reforço e reabilitação de estruturas de betão armado

SIRR09 – Seminário Internacional de Reforço e Reabilitação – Ligações Estruturais 1

REFORÇO E REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO – INTERVENÇÕES

N. VILA POUCA Prof. Auxiliar FEUP Porto - Portugal

ANÍBAL COSTA Prof. Catedrático Univ. Aveiro Aveiro - Portugal

XAVIER ROMÃO Assistente FEUP Porto - Portugal

VALTER LOPES Engenheiro Civil FEUP Porto - Portugal

E. PAUPÉRIO Engenheira Civil IC-FEUP Porto - Portugal

RESUMO O presente artigo aborda um conjunto de intervenções de reforço e reabilitação de estruturas de betão armado. Estas intervenções resultaram da necessidade de se aumentar a capacidade de carga destas estruturas, da necessidade de alterações com a incorporação de novos elementos estruturais, e ainda pelo facto das estruturas não apresentarem condições para desempenhar correctamente as funções para as quais foram dimensionadas. Neste contexto, a utilização de elementos metálicos no reforço de estruturas de betão armado revela-se uma solução adequada, em particular nos casos de intervenções em estruturas existentes de unidades industriais. Estas estruturas têm em geral condicionantes específicas que se prendem com os equipamentos industriais instalados e que condicionam de forma significativa as condições de execução em obra. Neste âmbito, são apresentados diversos casos de reforço de estruturas de betão armado aplicados em unidades industriais, tendo diferentes objectivos, nomeadamente o reforço sísmico e o reforço localizado de elementos estruturais resultantes da alteração de equipamentos. Nos casos concretos apresentados, faz-se, para além da abordagem dos aspectos de concepção e das condicionantes que conduziram às soluções de reforço preconizadas, uma descrição detalhada dos aspectos de projecto e de execução. Neste contexto, é dado especial destaque aos aspectos relacionados com a ligação dos elementos metálicos de reforço aos elementos de betão armado existentes. Esta questão assume grande importância neste tipo de intervenções, quer pelos aspectos relacionados com o seu dimensionamento, quer pelos os aspectos relacionados com a sua execução que se pretende que interfira o mínimo possível na laboração das unidades industriais.

2 SIRR09 – Seminário Internacional de Reforço e Reabilitação – Ligações Estruturais

1. INTRODUÇÃO As intervenções de reforço e reabilitação de estruturas de betão armado resultam, em regra geral, da necessidade de aumentar a sua capacidade resistente ou do facto de já não apresentarem as condições necessárias para desempenhar correctamente as funções para as quais foram dimensionadas. Nesta situação, a utilização de elementos metálicos no reforço deste tipo de estruturas revela-se uma solução adequada, em particular nos casos de intervenções em estruturas existentes de unidades industriais. Assim, serão discutidos no presente artigo alguns dos aspectos mais relevantes relativos a um conjunto de intervenções de reforço e de reabilitação em estruturas industriais de betão armado. A presente comunicação é dedicada à discussão de dois casos concretos de reforço estrutural, nos quais se faz a aplicação de elementos metálicos de reforço. Nestes casos são discutidos de forma detalhada os aspectos, de avaliação, de concepção das soluções de reforço, de projecto e de aplicação em obra das soluções preconizadas. O primeiro caso refere-se à intervenção numa estrutura porticada de betão armado situada nas instalações da refinaria da GALP. Esta estrutura de betão, que se encontrava em estado de degradação estrutural avançado, faz o apoio de uma coluna metálica que contém petróleo bruto e seus destilados a elevadas temperaturas. O segundo caso abordará o reforço de uma laje maciça de betão armado numa unidade industrial. Trata-se, neste caso, de uma estrutura recente, em que, após a construção, se verificou que as cargas que se pretendiam instalar iriam ser superiores às preconizadas em projecto.

