REFORÇO À FLEXÃO DE LAJES DE BETÃO ARMADO COM ...· No contexto do reforço estrutural à flexão

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  • 5as Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas

    Reforo flexo de lajes de beto armado com laminados de CFRP pr-esforados: comportamento em estado limite ltimo e de utilizao 1

    REFORO FLEXO DE LAJES DE BETO ARMADO COM LAMINADOS DE CFRP PR-ESFORADOS: COMPORTAMENTO EM

    ESTADO LIMITE LTIMO E DE UTILIZAO

    Tiago Teixeira

    Aluno de doutoramento ISISE, Universidade do

    Minho Guimares

    tiago.teixeira@civil.uminho.pt

    Lus Correia

    Aluno de doutoramento ISISE, Universidade do

    Minho Guimares

    lcorreia@civil.uminho.pt

    Jos Sena-Cruz

    Professor associado ISISE, Universidade do

    Minho Guimares

    jsena@civil.uminho.pt

    Julien Michels

    Lder de projeto EMPA Sua

    julien.michels@empa.ch

    SUMRIO

    No contexto do reforo estrutural flexo com recurso aos laminados de CFRP (Carbon

    Fiber-Reinforced Polymers), a tcnica EBR (Externally Bonded Reinforcement)

    frequentemente utilizada. A aplicao de CFRP pr-esforados acumula as vantagens da

    tcnica EBR com as do pr-esforo externo. O sistema de ancoragem desempenha um

    papel fundamental nos sistemas de reforo com laminados de CFRP pr-esforados. Por

    esta razo, neste trabalho desenvolveu-se um programa experimental, composto por 8 lajes

    de beto armado, com o principal objetivo de analisar dois sistemas de

    ancoragem: (i) ancoragem metlica e (ii) ancoragem do gradiente de fora. Alm dos

    sistemas de ancoragem, foi tambm analisada a influncia da geometria do laminado de

    CFRP. Atravs dos resultados obtidos verificou-se uma melhoria do comportamento das

    lajes pr-esforadas ao nvel do estado limite ltimo e de utilizao.

    Palavras-chave: Reforo estrutural; tcnica EBR; Laminados de CFRP pr-esforados; Estalado limite de servio e ltimo.

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    1. INTRODUO

    O reforo de estruturas de beto armado com materiais FRP (Fiber-Reinforced Polymers) tem sido alvo de intensa investigao nos ltimos anos [1-4]. Habitualmente recorre-se tcnica EBR (Externally Bonded Reinforcement) como forma de aumentar a resistncia flexo de estruturas de beto armado, que consiste na colagem externa de um material de reforo sobre o elemento estrutural a reforar [5]. Os materiais de reforo FRP podem ser aplicados segundo a tcnica EBR, no estado passivo ou ativo (pr-esforados). O uso do pr-esforo combina os benefcios da tcnica EBR com as vantagens associadas com o pr-esforo externo, nomeadamente: (i) reduo das deformaes e da largura de fendas; (ii) atraso no aparecimento de fendas e no incio da cedncia das armaduras; (iii) maior aproveitamento da capacidade ltima do beto e do FRP; (iv) reduo do risco de descolagem prematura do FRP; (v) aumento da capacidade resistente da estrutura (em termos de flexo e corte) [6, 7].

    Os sistemas de ancoragem de FRP pr-esforados desempenham um papel basilar no xito da tcnica de pr-esforo. De facto, as elevadas tenses de corte existentes no interface de ligao entre o beto e o FRP so o principal problema associado s tcnicas de pr-esforo [8]. Normalmente, o problema referido mitigado atravs da aplicao de sistemas de ancoragem nas extremidades dos FRP pr-esforados.

    Apesar de existirem vrios sistemas de ancoragem no mercado [6], no contexto do presente trabalho foram estudados dois sistemas de ancoragens comercializados pela S&P Clever Reinforcement Company: (i) o sistema de ancoragem mecnico (MA Mechanical Anchorage), com recurso a chapas metlicas fixas nas extremidades dos FRP e (ii) o mtodo do gradiente (GA Gradient Anchorage) da fora [6].

    De forma a avaliar a desempenho em servio e em estado limite ltimo dos dois sistemas de ancoragem anteriormente referidos (MA e GA), desenvolveu-se um programa experimental composto por 8 lajes de beto armado (2 lajes de referncia e 6 lajes reforadas). Os principais parmetros analisados foram: (i) o sistema de reforo (passivo e ativo), (ii) o sistema de ancoragem (MA e GA) e (iii) a geometria do laminado de CFRP (espessura e largura). Nas seces que se seguem so descritos os procedimentos e os resultados obtidos so analisados detalhadamente.

    2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

    2.1 Provetes e configurao de ensaio

    O programa experimental compreendeu 8 lajes de beto armado com as caractersticas referidas no Quadro 1. Duas lajes foram usadas como prottipos de referncia (REF1 e REF2), uma laje foi reforada com um laminado de CFRP, no estado passivo, aplicado

    segundo a tcnica EBR (SL501.4_EBR), as restantes 5 lajes foram reforadas com um laminado de CFRP pr-esforado. Tal como previamente foi referido, foram usados dois

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    sistemas de ancoragem para fixar as extremidades dos laminados pr-esforados: o mtodo do gradiente (GA) em 2 lajes e a ancoragem mecnica (MA) em 3 lajes. Os laminados de

    CFRP utilizados apresentavam as seguintes geometrias: (i) 501.4 mm2, (ii) 501.2 mm2 e (iii) 801.2 mm2.

