Reabilitação e Reforço de Estruturas - civil.ist.utl.ptcristina/RREst/Aulas_Apresentacoes/07... · Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 17: ... aço, mistas, madeira, alumínio

1|Projeto de Reforço com FRP J. Sena CruzReabilitação e Reforço de Estruturas

Mestrado em Engenharia Civil

2011 / 2012

1/602011/2012

José Sena Cruz

Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 17: Projecto de Reforço com FRP.


FRP – Conceito

� FRP (fiber reinforced polymer) são sistemas compósitos

reforçados com fibras.

� Atualmente os FRP têm larga aplicação em Engenharia Civil,

devido fundamentalmente às seguintes propriedades:

• Leveza;

2/602011/2012

• Leveza;

• Boas propriedades mecânicas (resistência e rigidez);

• Resistência à corrosão;

• Bom comportamento à fadiga;

• Fácil aplicação;

• Disponibilidade quase ilimitada em termos de geometria.


FRP – Exemplos de aplicação

3/602011/2012

Diversas aplicações em Engenharia Civil


FRP – Exemplos de aplicação

4/602011/2012


FRP – Características e constituição

Do ponto de vista da macroescala, os materiais comp ósitos são

constituídos por duas ou mais fases (materiais), cu ja performance é

projetada de modo a que o conjunto seja superior às partes

individuais.

5/602011/2012

Fases que constituem o compósito:

� Reforço (fibras)

� Matriz

� Interface (ou interfase)

REFORÇO (DISPERSO)MATRIZ (CONTÍNUA)

INTERFACE


FIBRAS PARA COMPÓSITOS

As fibras mais usadas no fabrico dos compósitos são:

1. Vidro

2. Carbono

3. Aramida

6/602011/2012

4. Basalto

As fibras são feitas de filamentos contínuos extrem amente finos, cuja manipulação individual é muito difícil. Por esse mo tivo, as fibras são comercializadas em diferentes formatos.


SISTEMAS FRP – PROPRIEDADES

Nos FRP as fibras são responsáveis pela capacidade de carga e

rigidez do compósito, enquanto que a matriz garante a transferência

de tensões entre fibras, bem como a sua proteção ao meio ambiente.

FIBRAFibra

7/602011/2012

MATRIZ

Fibra


SISTEMAS DE FRP – Tipos

Fiber Reinforced Polymer (FRP)

Glass (G)Carbon (C)

GFRPCFRP

Aramida (A)

AFRP

8/602011/2012

GFRPCFRP

Tecidos/Mantas- Unidirecional- Multidirecional- Manta- Prepreg- Strands

Barras- Laminado- Varão- Grelha- Perfil- etc.

AFRP

Pré-fabricadosCurados in-situ


TÉCNICAS DE REFORÇO

� Técnicas de reforço

9/602011/2012

EBR: Externally bonded reinforcement techniqueNSM: Near-surface mounted techniqueMF-FRP: Mechanically fastened FRP techniqueMF-EBR: Mechanically fastened and externally bonded reinforcement technique



� Técnica EBR

10/602011/2012



� Técnica NSM

11/602011/2012



� Técnica MF-FRP

12/602011/2012



� Técnica MF-EBR

13/602011/2012



� Vantagens da técnica NSM :

1. Redução do tempo de aplicação do reforço

2. Menor suscetibilidade ao destacamento

3. Maior facilidade de se ancorar a elementos adjacent es

4. Níveis mais elevados de eficácia

14/602011/2012

5. O FRP encontra-se mais protegido contra ações de impacto, ações mecânicas, fogo e atos de vandalismo

6. Nalguns casos a capacidade última do FRP pode ser atingida

7. A estrutura reforçada fica virtualmente intacta



� Vantagens da técnica MF-FRP :

1. Fácil aplicação sem requerer técnicos especializados

2. Não requer o tratamento da superfície

3. A estrutura reforçada fica apta a ser utilizada imediatamente após a aplicação do reforço

15/602011/2012

imediatamente após a aplicação do reforço



� Comportamento à flexão de diferentes técnicas

90

120

150

[kN

]EBR

NSM

16/602011/2012

0 5 10 15 20 25 300

30

60

90

REF EBR MF-EBR NSM

For

ce [k

N]

Displacement at mid-span [mm]

MF-EBR



� “Guidelines”

17/602011/2012


CONTRIBUIÇÃO DA UM

� Estudo das técnicas EBR, NSM , MF-FRP e MF-EBR ao nível:

• Caracterização da aderência

• Comportamento à flexão e ao corte

• Comportamento a ações cíclicas

• Comportamento a longo prazo e de durabilidade

18/602011/2012

Experimental

Numérico

Analítico


CONTRIBUIÇÃO DA UM

� RILEM TC 234-DUC

O principal objetivo é esclarecer os problemas gera is e questões

críticas com base nos dados experimentais existente s, detetar

discrepâncias nos códigos existentes, lacunas no co nhecimento e,

sobre estas questões identificadas, apresentar nova s propostas.

