Inspeção e reabilitação de estruturas de betão armado ...· a exposição ao incêndio em lajes

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Inspeo e reabilitao de estruturas de beto armado

danificadas pela ao do fogo

Ana Sofia Torres Borges Vieira

Dissertao para obteno do grau de mestre em

Engenharia Civil

Orientador: Prof. Doutor Joo Pedro Rama Ribeiro Correia

Orientador: Prof. Doutor Joo Pedro Laje da Costa Firmo

Jri:

Presidente: Prof. Doutor Antnio Manuel Figueiredo Pinto da Costa

Orientador: Prof. Doutor Joo Pedro Laje da Costa Firmo

Vogal: Prof. Doutor Antnio Jos da Silva Costa

Novembro 2017

i

Resumo

As estruturas de beto armado tm geralmente um bom comportamento ao fogo, para o que contribui

a no-combustibilidade e reduzida condutividade trmica do beto. Contudo, as estruturas podem ser

afetadas pelas temperaturas elevadas, dependendo os seus danos da severidade do incndio. A

diminuio da resistncia dos elementos estruturais resulta da reduo das propriedades mecnicas

do beto e do ao devido s elevadas temperaturas a que ficam sujeitos durante um incndio. As lajes

de beto armado so particularmente afetadas pela ao do incndio devido reduzida espessura e

recobrimento. Deste modo, importante caracterizar as propriedades mecnicas residuais do beto e

do ao atravs de ensaios de inspeo estrutura, para que se possa selecionar os mtodos e

materiais de reparao mais apropriados.

Neste sentido, o principal objetivo desta dissertao consistiu em estudar diferentes ensaios de

inspeo aplicados a lajes de beto armado danificas pela ao do fogo e, posteriormente, avaliar a

eficcia da reparao de lajes por colagem de laminados de CFRP colocados em rasgos no beto de

recobrimento (tcnica NSM). Para o efeito, foi realizado um programa experimental que compreendeu

a exposio ao incndio em lajes simplesmente apoiadas, nas quais se aplicou uma carga de servio

e um aquecimento segundo a curva de incndio padro da norma ISO 834. Fez-se variar o tempo de

exposio ao incndio entre 60 e 120 minutos, com o objetivo de se estudar dois nveis de deteriorao

distintos. Realizaram-se diferentes ensaios de inspeo ao beto (inspeo visual, ensaio de ultrassons

(UPV), ensaio de esclermetro, e o Fire Behaviour Test FBTest, que inclui ensaios de compresso

diametral e absoro de gua por imerso) e ensaios de inspeo s armaduras. Posteriormente,

realizaram-se ensaios de flexo a temperatura ambiente a uma laje no exposta e a duas lajes expostas

ao incndio, uma no reparada e outra reparada, a fim de avaliar a degradao introduzida na laje pela

ao do incndio e a eficcia da tcnica de reparao, respetivamente.

Os resultados deste programa experimental mostraram que os ensaios de inspeo in-situ apresentam,

no geral, grande disperso de resultados. A aplicao da UPV e do esclermetro a diferentes

profundidades no forneceu resultados fiveis, sugerindo que este tipo de ensaios no fornecem

resultados representativos do real grau de dano do beto quando aplicados a amostras de reduzida

espessura e/ou de reduzida dimenso (dimetro). No ensaio FBTest concluiu-se que os ensaios de

trao por compresso diametral fornecem resultados mais conclusivos sobre a degradao das

propriedades do beto sujeito a temperaturas elevadas do que o ensaio da absoro de gua. A

reparao com laminados de CFRP inseridos em rasgos no beto de recobrimento permitiu um

aumento de resistncia da laje, embora no tenha permitido tirar partido da ductilidade dos vares de

ao.

Palavras-chave: beto armado, exposio ao fogo, tcnicas de inspeo, tcnicas de reparao,

laminados de CFRP, estudo experimental.

ii

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Abstract

Reinforced concrete (RC) structures present in general a good fire behaviour, due to the non-

combustibility of the constituent materials and the relatively low thermal conductivity of concrete.

However, RC structures can suffer fire-induced damage, depending on the severity of the fire. As a result

of the exposure to very high temperatures during a fire, the mechanical properties of concrete and

reinforcing steel bars may be significantly reduced, which lead to a loss of strength of the RC structures.

