de betão relativamente à armadura de reforço
xx
zeq – Braço equivalente de uma secção reforçada
Letras Gregas
α – Coeficiente redutor para ter em conta a influência das fendas de corte na resistência de aderência
c – Extensão do betão
cu2 – Extensão última do betão
s – Extensão efectiva do aço
sy – Extensão de cedência do aço existente
is – Extensão nas armaduras existentes
rs – Extensão nas armaduras de reforço
f,min – Extensão mínima no laminado de FRP
f,e – Extensão efectiva do FRP
fk,e – Extensão efectiva característica do FRP
fd,e – Extensão efectiva de cálculo do FRP
δ – coefiente de redistribuição
ΔTeq – Temperatura equivalente
f – Coeficiente de minoração das propriedades resistentes do material FRP
g – Coeficiente parcial relativo à acção permanente;
q – Coeficiente parcial relativo à acção variável;
Ψ0 – Coeficiente para a determinação do valor de combinação de acção variável.
Ψ1 – Coeficiente para a determinação do valor frequente de acção variável.
Ψ2 – Coeficiente para a determinação do valor quase permanente de acção variável.
n,M – Coeficiente redutor do monolitismo de estruturas reforçadas à flexão
n,V – Coeficiente redutor do monolitismo de estruturas reforçadas ao esforço transverso
ρ – Taxa de armadura
ρf – Percentagem de reforço com FRP
xxi
c – Tensão de compressão do betão;
1 – Tensão tangencial na secção do betão existente
2 – Tensão tangencial entre o betão de adição e o betão inicial
b – Tensão de corte na ligação FRP/Betão
rd – tensão tangencial resistente
rd,ec2 – tensão tangencial resistente segundo eurocódigo 2
μ – Parâmetro relacionado com a rugosidade da superfície
xxii
1
1 Introdução
1.1 Enquadramento do tema
Actualmente, o investimento em novas obras de engenharia tem cada vez menos expressão dentro
do sector da construção. Em Portugal, este sector incidia muito na realização de construções novas,
mas tendo em conta a situação actual do país e consequente afectação deste mercado [1], a
reabilitação tem assumido maior importância, levando ao desenvolvimento e implementação das
técnicas de reparação e/ou reforço de estruturas existentes.
A utilização de técnicas de reparação e reforço em estruturas existentes está frequentemente
relacionada com a sua deterioração, perdendo as características iniciais para o qual foram
dimensionadas. O grau de degradação deve-se, diversas vezes à falta de manutenção, muitas vezes
combinada com acções de acidente ou sismos, bem como erros associados à construção e/ou
projecto deficiente [2].
Frequentemente a combinação de deterioração com a mudança de funcionalidade da estrutura pode
levar à necessidade de reparação, com aplicação de reforço estrutural para poder desempenhar com
segurança as novas funções.
Com o intuito de estudar a aplicação das técnicas de reforço aplicadas ao longo dos anos, nesta
dissertação é analisado um viaduto de ligação ao estaleiro da Mitrena onde se estudam várias
alternativas de reparação e reforço a aplicar no caso em estudo.
De um modo geral, as pontes são projectadas para um tempo de vida útil que poderá ser
compreendido entre 50 ou 100 anos. No entanto, devido às razões já referidas nos parágrafos
anteriores, poderão mostrar deterioração condicionante em poucos anos de utilização. Essa
deterioração pode estar relacionada com o ambiente onde está inserida e/ou aumento do volume de
tráfego, ou até mesmo a mudança de regulamentação (EC2 e REBAP).
No caso em estudo a estrutura encontra-se exposta a um ambiente marítimo, extremamente
agressivo para estruturas em betão armado. Quando as estruturas estão expostas a este tipo de
ambiente, a deterioração das mesmas está relacionada, em geral, com o ataque dos cloretos.
Quando a estrutura está sujeita ao ambiente marítimo, os iões cloreto podem penetrar para o interior
do betão e alcançar as armaduras, atingindo um valor crítico que, juntamente com a presença de
oxigénio, leva a corrosão das armaduras.
A deterioração por corrosão pode ter duas consequências: com a corrosão das armaduras, estas
aumentam de volume e podem originar fendas no betão ou levar à delaminação da camada de
recobrimento; outra consequência passa pela perda da capacidade resistente da estrutura para a
qual foi dimensionada. A corrosão devido aos cloretos é um fenómeno que não esta limitado ao
nosso país, apresentando sérias consequências financeiras a nível mundial.
2
Assim, de modo a manter a vida útil da estrutura para o qual foi projectada e evitar custos extras
relacionados com a manutenção/reparação da mesma, deve-se restringir a penetração dos cloretos.
Como a corrosão é um fenómeno que se propaga a grandes velocidades, quanto mais tarde se der o
seu início, menos sujeita estará a estrutura a uma possível deterioração.
A penetração dos cloretos no interior do betão apenas acontece em meio líquido. Assim sendo, se os
poros não estiveram preenchidos com água, não existirá penetração [5]. O transporte dos cloretos
pode ocorrer através de vários mecanismos, influenciados por uma série de factores que serão
mencionados mais à frente neste documento.
Antes de se proceder à aplicação de uma determinada solução de reabilitação é necessário fazer
uma recolha de informação pormenorizada acerca da estrutura existente. Como o levantamento da
estrutura existente não corresponde ao objectivo do presente trabalho, tirou-se partido do
levantamento de anomalias realizado em 2010 [18].
Com base nesse levantamento e para melhor compreender a resposta às cargas a que o viaduto está
sujeito, procedeu-se à modelação da estrutura utilizando o programa de cálculo automático [43], onde
se pode analisar o seu comportamento, permitindo assim uma avaliação mais rigorosa do seu
desempenho. Este estudo prático prendeu-se com a necessidade de, face às exigências do mercado
e à complexidade do processo de reabilitação, o autor desenvolver as suas competências como
engenheiro de estruturas.
Posto isto, uma vez aferida a necessidade de reparação e/ou reforço da estrutura, estudam-se as
possíveis técnicas de reforço a implementar no viaduto em estudo. Ao longo dos vários anos têm sido
aplicadas diferentes técnicas, sendo que para o caso em estudo, as técnicas a aplicar se enumeram
em seguida: o encamisamento de betão, uma técnica eficiente, tanto para reforço como protecção da
estrutura, embora envolva uma quantidade de trabalho significativa e condicione o funcionamento da
estrutura; o reforço por colagem de chapas metálicas, uma técnica simples e também eficiente,
contudo apresenta como principal desvantagem a dificuldade da ligação das chapas ao betão e a
corrosão das chapas, sendo necessário aplicar uma protecção contra a corrosão.
Em alternativa ao reforço com das chapas metálicas, pode-se optar por aplicar os CFRPs, pois estes
não apresentam problemas de corrosão, tornando a solução mais fácil de ser aplicada. No entanto o
problema de ligação do reforço ao betão é um aspecto importante a equacionar. Apesar de grandes
vantagens em termos de execução, os CFRPs necessitam de protecção contra incêndio e aos raios
UV [4].
3
1.2 Motivação e Objectivos
Uma vez que, actualmente, o parque de construções existentes é muito vasto, cada vez há mais
interesse em reabilitar as estruturas. Assim, esta dissertação tem como objectivo principal o estudo
das diferentes fases de um projecto de reabilitação, dando especial ênfase a três técnicas de reforço
estrutural.
Com base no objectivo principal a metodologia seguida no presente trabalho pode ser sintetizada nas
seguintes fases:
- Descrição das principais anomalias e as suas causas da deterioração em estruturas expostas a
ambiente marítimo.
- Descrição das principais etapas de um projecto de reabilitação e desenvolvimento dos sistemas e
técnicas de reparação e reforço de estruturas de betão armado.
- Avaliação do estado do viaduto de ligação.
- Dimensionamento das três técnicas de reforço estrutural estudadas, incluindo os métodos de cálculo
e disposição de armaduras.
1.3 Organização do trabalho
A presente dissertação encontra-se organizada em seis capítulos, referências bibliográficas e um
conjunto de anexos que contêm cálculos e informações complementares ao texto principal.
Seguidamente, descrevem-se sumariamente os referidos capítulos.
- No primeiro, faz-se uma pequena introdução que procura contextualizar os objectivos propostos no
presente trabalho. Neste capítulo apresentam-se também as motivações e objectivos e a estrutura da
presente dissertação.
- No segundo, é feita uma descrição das principais anomalias e causas da deterioração de estruturas
em estruturas expostas a ambiente marítimo. Neste capítulo é ainda estudado a penetração dos
cloretos e a consequente corrosão das armaduras.
- No terceiro, apresentam-se as principais fases de um projecto de reabilitação de estruturas. Neste
capítulo são estudadas as principais técnicas de protecção, reparação e reforço estrutural.
- No quarto capítulo descrevem-se as principais patologias detectadas no caso de estudo e é feita
uma avaliação de segurança.
-No quinto, são dimensionadas as soluções estudadas e referenciadas no capítulo três, onde é
apresentado os métodos de cálculo e disposições das armaduras para cada solução.
- Por último, no sexto capítulo retiram-se as conclusões acerca do trabalho desenvolvido.
4
5
2 Durabilidade de estruturas expostas a ambiente marítimo
2.1 Deterioração de estruturas expostas a ambiente marítimo
Apesar de o betão armado apresentar grandes vantagens em termos de durabilidade e custos de
execução, quando associado a estruturas expostas a ambiente marítimo requer alguns cuidados
especiais no que se refere à protecção da estrutura (ver Figura 2.1), uma vez que se encontra num
ambiente muito agressivo. Essa agressividade deve-se a múltiplos agentes existentes no ambiente
em questão, devido à constante presença de sais dissolvidos na água que causam diversos
mecanismos de deterioração nas estruturas de betão. Estas condições adversas podem condicionar
a vida útil da estrutura provocando na maioria das estruturas expostas níveis de degradação
significativos nos primeiros anos de utilização. Contudo, a principal causa da degradação nas
estruturas de betão expostas a este tipo de ambiente passa pela deficiente avaliação das acções
provenientes do ambiente em questão. Este tipo de exposição tem vindo a ser uma problema
mundial, uma vez que os custos de reparação e/ou manutenção são elevados e têm apresentado
grande impacto na economia dos países.
Figura 2.1 – Principais factores que influenciam a durabilidade das estruturas (adaptado de [7]).
Durabilidade
Projecto de Estruturas:
- Cofragem
- Pormenorização
Materiais:
- Betão
- Aço
Execução:
- Performance dos operários
Cura:
- Humidade
- Calor
Natureza e Distribuição dos
poros
Mecanismos de transporte
Deterioração do betão
Deterioração das armaduras
Física
Química e Biológica
Corrosão
Desempenho Resistência Rigidez
Condições superfíciais
Segurança Funcionalidade Aspecto
6
É importante perceber que as estruturas expostas a este tipo de ambiente podem ser susceptíveis a
um número variado de acções que dependem das condições de exposição da estrutura. Com a acção
do vento este ambiente pode estender-se até grandes distâncias da costa, dependendo também das
condições climáticas. No ambiente marítimo podem considerar-se 4 zonas de exposição: zona
atmosférica, zona de rebentação, zona de maré e zona submersa. A estas zonas microclimáticas
estão normalmente associados os mecanismos de deterioração (ver Figura 2.2).
Figura 2.2 – Representação esquemática de uma estrutura de betão armado exposta à água do mar (adaptado de [8]).
Como se pode ver pela Figura 2.2, a zona atmosférica não se encontra em contacto directo com a
água do mar. Contudo o betão, pela acção do vento e da rebentação das ondas, fica exposto à acção
dos sais. Esta zona pode afectar estruturas afastadas da costa, que apesar da distância podem ficar
expostas aos agentes agressivos da água do mar. O principal mecanismo de deterioração é a
corrosão das armaduras associada à elevada concentração de cloretos. A corrosão da armadura
pode também ser provocada pela carbonatação, embora, em comparação com os cloretos, esta
apresente uma agressividade muito inferior.
O microclima seguinte, que se situa abaixo da zona anterior denomina-se por zona de rebentação.
Nesta zona o betão está sujeito a ciclos de molhagem e secagem da água do mar, criando-se assim
um ambiente de exposição onde a corrosão das armaduras se desenvolve com maior velocidade e a
erosão do betão pode ser significativa. A erosão está associada ao impacto das ondas e ao facto de,
por vezes, a água transportar materiais sólidos.
Mais uma vez, tendo em conta a Figura 2.2, a zona seguinte denomina-se zona de maré. Esta zona
também expõe o betão a ciclos de molhagem e secagem, embora este permaneça grande parte do
Condições de exposição
Mecanismos de Deterioração
Corrosão das armaduras
Corrosão das armaduras
Erosão do betão
Corrosão das armaduras
Ataque químico e biológico
Erosão do betão
Ataque químico
Ataque biológico
Zona atmosférica
Zona de rebentação
Zona de maré
Zona submersa
7
dia submerso, estando praticamente saturado. A deterioração do betão ocorre devido à presença dos
sais agressivos, corrosão das armaduras, impacto da água (ondas ou outras substâncias em
suspensão) e microorganismos marinhos. Estas condições provocam o ataque químico e biológico no
betão, bem como a erosão do mesmo.
Por último, tem-se a zona submersa onde o betão está completamente submerso, logo encontra-se
saturado e não terá problemas relevantes de corrosão. Nesta zona, a degradação do betão deve-se a
ataques químicos (sulfatos e magnésio) e, tendo em conta a presença dos microorganismos, a
ataques biológicos [8].
Assim, é necessário que o betão apresente a qualidade necessária de modo a garantir uma
capacidade resistente às acções impostas pelos agentes presentes, possibilitando que a estrutura
alcance a vida útil para o qual foi projectada. As acções associadas a estes agentes actuam
normalmente em simultâneo, onde a água salgada é o principal responsável pelos processos físicos e
químicos que prejudicam o desempenho da estrutura. Nos subcapítulos seguintes explicam-se os
problemas associados ao processo mais relevante para o caso em estudo.
2.1.1 Processos Químicos
Como já foi referido anteriormente, a deterioração do betão em ambiente marítimo deve-se à
agressividade do meio, que conduz a vários tipos de reacções químicas a que a pasta de cimento é
sujeita. Este fenómeno resulta da interacção da água do mar com os vários constituintes da pasta de
cimento.
Os sais que se encontram dissolvidos na água do mar são os principais responsáveis pela
agressividade química que pode dar origem à redução da resistência do betão e à corrosão das
armaduras (ver Figura 2.3). Como elementos químicos mais prejudiciais podem-se considerar os
cloretos, sulfatos e iões de magnésio [9].
Figura 2.3 – Ataque químico no betão [21].
2.1.1.1 Ataque pela água do mar
O betão sofre deterioração quando em contacto com água do mar devido à grande quantidade de
iões agressivos (Cl-, Na
+, K
+, etc.) presentes na água. Essa deterioração deve-se às reacções
químicas que ocorrem entre os iões agressivos e a pasta de cimento. Essa reacção pode originar
uma diminuição de resistência do betão e a corrosão das armaduras [7].
8
2.1.1.2 Ataque dos sulfatos
A presença de sulfatos de sódio, cálcio ou magnésio, quer no solo na forma sólida, quer em solução
nas águas freáticas, é muito comum no ambiente marítimo. Os iões sulfato presentes na solução são
os responsáveis pelo ataque no betão.
As reacções relacionadas com os sulfatos podem ter origem interna, devido à existência de sulfatos
no exterior e com os sulfatos presentes no próprio betão (composição da pasta de cimento).
As reacções químicas que resultam da combinação dos sulfatos com os aluminatos da pasta de
cimento originam uma reacção muito expansiva, formando-se sobretudo etringite e algum gesso,
provocando o aumento de volume do betão e causando o aparecimento de fendas e/ou delaminação
do betão [6]. Contudo, o ataque de sulfatos em ambiente marítimo não apresenta a mesma gravidade
em comparação com os outros casos. Isto deve-se à presença dos cloretos que inibem as reacções
expansivas, uma vez que, numa solução com cloretos, o gesso e a etringite são mais solúveis [7].
2.1.1.3 Reacções com os álcalis
As reacções dos álcalis com alguns tipos de agregados são reacções expansivas, embora com uma
ligeira diferença face ao caso anterior. A deterioração do betão não acontece devido ao
enfraquecimento da pasta de cimento, mas sim, através de um gel que se forma no agregado
provocando o aumento de volume e consequente degradação do betão.
Alguns dos agregados do betão contêm sílica (Na2SiO3 ou K2SiO3), solúvel em soluções de elevado
teor alcalino, que ao reagirem entre si, podem originar um gel capaz de absorver uma quantidade de
água considerável, que provoca a sua expansão originando a fendilhação no betão [13]. Este
fenómeno pode não ser suficiente para causar problemas estruturais associados a deformações ou
perdas de capacidade resistente, contudo ao causar a fendilhação no betão permite a rápida
penetração dos elementos agressivos que atacam a pasta de cimento e as armaduras [8].
É de importância referir que o problema associado aos ataques químicos depende principalmente de
uma fase inicial, a penetração dos agentes agressivos no interior do betão. Depois dessa fase
ocorrem as reacções com os produtos hidratados da pasta de cimento. Assim, a permeabilidade do
betão tem particular importância, influenciando a velocidade de penetração.
2.2 Penetração dos cloretos
A principal causa da deterioração do betão em ambiente marítimo é a contaminação do betão por
cloretos que provoca a corrosão das armaduras. Como já foi referido no capítulo anterior, a
degradação das estruturas no ambiente marítimo é um problema mundial que conduz a elevados
custos de reparação, o que levou a uma investigação mais aprofundada nos últimos anos.
Para perceber a evolução da degradação das estruturas é preciso compreender que existem duas
fases importantes: a fase associada ao início da penetração dos cloretos no interior do betão e a
propagação para as armaduras, causando a corrosão das mesmas. No ambiente marítimo a primeira
9
fase é a que condiciona a vida útil da estrutura de betão, uma vez que as velocidades de corrosão
são geralmente muito elevadas [3].
A penetração dos cloretos para o interior do betão pode ocorrer por diferentes mecanismos
dependendo do ambiente a que a estrutura está exposta, bem como o teor de humidade do betão,
onde os mecanismos podem actuar isoladamente ou combinados (ver Figura 2.4). De modo a
perceber este problema temos que compreender os vários mecanismos de transporte.
Figura 2.4 – Principais factores que envolvem o transporte de cloretos (adaptado de [11]).
2.2.1 Mecanismos de transporte
Em estruturas como pontes e viadutos, o betão da infra-estrutura está constantemente exposto a
ciclos de molhagem e secagem, e nestas condições a penetração dos cloretos ocorre
maioritariamente por absorção e difusão. A penetração dos cloretos é fortemente influenciada pela
sequência e duração dos ciclos de molhagem e secagem, onde as condições do ambiente são muito
importantes no grau de secagem. Posto isto, o transporte dos cloretos apenas acontece no meio
liquido, através da estrutura porosa do betão, mais concretamente através dos poros capilares e/ou
fendas [3 e 10].
Como mecanismos mais comuns podem-se considerar a permeação, absorção e difusão. Em pontes
e viadutos, na zona atmosférica, a estrutura está sujeita a ciclos de secagem e molhagem com a
água da chuva, sendo mais comum que os cloretos cheguem ao interior do betão inicialmente por
absorção e, posteriormente por difusão [10].
Posto isto, será referido nos parágrafos seguintes mais em pormenor como ocorrem os mecanismos
de transporte.
2.2.1.1 Permeação
O transporte de cloretos ocorre por permeação quando a estrutura está sujeita ao contacto de
líquidos sobre pressão hidrostática. Tal pode acontecer em zonas submersas em ambiente marítimo
onde a pressão é elevada. A permeabilidade depende da porosidade do betão, do tamanho, forma e
distribuição dos poros (ver Figura 2.5). Assim, a permeabilidade depende dos factores que
Transporte de:
Água, Iões, Gases
Influenciado por:
Superficie de betão
Rede Porosa
Conectividade
Dimensão
Fendas Espessura
Exposição ambiental
Agentes Agressivos
Temperatura e Pressão
Poros Saturados
Mecanismo de
transporte
Permeabilidade
Absorção
Difusão
10
influenciam a estrutura da pasta de cimento, como a razão água/cimento, cura, tipo e dosagem de
cimento, agregados, tipo e granulometria, compactação e protecção [6].