2. CASO 1 – ESTRUTURA PORTICADA NA GALP 2.1 Descrição sumária da estrutura A estrutura de betão armado que foi alvo de reabilitação, datada de 1973, possui cerca de 13,60m de altura e executa o suporte da coluna metálica denominada T-3001 que tem cerca de 48,0m de altura. A estrutura é executada em betão armado (B300 e A40T segundo especificação do projecto) e é constituída por duas plataformas octogonais em anel situadas a níveis diferentes, apoiadas em 8 pilares de secção quadrada. Da Figura 1 à Figura 3, apresentam-se fotografias gerais da estrutura que permitem o seu melhor entendimento


Figura 1: Vista geral da

coluna T-3001 Figura 2: Vista geral da estrutura de

betão de apoio da coluna T-3001 Figura 3: Vista da 1ª e 2ª

plataformas Os pilares possuem secção de 0,60x0,60m2, com uma distância perpendicular entre faces de pilares opostos de cerca de 6,0m e estando alinhados pela face exterior das plataformas. A 1ª plataforma é executada por uma viga com secção de 0,60x0,50m2 que executa o travamento dos pilares e onde apoia uma laje em consola que serve de passadiço. A fundação, também de betão armado, tem dimensão em planta de 9,70x9,70m2 e uma altura de 2,0m. A 2ª plataforma, que se situa a 13.6m do solo, é executada por uma viga com secção de 1,35x1,80m2 que dá apoio à coluna T-3001 e que, por redução da sua secção, encaixa na zona oca da estrutura cerca de 9,0m. O apoio da coluna metálica na viga é efectuado através de ligação flangeada com conectores metálicos chumbados na viga de betão e que se encontram recobertos por uma saia de betão antifogo de protecção. Apresentam-se na Figura 4 e Figura 5 os desenhos de projecto dos níveis da 1ª (N1) e 2ª (N2) plataformas.

Figura 5: Planta ao nível da 1ª plataforma Figura 6: Planta ao nível da 2ª plataforma


A coluna metálica que, em situação de ensaio hidrostático (enchimento máximo) pesa cerca de 1.100 ton, contém petróleo bruto e seus destilados a elevadas temperaturas, existindo uma saia de protecção em betão antifogo que envolve a coluna ao nível da 2ª plataforma na zona de ligação da coluna à viga de betão. Medições de temperaturas efectuadas por técnicos da Galp indicaram que as temperaturas médias são de 80ºC na zona do betão antifogo da saia da coluna, de 220ºC na boca da saída Sul e de 50ºC na 2ª plataforma. Salienta-se, ainda, que, do ponto de vista operacional, esta coluna faz a destilação do petróleo bruto e que a sua paragem de funcionamento acarretaria a paragem de parte do complexo, a qual se traduziria em elevadas perdas económicas por não-produção. Na Figura 7 e na Figura 8 apresentam-se um corte vertical da estrutura retirado dos elementos de projecto de betão armado e uma vista do modelo tridimensional da estrutura efectuado no decorrer deste estudo.

Figura 7: Estrutura de betão de apoio à

coluna T-3001 Figura 8: Modelo 3D da estrutura de betão

armado 2.2 Patologias observadas e respectivas causas A estrutura de betão armado de apoio da coluna T-3001, actualmente com cerca de 40 anos, inserida num ambiente industrial agressivo e localizada em zona costeira, apresentava à data da inspecção uma grave degradação estrutural da qual se destacam: • a existência de fissuração longitudinal e radial na viga do nível N2 que executa o apoio da

coluna metálica. Uma das fissuras verticais possuía já abertura preocupante e, em algumas fissuras longitudinais, era possível observar o destacamento de betão e a delaminação de armaduras;

• a existência de fissuração longitudinal, vertical e radial generalizada nas vigas e lajes que executam as plataformas, com destacamento de betão e delaminação de armaduras;


• a existência de fissuração generalizada nos pilares junto à linha das armaduras longitudinais, potenciando o destacamento do betão de recobrimento e a corrosão de armaduras.

Adicionalemente, refere-se que a análise do levantamento topográfico fornecido pela Galp mostrou que poderiam estar a ocorrer deformações importantes na estrutura de betão, principalmente ao nível da viga N2. Neste contexto, é de notar que estes movimentos da estrutura de betão poderiam originar fugas de hidrocarbonetos a altas temperaturas sobre as ligações flangeadas das tubagens à coluna T-3001. Tendo sido efectuado um levantamento das avarias estruturais, apresentam da Figura 9 à Figura 12 alguns exemplos das avarias observadas.