    Quadro 1. Programa experimental realizado

    Identificao da laje Laminado [mm2] Ancoragem fp [10-3] fcm [MPa] Ecm [GPa]

    REF1 - - -

    53.4 (4.3%) 32.2 (7.5%)

    SL501.4_GA 501.4 GA 4.05

    SL501.4_MA 501.4 MA 3.98

    SL501.4_EBR 501.4 - -

    SL501.2_MA 501.2 MA 4.19 49.5 (3.1%) n.a.

    REF2 - - -

    57.4 (3.0%) 32.6

    (0.1%) SL801.2_GA 801.2 GA 4.06

    SL801.2_MA 801.2 MA 3.99 Notas: fcm resistncia compresso do beto, em cilindros de 150/300 mm, no dia do ensaio das lajes; Ecm mdulo de elasticidade do beto no dia do ensaio das lajes; os valores entre parntesis representam o coeficiente de variao (CoV).

    A geometria das lajes e a configurao de ensaio adotados neste trabalho experimental encontram-se ilustrados na Figura 1. As lajes de beto armado apresentam 2600 mm de comprimento, 600 mm de largura e 120 mm de espessura. As armaduras longitudinais (de flexo) so compostas por 5 vares de ao nervurado com 8 mm de dimetro, dispostos na face inferior e 3 vares de ao nervurado com 6 mm de dimetro junto face superior. Adicionalmente, a armadura transversal materializada por intermdio de estribos de ao com 6 mm de dimetro, espaados de 300 mm entre si. Nas lajes reforadas foram usados laminados de CFRP com 2200 mm de comprimento.

    A instrumentao adotada incluiu 5 LVDTs (Linear Variable Differential Transducers), trs posicionados na zona de flexo pura (ver Figura 1), cada um com um campo de medida de

    75 mm e uma linearidade de 0.1%, e os restantes dois posicionados entre o ponto de aplicao da fora e os suportes das lajes, com um campo de medida de 25 mm e a mesma linearidade, i.e. 0.1%. Desta forma foi possvel avaliar as deformaes das lajes ao longo do seu eixo longitudinal. Tambm foi utilizada uma clula de carga com capacidade de

    leitura mxima de 200 kN e linearidade de 0.05% para medir a carga aplicada e um extensmetro da marca TML (referncia BFLA-5-3), colado no laminado de CFRP a meio da laje (ver Figura 1 b), de modo a registar as extenses ocorridas durante a aplicao do pr-esforo e do ensaio rotura. Todas lajes foram ensaiadas monotonicamente, em regime de

    controlo de deslocamento a meio vo, a uma velocidade de 20 m/s.

    Durante a realizao dos ensaios a evoluo da largura de fendas foi monitorizada por intermdio do uso de um microscpio USB porttil (VEHO VMS-004D), com uma resoluo

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    nativa de 640480 pixels e capacidade de ampliao mxima de 400. No mbito do presente trabalho, foi utilizado um fator de ampliao de 20.

    36

    58CFRP6@0.30

    600

    120

    36

    58

    6@0.30

    100 1200

    Extensmetro

    (a) (b)

    LVDT3

    F/2

    LVDT1 LVDT2 LVDT4 LVDT5

    2600

    2200

    450 450 300 450450300

    F/2

    CFRP

    (c)

    Figura 1. Geometria e configurao de ensaio: a) seco transversal; b) seco longitudinal; c) configurao de ensaio. Nota: unidades em [mm]

    2.2 Caracterizao dos materiais

    2.2.1 Beto

    No contexto da avaliao das propriedades mecnicas do beto, utilizado na produo das lajes, foram realizados ensaios de compresso. Para esse efeito foram produzidos seis provetes cilndricos, com 150 mm de dimetro e 300 mm de altura, de cada beto produzido para o fabrico das lajes. A avaliao do mdulo de elasticidade e da resistncia compresso do beto foi realizada em conformidade com as recomendaes LNEC E397-1993:1993 e NP EN 12390-3:2011, respetivamente. Os provetes de beto e as lajes de beto armado foram ensaiados mesma data. Os resultados obtidos na caracterizao mecnica do beto encontram-se presentes no Quadro 1. Em geral, observa-se que os valores dos coeficientes de variao so baixos, tanto para os valores de resistncia compresso como para o mdulo de elasticidade, o que indica uniformidade das amostras. Em mdia o valor da resistncia compresso do beto foi estimada em 53.4 MPa.

    2.2.2 Ao

    As propriedades mecnicas do ao foram avaliadas em conformidade com as recomendaes da NP EN ISO 6892-1:2012. Para cada dimetro de ao (6 e 8), utilizados no fabrico das lajes, foram ensaiados trs provetes. Atravs dos ensaios foi possvel apurar que o mdulo de elasticidade, as tenses de cedncia e rotura so iguais a

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