Figura 2.5 - Representação da permeação (betão submerso) (adaptado de [12]).
Sendo as pontes estruturas de betão que não se encontram em contacto com água sobre pressão
elevada, a permeação não é um dos mecanismos mais importantes.
2.2.1.2 Absorção
O transporte de líquidos em superfícies de betão não saturado, devido a forças capilares que
resultam da diferença de pressão entre a superfície livre de água no exterior e a superfície nos poros
capilares, denomina-se absorção. A absorção ou sucção capilar no betão não está apenas
relacionada com a porosidade do betão, mas também com o teor de humidade na pasta de cimento
[6].
Com a constante exposição aos ciclos de molhagem e secagem, aumenta a concentração de cloretos
nos poros do betão. Durante o período de secagem, a água evapora-se, permanecendo os cloretos
no interior dos poros (ver Figura 2.6). Por outro lado, no período de molhagem, a água é absorvida
provocando o aumento do teor de cloretos no interior do betão.
Pode dar-se ainda uma lavagem dos cloretos junto à superfície por acção da água das chuvas.
Figura 2.6 - Representação da sucção capilar no betão (adaptado de [12]).
A absorção como mecanismo de transporte tem maior significado, em ambiente marítimo, na zona de
rebentação, onde a estrutura se encontra exposta a períodos alternados de secagem e molhagem. A
11
penetração dos cloretos por absorção vai ser fortemente influenciada pela duração dos períodos de
secagem e molhagem, humidade do betão e a sua porosidade [3].
2.2.1.3 Difusão
A difusão é um mecanismo de transporte onde os iões se deslocam por gradientes de concentração.
Esta só ocorre quando existe uma diferença de concentração de cloretos entre o exterior e o interior
do betão. Os iões são transportados das zonas de concentração elevadas para as zonas de
concentração mais baixas (ver Figura 2.7). Ao contrário da absorção e permeação, a penetração não
está associada ao transporte de água para interior do betão, mas sim ao movimento de iões na
solução dos poros do betão.
Figura 2.7 - Representação do transporte de cloretos por difusão de iões (adaptado de [12]).
Mais uma vez, para ocorrer este mecanismo é necessário que os poros contenham água. Quando o
betão se encontra saturado, onde o teor de humidade no interior do betão é suficiente para criar uma
rede contínua de capilares total ou parcialmente preenchidos água, o transporte predominante é a
difusão de iões. A difusão é fortemente influenciada pelo teor de humidade do betão, sendo máxima
em ambientes saturados, e reduzida ou mesmo nula em ambientes secos. Apesar do teor em água
ser o parâmetro que mais influencia a difusão, outros também tomam significado, como a dimensão e
continuidade da rede porosa [3].
A difusão como mecanismo de transporte tem maior significado em zonas submersas de ambiente
marítimo. A penetração de cloretos por difusão diminui gradualmente de importância nas zonas de
maré, rebentação e atmosférica.
Em estruturas onde as condições de exposição podem variar, uma vez que os elementos estruturais
podem estar ou não em contacto com água contaminada, é expectável que ocorra combinação de
mecanismos. Essas combinações envolvem a difusão, que pode ser combinada com a absorção e/ou
permeabilidade.
A difusão pode ocorrer com a absorção em condições não saturadas, onde ocorre a penetração por
absorção nas camadas superficiais e, posteriormente, a penetração dos cloretos nas camadas
interiores ocorre por difusão.
12
A penetração de cloretos por permeação e difusão ocorre em condições saturadas, onde a estrutura
se encontra em contacto com água sob pressão e, uma vez que não existem forças capilares, a
penetração não ocorre por absorção.
Para além dos parâmetros já mencionados, como as condições de humidade e estrutura porosa, a
qualidade e espessura do betão de recobrimento das armaduras tem grande influência no fenómeno.
(a) (b)
Legenda 1 – Recobrimento
2 - Armadura
Figura 2.8 – Mecanismos de transporte relevantes na penetração de cloretos ao nível das armaduras (adaptado [3]).
Com base na Figura 2.8, verifica-se que o mecanismo predominante de transporte até às armaduras
varia com o tipo de recobrimento. Se a camada de recobrimento do betão for porosa e pouco
espessa, o mecanismo que tende a controlar a penetração dos cloretos ao nível das armaduras é a
absorção (ver Figura 2.8 (a)). Quando a camada é pouco porosa e com espessura elevada, a
penetração dos cloretos ao nível das armaduras é controlada pela difusão, uma vez que absorção é
apenas nas camadas superficiais (ver Figura 2.8 (b)).
2.3 Corrosão
O betão não contaminado normalmente fornece uma protecção às armaduras eficaz contra corrosão,
devido em grande parte à elevada alcalinidade do meio (ver Tabela 2.1). Essa alcalinidade deve-se
às reacções de hidratação da pasta de cimento que origina uma solução porosa, constituída por
hidróxido de cálcio e, em menor quantidade, de sódio e potássio. Por outro lado, o betão protege
também as armaduras através do recobrimento das mesmas, uma vez que funciona como barreira
contra a penetração dos agentes agressivos do ambiente onde se inserem as estruturas.
Tabela 2.1 – Compostos químicos de elevada alcalinidade.
Hidróxido de cálcio
pH 12,5 a 13,5 Hidróxido de sódio e potássio
Nestas condições é formada, na superfície das armaduras, uma camada microscopicamente fina de
óxido de ferro (γFe2O3) que protege as armaduras contra a corrosão. A essa camada dá-se o nome
Humidade no betão
Humidade no betão
13
de película passiva (ver Figura 2.9). Contudo, a película pode ser destruída, ocorrendo a
despassivação das armaduras. Esse fenómeno pode ocorrer quando o pH da solução dos poros ao
nível das armaduras diminui para valores inferiores a 10-11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor
crítico (ver Figura 2.10). A redução do pH ocorre devido a carbonatação do betão.
Figura 2.9 – Protecção das armaduras no betão (adaptado de [7]).
Figura 2.10 – Despassivação das armaduras – início da corrosão (adaptado de [7]).
Embora a carbonatação não tenha tanto significado no ambiente marítimo como o ataque dos
cloretos, uma vez que em estruturas inseridas neste ambiente os cloretos normalmente penetram no
betão e causam a corrosão das armaduras muito antes da carbonatação, é importante fazer uma
breve descrição do fenómeno.
Película passiva (γ Fe2O3)
pH ≥ 12,5
Armadura
Corrosão não é possível
Dissolução da película passiva
Corrosão é possível
Cloretos
Cl- > valor crítico
Carbonatação
pH < 9
14
A carbonatação é um processo no qual o dióxido de carbono presente na atmosfera penetra no
interior do betão e reage com os produtos alcalinos da pasta de cimento. Como outros gases, o
dióxido de carbono dissolve-se na água formando um ácido (ver equação 2.1). Este ácido neutraliza
os álcalis presentes na solução porosa (ver equação 2.2).
(2.1)
(2.2)
A reacção consome os produtos alcalinos (Ca(OH)2) e, por conseguinte, reduz o pH da água presente
nos poros da pasta de cimento. A presença dos hidróxidos de cálcio na solução dos poros do betão
permite manter o pH geralmente na ordem dos 12,5 e 13,5 (ver Tabela 2.1). Quando os hidróxidos de
cálcio reagem com o dióxido de carbono o pH diminui para um valor de cerca de 8,3 (inferior a 9).
Quando o pH em torno da superfície das armaduras atinge esse valor, a camada fina de óxido de
ferro é destruída e a corrosão pode ocorrer, desde que haja oxigénio e humidade suficiente para que
ocorram as reacções de corrosão [15 e 42].
Um dado importante a ter em conta na carbonatação é que, em ambiente marítimo, para além de
contribuir para o início da corrosão, tem influência na penetração dos cloretos. A carbonatação limita
a capacidade de fixação dos cloretos pela pasta de cimento, tendo um efeito negativo, uma vez que
origina o aumento do teor de cloretos livres na solução dos poros, acelerando a penetração dos
cloretos para o interior de betão, o que conduz a velocidades de corrosão mais elevadas [8].
No ataque dos cloretos é importante perceber a origem dos mesmos. Estes podem existir já na
mistura de betão ou podem penetrar para o interior do betão por difusão. Os cloretos podem estar
presentes no betão quando se usa água contaminada (água do mar) e/ou agregados contaminados
no fabrico do mesmo.
A despassivação da película protectora das armaduras devido ao ataque dos cloretos é diferente da
referida anteriormente relativa à carbonatação. Os iões de cloreto atacam a película passiva, mas não
existe diminuição do pH. Os cloretos actuam como um catalisador da corrosão quando existe uma
concentração suficiente de cloretos na superfície das armaduras capaz de destruir a película
protectora. Durante a despassivação, os cloretos não são consumidos no processo mas ajudam a
destruir a película passiva de óxido de ferro e assim permitindo que a corrosão aconteça com maior
rapidez (ver Figura 2.11).
Figura 2.11 – Despassivação da película de óxido de ferro (adaptado de [15]).
A presença de uma quantidade pequena de iões de cloretos não destrói a película protectora, por
isso o teor crítico de cloretos para activar o mecanismo da corrosão tem sido objecto de investigação
desde há muitos anos. A quantidade mínima de cloretos para se dar a despassivação das armaduras
15
é função da razão entre cloretos e hidróxidos presentes na solução dos poros. Um valor normalmente
citado em literaturas obtido por Hausmann [16] para a razão entre os cloretos e os hidróxidos é de 0,6
para que a corrosão se inicie [15]. O valor de 0,4% de massa de cimento e 0,05 de peso de betão são
também valores muitas vezes mencionados e a ter em conta.
2.3.1 Processo de corrosão
O processo de corrosão ocorre quando a película passiva é destruída (despassivação). Uma vez
ocorrida a despassivação, tanto na carbonatação como no ataque dos cloretos, as reacções químicas
são as idênticas e originam o aparecimento de ferrugem na superfície das armaduras. Na maioria dos
processos de corrosão, o ataque químico das armaduras é habitualmente por acção electroquímica,
podendo ser comparado ao funcionamento de uma pilha, gerando um diferença de potencial.
Quando as armaduras no betão sofrem corrosão, o aço é dissolvido na solução dos poros e liberta
electrões (ver equação 2.3).
(2.3)
Os electrões libertados no ânodo têm de ser consumidos para se manter o equilíbrio eléctrico, não
sendo possível a acumulação de uma grande quantidade de carga eléctrica na superfície das
armaduras. Assim a armadura funciona como um condutor eléctrico, encaminhando os electrões para
que outra reacção possa ocorrer (ver equação 2.4).
(2.4)
No cátodo, os electrões reagem com a água e oxigénio, sendo gerados iões de hidróxido que
aumentam a alcalinidade e, por conseguinte, aumentam a resistência da película passiva.
As reacções anódicas e catódicas são apenas as primeiras etapas no aparecimento de corrosão nas
armaduras (ver Figura 2.12). Contudo, estas reacções são extremamente importantes para
compreender o processo de corrosão e a sua prevenção.
Figura 2.12 – Modelo simplificado do processo de corrosão (adaptado de [15]).
Se o processo fosse apenas limitado à dissolução do aço (o ião Fe2+
da equação 2.3), não seria
possível observar a fendilhação e delaminação do betão de recobrimento. Muitas outras etapas
Fe →Fe2+ + 2e-
Corrente iónica
Corrente eléctrica
Cátodo
Ânodo
16
devem acontecer para se formar a “ferrugem”. Estas etapas podem ser expressas em várias
maneiras, dependendo das condições de humidade e disponibilidade de oxigénio.
Uma das etapas consiste na combinação de iões de hidróxido com os iões de ferro para formar
hidróxido de ferro (ver equação 2.5), que, quando oxidado origina o aparecimento de ferrugem (Óxido
de ferro hidratado - ver equações 2.6 e 2.7).
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Os produtos de corrosão originam um grande aumento de volume. O óxido férrico não hidratado
apresenta um volume, aproximadamente, duas vezes maior que o volume do aço e quando hidratado
pode aumentar o seu tamanho para duas a dez vezes mais [15]. Isto leva ao aparecimento de
tensões no interior do betão muito elevadas que acabam por fendilhar, delaminar e destacar o betão
de recobrimento das armaduras.
A ferrugem aparece nas armaduras em forma de escamas, de cor acastanhada/avermelhada.
Contudo, existe uma situação em que a ferrugem toma outras características. Se o ânodo e o cátodo
estiverem muito separados e o ânodo apresentar escassez de oxigénio, os iões de ferro vão se
manter na solução dos poros do betão. Tudo isto indica que não vão existir forças expansivas
capazes de fendilhar o betão, logo a corrosão não será detectada. Isto origina uma situação muito
agravosa, uma vez que não existe indicação da corrosão visível e as armaduras poderão apresentar
uma perda elevada de secção. Este tipo de corrosão é normalmente denominado por “ferrugem negra
ou verde” (ver Figura 2.13) [[16] e [8]].
Figura 2.13 – Corrosão “negra” [21].
17
3 Reabilitação de estruturas de betão armado
3.1 Introdução
As estruturas de betão armado apresentam, em geral, uma boa funcionalidade e durabilidade durante
a vida útil. Contudo, exibem muitas vezes necessidade de serem reparadas e/ou reforçadas, uma vez
que estas perdem as características iniciais para o qual foram projectadas. Isto deve-se
essencialmente à falta de manutenção, muitas vezes combinada com acções de acidente ou sismos,
bem como erros associados à construção e/ou projecto deficiente.
No caso das pontes e dos viadutos, a reparação e/ou reforço está relacionada, mais concretamente,
com os efeitos das cargas dos veículos que, quando combinadas com a agressividade do ambiente
onde se encontram, podem apresentar uma deterioração significativa nos primeiros anos de serviço.
Essa deterioração prematura deve-se frequentemente à corrosão das armaduras provocada pelo
ataque dos cloretos quando a estrutura está exposta ao ambiente marítimo.
Antes de se proceder à intervenção na estrutura é fundamental compreender o seu funcionamento
estrutural. Para tal é necessário fazer uma recolha de informação, usualmente, através de elementos
de projecto, como as peças escritas e desenhadas, ou até mesmo, realizar um levantamento da
geometria actual da estrutura.
Com base nessa recolha de informação procede-se à avaliação do estado da estrutura, analisando e
registando os defeitos visíveis nos elementos estruturais, a deterioração do betão (fendilhação e
delaminação) e do aço, etc. Nesta fase analisa-se ainda o comportamento estrutural face às
exigências de utilização. A avaliação do estado da estrutura desenvolve-se no capítulo 4, onde se
verifica o comportamento estrutural e a deterioração dos elementos, para se poder aplicar as técnicas
de reabilitação discutidas neste capítulo.
Uma vez definidos os objectivos a atingir na estrutura em questão e averiguada a necessidade de
intervir, equaciona-se que tipo de metodologia é a mais apropriada. Na reabilitação e reforço de uma
ponte pode equacionar-se várias soluções. Neste trabalho opta-se por estudar algumas técnicas de
reforço que podem ser implementadas nos elementos estruturais do viaduto estudado, bem como os
trabalhos de reparação que antecedem o reforço, que têm como objectivo proteger a estrutura e
prevenir a evolução da deterioração.
No projecto de reabilitação é fundamental que a estratégia de intervenção a adoptar seja baseada no
conhecimento das causas e extensão da deterioração, permitindo implementar a melhor solução,
quer em termo técnicos como económicos, mais apropriada a cada situação. A intervenção na
estrutura pode ser de três tipos: protecção, reparação e reforço. [23] A protecção resume-se,
essencialmente, no aumento das defesas contra os agentes agressivos e consequentemente uma
diminuição das condições de degradação. Usualmente, a protecção é superficial e por meio de
revestimentos ou impregnantes. Na reparação pretende-se restaurar as características iniciais dos
elementos estruturais, colmando falhas de betão (reparação superficial) ou até mesmo substituição
18
do betão contaminado (reparação profunda). A finalidade do reforço é aumentar a capacidade
resistente, sendo que o mesmo pode ser aplicado por um variado número de técnicas. A temática da
presente dissertação debruça-se apenas sobre três técnicas de reforço: o encamisamento de betão, a
colagem de chapas metálicas e CFRPs.
Com os objectivos definidos deve-se ainda ter em consideração dois factores importantes:
económicos e dificuldades técnicas. Os factores económicos relacionam-se com os custos de
realização da obra e as dificuldades técnicas com a disponibilidade de mão-de-obra especializada,
matérias e equipamentos e a eficiência da intervenção [22].
Um aspecto importante a referir passa pela regulamentação a ser utilizada. As técnicas mencionadas
são objecto de normalização europeia – EN1504. A norma europeia EN 1504 - “Produtos e Sistemas
para a Protecção e Reparação de Estruturas de Betão” estabelece os princípios gerais para o uso
desses sistemas e produtos [44].
A norma EN 1504 [44] define 37 métodos de reparação relacionados com 11 princípios que permitem
a prevenção e estabilização dos processos de deterioração físicos ou químicos do betão e a corrosão
das armaduras. E alguns casos, a combinação dos vários métodos pode ocorrer, embora seja
necessário tomar precauções para que a combinação destes não provoque novos danos na estrutura.
Com isto, na Tabela 3.1 e na Tabela 3.2, indicam-se, respectivamente, os princípios de reparação e
as situações onde estes devem ser utilizados.
19
Tabela 3.1 – Princípios de reparação (adaptado de [27]).
Princípio Definição Método Breve Descrição
P1 Protecção contra Substâncias agressivas
M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 M1.6 M1.7
Impregnação hidrófoba Selagem dos poros do betão Revestimento de fendas com membrana Preenchimento de fendas Alterar a fenda para uma junta Protecção da estrutura com barreira exterior Protecção superficial com pintura
P2 Controlo de humidade no betão
M2.1 M2.2a M2.2b M2.3 M2.4
Protecção com impregnação hidrófoba Protecção superficial por selagem dos poros Protecção superficial com pintura Protecção da estrutura com barreira exterior Desumidificação electroquímica
P3 Substituição do betão deteriorado
M3.1 M3.2 M3.3 M3.4
Argamassa colocada à colher Betão moldado Argamassa ou betão projectado Substituição de elementos estruturais
P4 Reforço de elementos
M4.1 M4.2 M4.3 M4.4 M4.5 M4.6 M4.7
Substituição/complementação de armaduras Introdução de armadura em furos Reforço com armadura exterior: chapas metálicas ou fibras de carbono Encamisamento com betão ou argamassas Injecção de fendas e vazios Preenchimento por gravidade de fendas e vazios Pré-esforço exterior
P5 Aumento da resistência do betão ao desgaste
M5.1a M5.1b M5.2
Aplicação de uma superfície de desgaste Aplicação de membranas Impregnação da superfície do betão
P6 Aumento da resistência química
M6.1a M6.1b M6.2
Aplicação de uma superfície de desgaste Aplicação de membranas Aplicação de um selante
P7 Repassivação das armaduras
M7.1 M7.2 M7.3 M7.4 M7.5
Aumento do recobrimento com betão ou argamassa Substituição do betão contaminado Realcalinização electroquímica Realcalinização passiva Dessalinização electroquímica
P8 Aumento da resistividade eléctrica do betão
M8.1
Controlo da humidade do betão com revestimentos superficiais
P9 Controlo das zonas catódicas das armaduras
M9.1a M9.1b
Controlo da penetração de oxigénio por saturação do betão Controlo da penetração de oxigénio por membranas
P10 Protecção catódica das armaduras
M10.1a M10.2b
Protecção catódica passiva Protecção catódica activa
P11 Controlo das zonas anódicas das armaduras
M11.1 M11.2 M11.3
Protecção das armaduras com pinturas de sacrifício Protecção das armaduras com pinturas de barreira Inibidores de corrosão para reparação
Tabela 3.2 – Exemplos de aplicação dos princípios de reparação dependo do tipo de anomalia (adaptado
de [27]).