19/602011/2012


PROJETO DE REFORÇO – CNR-DT 200/2004

20/602011/2012


GENERALIDADES

A aplicação de reforços com recurso a FRP baseia-se no facto de:

1. A solução adotada é feita por um ENGENHEIRO qualifi cado e com experiência;

2. O reforço deverá ser aplicado por empresas qualific adas e com experiência no ramo;

21/602011/2012

3. Durante a aplicação deve haver fiscalização e contr olo de qualidade.

4. O sistema de reforço dimensionado deve apresentar características adequadas de resistência, serviço e durabilidade.

5. Os sistemas de FRP devem apenas ser usados no refor ço a zonas onde existam tensões de tração.


REQUISITOS BÁSICOS

O dimensionamento de sistema de FRP deve ser basead o nos

seguintes princípios:

1. O risco da estrutura deve ser identificado, e remov ido ou atenuado;

2. Em caso de uma solicitação severa, o reforço deverá resistir com

22/602011/2012

2. Em caso de uma solicitação severa, o reforço deverá resistir com danos localizados aceitáveis;

3. O “colapso” do sistema de reforço deverá ser dúctil .


REQUISITOS BÁSICOS

Assim, no projeto de reforço deve-se:

1. Efetuar uma escolha adequada dos materiais;

2. O reforço é adequado com uma escolha criteriosa dos processos construtivos;

3. Procedimentos de controlo de qualidade devem ser ad otados

23/602011/2012

3. Procedimentos de controlo de qualidade devem ser ad otados quer na fase do projeto quer na fase da execução do reforço.


REQUISITOS DE DURABILIDADE

O projeto de reforço tem de efetuado atendendo a re quisitos de

durabilidade. Para tal haverá que atender a:

1. Tipo de uso da estrutura reforçada;

2. Avaliação das condições ambientais;

3. Composição, propriedades e performance dos materiai s

24/602011/2012

3. Composição, propriedades e performance dos materiai s existentes e novos;

4. Escolha adequada da solução de reforço;

5. Qualidade da mão-de-obra e nível de controlo;

6. Adoção de medidas protetoras (e.g., fogo, impacto);

7. Plano de manutenção.


PRINCÍPIOS GERAIS DO PROJETO DE REFORÇO

� O projeto de reforço tem de efetuado de modo a cump rir

requisitos em termos de Estados Limite de Serviço e Últimos.

� De uma forma geral, na verificação aos Estado Limit e Últimos,

tem de ser cumprida a seguinte condição:

25/602011/2012

d dE R≤

tem de ser cumprida a seguinte condição:



� O dimensionamento da estrutura deve ser efetuado co m base no método dos coeficientes parciais de segurança.

� Coeficientes parciais para as ações :

� Consultar Eurocódigos (EC0 e EC1)

� Coeficientes parciais para os materiais :

26/602011/2012

� Coeficientes parciais para os materiais :

� A avaliação correta das propriedades das estruturas existentes deverá ser efetuada com regulamentação a dequada

� No caso do betão, aço, mistas, madeira, alumínio e alvenaria os Eurocódigo específicos apresentam valores para estruturas novas.



� Coeficientes parciais para os FRP :

� De uma forma geral todas as propriedades devem ser avaliadas

com base no seu valor característico à exceção do m ódulo de

Young, que deve ser usado o valor médio.

� No caso de sistemas curados in-situ, os valores de αααα αααα não

27/602011/2012

kd

m

XX η

γ= ⋅

� No caso de sistemas curados in-situ, os valores de ααααfE ααααff não

devem ser superiores a 0.90.