RC slabs are especially prone to be damaged by fire due to their lower thickness and concrete cover.

Thus, it is important to define the residual mechanical properties of concrete and steel through inspection

tests in order to design appropriate repair solutions.

The main goal of the present study was to assess both field and laboratory inspection techniques applied

to fire-damaged RC slabs and then investigate the bending behaviour of fire-damaged RC slabs repaired

and strengthened with near surface mounted (NSM) carbon fibre reinforced polymers (CFRP) strips. To

this end, an experimental program was performed, which consisted in subjecting simply supported RC

slabs to the ISO 834 standard fire curve and a service mechanical load. In order to study two different

deterioration levels, the slabs were exposed to fire for 60 and 120 minutes. Different concrete inspection

tests were performed (visual assessment, ultrasonic pulse velocity test, Schmidt test, and Fire Behaviour

Test FBTest, comprising splitting tensile tests and water absorption tests) and tensile tests were also

performed on steel rebars. In addition, an unheated slab, and two fire-damaged slabs, one unrepaired

and the other CFRP-strengthened, were subjected to flexural tests at room temperature, with the aim of

measuring (i) the effect of the fire-damage and of (ii) the efficacy of the NSM-CFRP strips, respectively.

The results obtained show that in general the in situ inspection tests presented a very significant scatter.

The application of the UPV and Schmidt tests at different depths did not provide reliable results,

confirming that these methods do not provide sufficiently accurate results (i.e. representative of the

actual damage underwent by concrete) when applied to concrete samples of reduced size. It was found

that the splitting tensile test (carried out within the FBTest) provided more conclusive results about the

degradation of the concrete properties subjected to elevated temperatures compared to the water

absorption test. The load capacity of the slab repaired with NSM CFRP strips was considerably

improved, although it was not possible to explore the ductility of the steel rebars.

Keywords: reinforced concrete, fire exposure, inspection tests, repair techniques, CFRP strips,

experimental study.

iv

v

Agradecimentos

Desejo expressar o meu agradecimento a todas as pessoas que contriburam para a realizao deste

trabalho.

Ao Professor e orientador Joo Rama Correia agradeo toda a disponibilidade oferecida, partilha do

seu conhecimento, profissionalismo exemplar e incentivo dado no ltimo ano.

Ao Professor e orientador Joo Pedro Firmo agradeo o apoio fundamental e estmulo concedido; em

especial, a dedicao e acompanhamento prestados ao longo do trabalho experimental.

Ao pessoal tcnico do LERM e do LC, nomeadamente ao Fernando Alves e Fernando Costa, agradeo

toda ajuda prestada durante os ensaios laboratoriais e entusiamo contagiante.

empresa Unibeto agradeo o fornecimento e transporte do beto.

empresa HTecnic agradeo o fornecimento e montagem das cofragens utilizadas no fabrico das lajes.

empresa ITR agradeo o fornecimento da l cermica utilizada nos ensaios de exposio ao fogo.

empresa Vinagre & Vinagre agradeo o apoio na realizao do corte dos provetes de beto e do corte

dos rasgos na laje posteriormente reparada.

empresa S&P Clever Reinforcement Ibrica agradeo o fornecimento dos laminados de CFRP e da

resina epxida utilizados na reparao de uma laje.

Carolina Churro agradeo a ajuda dada para estimar a temperatura do beto em funo da

profundidade, atravs de um modelo numrico.

Aos meus amigos, agradeo a amizade e companheirismo; em especial Rita Corra, Rita Tomaz,

Carolina Churro e Teresa Clara pelos momentos de amizade e convvio passados no IST, e pelo

incentivo realizao desta dissertao.

minha famlia, em particular aos meus pais e irmo, agradeo profundamente por todo o apoio

pessoal e material, compreenso e pacincia demonstrados durante o curso, e por todos os valores

incutidos ao longo da minha vida.

Ao Pedro agradeo o carinho e apoio incondicional manifestados nos ltimos anos, em particular

durante o meu percurso acadmico no IST.

vi

vii

ndice de matrias

Resumo .....................................................................................................................................................i

Abstract.................................................................................................................................................... iii

Agradecimentos ........................................................................................................................................v

ndice de matrias .................................................................................................................................. vii

ndice de figuras ...................................................................................................................................... xi

ndice de t