Deterioração/Anomalia
Princípio
Deterioração do betão Corrosão das armaduras
Penetração de substâncias agressivas: cloretos, ,
químicos, … P1; P6 P1
Fendas devidas a cargas, retracção, temperatura, …
P1; P4
Carbonatação P1 P7; P8; P10
Reacções álcalis-agregados P2; P3
Erosão, abrasão, … P3; P5
Corrosão de armaduras P3; P4 P7; P8; P9; P10; P11
Recobrimento reduzido P7
Betão contaminado (cloretos, carbonatação)
P7
20
3.2 Métodos de protecção contra a corrosão
Como foi referido neste documento, a principal patologia associada ao ambiente marítimo que afecta
as estruturas de betão armado, como pontes e viadutos, é a corrosão das armaduras devido à
penetração dos cloretos. Nestas condições, é recomendado adoptar medidas adicionais para
proteger as armaduras contra a corrosão.
As medidas adicionais mais comuns a serem utilizadas enumeram-se em seguida: os métodos
electroquímicos, como a protecção catódica, dessalinação e a realcalinazação; a utilização de
pinturas inibidoras de corrosão e a substituição, parcial ou total, do betão de recobrimento
contaminado por outro de melhor qualidade.
Apesar de estas serem as medidas mais utilizadas, para a corrosão das armaduras devido à
presença dos iões cloreto, as reparações mais utilizadas nestas condições são a reparação
localizada e os métodos electroquímicos. Contudo, a reparação localizada, em estruturas
contaminadas por cloretos, é pouco eficaz a longo prazo, sendo os métodos electroquímicos aqueles
que, em geral, melhores resultados apresentam, quer em termos de eficácia como económicos [25].
Embora os métodos electroquímicos apresentem melhores resultados, faz-se uma breve descrição de
todas as medidas acima mencionadas.
3.2.1 Métodos electroquímicos
A corrosão ocorre quando se dá o movimento da carga eléctrica do ânodo (zona no aço onde este se
está dissolver) para o cátodo (zona no aço onde o oxigénio e a água geram iões hidróxido). Assim, o
processo desenvolve-se tanto quimicamente como electricamente, ou seja, processo electroquímico.
Os métodos electroquímicos funcionam através da aplicação de uma corrente eléctrica, entre um
elemento externo (ânodo) à estrutura e as armaduras, tornado assim o aço das armaduras num
cátodo. A principal vantagem destes métodos consiste no facto de não ser necessário remover o
betão contaminado.
Os métodos mais conhecidos são a protecção catódica, a dessalinização e a realcalinização. O
primeiro tem como objecto reduzir a corrosão das armaduras, impondo uma corrente contínua
externa, durante todo a vida útil da estrutura. Os outros pretendem eliminar o agente agressor através
da aplicação temporária de um campo eléctrico.
3.2.1.1 Protecção catódica
A protecção catódica é o método mais conhecido e que melhores resultados apresenta para
“combater” a corrosão das armaduras. Esta permite controlar a corrosão, utilizando uma circulação de
corrente contínua entre o ânodo exposto ao ambiente e as armaduras do betão (cátodo). Com isto,
permite baixar o potencial das armaduras para um nível onde a velocidade de corrosão é zero ou
muito reduzida.
21
Uma outra definição, segundo Mears e Brown [26], explica que a protecção catódica efectiva consiste
na supressão das reacções anódicas, através da aplicação de uma corrente oposta, forçando as
zonas catódicas locais a serem polarizadas ao potencial das zonas anódicas, eliminado, assim, o
fluxo de corrente entre as zonas anódicas e as catódicas [25].
A protecção catódica pode ser aplicada de duas formas: utilizando ânodos sacrificiais ou imposta por
uma corrente eléctrica. Na primeira, o ânodo de sacrifício (ver Figura 3.1 a)) vai gradualmente
libertando electrões, gerando assim corrente eléctrica entre ele e as armaduras (ver Figura 3.2). O
fluxo de corrente é originado devido à diferença de potencial existente entre as armaduras e o ânodo
escolhido.
a) b)
Figura 3.1 – Ânodo de sacrifício embebidos (adaptado de [27]).
Figura 3.2 – Esquema da protecção catódica por ânodo de sacrifício (adaptado de [15]).
Os dois metais devem apresentar potencial de eléctrodo o mais afastado possível, uma vez que isto
irá implicar uma maior diferença de potencial, e por conseguinte, um melhor funcionamento do
sistema de protecção.
Um aspecto importante a ter em conta é a resistividade do betão, que pode por em causa a
passagem de corrente entre o cátodo e o ânodo, sendo necessário garantir uma baixa resistividade
para não opor resistência à passagem de corrente. Esta é a principal razão pela qual este método
22
não apresenta, segundo vários autores, bons resultados no betão armado não saturado (elevada
resistividade). Sendo o segundo método mais eficaz e consequentemente mais utilizado [25].
Neste segundo método, utiliza-se um ânodo inerte juntamente com uma fonte exterior de alimentação
de corrente (ver Figura 3.3).
Figura 3.3 – Esquema da aplicação da protecção catódica por corrente impressa (método permanente) (adaptado de [25]).
Com base na figura, pode-se verificar os componentes básicos de um sistema de protecção catódica
por corrente impressa. Estes são o ânodo, as armaduras (cátodo), o betão e a fonte de alimentação.
A fonte de alimentação faz passar uma corrente suficiente que impede a libertação de electrões no
ânodo, passando assim a ocorrer apenas a reacção catódica na superfície das armaduras.
No cátodo ocorre a produção de iões de hidróxido que permite aumentar a alcalinidade do betão e
restaurar a película passiva na superfície das armaduras que tinha sido destruída pelo ataque dos
cloretos.
Contudo, outra reacção pode acontecer se o potencial se tornar muito negativo, levando à libertação
de hidrogénio.
Porém, deve-se ter especial atenção à libertação de iões de hidrogénio, pois isso pode causar
enfraquecimento do aço devido à penetração do hidrogénio atómico no metal. Embora este problema
seja desprezável em aços normais, deve-se ter um especial cuidado na aplicação de protecção
catódica em aço de alta resistência [15].
Com a passagem de corrente eléctrica, ocorrem alterações na composição química do betão. A
circulação de corrente iónica no betão permite encaminhar os iões positivos presentes na solução dos
poros para junto das armaduras e os iões negativos (Cl-) para junto do ânodo, contribuindo na
restauração da película passiva com a diminuição do teor de iões de cloretos junto às armaduras.
23
Na interface ânodo/betão a principal reacção que ocorre é a oxidação da água para formar oxigénio.
Contudo, dependendo do tipo de ânodo aplicado, outras reacções podem ocorrer. Estas reacções
estão relacionadas com a acidificação do betão na interface com o ânodo, que pode levar à
destruição da pasta de cimento assim que a alcalinidade seja consumida [15].
Em suma, a aplicação de protecção catódica não resulta apenas na eliminação ou redução da
corrosão, mas também no aumento da alcalinidade e redução do teor de iões de cloreto junto das
armaduras, possibilitando assim a formação da película passiva na superfície das armaduras. Este
método requer monotorização contínua durante a vida útil da estrutura [25].
Este tipo de protecção encontra-se definido na norma EN1504 de acordo com o Principio 10 – M10.1
b.
3.2.1.2 Dessalinização
A dessalinização é um processo electroquímico com a finalidade de remover os iões de cloreto do
betão contaminado. Este processo é temporário e consiste na aplicação de uma corrente eléctrica
contínua, entre o ânodo provisório (incorporado na superfície do betão e embebido numa solução
electrolítica – como a água) e as armaduras, promovendo a migração de iões de cloreto das
armaduras para o ânodo (ver Figura 3.4) [25].
Figura 3.4 – Representação esquemática da dessalinização (adaptado de [25]).
Com a presença de corrente eléctrica, os processos físicos-químicos mais comuns de ocorrer são a
electrólise e electromigração. No primeiro ocorre a formação de iões de hidróxido junto às armaduras.
O segundo resulta na migração dos iões de cloreto e dos iões de sódio, potássio e cálcio, onde os
primeiros migram para junto do ânodo e os restantes para junto do cátodo (armaduras).
Assim, os iões de cloreto são removidos do betão e ao mesmo tempo, junto à superfície das
armaduras, os iões de hidróxido originam um ambiente alcalino, que conduz à repassivação das
armaduras. A duração do tratamento varia consoante o teor inicial de cloretos presente no betão, com
a qualidade do betão, com a distribuição das armaduras e com a própria geometria da estrutura. Essa
Ânodo externo
Electrólito temporário
24
duração pode ir de semanas a vários meses, até que o teor de cloretos juntos às armaduras seja
inferior ao crítico.
A dessalinização é um método eficaz em estruturas contaminadas com cloretos por via externa, onde
os danos causados por corrosão não sejam muito extensos. Contudo, em semelhança ao já referido
na descrição da protecção catódica, a presença de hidrogénio em aços de alta resistência, pode levar
ao seu enfraquecimento. O aumento de alcalinidade deve-se ter em conta, uma vez que com a
presença de agregados reactivos pode originar reacções alcalis-agregado (RAA).
Após aplicação do método, devem ser implementadas medidas de protecção adicionais para evitar
futura contaminação por cloretos, particularmente a aplicação de sistemas de protecção de superfície
[24].
Este tipo de protecção define-se na norma EN1504 de acordo com o princípio 7 – M7.5.
3.2.1.3 Realcalinização
A realcalinização, à semelhança da dessalinização, é um método electroquímico temporário
apropriado para estruturas de betão armado danificadas por mecanismos de corrosão originados por
carbonatação.
Mais uma vez, este método aplica uma corrente eléctrica entre as armaduras (cátodo) e um ânodo
envolvido por uma solução de carbonato de sódio (ou outro metal alcalino) temporariamente colocado
na superfície exterior do betão. A penetração do electrólito alcalino (carbonato de sódio) e a produção
de iões de hidróxido induz, ao nível das armaduras, um aumento de pH para valores acima dos 13,5.
A corrente fornecida permite que os iões de hidróxido se aproximem das armaduras, aumentando a
zona realcalinizada num prazo relativamente curto (alguns dias a algumas semanas) [24].
No final do tratamento o circuito é interrompido, sendo removidos o ânodo e o electrólito para se
aplicar medidas de protecção contra futura carbonatação (pintura ou revestimento final).
Este tipo de protecção define-se na norma EN1504 de acordo com o princípio 7 – M7.3.
3.2.2 Inibidores de corrosão
Os inibidores de corrosão são produtos químicos que permitem diminuir a velocidade de corrosão.
Estes podem ser fornecidos em pó, gel ou líquido e geralmente, em concentrações adequadas,
atrasam o processo corrosivo, prolongando a vida útil das estruturas. O princípio da maioria dos
inibidores consiste na formação de uma camada muito fina de compostos químicos, na superfície das
armaduras, que inibe a corrosão [15].
Os inibidores de corrosão podem ser utilizados em estruturas novas e em estruturas existentes. Nas
estruturas novas, podem ser introduzidos na mistura original do betão, servindo de medida
preventiva, evitando ou atrasando o início da corrosão. Nas estruturas existentes, onde a
delaminação do betão já se iniciou, os inibidores estão presentes na argamassa de reparação,
25
aplicados na superfície do betão ou instalados em furos realizados na sua superfície (ver Figura 3.5)
com o objectivo de acelerar a difusão através da camada de recobrimento das armaduras [25].
a) Zona delaminada. Início da corrosão. b) Inibidor incorporado na argamassa/betão
de reparação
Figura 3.5 – Aplicação de inibidores (adaptado de [28]).
Embora possível, a aplicação de inibidores de corrosão na superfície do betão não mostra muita
eficiência. Como referido no capítulo 2, a difusão dos iões de cloreto (Cl-) para o interior do betão é
um processo lento e as moléculas do líquido inibidor são maiores que as do Cl-, é expectável que a
difusão do inibidor seja ainda menor. Esse baixo coeficiente de difusão através do betão não permite
que o inibidor atinja o nível das armaduras [15].
3.2.3 Substituição do betão contaminado
A substituição do betão contaminado é uma técnica bastante utilizada na reabilitação de estruturas
contaminadas por cloretos que provocam a corrosão das armaduras. Contudo, seja parcial ou total, a
substituição do betão contaminado nem sempre é a técnica mais adequada, uma vez que se revela
ser pouco eficaz a longo prazo.
Esta técnica envolve a remoção do betão superficial contaminado e posterior substituição por um
betão novo de melhor qualidade, com o objectivo de diminuir a propagação da deterioração da
estrutura, com uma maior protecção contra a penetração dos agentes agressivos.
Quando contaminada por cloretos, a estrutura requer uma especial atenção, uma vez que ao se
proceder à substituição do betão com betão novo ou argamassa de reparação, esta pode acelerar a
corrosão noutra zona. Isto deve-se ao facto de se parar a reacção anódica e, por conseguinte, a
geração de iões de hidróxido pára no cátodo. Portanto, as zonas reparadas e agora protegidas contra
a corrosão, funcionam como cátodo e as zonas adjacentes, podendo não apresentar sinais de
Betão Betão
Reparação
Armadura
26
deterioração exterior, podem estar contaminadas por cloretos, acima do teor crítico, funcionam como
ânodo, dando início à corrosão. Estas zonas adjacentes designam-se por ânodos incipientes (ver
Figura 3.6)
a)Corrosão antes da reparação b) Corrosão depois da reparação
Legenda:
e- - Representa a troca de electrões.
Figura 3.6 – Formação do ânodo incipiente depois da reparação (adaptado de [15]).
Este tipo de protecção define-se na norma EN1504 de acordo com o princípio 7 – M7.2.
Cát
od
o
Ânodo
Ânodo
Cátodo Ânodo
e-
e-
e-
e-
Cátodo
27
3.3 Preparação da superfície de betão
A preparação da superfície deteriorada consiste na remoção dos defeitos superficiais do betão, como
sujidades, revestimentos por pintura, poeiras, óleos e microorganismos, que possam comprometer a
aderência do material de reparação a ser implementado na estrutura de betão. Também tem como
objectivo garantir uma textura da superfície que melhore a aderência entre o betão e o sistema de
reparação.
Antes de se aplicar os métodos de protecção referidos no subcapítulo anterior, a superfície deve ser
tratada, de acordo com o método pretendido.
Quando utilizados métodos electroquímicos, apenas existe a necessidade de reparar o betão
danificado, especialmente se se encontrar delaminado ou fendilhado. Em relação às armaduras, a
superfície das mesmas deve ser limpa, nomeadamente se estiver corroída. Contudo, apenas se
executa uma reparação mínima, uma vez que os métodos combatem a corrosão.
Sempre que existe a necessidade de se remover o betão contaminado, devem-se ter alguns aspectos
em conta. A remoção de grandes áreas de betão pode comprometer a segurança da estrutura e um
aumento de custos significativos na intervenção.
O betão deteriorado deve ser removido de acordo com o Princípio 3 e um dos Métodos 3.1, 3.2 ou
3.3, escolhido de entre os indicados na Norma NP ENV 1504-9.
Assim, de uma forma resumida, a preparação da superfície de betão é uma das primeiras etapas da
reparação de estruturas, que, resumidamente, envolve 3 passos. A limpeza da superfície de betão,
seguida da limpeza das armaduras e por fim, a aplicação da protecção da superfície.
3.3.1 Betão existente
O primeiro passo na preparação da superfície a reparar consiste na limpeza de toda a superfície
deteriorada. A limpeza da superfície, de modo a garantir uma boa aderência ao material de
reparação, deve estar livre de óleos, poeiras, todo o tipo de sujidade que prejudique uma boa
aderência.
Contudo, antes de se efectuar a limpeza da superfície, deve ser feita uma inspecção visual da
superfície e detectar se existir a necessidade de remover o betão degradado. Para tal, e dependendo
do grau de degradação do betão, podem-se utilizar martelos pneumáticos ou hidráulicos, ou
decapagem por jactos de água, de ar ou areia. (ver Figura 3.7).
a) Martelos pneumáticos b) Jacto de água
Figura 3.7 – Métodos de remoção de betão (adaptado de [23 e 27]).
28
Uma vez realizada uma limpeza cuidada da superfície de betão (utilizando jacto de ar comprimido,
jacto de areia, jacto de água ou jacto a vapor (ver Figura 3.8 a) e b)), deve-se assegurar uma boa
aderência entre o betão e o material utilizado na intervenção. A técnica mais comum implica a criação
de rugosidade no betão através de equipamento mecânico de impacto, como o martelo de agulhas
(ver Figura 3.8 c)).
a) Jacto de ar comprimido b) Jacto de areia
c) Martelo de agulhas
Figura 3.8 – Métodos de limpeza (adaptado de [22 e 30]).
3.3.2 Armaduras
Uma vez preparada a superfície de betão, deve-se proceder à limpeza das armaduras que ficaram
expostas ao se retirar o betão deteriorado. A maioria dos métodos de protecção e reparação impõem
que a superfície de aço seja limpa, principalmente se estiver corroída.
A limpeza das armaduras pode ser feita utilizando as técnicas já referidas na limpeza do betão, como
a utilização de jacto de areia da Figura 3.7 b). Toda a ferrugem deve ser removida para promover
uma melhor ligação do material de reparação à superfície da armadura. A remoção dos cloretos da
superfície das armaduras pode ser obtida com água sob pressão [44].
Com a limpeza das armaduras é possível identificar as áreas de armadura afectadas, isto é, aquelas
onde os varões apresentam redução de secção que podem comprometer a segurança da estrutura.
Nesta situação faz-se uma avaliação dos varões. Se estes apresentarem uma perda de secção
transversal superior a 25% (ver Figura 3.9), deve-se, geralmente, proceder ao reforço da armadura
[27].
Figura 3.9 – Perda de secção devido à corrosão (adaptado de [27]).
29
Quando existe a necessidade de reforço das armaduras, um dos seguintes métodos pode ser
aplicado [27]:
- A utilização de um varão suplementar, colocado paralelamente ao varão afectado, sobre o
comprimento da zona atingida pela corrosão.
- Substituição total do varão afectado.
3.3.3 Tratamento de fendas
A fissuração do betão pode comprometer a durabilidade da estrutura, uma vez que esta pode ficar
mais susceptível a entrada de agentes agressivos, resultando na corrosão das armaduras e,
possivelmente, perda da capacidade resistente da estrutura.
De um modo geral, apenas as fendas que apresentem uma abertura superior a 0,3 mm devem ser
reparadas, contudo, por vezes pode-se assumir um valor de abertura de fenda maior, dependo do
estabelecido em projecto.
Antes de se proceder à reparação das fendas é necessário analisar o seu tipo e as suas causas, uma
vez que a reparação das mesmas pode originar novas tensões de tracção excessivas no betão
provocando novas fendas no mesmo local, ou noutro próximo dele.
Deste modo deve-se classificar as fendas antes de se proceder à reparação. Estas podem ser activas
ou inactivas. Quando inactivas, as fendas já não apresentam movimento e/ou a origem da sua causa
deixa de existir. Se o contrário acontecer as fendas classificam se como activas [23].
A reparação das fendas tem como principais objectivos melhorar a aparência da estrutura,
impermeabilizar a estrutura protegendo-a contra a penetração dos agentes agressivos e
aumentar/repor a capacidade estrutural do elemento.
De um modo geral, faz-se a reparação das fendas com injecção de resina epóxida ou caldas de
cimento, dependendo da abertura (fendas inactivas, ver Figura 3.10) ou preenchimento das mesmas
com um material de enchimento elástico ou plástico (fendas activas).
a)Injecção de calda de cimento b)Injecção com resina epóxi
Figura 3.10 – Material de reparação de fendas (adaptado de [27]).
30
3.3.4 Protecção superficial
Em estruturas de betão armado, os danos apresentados resultam, muitas vezes, da penetração de
substâncias/agentes, líquidas ou gasosas, prejudicais. Esses agentes agressivos (já referidos
anteriormente) penetram no interior do betão sendo responsáveis pela sua deterioração.
Para reduzir a penetração desses elementos, a norma EN1504, define sistemas e métodos a utilizar
na protecção dos elementos estruturais. A aplicação destes sistemas ocorre quando a preparação da
superfície de betão a proteger terminar.
Tendo em conta o objectivo, existem várias técnicas de protecção de estruturas de betão, tais como:
impregnação, revestimentos e ou membranas.
3.3.4.1 Técnicas de protecção superficial
Impregnação
Este tipo de protecção consiste no tratamento do betão, reduzindo a sua porosidade (impregnação
simples – ver Figura 3.11 a)) ou obtendo uma superfície repelente à água (impregnação hidrofóbica -
Figura 3.11 b)). Na primeira, os poros são preenchidos, totalmente ou parcialmente. Na impregnação
hidrofóbica, os poros e a rede capilar do betão não se encontram preenchidos, mas sim revestidos
com um material hidrofóbico. Esse material funciona através da redução da tensão superficial da
água, prevenindo a sua passagem através dos poros (repele a água/humidade) [14].
a) Impregnação simples b) Impregnação hidrofóbica Figura 3.11 – Técnicas de protecção superficial – impregnação (adaptado de [23]).