� Assim, para uma propriedade genérica (e.g. tensão d e rotura à

tração uniaxial), o valor de cálculo será dado por:



� Coeficientes parciais para os FRP (Cont.) :

Xk = valor característico da propriedade

γγγγm = fator parcial dependente do modo de rotura/tipo d e aplicação

ηηηη = fator de conversão para situações especiais

28/602011/2012

Notas:(1) Sistemas de reforço certificadosde acordo com o Capítulo 2 da CNR-DT 200/2004(2) Sistemas de reforço não certificados acordo com o Capítulo 2 da CNR-DT 200/2004(3) Para verificação aos Estados Limite de Serviço, γγγγm = γγγγf = 1.0



� O fator de conversão ambiental , ηηηηa, atende de:

1. Efeitos de ambientes alcalinos

2. Efeito da humidade

3. Efeitos de temperaturas extremas e ciclos de temper atura

29/602011/2012

4. Efeitos dos ciclos secagem/molhagem

5. Efeitos dos ultravioletas



� O fator de conversão ambiental , ηηηηa

30/602011/2012


{ }d d,i d,i1

;R R X aγ

= ⋅


� Coeficientes parciais para a capacidade resistente

A capacidade resistente, Rd, deve ser calculada da seguinte

forma:

31/602011/2012

{ }d d,i d,iRdγ

em que:

R{⋅⋅⋅⋅} = função modelo mecânico considerado adequado àanálise (e.g., flexão, corte, confinamento)

Xd,u = Valores de cálculo relativos aos materiais

ad,i = Valores nominais dos parâmetros geométricos



� Vandalismo

� Os sistemas FRP são particularmente vulneráveis a c ortes e

incisões por intermédio de elementos cortantes.

� Assim, sugere -se que nas situações suscetíveis de atos de

32/602011/2012

� Assim, sugere -se que nas situações suscetíveis de atos de

vandalismos (zonas públicas) sejam adotados revesti mentos

adequados de modo a evitar as consequências destes

fenómenos.



� Fogo

� Os sistemas FRP são particularmente sensíveis a tem peraturas

elevadas.

� O estado do conhecimento atual no que respeita ao

33/602011/2012

comportamento de resinas de revestimentos sob a açã o do fogo

é ainda escasso.

� Por isso, sugere-se que quando esta ação é consider ada

importante, se deva considerar que o FRP contribui de forma

diminuta para a capacidade resistente ao fogo.


MECANISMOS DE ADERÊNCIA

� Modos de rotura

Quando se utiliza a técnica EBR com FRP no reforço de estruturas

existentes podem acontecer os seguintes modos de ro tura:

I. Rotura do FRP;

II. Destacamento do sistema de reforço.

34/602011/2012

Betão

Adesivo

FRP

Destacamento do FRP

Destacamento do Adesivo

Destacamento na interfaceadesivo-betão

Desintegração do betãode recobrimento

II. Destacamento do sistema de reforço.



� Modos de rotura

No caso de estruturas reforçadas à flexão com lamin ados ou mantas,

pode obter-se um dos seguintes modos de rotura:

� Modo 1 (Destacamento no final do laminado/manta)

� Modo 2 (Destacamento intermédio devido a fendas de flexão)

35/602011/2012

� Modo 2 (Destacamento intermédio devido a fendas de flexão)

� Modo 3 (Destacamento devido a fendas de corte)

� Modo 4 (Destacamento devido a irregularidades e/ou rugosidade do betão)



� Modos de rotura

36/602011/2012



� Ensaios de arranque – Configurações de ensaios

37/602011/2012



� Ensaios de arranque – Exemplo

38/602011/2012


6

12

18

24

30

B1_fcm40_Lb120_M B2_fcm40_Lb120_M B3_fcm40_Lb120_M

Pul

lout

forc

e F

l [kN

]

6

12

18

24

30


Pul

lout

forc

e F

l [kN

]

6

12

18

24

30


Pul

lout

forc

e F

l [kN

]


� Ensaios de arranque – Resultados

39/602011/2012

0 1 2 3 4 50

Free end slip sf [mm]

0 1 2 3 4 50


0 1 2 3 4 50


0 1 2 3 4 50

6

12

18

24

30


Pul

lout

forc

e F

l [kN

]

Loaded end slip sl [mm]

0 1 2 3 4 50

6

12

18

24

30


Pul

lout

forc

e F

l [kN

]


0 1 2 3 4 50

6

12

18

24

30


Pul

lout

forc

e F

l [kN

]




� Leis de comportamento

40/602011/2012



� Comprimento de amarração

O comprimento ótimo de ancoragem, le, é definido como sendo o

comprimento a partir do qual a força transferida en tre o FRP e o betão não aumenta.