Na impregnação simples utilizam-se silicatos e algumas resinas (epoxídicas ou acrílicas). Na
impregnação hidrofóbica aplicam-se silanos, siloxanos e silicones.
Esta técnica apresenta como campo de aplicação [23]:
- Protecção contra cloretos;
- Protecção contra carbonatação (mas menos eficaz);
- Protecção contra ciclos de gelo/degelo.
Revestimentos
Os revestimentos superficiais consistem na aplicação de uma película continua na superfície de betão
(ver Figura 3.12) ou na aplicação de uma camada uniforme e relativamente espessa de um material,
aumentando o desempenho e resistência da superfície face às influências externas [14].
31
Estes revestimentos podem ser compostos por pinturas acrílicas, epoxídicas, vinílicas, poliuretano ou
borracha clorada (ver Figura 3.12). No revestimento superficial pode-se utilizar cimento ou ligantes
aéreos como a cal hidratada. Estes dois combinados garantem uma melhor resistência, baixa
permeabilidade e uma melhor aderência do revestimento.
Figura 3.12 – Esquema representativo da protecção superficial por revestimento [27].
Este tipo de técnica apresenta o mesmo campo de aplicação da anterior e ainda permite a protecção
contra o ataque químico no betão. Quando o revestimento apresenta uma boa espessura permite
uma melhor protecção mecânica [23].
Membranas
Esta técnica consiste na aplicação de uma membrana, liquida ou em rolo, sobre a superfície do betão
de forma a protegê-la ataques ou penetração de agentes agressivos [14].
As membranas podem ser constituídas por produtos pré-fabricados (como as telas betuminosas – ver
Figura 3.13), ou por produtos manufacturados in situ (produtos líquidos/pastosos, cimentos especiais)
[23].
Figura 3.13 – Telas betuminosas [27].
32
3.4 Técnicas de reforço estrutural
A aplicação de uma técnica de reforço deve-se à necessidade de melhorar a resistência da estrutura.
Essa melhoria pode passar por aumentar a resistência à compressão, ao corte, à flexão, ou até
mesmo uma combinação das anteriores. São várias as técnicas de reforço de estruturas de betão
armado, contudo, neste documento estudam-se três das técnicas mais aplicadas.
3.4.1 Encamisamento de betão
O reforço estrutural por encamisamento de betão consiste no aumento da secção transversal pela
adição de uma camada de betão e armadura suplementar (ver Figura 3.14). Esta nova camada
envolve a secção inicial, onde se inserem as novas armaduras, com o intuito de melhorar a
capacidade resistente da secção, e, eventualmente reparar a superfície deteriorada.
Figura 3.14 – Reforço de viga a flexão por encamisamento de betão [31].
O campo de aplicação desta técnica está relacionado com as suas características. Esta técnica
permite aumentar a resistência de zonas comprimidas e traccionadas, aumentar a rigidez e garantir
boa protecção ao fogo das armaduras.
O reforço por encamisamento aplica-se em vigas, pilares e lajes. Esta técnica, quando aplicada nas
vigas, permite melhorar a resistência à flexão e ao esforço transverso devido ao aumento de área de
armadura resistente (ver Figura 3.15).
a) b)
Figura 3.15 – Reforço de vigas à flexão e ao esforço transverso (adaptado de [29]).
O encamisamento de betão tem como principal vantagem garantir uma melhor protecção ao fogo e à
corrosão das armaduras suplementares com aplicação da nova camada de betão, apresentando
geralmente custos moderados e não necessita de mão-de-obra especializada. Contudo, essa nova
camada implica um aumento de secção que pode ter implicações arquitectónicas e/ou causar
restrições no funcionamento da estrutura, e requer uma preparação de superfície cuidada.
33
Quando se aplica esta técnica na reparação/reforço de uma estrutura, um dos primeiros passos
consiste na remoção do betão deteriorado e limpeza ou remoção das armaduras corroídas. Este
processo implica uma redução da capacidade resistente da estrutura, sendo necessário se proceder
à remoção das sobrecargas aplicadas na estrutura, aplicando ainda um escoramento de modo a
evitar danos ou mesmo o colapso da estrutura [29].
Para além da possível redução da capacidade resistente, deve-se ainda ter em conta a
compatibilidade dos materiais. É importante que exista compatibilidade entre o material usado na
reparação e o original, uma vez que esta compatibilidade afecta o comportamento da estrutura.
De uma forma resumida, a aplicação desta técnica consiste [32]:
- Remoção do betão deteriorado (fendilhado ou delaminado);
- Limpeza ou remoção das armaduras corroídas;
- Preparação da superfície;
- Colocação eventual de agente de colagem;
- Colocação da nova camada de betão e das armaduras suplementares.
3.4.1.1 Material
O material utilizado deve ser de baixa retracção, elevada resistência à compressão, ter boa
aderência, boa trabalhabilidade, módulo de elasticidade e coeficiente de dilatação térmica
semelhantes ao original [32]. Quando se pretende reforçar a estrutura, o material utilizado deve
apresentar propriedades e características superiores ao original.
Se a estrutura estiver inserida num ambiente agressivo (presença de cloretos), o reforço deve ser
realizado com materiais à base de cimento. A pasta de cimento apresenta reservas alcalinas que
protegem a estrutura contra o ataque dos cloretos.
3.4.1.2 Preparação da superfície
Para se garantir uma boa ligação entre o material existente e o de reforço, é necessário se realizar
uma preparação da superfície.
Antes de se aplicar a nova camada de betão existe a necessidade de limpar e eliminar o betão
contaminado. A superfície deve ser limpa, ficando livre de poeiras e qualquer tipo de sujidade. Com a
remoção do betão contaminado e deteriorado deve-se garantir rugosidade da superfície para uma
melhor adesão da nova camada de betão.
Remoção do betão contaminado ou deteriorado
As técnicas de remoção escolhidas dependem de um número variado de factores, como custos,
restrições do local, tempo de execução, eficiência e área a remover. Assim, tendo em conta os
diversos factores, as técnicas mais comuns apresentam-se na Tabela 3.3.
34
Tabela 3.3 – Métodos de remoção de betão (adaptado de [32]).
Técnica de remoção de betão Principio Vantagens Desvantagens
Hidro-demolição
Jacto de água a alta pressão a partir de uma unidade móvel. Pressões na ordem dos 800 a 1200 bares.
Eficiente, selectiva, não afecta as armaduras
Custos, manuseamento da água, dificuldade de aplicação a temperaturas muito baixas
Martelos
Percussão mecânica com martelos eléctricos, pneumáticos ou outros com energia de impacto adequada
Simplicidade de utilização, eficiente
Pode prejudicar as armaduras e a superfície de betão
A remoção do betão deve ser mínima, afectando o mínimo possível o betão são. Ao se retirar o betão
contaminado deve-se expor as armaduras para se proceder à sua limpeza e/ou reparação.
Limpeza da superfície de betão
A limpeza do betão (ver Tabela 3.4) tem como objectivo garantir uma melhor ligação entre o betão
existente e o material aplicado na reparação, eliminando as partículas soltas e pó resultantes da
remoção do betão.
Tabela 3.4 – Métodos de limpeza da superfície de betão (adaptado de [32]).
Técnica de limpeza do betão Princípio de execução Comentários
Lavagem com água
A lavagem deve ser realizada a partir do topo da estrutura para baixo. Se a água não for suficiente para realizar a lavagem pode ser combinada com sabão, amoníaco ou vinagre. Pressões na ordem dos 150 a 200 bares.
Um pulverizador é recomendado.
Limpeza a vapor O vapor é bastante adequado para remover a sujidade de origem atmosférica
Oneroso
Lavagem a alta pressão
A pressão pode variar entre 150 a 1000 atm, realizando testes para determinar o valor da pressão óptima. A água pode ser aquecida ou incluir aditivos para maximizar os efeitos.
Necessita de mão-de-obra qualificada. A água deve estar livre de impurezas. Rápido e de custo baixo.
Limpeza a jacto de areia (areia seca)
O jacto de areia remove a sujidade presente no betão e ao mesmo tempo o betão degradado.
Necessita de mão-de-obra qualificada. Gera poeiras. Abertura de poros na superfície de betão.
Limpeza a jacto de areia (areia húmida)
Mesma aplicação que o anterior, com uma pequena diferença. A areia é molhada com água antes de sair do tubo.
Gera menos poeiras que o anterior. Menos rápido que o anterior. Necessita de limpeza acrescida.
Após a limpeza, deve-se garantir rugosidade na superfície utilizando se necessário, por exemplo, um
martelo de agulhas, facilitando a ligação entre os dois materiais, existente e novo.
35
Limpeza das armaduras
Não é boa prática restaurar a geometria da secção sem antes eliminar ou neutralizar a corrosão das
armaduras.
As armaduras devem estar livre de poeiras, areias, ou qualquer tipo de partículas que diminuam a
aderência do aço ao material de reparação. A limpeza das armaduras pode ser efectuada com jacto
de areia, de ar, ou água sob pressão de modo a remover todas as poeiras. Toda a superfície das
armaduras deve ser limpa e os produtos da corrosão removidos, existindo a possibilidade de ser
necessário substituir o varão afectado ou utilizar uma varão suplementar (figuras anteriores) se este
apresentar uma perda de secção transversal acima do limite aconselhável (superior a 25%) [29].
Uma vez efectuada a limpeza e reparação das armaduras deve-se aplicar uma protecção contra a
corrosão. Os métodos mais utilizados, quando a agressividade do ambiente é determinante para a
durabilidade da estrutura, referem-se no subcapítulo 3.2.
3.4.1.3 Aplicação da nova camada de betão (betonagem)
Depois de preparada a superfície do elemento a reforçar, colocam-se as armaduras suplementares e
procede-se à betonagem da nova secção.
No encamisamento pode-se utilizar na betonagem argamassas ou betão. Para uma boa adesão entre
o betão existente e os materiais de reparação (argamassa ou betão), o substrato deve-se manter
húmido por dois dias. Contudo, no momento de aplicação da nova camada de betão, a superfície
deve-se encontrar seca. Com a superfície seca, pode-se melhorar a ligação do betão novo com o
existente, com aplicação de uma camada de resina epoxídica na superfície do substrato. Embora a
aplicação deste tipo de pintura requer uma especial atenção, uma vez que depois da secagem, as
resinas formam uma superfície vitrificada, apresentando o efeito contrário ao pretendido (aderência
diminuta). Assim, é aconselhável a utilização de uma resina com “pot life” elevado. O “pot life” de uma
resina é o tempo, após aplicação, em que a colagem é eficaz [32].
A escolha entre a utilização de argamassas ou betão novo na nova camada do elemento pode-se
justificar tendo em conta a espessura pretendida (ver Figura 3.16). Normalmente a utilização de
argamassas ocorre quando se pretende espessuras reduzidas (inferiores a 60 mm) [29].
Legenda:
emin ⇒ {
50 mm betão projectado
75 a 100 mm betão normal cofrado
40 a 60 mm argamassa especial
Figura 3.16 – Espessura a betonar em função do tipo de material (adaptado de [29]).
36
O método de aplicação do novo betão mais utilizado na betonagem da nova secção é a colocação
com bombagem. Contudo, outras tecnologias de aplicação podem ser utilizadas, como o betão
projectado ou aplicado directamente.
Na aplicação do novo betão, a vibração devido ao tráfego do viaduto deve ser reduzida ao mínimo,
até que o betão esteja em condições de utilização de serviço.
A reparação da superfície requer muitas vezes o uso de cofragem. A cofragem deve permitir uma
compactação fácil do betão, bem como um fácil preenchimento da secção. Quando aplicada a
cofragem, a secção nova deve ser o mais semelhante possível à secção original.
O betão deve ser vibrado para assegurar homogeneidade e um melhor contacto com a superfície
existente. Muitas vezes, para um melhor assentamento do betão, deve-se vibrar mais do que uma
vez [32].
3.4.1.4 Cura
A cura depende do material escolhido e das condições atmosféricas, admitindo-se um valor
recomendável de 5 dias para se obter uma maior resistência e aderência. Durante os períodos de
cura, a superfície reparada não deve secar, sendo necessário molhagens sucessivas ou aplicação de
membranas de cura [29].
No final, e com intuito de aumentar a durabilidade da superfície reparada, pode-se aplicar uma
protecção superficial. Dependendo do objecto pretendido, na secção 3.3.4 deste documento,
apresentam-se os métodos de protecção superficiais que se podem aplicar no elemento.
3.4.1.5 Controlo de qualidade
Durante aplicação da solução
Antes de se proceder a execução da nova secção de betão, a área a reparar deve ser verificada em
relação a uma possível delaminação através de pequenas batidas com o auxílio de um martelo
pequeno.
O estado da superfície a reparar deve estar livre de poeiras ou todo o tipo de partículas que
prejudiquem a reparação.
O controlo de qualidade na moldagem da nova camada de betão deve ser, no mínimo, garantido
através dos seguintes parâmetros [32]:
- Temperatura do substrato, 5-30º C;
- Compactação;
- Tempo de cura.
37
Após aplicação da solução
Com a aplicação de um novo material no elemento, é de grande interesse verificar a aderência do
mesmo ao substrato. A qualidade da aderência tem grande importância no sucesso da aplicação do
reforço por encamisamento.
Para um melhor controlo de qualidade e assim melhorar a durabilidade e verificar a eficiência da
aplicação do reforço deve-se realizar ensaios de tracção, por arrancamento (pull-off) [30]. Estes
ensaios consistem na execução de carotes que se devem estender a uma profundidade para além da
interface para avaliar a resistência da aderência (ver Figura 3.17).
Figura 3.17 – Verificação da ligação betão-betão novo – ensaio pull-off (adaptado de [30]).
3.4.1.6 Dimensionamento do reforço - Viga
Os cálculos e verificações de segurança necessários para se proceder ao dimensionamento da
solução de reforço para os estados limites últimos apresentam-se em seguida.
Dimensionamento à flexão
O modelo de comportamento no estado limite último de flexão de uma secção reforçada apresenta-se
na Figura 3.18. O dimensionamento da secção pode fazer-se pelo método dos coeficientes globais,
admitindo um coeficiente de monolitismo para a flexão de .
Figura 3.18 – Modelo de cálculo de uma viga reforçada à flexão por encamisamento de betão.
38
A determinação do momento flector resistente Mrd (ver equação 3.1) realiza-se assumindo que a
secção tem comportamento monolítico, isto é, que existe uma aderência perfeita. Com base neste
pressupostos, o cálculo do dimensionamento assemelha-se ao de uma secção de betão armado,
considerando as duas camadas de armadura.
( )
(3.1)
De onde se pode calcular a área de armadura equivalente (As,eq):
(3.2)
Admitindo z ≈ 0,9d, tem-se:
( ) (3.3)
(3.4)
Sabendo qual o momento actuante, recorre-se às tabelas correntes de dimensionamento e
determina-se o valor de área de armadura equivalente. Com base nesse valor pode-se calcular o
valor de armadura de reforço tirando partido da equação 3.2.
(3.5)
Ligação betão existente/betão novo
O reforço por encamisamento deve também garantir a segurança da ligação entre o betão existente e
o betão novo (ver Figura 3.19). O funcionamento e a eficiência deste tipo de reforço dependem
essencialmente da aderência entre os materiais.
Figura 3.19 – Modelo de cálculo de verificação de segurança da ligação.
Os valores de tensão tangencial calculam-se com base nas equações seguintes:
(3.6)
39
(3.7)
(3.8)
(3.9)
Onde:
c e μ – parâmetros relacionados com a rugosidade da superfície;
fctd – resistência à tracção do betão mais fraco;
ρ – Taxa de armadura
fydr – Tensão de cálculo do aço.
O eurocódigo 2 propõe os seguintes valores de c e μ dependendo da rugosidade da superfície (ver
tabela 3.5).
Tabela 3.5 – Coeficientes que dependem da rugosidade da superfície (adaptado de [45]).
Tipo Superfície c μ
Muito lisa Superfície moldada por aço, plástico ou por moldes de madeira especialmente
preparados. 0,25 0,50
Lisa Superfície extrudida ou executada com moldes deslizantes ou executada sem
cofragem e não tratada após a vibração. 0,35 0,60
Rugosa
Superfície com rugosidades de pelo menos 3mm de altura e espaçadas cerca
de 40mm, obtidas por meio de raspagem, jacto de água, ar ou areia ou por meio
de quaisquer outros métodos de que resulte um comportamento equivalente.
0,45 0,70
Indentada Superfície com recortes em conformidade com a Figura 3.20. 0,50 0,90
Figura 3.20 – Superfície indentada (adaptado de [45]).
Dimensionamento ao esforço transverso
O reforço por encamisamento também pode aumentar a resistência ao esforço transverso. Este tipo
de técnica permite aumentar a resistência associada às tensões de compressão nas bielas inclinadas
do modelo de treliça uma vez que o encamisamento implica um aumento da largura da alma e um
aumento da resistência ao esforço transverso através da introdução de novos estribos [29].
O cálculo do dimensionamento baseia-se igualmente no método dos coeficientes globais, podendo
fazer diferenciar o valor de altura útil dependendo da hipótese escolhida (ver Figura 3.21).
40
Figura 3.21 – Altura útil do reforço para o cálculo do esforço transverso resistente (adaptado de [29]).
Posto isto, apresentam as equações seguintes que permitem dimensionar a viga ao esforço
transverso [33].
(3.10)
(3.11)
(3.12)
Sendo recomendado que
[29].
Como coeficiente de monolitismo pode assumir-se o seguinte valor (Eurocódigo 8 – parte 1.4, 1995):
3.4.2 Chapas metálicas
O reforço estrutural por adição de chapas metálicas (ver Figura 3.22) implica a colagem, normalmente
com resina epóxi, de chapas na superfície do elemento de betão onde se pretende aplicar o reforço.
A colagem das chapas é geralmente complementada com conectores metálicos, uma vez que é
preferível considerar métodos de transmissão mecânicos.
Figura 3.22 – Reforço estrutural por colagem de chapas metálicas [34].
41
Esta técnica utiliza-se quando existe deficiência nas armaduras existentes. Esta solução tem como
principal objectivo aumentar a capacidade resistente à flexão simples e ao esforço transverso do
elemento, sendo particularmente vocacionada para o reforço de vigas e lajes.
O reforço por chapas metálicas é uma técnica de fácil e rápida execução que permite a possibilidade
de reforço sem ser necessária a interrupção do trânsito do viaduto, uma vez que as vibrações
causadas pelo tráfego não são suficientes para prejudicar adesão das chapas. A técnica apresenta
vantagens estéticas, uma vez que a secção reforçada possui apenas pequenas alterações de
geometria. Apesar de ser uma técnica bastante utilizada apresenta como principais desvantagens a
necessidade de mão-de-obra especializada, protecção contra o fogo e corrosão da chapa e a
deterioração da resina de colagem, que pode levar ao descolamento. Tendo em conta que o
ambiente marítimo é um dos temas discutidos neste documento, deve-se ter especial cuidado na
aplicação desta técnica, sendo debatidos os principais aspectos mais em pormenor no decorrer desta
secção.
A aplicação desta técnica requer uma cuidadosa preparação da superfície do betão e das chapas
com o intuito de estabelecer boas condições de ligação entre a chapa e o betão existente [35].
3.4.2.1 Material
Chapas de aço
Em geral, são utilizadas chapas de aço com valores de resistência não muito elevados, sendo
preferível o uso de S235. O uso de aços de elevada resistência não traz benefícios, uma vez que o
módulo de elasticidade é o mesmo dos aços de média de resistência e a exploração da tensão
cedência do aço obriga a maiores deformações das secções [35].
Betão
Na superfície de betão devem-se realizar ensaios para determinar a adequabilidade da mesma na
aplicação das chapas por colagem. Para tal existem vários ensaios disponíveis, sendo o mais comum
a ser utilizado o ensaio pull-off que envolve a colagem de um disco de metal na superfície de betão e,
posteriormente procede-se ao seu arrancamento.