41/602011/2012

f f

ctm2eE t

f⋅=

⋅l

em que:

Ef = Módulo de Young do FRP

tf = Espessura do FRP

fctm = Valor médio da resistência à tração do betão


Fk ck ctm0.03 bk f fΓ = ⋅ ⋅ ⋅f2

1

bbk

−= ≥


� Energia de fratura

A energia de fratura, ΓΓΓΓFK, expressa em [N/mm] da interface FRP-betão é dada pela seguinte expressão (unidades: N, mm):

42/602011/2012

f1

1400

bbkb

= ≥+

em que:

fck = Valor característico da resistência do betão

fctm = Valor médio da resistência à tração do betão

se bf/b<0.33 adotar bf/b=0.33



� Resistência ao destacamento – Modo 1

No caso da ocorrência de destacamento do laminado ( ou manta) no final da zona de ancoragem (modo 1), cujo o comprim ento de amarração é igual ou superior ao ótimo, o valor de cálculo de resistência ao destacamento é dada por (unidades: N , mm):

43/602011/2012

f Fkfdd

ff,d c

21 Ef

tΓ

γ γ⋅ ⋅= ⋅

⋅

b bfdd,rib fdd

e e

2l l

f fl l

= ⋅ ⋅ −

Para comprimentos inferiores ao ótimo, lb, a resistência deverá ser

corrigida da seguinte forma


cr f Fkfdd,2 cr fdd

2k Ef k f

tΓ

γ γ⋅ ⋅= ⋅ = ⋅

⋅



O valor de cálculo de resistência máxima ao destacamento em Modo2 é dada por (unidades: N, mm):

44/602011/2012

fdd,2 cr fddff,d c

f k ftγ γ

= ⋅ = ⋅⋅

fdd,2 fdd,2 ff Eε =

em que:

kcr = 3.0 na ausência de informação mais fidedigna

A correspondente extensão no laminado (ou manta) é dada por:


cr f Fkfdd,2 cr fdd

2k Ef k f

tΓ

γ γ⋅ ⋅= ⋅ = ⋅

⋅



O valor de cálculo de resistência máxima ao destacamento em Modo2 é dada por (unidades: N, mm):

45/602011/2012

fdd,2 cr fddff,d c

f k ftγ γ

= ⋅ = ⋅⋅

fdd,2 fdd,2 ff Eε =

em que:

kcr = 3.0 na ausência de informação mais fidedigna

A correspondente extensão no laminado (ou manta) é dada por:



� Exemplo

Considere que uma viga de BA (0.20 m ×××× 0.50 m) será reforçada com laminados de CFRP ( Ef = 210 GPa; tf = 1.4 mm; bf = 60 mm; ff = 3200 MPa).

1. Determine a evolução da força máxima com o comprime nto de

46/602011/2012

1. Determine a evolução da força máxima com o comprime nto de ancoragem em Modo 1. Para efeitos de resolução dest a alínea considere que o betão é da classe C20/25.

2. Determine a evolução da extensão no laminado com a classe de resistência do betão em Modo 2.


REFORÇO À FLEXÃO

� Hipóteses de cálculo

A análise ao Estado Limite Último de flexão baseia- se nas seguintes

hipóteses de cálculo:

1. As secções mantêm -se planas e perpendiculares ao eixo da viga antes e após a deformação

47/602011/2012

viga antes e após a deformação

2. Aderência perfeita betão/aço e FRP/betão

3. O betão não resiste à tracção

4. As leis tensões-extensões do aço e do betão são as existentes no EC2

5. O FRP tem comportamento elástico linear até à rotur a


REFORÇO À FLEXÃO

� Generalidades

O reforço à flexão com FRP só é efetivo nos casos em que existempequenas percentagens de armadura longitudinal.

Considera-se que a rotura à flexão ocorre quando um dos seguintescasos se verifica :

48/602011/2012

fkfd fdd

f

min ,aεε η εγ

= ⋅

casos se verifica :

1. A extensão máxima de compressão no betão é alcançada ( εεεεcu2);

2. A extensão máxima de tração no FRP é alcançada ( εεεεfd);

3. Verificam -se simultaneamente a condição 1 e 2.


REFORÇO À FLEXÃO

� Generalidades

Terá de ser assegurada a capacidade resistente do e lemento reforçado ao corte.

É admitido o comportamento linear elástico dos mate riais para a determinação dos esforços.

49/602011/2012

determinação dos esforços.

O estado de tensão/deformação existente no elemento antes do reforço terá de ser tido em conta no dimensionament o da solução de reforço com recurso a FRP. Assim, as extensões de c ompressão ( εεεεc0) e tração ( εεεε0) iniciais são usadas no cálculo orgânico da secção transversal.