Adesivo de ligação
A resina epóxi tem sido muito utilizada na ligação das chapas metálicas. A sua durabilidade tem sido
constatada em aplicações com idades de 50 anos. Contudo, a sua aplicação requer alguma atenção.
Os fabricantes normalmente fornecem uma resina e um endurecedor em recipientes separados para
uma futura mistura. O endurecedor é misturado na resina a baixa velocidade por um misturador
mecânico. Quando a mistura é realizada a velocidades elevadas, pode deixar ar na mesma,
prejudicando a sua eficiência. A resina e o endurecedor devem ser de cores diferentes, e quando
misturados adquirir uma cor uniforme que indique que a mistura está adequada [36].
42
A colagem com resina pode ser complementada ou não com conectores metálicos (ver Figura 3.23 e
Figura 3.24). Os conectores metálicos permitem uma melhor ligação da chapa ao betão (ligação
mecânica), aumentar a resistência por aderência, diminuem a deformabilidade da ligação e reduzem
o risco de rotura frágil. A utilização de conectores permite ainda uma reserva de resistência à acção
do fogo [23].
Legenda:
tg ≤ 2 mm ts ≤ 4 mm 300 ≥ bs ≥ 50 mm
As,r ≤ 3
4 As,i
ΔMRd,r ≤ 0,5 ΔMRd,i
tg ≤ 2 mm ts ≤ 12 mm 300 ≥ bs ≥ 80 mm ΔMRd,r ≤ ΔMRd,i
a) Sem conectores metálicos b) Com conectores metálicos
Figura 3.23 – Reforço à flexão com dimensões recomendadas (adaptado de [36]).
Legenda:
tg ≤ 2 mm ts ≤ 3 mm dr ≥ 100ts
tg ≤ 2 mm ts ≤ 8 mm dr ≥ 100ts
a) Sem conectores metálicos b) Com conectores metálicos Figura 3.24 – Reforço ao esforço transverso com dimensões recomendadas (adaptado de [36]).
3.4.2.2 Preparação da superfície
Limpeza do betão
A superfície de betão encontra-se usualmente contaminada e com imperfeições, por conseguinte,
deve-se retirar o betão degradado e as impurezas depositadas na superfície. O método normalmente
Resina epóxi
Chapa de aço
Chapa de aço
Resina epóxi
43
utilizado para este tipo de limpeza é o jacto de areia. Caso exista deterioração deve-se realizar a
reparação antes de aplicar o reforço. Por último, deve-se dar alguma rugosidade, em geral, através
da utilização de um martelo de agulhas (ver Figura 3.8) [36].
As fendas com abertura significativa devem ser injectadas com resina.
Chapas metálicas
As chapas (ver Figura 3.25) devem, após o fabrico, ser decapadas e protegidas com uma película
plástica para o seu transporte e manuseamento. A película deve ser apenas removida imediatamente
antes da aplicação das chapas. Caso se utilize um primário na superfície de ligação da chapa ao
betão este deve ser compatível com a resina e aplicado de acordo com o especificado pelos
fornecedores, com o intuito de não prejudicar a aderência das chapas. Os manobradores das chapas
devem utilizar luvas para não contaminar as chapas com sujidade [35].
Figura 3.25 - Chapas metálicas [23].
Colagem das chapas
Após a preparação da superfície das chapas procede-se a colagem das mesmas por injecção de
resinas e adição de conectores metálicos. Uma ligeira pressão deve ser exercida na colagem das
chapas. Com a preparação da superfície das chapas realizada, estas posicionam-se através
conectores introduzidos em furos previamente efectuados. Apesar de o uso de conectores ser mais
comum, quando estes não são utilizados, podem-se aplicar as chapas com o uso de prumos ou outro
tipo de sistema de posicionamento.
Em seguida, procede-se a selagem da zona a injectar através da aplicação de uma resina epóxi com
uma carga no contorno da chapa e sobre a cabeça dos conectores. Na aplicação da resina deixam-se
tubos de pequeno diâmetro para a injecção da resina e saída de ar [36].
No final, as chapas devem ser protegidas contra a corrosão (especialmente em ambientes agressivos
como o marítimo) e a acção do fogo. Essa protecção pode ser garantida, por exemplo, utilizando
pinturas, betão projectado ou outros materiais com capacidade de protecção contra a corrosão e
contra acção do fogo.
44
3.4.2.3 Controlo de qualidade
O controlo de qualidade deve ser realizado por uma entidade independente e qualificada. Essa
entidade deve examinar o método de execução e os materiais escolhidos pelo empreiteiro.
O controlo da aplicação deve ser feito antes e após a execução do reforço. Como referido
anteriormente, o reforço por chapas metálicas exige uma preparação de superfície cuidada. A própria
chapa deve ser submetida a uma inspecção cuidada antes da sua aplicação, devendo estar livre de
sujidade, ferrugem ou outro tipo de contaminantes.
Posto isto, deve-se assegurar que existe uma boa ligação entre a chapa e o betão existente,
utilizando-se materiais de ligação adequados (resinas). A norma EN1504-4 estabelece requisitos para
o controlo de qualidade e de conformidade para a colagem estrutural.
À semelhança do ensaio descrito na secção 3.4.1.5, deve-se verificar através de ensaios de ligação
resina-betão se o valor de tensão de aderência é suficiente para garantir a durabilidade e eficiência
do reforço. Esses ensaios realizam-se em amostras, no mesmo local de aplicação do reforço, para
uma melhor aproximação das condições e assim obter resultados mais fiáveis. Tendo em conta a
aplicação da chapa, a ligação chapa-resina também deve ser alvo de ensaios de ligação,
denominados ensaios pull off (de arrancamento por tracção – ver Figura 3.32 a)), bem como se fazer
uma verificação de vazios através de testes acústicos (ver Figura 3.32 b)). Este último é muito
semelhante ao ensaio que se descreve mais à frente neste documento (secção 3.4.3.3), uma vez que
a aplicação de laminados e chapas apresentam enumeras semelhanças nos processos de colagem.
3.4.2.4 Dimensionamento do reforço
Os cálculos e verificações seguem os mesmos pressupostos da técnica referida na secção 3.4.1
deste documento. Contudo, no dimensionamento do reforço através de chapas metálicas a
verificação de segurança entre o material de reforço e o elemento a reforçar tem maior importância,
uma vez que é esta verificação que garante a eficácia do reforço.
Dimensionamento do reforço à flexão
O modelo de comportamento no estado limite último de flexão de uma secção reforçada apresenta-se
na Figura 3.26. O dimensionamento da secção faz-se pelo método dos coeficientes globais,
admitindo um coeficiente de monolitismo para a flexão de .
Figura 3.26 – Modelo de cálculo para aplicação do reforço por colagem de chapas metálicas.
45
Com base no modelo de cálculo determina-se o momento flector resistente MRd seguindo, à
semelhança do encamisamento de betão, a equação 3.1, não se considerando necessário reescrevê-
la.
Os passos seguintes para o cálculo do valor da área de armadura de reforço são os mesmos que os
descritos na secção 3.4.1.6 deste documento, sendo a única diferença a utilização de chapas de aço,
em vez de armadura ordinária, não se considerando necessário repeti-los.
Verificação da segurança de ligação
A ligação entre a chapa e o substrato garante-se por colagem, sendo necessário avaliar a
transmissão de esforços entre o betão e a cola, e a cola e a chapa. Na utilização de conectores,
deve-se ainda considerar a resistência ao corte dos mesmos.
Na verificação de segurança da ligação com conectores considera-se, em geral, uma distribuição
plástica uniforme de tensões de corte dada a ductilidade deste tipo de ligação (ver Figura 3.27).
Figura 3.27 – Diagrama de forças na interface do elemento a reforçar (adaptado de [36]).
A tensão de corte é determinada por equilíbrio através da seguinte expressão:
∫
(3.13)
Onde:
L – Representa o comprimento de transmissão de tensões
bs – largura da chapa.
A verificação da segurança, considerando a participação na resistência dos
conectores e da resina, é realizada de acordo com a seguinte expressão [36]:
(3.14)
Onde:
– Representa a resistência garantida pelos conectores;
– Adesão resina/betão;
– Tensão de aderência mobilizada na ordem de 0,5 MPa [35].
L
τsd
Fsd
46
Dimensionamento do reforço ao esforço transverso
O dimensionamento do reforço realiza-se, uma vez mais, recorrendo à técnica dos coeficientes
globais (ver equações 3.15 a 3.17):
(3.15)
(3.16)
(3.17)
Como coeficiente de monolitismo[35] tem-se:
3.4.3 Laminados CFRP
À semelhança da técnica de reforço por chapas metálicas, o reforço recorrendo a sistemas FRPs
permite melhorar a capacidade resistente do elemento quando existe deficiência nas armaduras
existentes.
Este método combina três componentes, o substrato, o adesivo e o laminado de FRP. A sigla FRP
significa “Fiber Reinforced Polymer” que se traduz para português Polímeros Reforçados por Fibras.
Os FRPs são materiais compósitos constituídos por uma matriz polimérica reforçada por fibras que,
devido às suas propriedades e características, em termos de aplicações estruturais, os tornam
bastante atractivos.
O sistema mais comum para aplicação do reforço por FRPs denomina-se EBR (Externally bonded
reinforcement). A utilização dos FRPs implica colagem dos mesmos no elemento a reforçar,
normalmente com resina epóxi.
Esta técnica, tal como as chapas metálicas, tem como principal objectivo aumentar a capacidade
resistente ao esforço transverso e de flexão das vigas e lajes, podendo ainda ser utilizada como
reforço a compressão nos pilares por confinamento do betão. A disposição dos FRPs depende da
distribuição de tensões de tracção no elemento onde se pretende aplicar o reforço, podendo-se
utilizar laminados (ver Figura 3.28 a)) ou mantas (ver Figura 3.28 b)).
a) b)
Figura 3.28 – Formas principais dos FRPs [37 e 38].
47
De um modo geral, destacam-se as fibras de vidro, aramida e de carbono, como as mais utilizadas
em sistemas de reforço estrutural. Contudo, tendo em conta a temática deste documento, estuda-se
aplicação das fibras de carbono (CFRP) como técnica de reforço.
As fibras são compostas por filamentos contínuos extremamente finos, tornando a sua manipulação
individual muito difícil. Por este motivo, as fibras comercializam-se em diferentes formatos. Neste
sistema de reforço, as fibras são responsáveis pela capacidade resistente e rigidez do compósito e,
por sua vez, a matriz garante a transferência de tensões entre fibras e é responsável pela protecção
das fibras contra agentes exteriores [39].
Os sistemas de CFRPs têm como uma das principais vantagens não apresentarem corrosão. Os
CFRPs apresentam ainda algumas características que facilitam a sua aplicação no ramo da
Engenharia Civil, nomeadamente no reforço de estruturas (ver Figura 3.29). São materiais leves e
com espessuras reduzidas, com boas propriedades mecânicas (rigidez e resistência), fáceis de
transportar e manusear, pequena exigência ao nível de equipamentos, disponibilidade quase ilimitada
em termos de geometria, bom comportamento à fadiga e ao choque, permite a aplicação directa de
pintura. Contudo, apesar das várias vantagens, também apresentam alguns pontos negativos. As
desvantagens a ter em conta na aplicação desta técnica devem-se à sua reduzida resistência aos
raios UV e ao fogo, ao seu funcionamento apenas numa direcção (laminados unidireccionais), não
apresentam reserva plástica de deformação (comportamento frágil) e ligação deficiente em ambientes
húmidos [23].
a)Reforço de vigas b)Reforço de Pilares
c)Reforço de lajes
Figura 3.29 – Reforço de vários elementos com CFRPs (adaptado de [39]).
A aplicação dos laminados de CFRP segue várias recomendações, nomeadamente o FIB (2001)
“Externally bonded FRP reinforcement for RC structures” e ACI (2006) “ACI 440.1R-06 - Guide for the
Design and Constructionof Structural Concrete Reinforced with FRP Bars”.
48
3.4.3.1 Material
Substrato
Apesar da utilização dos sistemas FRPs se aplicarem a diferentes tipos de substrato, nas secções
seguintes trata-se unicamente superfície de betão. As condições iniciais da superfície de betão em
termos de carbonatação, imperfeições, desníveis, fendas, tipo de corrosão, humidade, nível de iões
de cloretos devem ser conhecidos [40].
Laminados CFRPs
Os laminados são sistemas pré-fabricados em lâminas finas (espessura de 1,0 a 1,5 mm),
semelhante às chapas metálicas. Para este tipo de sistema, o adesivo garante a ligação entre o
laminado e a superfície de betão [40]. Neste documento estuda-se a aplicação de laminados pré-
fabricados em fibras de carbono (ver Figura 3.30) [41].
Figura 3.30 – Laminado de fibra de carbono [41].
Os S&P Laminates CFK são usados para reforço à flexão e ao esforço transverso de elementos
estruturais em betão armado.
Adesivo/Resina
O adesivo deve garantir uma ligação adequada para o reforço que cumpra todos os requisitos
especificados. Para sistemas pré-fabricados (laminados) a colagem deve ser efectuada com um
adesivo tixotrópico de elevada viscosidade [40].
3.4.3.2 Preparação da superfície
A preparação da superfície para aplicação do reforço com CFRPs segue os pressupostos definidos
no bulletin 14 do FIB (2001) e as recomendações dos fabricantes de modo a estabelecer um conjunto
de especificações que permita um bom desempenho do sistema de reforço.
Limpeza do betão
Semelhante ao reforço de chapas metálicas, a superfície de betão deve estar livre de impurezas que
possam prejudicar aderência e o betão degradado deve ser reparado. Caso exista deterioração deve-
se realizar a reparação antes de aplicar o reforço. A preparação da superfície pode ser realizada com
os métodos de limpeza referidos na secção 3.4.2.2 das chapas metálicas, garantindo sempre que o
49
betão não é danificado. A aplicação dos laminados permite alguma irregularidade na superfície, uma
vez que são colados com um adesivo tixotrópico de elevada viscosidade que permite atenuar essas
irregularidades. Apesar de permitirem alguma margem de manobra na sua aplicação, a irregularidade
da superfície deve ser minimizada. Quando se pretende o envolvimento das secções a reforçar deve-
se tratar as arestas vivas das secções arredondando-as com um raio mínimo de 10 mm [40].
A superfície de betão deve ser marcada onde se pretender aplicar o reforço. Esta deve, normalmente,
encontrar-se seca. Contudo, algumas resinas permitem a sua aplicação em ambientes húmidos.
As aberturas de fendas superiores a 0,4 mm devem ser reparadas com uma resina compatível e o
valor de resistência à tracção do betão obtida por pull-off deve ser superior a 1,5 MPa [40].
Por último, aplica-se ou não, um primário, normalmente especificado pelo fabricante do adesivo, para
não comprometer adesão.
Preparação do laminado
Os laminados (sistemas pré-fabricados) devem ser fornecidos no local de acordo com as
especificações indicadas no projecto e cortados com as dimensões pretendidas. Eles devem estar
livres de qualquer tipo de contaminação, como poeiras, óleos, pó, etc. Quando os laminados são
fornecidos com uma película protectora, garantindo a limpeza da superfície, esta deve ser removida
imediatamente antes da aplicação e a superfície de aderência não deve ser tocada com as mãos. Se
os laminados forem fornecidos sem película protectora, com a superfície pronta a colar, deve-se ter
um cuidado extra [40].
Colagem do laminado
Nos sistemas pré-fabricados, os laminados, a colagem assegura-se através aplicação de um adesivo
tixotrópico de elevada viscosidade (ver Figura 3.31).
Legenda:
1 – Adesivo/Resina; 2 – Laminado CFRP.
a)Colagem de uma lamina b)Colagem de duas ou mais lâminas
Figura 3.31 – Reforço à flexão por colagem de CFRPs.
As informações em termos de temperaturas admissíveis, humidade relativa, fracção de mistura,
tempo de mistura, tempo de execução, tempo útil de utilização, aspectos relacionados com o impacto
50
ambiental e tempo de cura devem ser fornecidos pelo fabricando e tidas em conta na execução da
colagem.
A temperatura ambiente e a humidade relativa devem estar de acordo com os limites estipulados pelo
fabricante de adesivos ou resinas. A aplicação deve ser completada dentro de 80% do tempo de
utilização útil (aplicação do adesivo) e tempo de execução da colagem do adesivo na temperatura
dominante.
Depois da aplicação e cura do laminado, este deve estar praticamente sem irregularidades (superfície
côncavas podem resultar no descolamento do material) [40].
Adesivo
O adesivo deve ser aplicado como uma fina camada sobre a superfície de betão logo após a mistura.
O adesivo aplica-se também sobre o laminado (para uma largura de laminado de 100 mm implica
uma altura máxima de adesivo cerca de 5 mm), apresentando uma maior espessura no centro do
laminado, reduzindo o risco de formação de vazios quando aplicado o reforço sobre a superfície de
betão. O laminado coloca-se, aplicando uma determinada pressão, na superfície de betão com ajuda
de um rolo de borracha de modo a garantir um melhor contacto. De seguida, deve-se remover o
excesso de adesivo ao longo dos bordos do laminado. O adesivo deve apresentar uma espessura
final uniforme ao longo do comprimento de colagem (espessura mínima do adesivo: 1,5mm a 2,0mm).
Usualmente, a aplicação dos laminados faz-se numa só camada [40].
No final, deve ser aplicado um tipo de acabamento, que pode ser apenas aplicado por razões
estéticas ou como crucial para manter a integridade a longo prazo da estrutura reforçada. Estas
camadas devem ser aplicadas segundo as especificações dos fabricantes, protegendo o laminado
contra incêndios, possíveis danos, e contra os raios UV.
3.4.3.3 Controlo de qualidade
O Controlo de qualidade em obra revela-se extremamente importante uma vez que influencia a
durabilidade e eficiência do reforço.
Para garantir a eficiência do reforço devem-se proceder a inspecções durante a execução,
relacionadas com o adesivo e o laminado. Os ensaios realizam-se em amostras no local para uma
melhor aproximação das condições de execução, devendo ser tratadas nas mesmas condições de
exposição. O adesivo deve ser sujeito a controlo de espessura e estado da cura e deve-se realizar
ensaios de arrancamento por tracção (ver Figura 3.32 a)) – pull off – para verificar a ligação
Resina/laminado.
51
a) Ensaio de arranque – pull off b) Teste acústico – verificação de vazios após
a cura
Figura 3.32 – Técnicas de controlo da aplicação [38].
Ainda referente à ligação (colagem), deve-se analisar o seu estado, isto é, proceder-se a uma
inspecção com o intuito de detectar vazios (ver Figura 3.32 b)), imperfeições geométricas ou
anomalias, para se aplicar as correcções necessárias.
3.4.3.4 Dimensionamento do reforço
O dimensionamento do reforço por colagem de sistemas FRPs segue a mesma metodologia das
técnicas referidas nas secções anteriores. No dimensionamento deve-se analisar todos os modos de
rotura possíveis na verificação da resistência última do elemento. Quando se utiliza a técnica EBR
com FRP podem ocorrer os seguintes modos de rotura [39]:
- Rotura do FRP;
- Destacamento do sistema de reforço (ver Figura 3.33).
Figura 3.33 – Modos de rotura no reforço por CFRPs [39].
Contudo, em estruturas reforçadas à flexão com laminados ou mantas pode ainda se obter os
seguintes modos de destacamento (ver Figura 3.34):
- Modo 1: Destacamento no final do laminado ou manta;
- Modo 2: Destacamento intermédio devido a fendas de flexão;
- Modo 3: Destacamento devido a fendas de corte;
- Modo 4: Destacamento devido a irregularidades da superfície do betão.
52
Figura 3.34 – Modos de rotura em estruturas reforçadas à flexão com laminados/mantas (adaptado de [39]).
O sistema utilizado no reforço deve manter a ductilidade, garantindo que a capacidade resistente ao
esforço transverso não controla a rotura [2].
Dimensionamento do reforço à flexão
Uma vez mais, de modo semelhante à colagem de chapas metálicas, o dimensionamento do reforço
tem como base o modelo de cálculo ilustrado (ver Figura 3.35).
Figura 3.35 – Modelo de cálculo para o dimensionamento do reforço à flexão por colagem de laminados CFRPs.
Com base no modelo de cálculo tem-se novamente as seguintes equações que permitem chegar ao
valor de laminado necessário para o reforço.
(3.19)
Sabendo qual o momento actuante, recorre-se às tabelas correntes de dimensionamento e
determina-se o valor de área de armadura equivalente. Com base nesse valor pode-se calcular o
valor de armadura de reforço tirando partido da equação 3.2.
(3.20)
O boletim FIB 14 [40] apresenta três metodologias de dimensionamento do reforço à flexão.
A metodologia mais simples recomenda que no cálculo do dimensionamento do reforço seja
considerado um valor de f,min= 0,65 a 0,85 % de modo a evitar o descolamento prematuro dos
laminados.
53
Verificação da zona de ancoragem
Esta verificação consiste no cálculo da força máxima de tracção do laminado para não se dar a rotura
da ligação com o betão na zona da amarração do laminado. O FIB [40] define a seguinte expressão
para o cálculo dessa força:
√ (3.21)
Onde:
bf – Largura do laminado;
Ef – Módulo de elasticidade do laminado;
tf – Espessura do laminado;
fctm – Tensão de rotura média à tracção do betão;
α – Coeficiente redutor para ter em conta a influência das fendas de corte na
resistência de aderência;
c1 e c2 – são factores obtidos por calibração a partir de resultados de ensaios;
kb – Factor que tem em conta a influência da geometria;
kc – Factor que tem em conta as condições compactação do betão.
Esta força tem como comprimento de amarração, segundo o FIB [40], o valor obtido de:
√
O FIB [40] define estas verificações como uma das abordagens possíveis. A verificação da zona de
ancoragem segue abordagem 1 do FIB.
Contudo, neste documento estuda-se a abordagem 3 que consiste na verificação da abordagem 1,
complementando-a com a verificação da zona de flexão. Nesta zona analisam-se as tensões de corte
na ligação sendo necessário verificar as seguintes situações:
(3.22)
(
)
(3.23)
(3.24)
Armadura fora da cedência: s < yd Armadura na cedência: s > yd
A tensão resistente de aderência resulta da equação 3.25.
(3.25)
Dimensionamento do reforço ao esforço transverso
O esforço transverso resistente calcula-se através da seguinte equação.
(3.26)
54
Onde Vrdi representa a resistência garantida pelos estribos presentes na viga (ver equação 3.27).
(3.27)
E Vrdr representa a resistência garantida pelo reforço com os laminados. Este reforço pode ser
contínuo (ver equação 3.28) ou espaçado (ver equação 3.29).
(3.28)
(3.29)
A extensão efectiva de cálculo obtém-se da seguinte expressão:
(3.30)
Sendo que para laminado tem-se γf = 1,20 e para mantas γf = 1,35.
O FIB [40] permite calcular o f,e a partir das seguintes expressão:
(
)
(3.31)
Reforço envolvendo a secção
[ (
)
(
)
] (3.32)
Reforço em forma de U
Por último, devido à reduzida informação sobre a máxima extensão, o FIB [40] recomenda um factor
de redução, k, igual a 0,8.
(3.33)
55
4 Avaliação Estrutural do viaduto
4.1 Descrição do viaduto
A estrutura em estudo é um viaduto de ligação a um estaleiro naval situado em Setúbal com um
desenvolvimento de 33,8 m e uma largura total de 10,0 m, sendo constituído na direcção longitudinal
por 4 vãos com 8,25 m de comprimento (ver Figura 4.1).
a)
b)
Figura 4.1 – Viaduto de ligação ao estaleiro naval (adaptado de [18]).
A obra em estudo é constituída por elementos estruturais em betão armado, apresentando um
tabuleiro em laje vigada apoiado em estacas. O tabuleiro é constituído por uma laje de 0,30 m de
espessura apoiado em 4 vigas longitudinais, espaçadas de 2,47 m na direcção transversal (ver Figura
4.2). A laje do tabuleiro foi executada com pré-lajes com espessura de 0,15 m, e posteriormente,
foram colocados mais 0,15 m de betão in situ, formando assim os 0,30 m de espessura.
Figura 4.2 – Corte transversal do viaduto (adaptado de [18]).
As vigas longitudinais são pré-fabricadas com 0,60 x 1,00 m2 de secção e apoiam-se em travessas
betonadas in situ sobre as estacas. As travessas apresentam dimensões de 1,50 x 0,80 m2, sendo
que por cada alinhamento transversal, existem 4 estacas de betão armado, com 0,60 m de diâmetro,
que apoiam as travessas, contabilizando um total de 20 estacas no viaduto.
O viaduto trata-se de uma obra integral, não apresentando juntas de dilatação. Os encontros são
constituídos por travessas apoiadas em estacas que recebem as vigas longitudinais do tabuleiro [19].
56
4.1.1 Descrição das anomalias
As anomalias que se detectam no viaduto estão associadas à deterioração de alguns dos seus
elementos.
Vigas longitudinais
A deterioração destes elementos está relacionada com a corrosão das armaduras. Em geral, todas as
vigas apresentam fendilhação significativa, sendo observados casos de abertura de fendas com
elevado valor devido a corrosão acentuada das armaduras (ver Figura 4.3). Dos elementos em causa,
o que se encontra mais afectado é a viga extrema poente onde se verifica uma delaminação extensa
da zona inferior da viga (ver Figura 4.4).
Figura 4.3 – Fendilhação da viga lateral.
Figura 4.4 – Delaminação da viga lateral do lado
poente.
O nível de deterioração observado, tendo em conta a idade da obra, indica que o betão é de baixa
resistência à penetração dos cloretos, potenciando o desenvolvimento mais rápido da corrosão das
armaduras quando atingidas pelos cloretos.
Travessas
Ao se examinar estes elementos é possível observar algumas zonas com deterioração por corrosão
ainda de reduzida dimensão (ver Figura 4.5). Sendo as travessas betonadas in situ, é expectável que
o betão utilizado seja de melhor qualidade tendo atrasado a penetração dos cloretos.
Figura 4.5 – Fendilhação da travessa.
Figura 4.6 – Deterioração da pintura dos guarda-corpos [19].
Figura 4.7- Pavimento do viaduto.
57
Lajes
Estes elementos não apresentam deterioração significativa.
Restantes elementos
Nos restantes elementos não é possível observar deterioração significativa. O pavimento apresenta-
se em estado razoável e os guarda-corpos não apresentam sinais de corrosão. Contudo, observa-se
degradação na pintura dos guarda-corpos (ver Figura 4.6 e Figura 4.7) [19].
4.2 Análise estrutural
Antes de se proceder à aplicação das técnicas de reparação e/ou reforço, realiza-se uma avaliação
estrutural do viaduto descrito no subcapítulo anterior.
Para tal, foi efectuada a modelação do viaduto utilizando o programa de cálculo automático [43], com
base no levantamento estrutural e de anomalias do viaduto realizado pelo projectista da reabilitação
no ano 2010 [18].
4.2.1 Propriedades mecânicas dos materiais
Na modelação do viaduto considera-se um betão C20/25 em todos os elementos de betão de acordo
com o que foi especificado no projecto.
Para simular a interacção da travessa com as estacas, utilizam-se troços rígidos, aos quais se
atribuiu um módulo de elasticidade elevado simulando a indeformabilidade dos mesmos.
4.2.2 Vigas e travessas
As vigas e travessas da estrutura definem-se por elementos de barra lineares verticais e horizontais
(ver Figura 4.8).
Figura 4.8 – Elementos de barra lineares (viga, travessa e estaca).
Figura 4.9 – Modelo com as vigas e travessas a coincidir com o topo da laje.
4.2.3 Laje
Para simular as lajes foram utilizadas elementos de casca e, na sua modelação, recorre-se à função
area section com a espessura pretendida.
58
De salientar que, na modelação da laje, considera-se constante o seu eixo médio, fazendo baixar as
vigas e as travessas, de modo a fazer coincidir o topo das secções (ver Figura 4.9).
De modo a representar melhor o comportamento destes elementos, procede-se ao refinamento das
lajes num maior número de elementos, a partir da função de divisão de áreas compatibilizando todos
os nós da laje com os restantes elementos (viga e travessa).
4.2.4 Estacas
Para a modelação das estacas utiliza-se elementos de barra lineares. Contudo, uma vez que o
comportamento das estacas é influenciado pelo terreno envolvente realiza-se também a modelação
do mesmo. A modelação do terreno consiste na colocação de apoios elásticos (molas) horizontais e
verticais, fazendo variar o valor das reacções com a profundidade das estacas para simular um
comportamento elástico e linear, tendo como base o modelo de Winkler (ver Figura 4.10). Como não
se conhece a profundidade máxima das estacas do viaduto, assume-se a relação D/B>=10 (fundação
indirecta), onde D representa a profundidade da estaca e B o seu diâmetro.
Figura 4.10 – Discretização das molas nas estacas.
As molas introduzem-se ao nível dos nós, segundo os eixos x,y e z, considerando um parâmetro K
(módulo de reacção que cresce com a profundidade) – (equação 4.1) que permite simular o
comportamento e as propriedades do solo.
(4.1)
K(Z) – Módulo de reacção horizontal do terreno, função da profundidade Z;
nh – taxa de variação do coeficiente de reacção do solo em profundidade;
z – profundidade medida a partir do terreno.
Para os valores nh, uma vez que a informação sobre o terreno é muito limitada, consideram-se os
valores da Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Grandezas do coeficiente nh em função do tipo de solo (adaptado de [20]).
Tipo de Solo nh (kN/m
3)
Solo Seco Solo submerso
Areia Compacta 2500 1500
Areia muito compacta 7000 5000
Areia muito compacta 20000 12500
59
Com base no valor de K, calcula-se a rigidez das molas inseridas ao nível dos nós seguindo as
expressões seguintes (ver 4.2 a 4.4) [17]:
(4.2)
(4.3)
Linf – altura de influência do nó;
P – Perímetro da estaca;
B – Diâmetro da estaca.
Por último, determina-se o valor da mola vertical na ponta da estaca seguindo a expressão seguinte:
(4.4)
Ainf – área de influência da estaca
Tendo em conta as expressões anteriores, apresenta-se as seguintes tabelas resumo do valor das
molas em cada nó (espaçados de 1 m):
Tabela 4.2 – Rigidez das molas nas estacas nos encontros.
Estacas dos encontros
Fuste
Nó Rigidez (K) Horizontal (kN/m) Vertical (kN/m)
1 1500 1500 4712
2 3000 3000 9425
3 4500 4500 14137
4 6000 6000 18850
5 7500 7500 23562
6 9000 9000 28274
7 10500 10500 32987
Ponta 16500 7775
Tabela 4.3 – Rigidez das molas nas restantes estacas do viaduto.
Estacas do tabuleiro
Nó Rigidez (K) Fuste
Horizontal (kN/m) Vertical (kN/m)
1 1500 1500 4712
2 3000 3000 9425
3 4500 4500 14137
4 6000 6000 18850
5 7500 7500 23562
6 9000 9000 28274
Ponta 16500 7775
4.2.5 Validação do modelo
Após a realização do modelo, há que proceder à sua validação.
Nesta validação, compara-se o somatório de reacções verticais do tabuleiro, com os valores das
reacções retirados do SAP2000 (ver Tabela 4.4).
60
Tabela 4.4 – Calculo das reacções verticais devido ao peso próprio.
Peso Próprio do tabuleiro (kN/m)
Reacções no topo da estaca (kN/m) (SAP2000)
Laje 2475
Viga 1980
Travessa 1500
Total 5955 Total 5953,25
A partir dos valores da Tabela 4.4, conclui-se que se obteve uma diferença de, aproximadamente, 2
kN (0,03%).
No modelo construído, correu-se a análise modal com o intuito de obter as frequências dos diversos
modos de vibração, bem como a participação da massa em cada modo. Os factores de participação
modal permitem saber a contribuição de cada deslocamento para cada modo e, assim, perceber qual
o movimento predominante.
No anexo A apresentam-se as características dos 12 modos de vibração por serem os que estão
associados aos movimentos de translação segundo X, translação segundo Y e torção.
Na Tabela 4.5 observam-se os valores de frequência para os primeiros 3 modos de vibração. Tendo
em conta as dimensões da estrutura era de esperar que esta tivesse uma frequência na ordem de 1
Hz, facto que se verificou.
Tabela 4.5 – Frequências obtidas através do modelo.
Modo Frequência
(Hz) Período
(s)
1 0,999 1,000
2 1,01 0,988
3 1,244 0,803
4.3 Avaliação de segurança
Neste subcapítulo pretende-se verificar a segurança da estrutura para os estados limites últimos de
resistência e estados limites de utilização, considerando todos os materiais e cargas existentes na
obra.
Os presentes cálculos justificativos referem-se apenas ao tabuleiro do viaduto, onde se pretende
implementar as soluções de reforço.
4.3.1 Acções e combinações
O presente trabalho, de forma a quantificar as acções para uma correcta análise e dimensionamento
do viaduto, respeita a filosofia imposta pelas normas europeias em vigor - os Eurocódigos - tal como
já foi referenciado no capítulo da introdução.
De acordo com estes regulamentos, definem-se combinações de acções relativamente aos Estados
Limite Últimos e Estados Limite de Utilização. As directrizes definidas para cada Estado Limite
apresentam-se separadamente.
61
4.3.1.1 Estados Limite Últimos
Os Estados Limite Últimos correspondem a situações de colapso da estrutura e a sua verificação é
feita segundo o princípio de que os esforços actuantes são inferiores aos esforços resistentes.
A combinação de acções preconizada pela EN 1990 – Bases para o Projecto de Estruturas, para uma
situação de projecto persistente ou transitória, é dada pela seguinte expressão:
∑
[ ∑
]
Para situações de Projecto sísmicas, a expressão anterior toma a seguinte forma:
∑
∑
Os coeficientes e que permitem reduzir as acções variáveis, tomam valores recomendados
pelo Eurocódigo.
4.3.1.2 Estados Limite de Utilização
A verificação aos Estados Limite de Utilização pretende assegurar um bom desempenho em serviço
da estrutura, ou seja, garantir que todos os elementos estruturais cumpram adequadamente os
objectivos para os quais foram projectados.
Existem três combinações de acções possíveis para a verificação destes Estados, em função da
duração que uma dada acção pode ter ao longo da vida útil da estrutura, sendo dadas pelas
expressões seguintes:
Combinação Frequente
∑ ∑
Combinação quase-permanente
∑ ∑
Combinação rara
∑ ∑
A verificação de segurança relativamente a estes Estados, para o caso da obra em estudo, incide-se
nos estados limites de fendilhação e deformação.
62
4.3.1.3 Materiais
Os materiais estruturais são o betão e o aço.
Na Tabela 4.6 apresentam-se a classe de resistência do betão e propriedades do aço do viaduto em
estudo.
Tabela 4.6 – Materiais presentes no viaduto
Betão B25
fcd (MPa) 13,33
fck (MPa) 20
Ecm (GPa) 30
fctm 2,2
Aço A400
fyd (MPa) 348
E (GPa) 200
4.3.1.4 Acções Permanentes
As acções permanentes são assumidas como valores constantes ao longo da vida útil da estrutura.
No presente trabalho consideram-se como cargas permanentes o peso próprio do tabuleiro e o peso
próprio dos restantes elementos não estruturais do tabuleiro (ver Tabela 4.7).
Tabela 4.7 – Peso próprio e restantes cargas permanentes do tabuleiro.
Peso Próprio (kN/m3) 25
Betuminoso (e=0,12m) (kN/m3) 24
Passeio (kN/m) 3
Guarda Corpos (kN/m) 0.5
Para além das acções já mencionadas, considerou-se também a retracção do betão, admitindo os
seguintes valores:
εcs = -3x10-4
O efeito da retracção pode ser avaliado impondo uma variação de temperatura equivalente à
estrutura. Para o valor de extensão admitido, tem-se (α=10-5
/oC):
ΔTeq= -30ºC
Contudo, o efeito da fluência e da fendilhação reduzem os esforços induzidos pela retracção.
Considera-se que este efeito corresponde a definir-se um módulo de elasticidade equivalente igual a
um terço do módulo de elasticidade do betão. O mesmo equivale a reduzir o valor da variação
equivalente de temperatura para um terço.
ΔTeq= -10ºC, no modelo.
4.3.1.5 Acções variáveis – Sobrecarga Rodoviária
De forma a considerar os efeitos do tráfego rodoviário, a parte 2 do Eurocódigo 1 recomenda a
utilização de um modelo de carga LM1 (Load Model 1) que simula a posição dos veículos sobre a
ponte através da aplicação de cargas concentradas e uniformemente distribuídas.
63
4.3.1.6 Acção sísmica
A EN1998 representa a acção sísmica por meio de espectros de resposta elásticos definidos para
dois tipos de sismo. A acção sísmica Tipo 1 está associada a sismos de magnitude elevada, com
maior duração, frequências baixas e grande distância focal. A acção sísmica Tipo 2 caracteriza-se por
sismos de magnitude moderada, menor duração, frequências elevadas e pequena distância focal. O
viaduto em estudo localiza-se em Setúbal, obtendo-se os valores de referência de aceleração do solo
e tipo de terreno de fundação presentes na Tabela 4.8, considerando um coeficiente de
comportamento igual a 1,5.
Tabela 4.8 – Características dos espectros considerados na análise sísmica.
Acção tipo 1 – AS1
Ag (m/s2) 1,5
Acção tipo 2 – AS2
Ag (m/s2) 1,7
Tipo de solo
AS1 C
AS2
4.3.2 Fase construtiva
Numa primeira análise, uma vez que a estrutura possui vigas e lajes pré-fabricadas, procedeu-se às
verificações necessárias para a fase construtiva.
Para tal, considera-se um modelo simples de uma viga simplesmente apoiada e de um painel de laje
simplesmente apoiado com flexão cilíndrica, respectivamente, na análise das vigas e lajes do
tabuleiro.
4.3.2.1 Laje do tabuleiro
As pré-lajes (ver Figura 4.11 a)) encontram-se apoiadas nas vigas longitudinais e são descontínuas
longitudinalmente na face inferior, impossibilitando o funcionamento nessa direcção. Sendo assim, a
análise das lajes nesta fase é realizada apenas segundo a direcção transversal para momentos
positivos.
64
a)
b)
Figura 4.11 – Pormenor em planta e em corte da pré-laje (adaptado de [18]).
Nesta fase, a laje encontra-se condicionada pelo peso próprio do betão colocado in-situ e sobrecarga
construtiva. De seguida, apresentam-se os cálculos efectuados:
Dimensões
hlaje = 0,15 m
Llaje = 1,99 m
d = 0,084 m, c = 0,06 m
Acções
Pp = (0,15 + 0,15) x 25 = 7,5 kN/m2
Sc = 1 kN/m2
Psd = 1,5 (7,5 + 1) = 12,75 kN/m2
Esforços (modelo simples)
Msd = 6,31 kNm/m
Vsd = 12,69 kN/m
Na Figura 4.11 observa-se as quantidades de armadura existentes na pré-laje. Com isso, obtiveram-
se os seguintes esforços resistentes (ver Tabela 4.9).
Tabela 4.9 – Momentos resistentes das pré-lajes.
As (cm2) ω μ Mrd (kNm/m)
Ø12//10 11,31 0,351 0,277 26,03>Msd
4.3.2.2 Vigas
Na análise das vigas tem-se em conta a Figura 4.12, onde se quantificam as armaduras.
65
Figura 4.12 – Corte da viga (adaptado de [18]).
De seguida, apresentam-se as dimensões e cálculos referentes às vigas pré-fabricadas na fase
construtiva.
Dimensões
hlaje = 0,7 m
Llaje = 7,65 m
d = 0,614 m, c = 0,06 m
Linf = 2,535 m
Acções
Pp = 0,7 x 0,6 x 25 = 10,5 kN/m2
Rcp = 0,2 x 25 x 2,535 = 19,01 kN/m2
Sc = 1x 2,535 = 2,535 kN/m2
Psd = 1,5 (10,5+2,535) = 48,07 kN/m2
Esforços (modelo simples)
Msd = 351,66 kNm/m
Vsd = 183,87 kN/m
Os respectivos esforços resistentes expõem-se na Tabela 4.10:
Tabela 4.10 – Esforços resistentes das vigas pré-fabricadas.