REFORÇO À FLEXÃO

� Capacidade resistente à flexão

A determinação da capacidade resistente à flexão do element oreforçado deverá ser realizada para o cenário mais desfavor ável:

1. Extensão máxima no FRP (Região 1);

2. Extensão máxima de compressão no betão (Região 2).

50/602011/2012

2. Extensão máxima de compressão no betão (Região 2).


f fdε ε=

REFORÇO À FLEXÃO

� Capacidade resistente à flexão - Região 1: rotura do sistema FRP

A configuração de extensões deverá ser de acordo com :

• FRP:

51/602011/2012

( ) ( )c fd 0 cu2x

h xε ε ε ε= + ⋅ ≤

−

( ) ( )2

s2 fd 0x dh x

ε ε ε −= + ⋅−

( ) ( )s1 fd 0d xh x

ε ε ε −= + ⋅−

• Betão:

• Aço à compressão:

• Aço à tração:


REFORÇO À FLEXÃO

� Capacidade resistente à flexão - Região 1: rotura do sistema FRP

52/602011/2012


( )cu2f 0 fdh x

xεε ε ε= ⋅ − − ≤

REFORÇO À FLEXÃO

� Capacidade resistente à flexão - Região 2: rotura do betão

A configuração de extensões deverá ser de acordo com :

• FRP:

53/602011/2012

c cu2ε ε=

2s2 cu

x dx

ε ε −= ⋅

s1 cud x

xε ε −= ⋅

• Betão:

• Aço à compressão:

• Aço à tração:


REFORÇO À FLEXÃO

� Dispensa do sistema FRP

A dispensa do sistema FRP poderá ser realizada adot ando metodologia idêntica à usada no betão armado.

Devem adotar-se comprimentos de amarração iguais ou superiores ao ótimo. Caso contrário a tensão de aderência deve rá ser corrigida.

54/602011/2012

( )1 0.9 1 cota d α= ⋅ ⋅ −

ao ótimo. Caso contrário a tensão de aderência deve rá ser corrigida.


REFORÇO À FLEXÃO

� Verificações aos Estados Limite de Utilização

Devem ser verificados os seguintes Estados Limite:

1. Limitação das tensões;

2. Controlo das flechas (deformação);

3. Controlo da largura de fendas (fendilhação ).

55/602011/2012

3. Controlo da largura de fendas (fendilhação ).

Assim, pretende-se:

• Evitar que para condições de serviço a armadura plastifique e evitar ofenómeno de fluência excessiva no betão e FRP;

• Evitar deformações excessivas de modo a evitar danos em elem entos nãoestruturais;

• Evitar fendilhação excessiva que reduza a durabilidade da es trutura, o seufuncionamento, aspeto e performance da ligação betão/FRP.


REFORÇO À FLEXÃO

� Verificações aos Estados Limite de Utilização

As hipóteses de cálculo a adotar devem ser as seguintes:

1. Consideração do betão fendilhado e não fendilhado;

2. Comportamento elástico linear dos materiais;

56/602011/2012

3. Hipótese das secções planas;

4. Aderência perfeita FRP/betão e aço/betão.

Assim:

1. Consideração de coeficientes de homogeneização (tendo em conta otempo de permanência das cargas): nf=Ef/Ec e ns=Es/Ec;

2. Deve ser tida em conta a fendilhação antes da aplicação do r eforço.


fkf fσ η≤ ⋅

REFORÇO À FLEXÃO

� Limitação das tensões

� A limitação das tensões deve ser verificada para a combinaçã ode ações quase permanente;

� Os FRP devem satisfazer a condição:

� As tensões no betão, aço e FRP devem ser avaliadas através

57/602011/2012

� As tensões no betão, aço e FRP devem ser avaliadas atravésdas seguintes expressões:


REFORÇO À FLEXÃO

� Limitação das tensões

58/602011/2012


REFORÇO À FLEXÃO

� Controlo das deformações

� No controlo das deformações podem ser adoptadosprocedimentos idênticos aos usados nas estruturas de betãoarmado

59/602011/2012

� Controlo da fendilhação

� Esta verificação ainda carece de consenso a nível científic o,sendo por isso sugerido que sejam usados modelospropostos na bibliografia


REFORÇO À FLEXÃO

� Exemplo

Recorrendo a laminados de CFRP, dimensione à flexão uma vigasimplesmente apoiada com 6.0 m de vão, atendendo aos seguintesdados:

� Secção transversal: 0.20 m ×××× 0.50 m (d = 0.45 m)

60/602011/2012

� Armadura de flexão (momentos positivos): 4Ø16

� Betão C20/25; Aço A400 NR

� Cargas permanentes, gk = 40 kN/m

� Sobrecarga, qk = 10 kN/m

� Admita que aquando da execução do reforço, as cargas atuante ssão iguais às cargas permanentes.

Documents

Reabilitação e Reforço de Estruturas - civil.ist.utl.ptcristina/RREst/Aulas_Apresentacoes/07... · Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 17: ... aço, mistas, madeira, alumínio