As (cm2) ω μ Mrd (kNm)
7Ø25 + 2Ø20 40,65 0,287 0,238 716,99>Msd OK
Asw/s (cm2/m) Θ (º) z.cotg θ Vrd (kN)
Ø10//0,10 31,40 30 0,957 1045,40>Vsd OK
4.3.3 Fase serviço
Para a verificação da fase de serviço procede-se à utilização do programa de cálculo automático
SAP2000. Com o objectivo de averiguar a necessidade de reforço no tabuleiro realiza-se a análise da
situação mais condicionante, isto é, aferir quais as vigas mais solicitadas e a necessidade, ou não de
reforço.
4.3.3.1 Laje do tabuleiro
Depois de se calibrar o modelo final, averigua-se em serviço o comportamento dos restantes
elementos. Como referido no início deste capítulo, as pré-lajes são descontínuas na direcção
longitudinal, o que leva à necessidade de, no modelo, diminuir a sua rigidez nessa direcção com o
intuito de “encaminhar” os esforços para a direcção transversal. Após várias iterações, os esforços
condicionantes são obtidos quando se posiciona o veículo-tipo na consola lateral, seguindo o modelo
de carga LM1 do Eurocódigo 1.
66
Estados limites últimos
Primeiramente, apresenta-se a Tabela 4.11 com os momentos resistentes da laje em ambas as
direcções para a combinação fundamental.
Tabela 4.11 – Momentos resistentes da laje em ambas as direcções.
Direcção transversal As (cm2/m) ω μ Mrd (kNm)
M-
ø12//0,10 11,31 0,126 0,117 85,07
M+
ø12//0,10 11,31 0,126 0,117 85,07
Direcção longitudinal
As (cm2/m) ω μ Mrd (kNm)
M-
ø10//0,10 7,86 0,092 0,087 63,42
M+ ø10//0,20 3,93 0,046 0,044 32,65
Em seguida, observam-se na Tabela 4.12 os valores dos momentos actuantes na laje, apresentando-
se em anexo as tabelas detalhadas dos mesmos (ver Anexo B).
Tabela 4.12 – Momentos actuantes na laje em ambas as direcções.
Direcção transversal
Msd- (kNm/m) 84.16
Msd+ (kNm/m) 86,10
Direcção Longitudinal
Msd- (kNm/m) 29,95
Msd+ (kNm/m) 40,29
Tendo em conta as tabelas anteriores (ver Tabela 4.11 e Tabela 4.12), conclui-se que, devido ao
processo construtivo, na direcção longitudinal, a resistência da laje deve ser garantida pela armadura
superior, colocada in situ. Contudo, a resistência da armadura superior não é suficiente, sendo
necessário tirar partido de uma pequena parte da resistência inferior da laje na direcção longitudinal.
Estados limites de utilização
A verificação deste requisito regulamentar é avaliado para a combinação frequente de acções.
O deslocamento vertical máximo (ver Figura 4.13) é obtido junto à viga de bordo (zona em consola).
O valor obtido da flecha elástica é de 1,77 mm, que, ao considerar os efeitos de fluência, pode atingir,
aproximadamente, 7 mm. Este valor é inferior ao valor de conforto, sendo comum utilizar L/750 em
pontes.
67
Figura 4.13 – Deformações na laje do tabuleiro em metros.
De acordo com os resultados do modelo (ver anexo C), o momento actuante na laje para a
combinação frequente de acções é igual a 20,36 kN.m/m, inferior ao momento de fendilhação (33
kN.m/m), o que indica que a fendilhação não ocorre na laje.
4.3.3.2 Vigas longitudinais
Na fase de serviço, as vigas longitudinais são avaliadas para acção do veículo-tipo na consola lateral,
seguindo o modelo LM1.
Estado limite último
Na verificação de segurança ao Estado Limite Último utiliza-se a combinação fundamental,
apresentando-se, antes de tudo, os esforços resistentes da viga (ver Figura 4.14 a) e Figura 4.14 b))
na
Tabela 4.13.
a) b)
Figura 4.14 – Corte da viga (zona do apoio a), zona do vão b)) (adaptado de [18]).
68
Tabela 4.13 – Esforços resistentes na zona do apoio e do vão.
Momentos
As (cm2) b (m) ω μ Mrd (kN.m)
Apoio
5ø25 24,55 0,6 0,116 0,108 728,66
Vão 7ø25+2ø20 40,65 2,449 0,047 0,046 1260,83
Esforço transverso
Asw/s (cm2/m) Θ (
o) Vrd (kN)
Apoio
ø10//0,10 31,4 30 1562,85
Vão ø10//0,20 15,72 30 782,42
Os tramos do tabuleiro sujeitos aos esforços mais elevados são os extremos. A partir do modelo
obteve-se a envolvente de esforços de modo a aferir a necessidade ou não de reforço. Posto isto,
apresentam-se em seguida os esforços (ver Figura 4.15, Tabela 4.14, Figura 4.16 e Tabela 4.15) na
viga condicionante (Alinhamento 4, ver Figura 4.2).
Figura 4.15 – Envolvente dos momentos flectores.
Tabela 4.14 – Momentos máximos.
Momentos condicionantes da viga
Msd(e)- (kN.m) -83,82
Msd(d)- (kN.m)
-546,92
Msd+ (kN.m)
1632,41
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 2 4 6 8
Mo
me
nto
s (k
N.m
)
Envolvente dos momentos flectores
Esforços máximos
Esforços mínimos
Msd(-)e
Msd(-)d
Msd(+)
69
Figura 4.16 – Envolvente dos esforços transversos.
Tabela 4.15 – Esforços transversos máximos.
Esforços transversos condicionantes da viga
Vsd(e)- (kN) -801,79
Vsd(d)+ (kN)
-865,20
Estados limite de Utilização
Para as vigas longitudinais é muito importante controlar a abertura de fendas, uma vez que as vigas
são os elementos mais esforçados da estrutura e o ambiente de exposição é muito agressivo.
O controlo da abertura de fendas é verificado indirectamente, de acordo com o EC2, através do
espaçamento máximo e diâmetro dos varões das armaduras principais traccionadas.
Com base nos valores de tensão calculados e sabendo que a armadura é composta por varões de 25
mm de diâmetro, espaçados, aproximadamente, de 60 mm, é possível averiguar que os limites
impostos pelo EC2 - 7.3.3, são respeitados, tanto para o espaçamento de varões, como para o
diâmetro máximo, aplicando a modificação necessária para um fct de 2,2 MPa
Na avaliação das deformações da viga, o cálculo da mesma encontra-se em pormenor no Anexo D,
onde, através do método dos coeficientes globais, se obtém o valor da flecha a longo prazo.
Nas pontes, verifica-se que o limite máximo de deformação em função do vão da viga:
⇒
Redistribuição de esforços
Depois de se obterem os esforços envolventes, pretende-se tirar partido da resistência total da viga.
Para tal, efectua-se uma redistribuição de esforços com objectivo de, caso seja necessário, reforçar
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
0 2 4 6 8
Esfo
rço
tra
nsv
ers
o
Envolvente dos esforços transversos
Esforços máximos
Esforços mínimos
70
apenas a viga para momentos flectores positivos. Analisando a Figura 4.15, a viga não apresenta
capacidade de resistência suficiente para o momento actuante a meio vão. Contudo, este pode
diminuir, fazendo “subir” o diagrama e explorando a folga de resistência nos apoios. Como os
momentos no apoio ainda não ultrapassaram os valores de Mrd, pode-se tirar proveito da sua
capacidade.
Posto isto, apresentam-se, em seguida, os cálculos justificativos que permitem perceber se há ou não
necessidade de reforço.
No apoio de extremidade é possível tirar partido da capacidade resistente das estacas à flexão.
⇔
⇔
O Eurocódigo 2 estabelece um limite δ para a redistribuição de esforços, dado pela seguinte
expressão:
e
(4.5)
Onde:
k2 = 1,25, para εcu2 = 0,0035;
d – altura útil;
x – posição da linha neutra.
⇒
Uma vez verificada a expressão do Eurocódigo 2 é possível fazer uma redistribuição dos esforços
elásticos, isto é, as zonas mais esforçadas apresentam um comportamento suficientemente dúctil de
forma a permitir que as capacidades resistentes das secções se adaptem aos esforços actuantes.
Neste caso, tira-se partido da folga da resistência dos apoios para se proceder ao reforço na zona de
momentos positivos.
71
5 Reforço do viaduto
5.1 Introdução
No presente capítulo procede-se ao dimensionamento das soluções discutidas no capítulo 3. Depois
de aferida a necessidade de reforço, este capítulo tem como objectivo compreender qual a melhor
solução a adoptar no viaduto, tendo em conta os materiais do viaduto e o ambiente em que este se
encontra inserido.
No viaduto em estudo e com base no que já foi discutido no capítulo anterior, o reforço tem como
objectivo melhorar a resistência à flexão das vigas, apresentando-se, em seguida, os cálculos e
verificações de segurança a efectuar no dimensionamento para o estado limite último.
5.2 Opção de reforço com encamisamento
No reforço por encamisamento começa-se por definir os materiais a utilizar, tendo por base as
prescrições relativas à composição e classe de resistência do betão definidas na especificação LNEC
E464 (ver Tabela 5.1).
Tabela 5.1 – Materiais utilizados no reforço por encamisamento.
Material de reforço
Aço A500
Betão C35/45
Reforço à flexão
Com base no modelo de cálculo da Figura 3.18 e seguindo os pressupostos seguintes (ver Tabela
5.2), procede-se ao cálculo da armadura equivalente (As,eq).
Tabela 5.2 – Pressupostos utilizados no cálculo da armadura equivalente.
Pressupostos
Secção de viga em T
Espessura do novo betão (m) 0,05
b (m) 2,449
di (m) 0,914
dr (m) 0,964
deq (m) 0,92
Asi(cm2) 40,65
β 0,2
γn,M 0,9
Msd (kN.m) 1470,38
Assim tem-se:
72
Com base na equação 3.5, pode-se calcular o valor necessário de armadura de reforço:
Desta forma, define-se como armadura de reforço 6ø16, ou seja, 12,06 cm2.
Por último, realiza-se uma pequena verificação, para confirmar se o deq utilizado no cálculo é
conservativo. Para tal, tem-se como base a equação 3.4.
Ligação betão existente/betão novo
Na análise estrutural obteve-se o esforço transverso condicionante:
Com as equações 3.6 e 3.7 calculam-se as tensões tangenciais.
Uma vez calculada a tensão tangencial, compara-se essa com a tensão resistente, tirando partido da
expressão definida no EC2 (ver equação 3.9).
0,66 +
Temos:
c = 045 e μ=0,7, assumindo uma superfície rugosa.
Outro dado importante é o facto da parcela responsável pela adesão ser suficiente para
garantir a verificação ( ). Contudo, e para garantir uma solução
mais robusta, aplica-se uma armadura de 3 conectores de ø6//0,3.
Assim temos a seguinte solução (ver Figura 5.1). E no anexo E – desenho nº 2 encontra-se com
maior rigor as pormenorizações da solução.
73
Figura 5.1 – Pormenorização da solução a aplicar no viaduto.
5.3 Opção de reforço com recurso a chapas metálicas
Mais uma vez, no reforço por colagem de chapas metálicas começa-se por definir os materiais de
reforço (ver Tabela 5.3).
Tabela 5.3 – Material utilizado no reforço por colagem de chapas metálicas.
Material de reforço
Aço S235 Antes de se proceder ao reforço faz-se a seguinte verificação:
{
Neste caso o valor está próximo do limite, deve-se ter em conta o controlo de fendilhação.
Reforço à flexão
Assim, com base nos pressupostos da tabela, pode-se calcular o valor de armadura de reforço.
Tabela 5.4 – Pressupostos utilizados no cálculo da armadura equivalente.
Pressupostos
Secção de viga em T
b (m) 2,449
di (m) 0,914
dr (m) 1,0
deq (m) 0,92
Asi(cm2) 40,65
β 0,2
γn,M 1
Msd (kN.m) 1470,38
74
Novamente, recorrendo à equação 3.5 tem-se:
Desta forma, define-se como armadura de reforço uma chapa de 160x8 (mm) (ver Figura 5.2)),
perfazendo uma armadura de 12,8 cm2. Contudo, deve-se ter em conta a furação necessária para a
colocação dos conectores.
Figura 5.2 – Pormenorização da solução de reforço por chapas metálicas.
Verificação da ligação chapa/betão
A equação 3.14 permite verificar a segurança da ligação.
Onde:
l – representa a distância da secção de esforço máximo à extremidade da chapa.
Neste caso, a adesão da chapa já seria suficiente, contudo considera-se a aplicação de conectores
para uma melhor robustez da solução. Para tal, e com base na informação disponibiliza pela ficha
técnica HILTI, aplicam-se conectores M10 com as seguintes características (ver Tabela 5.5).
Tabela 5.5 – Características do conector.
HVA M10
@8
fa 0,82
fb 0,8
Rd 8,5
75
Comprimento das chapas
Calcula-se em seguida o comprimento das chapas, tendo por base o diagrama de momentos
actuantes (ver equação 5.1).
(5.1)
Na zona do apoio deve-se calcular o valor de força de tracção na armadura devida ao esforço
transverso e verificar a sua necessidade ou não de reforço.
(
)
Por último, calcula-se o valor de força de tracção na chapa nas secções a partir das quais é possível
fazer a dispensa das chapas e calculam-se os conectores necessários a aplicar nessa zona para
realizar a amarração.
(
)
(
)
Com base na equação 5.1 de momentos é possível determinar as secções de dispensa.
{
Com o valor de força de tracção, e semelhante à verificação da ligação chapa/betão, verifica-se se é
necessário colocar conectores, ou se a força de adesão é suficiente para resistir.
A aplicação de conectores segue a informação disponibilizada pela HILTI, aplicando se conectores
M16 com as seguintes características (ver Tabela 5.6).
Tabela 5.6 – Características dos conectores.
HVA M16
@11
fa 0,79
fb 0,8
Rd 23,4
Tendo em conta o valor da força de tracção, optou-se por agrupar os conectores (2 conectores – ver
Figura 5.3).
76
Figura 5.3 – Pormenorização da solução de reforço com dois conectores.
No anexo E – desenho nº 3 encontram-se as pormenorizações da solução com maior detalhe.
5.4 Opção de reforço com laminados CFRP
Utilizam-se laminados CFRP pré-fabricados em fibras de carbono comercializados por S&P
Laminates CFK.
Semelhante ao reforço com chapas metálicas, começa-se por calcular o valor de área equivalente de
armadura, com base no modelo de cálculo da Figura 3.35.
A partir das fichas técnicas da S&P Laminates, escolhe-se um laminado com área igual ou superior à
necessária. Neste caso, opta-se por utilizar dois laminados tipo 200/2000 - 80x1,4, perfazendo uma
área de laminado de 2,24 cm2 (ver Figura 5.4).
Mais uma vez, deve-se verificar a validade do deq adoptado (ver equação 3.4).
Figura 5.4 – Viga reforçada com dois laminados (Af=2,24 cm
2).
77
Verificação da zona de ancoragem
A verificação da zona de ancoragem é realizada de acordo com a equação 3.21.
√
Onde:
bf = 80 mm;
Ef = 200000 MPa;
tf = 1,4 mm;
fctm = 2,2 MPa;
α = 1;
kb =1,25 – ver equação 5.8;
kc = 0,85.
√
√
Cálculo da envolvente da força de tracção
Com base na equação 5.1 de momentos, já referida na secção 5.3, é possível determinar as secções
de dispensa de laminado e assim calcular o valor de força de tracção no laminado para evitar
problemas de descolagem.
{
Assim tem-se o valor de força de tracção:
{
(
)
Neste caso existe a necessidade de aumentar o comprimento de amarração.
{
(
)
78
Tensão de corte na ligação
Para s> syd:
Com Fs=Fyd,
(
)
{
Refazendo as contas, e agora adoptando um comprimento maior de laminado e um valor de módulo
de elasticidade menor obtêm-se os seguintes resultados.
Apesar de o valor de área necessário ser de 2,52 cm2, opta-se por um valor maior, aumentando
assim a largura do laminado. A partir das fichas técnicas da S&P Laminates, escolhe-se dois
laminados tipo 150/2000 - 150x1,4, perfazendo uma área de laminado de 4,20 cm2.
Seguindo a metodologia anterior para o cálculo da força de tracção e tensão de corte tem-se os
seguintes resultados.
{
(
)
{
Contudo, na aplicação dos laminados CFRPs, para tornar a solução mais eficaz, é normal envolver a
viga com tiras de manta do mesmo material, melhorando a resistência ao corte. Assim, como o valor
é muito próximo do limite, esta solução já é aceitável.
Com um maior detalhe, apresentam-se no anexo E – desenho nº4 as pormenorizações da solução.
79
6 Considerações finais
Neste capítulo apresenta-se um resumo das principais conclusões, tendo por base os diversos
elementos bibliográficos consultados e o trabalho desenvolvido ao longo da dissertação.
Com a realização deste trabalho pode concluir-se que os objectivos inicialmente propostos foram
parcialmente cumpridos, uma vez que não foram abordadas todas as técnicas de reparação e reforço
de estruturas de betão armado. Isto deve-se ao facto de a matéria relacionada com o tema de
reabilitação de estruturas ser muito extensa. Contudo, foi possível realizar uma descrição geral sobre
o tema em desenvolvimento, dando especial detalhe às três técnicas de reforço adoptadas.
Após a realização deste trabalho constatou-se que a avaliação das condições relativas à deterioração
e segurança estrutural da obra existente é sempre um aspecto muito importante e delicado. A recolha
de toda a informação disponível sobre o projecto e a obra associada à avaliação atrás referida é
fundamental na escolha do tipo de intervenção a implementar na estrutura em causa.
Na avaliação da situação de obras existentes, conclui-se que a principal causa do nível de
degradação das estruturas de betão armado inseridas em ambiente marítimo deve-se à deficiente
avaliação das acções ambientais. Esta falta de cuidado reduz a vida útil das pontes e viadutos,
apresentando deterioração já significativa nos primeiros anos de vida.
Outro aspecto importante da avaliação está relacionado com a modelação da estrutura para
avaliação do comportamento estrutural. Normalmente, a modelação de estruturas novas já envolve
um esforço significativo. A modelação de uma estrutura existente com danos é ainda mais
complicada.
Uma vez aferida a necessidade de intervir existe uma variedade de técnicas possíveis de aplicar. Um
dos objectivos deste trabalho consistiu no estudo de três técnicas de reforço estrutural a aplicar, num
caso particular, no viaduto. A maior parte das patologias detectadas no viaduto deve-se aos efeitos
da elevada agressividade do ambiente associado à utilização de um betão com qualidade
inadequada. Por outro lado, existe a necessidade de efectuar trabalhos de manutenção e
conservação das obras, uma vez que a agressividade do ambiente onde se inserem estas estruturas
tende a diminuir a vida útil das mesmas, sendo indispensável fazer inspecções periódicas e adoptar
uma estratégia de prevenção de modo a controlar a evolução da deterioração invés de se intervir
quando os níveis de deterioração da estrutura já são muito evidentes.
Do ponto de vista da aplicação das técnicas escolhidas, hoje em dia já é possível garantir um elevado
controlo de qualidade e assim garantir um nível de qualidade adequado na sua execução. Porém, é
importante escolher a técnica mais conveniente para cada de tipo de problema, garantido, tanto a
durabilidade e qualidade dos sistemas e materiais a adoptar, como a segurança e durabilidade das
estruturas de betão armado. Contudo, ao nível do seu dimensionamento, ainda não existe uma
regulamentação completa, sendo este o principal problema no reforço de estruturas.
80
Relativamente às técnicas adoptadas no reforço do viaduto conclui-se que ambas apresentam
vantagens e desvantagens na sua aplicação. O reforço por encamisamento de betão armado é uma
técnica de simples execução. Contudo requer mais trabalhos preparatórios e interfere na utilização da
estrutura. Para além disso, implica o aumento das dimensões das secções transversais e o tempo de
espera para que o betão atinja a resistência pretendida é também uma desvantagem. Em termos de
execução, a colagem de chapas metálicas ou de CFRPs, apresentam menos dificuldades que o
encamisamento de betão. A colagem de chapas metálicas, sendo mais fácil de aplicar, tem um uso
mais comum e regulamentado. Contudo, em comparação com os CFRPs, para o ambiente marítimo,
apresentam problemas de corrosão e as peças são bastantes pesadas. A colagem de CFRPs,
permite controlar os problemas relacionadas com a corrosão e os laminados são materiais bastante
leves. Porém, como é uma técnica que funciona apenas por colagem, a resistência à tracção do
betão da estrutura existente pode influenciar a sua aplicação levando, como no exemplo de aplicação
considerado neste estudo, a um aumento de área do laminado.
81
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Materials and Structures, Vol. 32, May 1998, pp 252-259.
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de Reabilitação e Reforço de Estruturas, Instituto Superior Técnico.
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Porto
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Reabilitação e Reforço de Estruturas, Instituto Superior Técnico.
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[17] – PIRES, Miguel Ângelo Silva. (2011), “Interacção estrutura/fundação/terreno: influência das
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do grau de Mestre em engenharia civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de
Lisboa.
[18] – A2P Estudos e projectos. (2010), Levantamento de anomalias, Viaduto de acesso.
[19] – A2P Estudos e projectos. (2010), “Memória Descritiva e Cálculos Justificativos da Reabilitação
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[20] – PFEIL, W. (1979), “Pontes em Betão Armado”, Livros Técnicos e Científicos.
[21] – COSTA, A., APPLETON, J., MOURA, R., GONÇALVES, P., “Reparação da Doca 22 do
Estaleiro da Lisnave”, http://www.civil.ist.utl.pt/~cristina/GDBAPE/Artigos/Ultimos/Artigo-lisnave.pdf.
[22] – COSTA, V. (2009) – “Desempenho e Reabilitação de Pontes Rodoviárias: Aplicação a Casos
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[23] – HASSAN, S. (2015) – “16–PHD–Chapter2”, Universiti Teknologi Malaysia.
[24] – SEMINÁRIO DURATINET. (2013), “Estruturas de betão”, “Métodos de Protecção e Reparação”,
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[25] – RIBEIRO, Daniel., SALES, Almir., SOUSA, Carlos Alberto., ALMEIDA, Fernando., CUNHA,
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[26] – MEARS R. B., BROWN, R. H. (1938), “A Theory of Cathodic Protection”, “Transaction of the
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[27] – APPLETON, J., COSTA, A., “REPARAÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO”,
Reabilitação e Reforço de Estruturas, Instituto Superior Técnico.
[28] – MOURA, Rita. “Reabilitação e Manutenção de Edifícios”, Modulo:06 – Reabilitação de Edifícios
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[29] – APPLETON, J., GOMES, A. “Reforço de Estruturas de Betão Armado por Encamisamento das
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83
[30] – Júlio E. (2011), “Ligação entre betões de diferentes idades”, Folhas de apoio às aulas de
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[31] – TECHNIQUES, soluções de engenharia., “Reforço estrutural em Concreto”,
http://techniques.com.br/wp-content/uploads/2013/07/261-1024x768.jpg.
[32] – REHABCON, EU-Project. (2001], “ANNEX I – Strengthening with reinforcement concrete”,
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[33] – APPLETON, J., COSTA, A. (2011), “REABILITAÇÂO E REFORÇO DE ESTRUTURAS”,
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[34] – Concrete Repair Products and Systems. (2014), “Structural Strengthening to Repair Reinforced
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[35] – APPLETON, J., GOMES, A. “Reforço de Estruturas de Betão Armado por Adição de Armaduras
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[36] – REHABCON, EU-Project. (2001], “ANNEX K – Strengthening of concrete strutures using
externally bonded steel plates”, Strategy for maintenance and rehabilitation in concrete structures,
Innovation and SME Programme.
[37] – ALIBABA.COM. (1999), “Super alta resistência peso leve 100% CFRP laminado laminado de
folha de fibra de carbono para reforço de concreto”, https://portuguese.alibaba.com/product-gs/super-
high-strength-light-weight-100-carbon-fiber-laminated-sheet-cfrp-laminate-for-strengthening-concrete-
60407332517.html.
[38] – CORREIA, João Ramôa. (2012), “UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS FRP NA REABILITAÇÃO E
REFORÇO DE ESTRUTURAS”, Reabilitação e Reforço de Estruturas, Instituto Superior Técnico.
[39] – CRUZ, J. (2011), “Aula 17: Projecto de Reforço com FRP”, Reabilitação e reforço de Estruturas,
Instituto Superior Técnico.
[40] – FIB (2001) “Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”.
[41] – S&P CLEVER REINFORCEMENT COMPANY AG. (1995), HTTP://WWW.SP-
REINFORCEMENT.CH/SITES/DEFAULT/FILES/STYLES/DEFAULT_COL_12/PUBLIC/FIELD_PROD
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[43] – COMPUTERS AND SCTRURES. (2004), “Basic Analysis Reference Manual”, Berkeley,
California, USA, http://www.grad.hr/csi/web___manuals/04%20%20%20SapBasic.pdf.
84
[44] – Norma Portuguesa EN1504. (2006), “Produtos e Sistemas para a Protecção e Reparação de
Estruturas de Betão. Definições, requisitos, controlo de qualidade e avaliação de comformidade”,
Instituto Português da Qualidade, Portugal.
[45] – EN 1992-1-1 (2004) (English): Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General
rules and rules for buildings.
Anexos
Anexo A
Características dos 12 modos de vibração do viaduto
Modo Frequência
(Hz)
Período
(s)
Translação X Translação Y Translação Z Rotação Z
% %
Acum. %
%
Acum. %
%
Acum. %
%
Acum.
1 0,999 1,001 0,000 0,000 91,791 91,791 0,000 0,000 0,000 0,000
2 1,012 0,988 91,968 91,968 0,000 91,791 0,000 0,000 0,026 0,026
3 1,245 0,803 0,025 91,993 0,000 91,791 0,000 0,000 89,356 89,382
4 5,077 0,197 0,000 91,993 0,146 91,937 37,946 37,946 0,000 89,382
5 5,232 0,191 0,000 91,993 0,126 92,063 41,510 79,456 0,000 89,382
6 5,588 0,179 0,002 91,995 0,000 92,063 0,000 79,456 0,071 89,453
7 5,777 0,173 0,001 91,996 0,000 92,063 0,000 79,456 0,180 89,633
8 6,872 0,146 0,000 91,996 0,024 92,087 10,452 89,908 0,000 89,633
9 7,080 0,141 0,000 91,996 0,053 92,140 4,845 94,753 0,000 89,633
10 8,422 0,119 0,028 92,024 0,000 92,140 0,000 94,753 0,088 89,721
11 8,601 0,116 0,028 92,052 0,000 92,140 0,000 94,753 0,110 89,831
12 9,710 0,103 0,000 92,052 0,005 92,145 0,080 94,833 0,000 89,831
Anexo B
Cálculo dos momentos actuantes na laje do tabuleiro do viaduto
De uma forma simplificada, na avaliação dos momentos flectores actuantes na laje do tabuleiro teve-se em conta que estes devem ser corrigidos, seguindo
os seguintes critérios:
{
| |
| |
Assim, apresenta-se as seguintes tabelas resumo dos momentos flectores para ambas as direcções:
Elemento Ponto M22
(kN.m/m) M12
(kN.m/m) My
+
(kN.m/m)
Msdy+
(kN.m/m) Linf (m)
Msd,y+
(kN.m) Msdy
+
(kN.m) L (m)
Msd+
(kN.m/m) MRD
(kN.m/m)
5882
4688
9,69 13,18 22,86
23,63 0,46 10,87
180,80 2,10 86,10 85,07
5888 9,20 14,31 23,50
5881 9,91 14,58 24,49
5887 9,41 14,23 23,65
5881
3025
53,66 13,00 66,66
70,63 0,42 29,67 5887 54,22 13,94 68,16
5878 53,69 16,48 70,17
5884 54,89 22,65 77,54
5878
4686
136,25 11,47 147,71
161,69 0,42 67,91 5884 153,43 18,81 172,24
5877 136,24 22,78 159,02
5883 153,49 14,30 167,79
5877
3024
70,36 24,51 94,87
90,31 0,42 37,93 5883 70,48 16,72 87,20
5934 69,38 18,98 88,36
5936 69,85 20,97 90,82
5934
4715
67,47 21,40 88,87
95,78 0,36 34,48 5936 79,02 19,50 98,52
5933 68,63 27,25 95,87
5935 80,17 19,70 99,87
Elemento Ponto M22
(kN.m/m) M12
(kN.m/m) My
-
(kN.m/m)
Msdy-
(kN.m/m) Linf (m)
Msd,y-
(kN.m) Msdy
-
(kN.m) L (m)
Msd-
(kN.m/m) MRD
(kN.m/m)
3666
3097
-25,47 -17,74 43,21
51,06
0,56
28,59
180,10 2,14 84,16
85,07
3669 -28,14 -21,58 49,71
1100 -26,80 -23,23 50,03
1102 -29,46 -31,82 61,28
1100
797
-59,69 -25,47 85,16
84,31
0,36
30,35
1102 -60,84 -33,36 94,20
1099 -58,39 -18,97 77,36
1101 -59,03 -21,50 80,53
1099
3026
-179,35 -15,85 195,20
174,96
0,36
62,99
1101 -177,57 -17,30 194,87
5882 -143,01 -13,04 156,05
5888 -141,61 -12,10 153,71
5882
4688
-60,98 -15,61 76,59
76,34
0,43
32,83
5888 -60,75 -13,99 74,74
5881 -61,57 -15,42 76,98
5887 -61,34 -15,72 77,06
5881
3025
-41,25 -14,86 56,11
59,00
0,43
25,37
5887 -41,16 -14,53 55,69
5878 -41,25 -25,31 66,56
5884 -41,16 -16,49 57,64
Elemento Ponto M11
(kN.m/m) M12
(kN.m/m) Mx
+
(kN.m/m) Msdx
+
(kN.m/m) Linf (m)
Msd,x+
(kN.m) Msdx
+
(kN.m) L (m)
Msd+
(kN.m/m) MRD
(kN.m/m)
5876
4682
9,02 22,18 31,20
41,04 0,46 18,88
56,40 1,40 40,29 32,65
5870 26,51 13,67 40,18
5869 30,05 16,41 46,46
5875 26,51 19,81 46,32
5878
4585
28,17 19,86 48,03
46,92 0,46 21,58 5876 28,33 17,28 45,60
5875 28,32 20,03 48,36
5877 28,17 17,51 45,68
5878
4686
9,20 11,47 20,67
34,82 0,46 16,02 5884 26,75 18,81 45,56
5877 9,20 22,78 31,99
5883 26,75 14,30 41,05
Elemento Ponto M11
(kN.m/m) M12
(kN.m/m) Mx
-
(kN.m/m)
Msdx-
(kN.m/m) Linf (m)
Msd,x-
(kN.m) Msdy
-
(kN.m) L (m)
Msd-
(kN.m/m) MRD
(kN.m/m)
5902
4698
-10,51 -17,41 27,92
26,04 0,46 11,98
68,89 2,30 29,95 63,42
5901 -10,48 -17,20 27,68
5908 -3,91 -16,27 20,18
5907 -3,87 -24,50 28,36
5908
4701
-7,04 -24,53 31,56
27,22 0,46 12,52 5910 -10,23 -20,33 30,56
5907 -7,18 -17,14 24,33
5909 -10,38 -12,06 22,44
578
4702
-27,98 -11,92 39,90
43,04 0,46 19,80 5910 -28,29 -18,31 46,60
5909 -28,02 -12,09 40,11
577 -27,69 -17,85 45,54
578
535
-10,29 -11,63 21,92
26,99 0,46 12,42 580 -7,02 -16,95 23,98
577 -10,44 -19,83 30,26
579 -7,16 -24,64 31,80
579
536
-3,92 -17,04 20,95
26,48 0,46 12,18 580 -3,96 -24,28 28,23
585 -10,63 -18,53 29,16
586 -10,65 -16,93 27,58
Anexo C
Verificação indirecta da fendilhação da laje
No caso da laje utiliza-se a combinação frequente de acções no cálculo do momento de fendilhação.
Mcr – Momento de fendilhação;
fctm – valor médio da tensão de rotura à tracção do betão;
b – largura da secção;
h – altura da secção.
Posto isto, apresenta-se a tabela resumo do cálculo do momento flector actuante na laje para
combinação acima indicada.
Elemento Ponto M11
(kN.m/m) M12
(kN.m/m) Mx
-
(kN.m/m)
Msdx-
(kN.m/m) Linf (m)
Msd,x-
(kN.m) Msdy
-
(kN.m) L (m)
Msd-
(kN.m/m) Mcr
(kN.m/m)
5881
4688
1,60 2,75 5,67
4,90 0,46 2,25
42,34 2,1 20,36 33,00
5882 0,89 1,72 4,38
5887 2,19 3,77 5,56
5888 1,51 1,67 3,97
5877
3024
23,39 4,66 28,05
29,41 0,42 12,35 5883 24,47 5,74 30,21
5934 23,86 5,44 29,30
5936 24,51 5,57 30,08
5878
3025
18,39 4,67 23,06
22,25 0,42 9,35 5881 15,72 5,00 20,72
5884 19,72 4,15 23,87
5887 16,18 5,16 21,35
5877
4686
35,05 4,02 39,07
38,85 0,42 16,32 5878 34,59 2,90 37,49
5883 36,59 3,28 39,88
5884 36,21 2,77 38,98
5933
4715
1,69 14,94 5,14
5,78 0,36 2,08 5934 2,71 17,32 6,31
5935 2,51 14,79 5,92
5936 3,52 18,64 5,77
Anexo D
Verificação de segurança aos estados limite de serviço – Viga
Cálculo das deformações
Para o cálculo da deformação máxima aplica-se o método dos coeficientes globais. Este possibilita
obter o valor de flecha a longo prazo, tendo em conta o valor de flecha elástica obtido do programa de
cálculo automático. Ao valor de flecha elástica é aplicado um coeficiente de correcção K, que tem em
conta o efeito da fendilhação, das armaduras e da fluência.
Segundo o método acima mencionado a flecha a longo prazo é dado por:
(
)
ac – flecha elástica;
Kt – coeficiente que tem em conta o efeito da fendilhação, das armaduras e da fluência;
η – parâmetro que tem em consideração as armaduras de compressão;
h – altura da secção do elemento;
d – altura útil do elemento.
De forma conservativa, despreza-se o efeito da armadura de compressão. Contudo teve-se em conta
que a flecha no vão depende das curvaturas no mesmo, mas também do que se passa sobre os
apoios.
Assim, o valor de flecha a longo prazo é dado por:
(
)
(
)
Por último, apresenta-se em seguida a tabela com os dados para o cálculo da deformação.
Vão Apoio
Mcr (kN.m) 220
Mf(kN.m)
573,6 296,93
Mcr/Mf 0,38 0,74
As (cm2) 40,65
α.ρ 0,05
φ 2,5
kt 3,5 3,25
ac (mm) 1,206
at (mm) 5,396
L/750 (mm) 11> at → OK
Anexo E
Pormenorizações
BETÃO
- Existente B25BD2.1- c= 60 mm
c - Recobrimento nominal mínimo
- Armaduras em Varão: A400NR
5ø20 2ø20+2ø12 5ø20 2ø20+2ø12 5ø20
ESTACAS ø0,60
ESTACAS ø0,60
ESTACAS ø0,60
Est. ø10//0.10 (4Ramos)
1,50
Est. ø10//0.10 (4Ramos)
1,50
Est. ø10//0.10 (4Ramos)
1,50
Est. ø10//0.10 (4Ramos)
1,50
Est. ø10//0.20 (4Ramos) Est. ø10//0.20 (4Ramos)
2ø12 (cada face)5ø25 7ø25 2ø20 5ø25
5ø25
2ø12 2ø12
0,50 0,50 0,50 0,50
2,10 0,60 2,100,60 2,10 0,60 2,100,60
7,65 7,65
AB C
Vigas longitudinais 1, 2, 3 e 4 (1.00x0.60)
Esc. 1:50
1
1
2
2
Corte 1-1
Esc. 1:25
Corte 2-2
Esc. 1:25
2ø12 (cada face)5ø25 7ø25 2ø20 5ø25
0,50 0,50 0,50 0,50
1,00
0,30
0,60
1,00
0,30
0,60
7ø25
2ø20
2ø12 (cada face)
7ø25
2ø20
2ø12 (cada face)
2ø20+2ø12
5ø25
MATERIAIS
AÇO
Nuno Vieira nº 72427
Identificação:
Desenho nº:
Indicadas
Escala:
Tese de Mestrado
1/4
Mestrado integrado em Engenharia Civil
Data:
Outubro 2016
LEVANTAMENTO
Designação:
PRODUCED BY AN AUTODESK EDUCATIONAL PRODUCTP
RO
DU
CE
D B
Y A
N A
UT
OD
ES
K E
DU
CA
TIO
NA
L P
RO
DU
CT
PRODUCED BY AN AUTODESK EDUCATIONAL PRODUCTP
RO
DU
CE
D B
Y A
N A
UT
OD
ES
K E
DU
CA
TIO
NA
L P
RO
DU
CT
ESTACAS ø0,60 ESTACAS ø0,60ESTACAS ø0,60
8,25 8,25
AB C
4ø16 4ø16
Vigas longitudinais 1, 2, 3 e 4 (1.05x0.70) - Reforço por encamisamento de betão
Esc. 1:50
1
1
Corte 1-1
Esc. 1:25
MATERIAIS
Nuno Vieira nº 72427
Tese de Mestrado
Escala:
Desenho nº:
Identificação:
Indicadas
2/4
Mestrado integrado em Engenharia Civil
Data:
Outubro 2016
REFORÇO POR ENCAMISAMENTO EM
BETÃO ARMADO
Designação:
Pormenor do betão a remover
Esc. 1:25
0,30
0,60
1,00
0,70
1,05
0,30
4ø16
- Reforço - NP EN 206-1: C35/45 - XS3 - Cl 0.2 - Dmax 25 - S4 - c = 55 mm
c - Recobrimento nominal mínimo
- Superfície rugosa: c=0,45 e =0,70
AÇO
-Armaduras em Varão: Reforço - A500NR SD
2ø12 (cada face)
PRODUCED BY AN AUTODESK EDUCATIONAL PRODUCTP
RO
DU
CE
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CONECTORES
AB C
Vigas longitudinais 1, 2, 3 e 4 (1.00x0.60) - Reforço com recurso a chapas metálicas
Esc. 1:50
1,58 4,02
1
1
2
2
Corte 1-1
Esc. 1:25
Corte 2-2
Esc. 1:25
- M10 - Vrd ≥ 5,58 kN
- M16 - Vrd ≥ 15,16 kN
8,25 8,25
Chapa metálica (16x8 cm) Chapa metálica (16x8 cm)
MATERIAIS
0,05
Pormenor
Esc. 1:5
0,30
1,00
0,60
0,30
1,00
0,60
2,30 2,90
Nuno Vieira nº 72427
Tese de Mestrado
Designação:
ESTACAS ø0,60 ESTACAS ø0,60
Identificação:
Escala:
Desenho nº:
Indicadas
Mestrado integrado em Engenharia Civil
3/4Outubro 2016
Data:
REFORÇO POR COLAGEM DE
CHAPAS METÁLICAS
ESTACAS ø0,60
- Chapa metálica: S235
0,160
0,008
0,106
0,012
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8,25 8,25
AB C
Vigas longitudinais 1, 2, 3 e 4 (1.00x0.60) - Reforço com colagem de laminados CFRPs
Esc. 1:50
0,40 5,60
1
1
Corte 1-1
Esc. 1:25
Pormenor
Esc. 1:5
MATERIAIS
0,30
1,00
0,60
2,00 3,50
2 Laminados (15x0,14 cm) 2 Laminados (15x0,14 cm)
Identificação:
Tese de Mestrado
Nuno Vieira nº 72427
Escala:
Desenho nº:
Indicadas
Outubro 2016
Data:
4/4
Designação:
REFORÇO POR COLAGEM DE
LAMINADOS CFRP
Mestrado integrado em Engenharia Civil
2 laminados (15x0.14 cm)
ESTACAS ø0,60 ESTACAS ø0,60ESTACAS ø0,60
Propriedades
Módulo de elasticidade (médio) 165000 MPa
Resistência à tracção
Laminados
= 8‰
1000 MPa
6‰
1300 MPa
Propriedades Mantas
Módulo de elasticidade 240000 MPa
Força de tracção
140 kN
6‰
1000 MPaResistência à tracção
Manta
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