Figura 9: Fissura vertical na face exterior da

viga do nível 2 Figura 10: Fissuração da viga com indícios de corrosão de armaduras. Vista de N1 para N2

Figura 11: Fissuração radial generalizada na

face superior da viga Figura 12: Fissuração vertical na face lateral

da viga


2.3 Avaliação da capacidade resistente face às acções directas A avaliação da capacidade resistente da estrutura face às acções directas foi efectuada considerando 3 combinações de acções correspondentes às situações mais desfavoráveis para os pilares. Desta análise foi possível concluir que os pilares apresentavam uma substancial reserva de segurança (avaliada de acordo com a regulamentação), mesmo para a situação mais condicionante [1]. Atendendo a que os pilares não apresentavam danos responsáveis por uma significativa diminuição da sua capacidade resistente, e considerando a reserva de segurança anteriormente referida, não se considerou necessário orientar a solução de reforço no sentido de aumentar a capacidade resistente dos pilares. De forma a assegurar a durabilidade e a manutenção da segurança estrutural, optou-se pela reabilitação global do betão e das armaduras dentro das condicionantes existentes e por garantir o confinamento da estrutura no nível N2. Salienta-se que, no estudo da estrutura de confinamento, o efeito da variação de temperatura é um dos factores mais relevantes no seu comportamento. 2.4 Proposta e execução do reforço global da estrutura de betão armado Tendo em consideração as necessidades de reabilitação da estrutura de betão armado e face à impossibilidade de se parar, por período prolongado, o funcionamento da coluna metálica à qual estão ligadas inúmeras linhas, foram analisados e ponderados os dados obtidos da inspecção visual, da monitorização topográfica e da análise numérica de modo a decidir a intervenção global de reforço e o respectivo faseamento de execução. A reabilitação do betão armado foi efectuada de acordo com os procedimentos usuais, tendo-se dado particular atenção à viga do nível N2 onde esta reparação foi efectuada por tramos entre pilares e com a estrutura de confinamento já colocada, uma vez que existiam fissuras verticais importantes que poderiam originar o seu desconfinamento com a consequente perda de estabilidade da coluna metálica. A solução de confinamento consistiu na execução de uma estrutura metálica constituída por um conjunto de 6 tirantes perimetrais com diâmetro ∅32 que envolvem a viga do patamar do nível N2 na sua face exterior e que, por acção de aperto prévio, lhe conferem um confinamento lateral. Esta estrutura tem configuração octogonal, sendo o aperto dos tirantes efectuado em peças metálicas colocadas no alinhamento dos pilares (ver Figura 13 à Figura 16). Adicionalmente, foram colocados 9 pernos ∅20 na secção transversal de cada tramo da viga que realizam o aperto das suas faces laterais, estabilizando a fissuração longitudinal. Esta solução foi adoptada pela impossibilidade da substituição de estribos, facto que obrigaria à picagem de betão na zona de apoio da coluna. Note-se que a referida fissuração longitudinal que ocorre junto ao eixo da viga, na zona de apoio da coluna metálica, dá-se numa zona de fissuração preferencial, dadas as disposições construtivas da armadura transversal que se podem observar na Figura 17. Na face interior da viga de betão, estes varões ∅20 foram fixados por chapas com rosca incorporada. Quanto à reabilitação dos pilares, adoptou-se a


aplicação de uma estrutura de cintagem em cantoneiras e barras após a remoção do betão degradado e a reposição da sua secção com um microbetão.

Pormenor 1

A

AB

Pormenor 2

Pormenor 3 182x32

150x32

Ø32

150x32

Ø32

PILAR

100x15 M16

Figura 13: Solução geral de confinamento Figura 14: Pormenor 1 – alçado

PILAR

Ø32

150x32150x32

182x32182x32

32

Ø32

3232

PILAR PILAR

257

257

257

257

257

514

514

Ø20

Barra 100x15

Barra 100x15

Barra 100x15

Ø20

Ø20

Figura 15: Pormenor 1: planta Figura 16: Pormenor 2: alçado


Figura 17: Corte transversal da viga do nível N2 com indicação da disposição de armaduras existentes e das armaduras de reforço

2.5 Faseamento de obra e tipos de ligação

A importância das ligações neste tipo de obras de reabilitação é fundamental de modo a garantir um bom funcionamento de conjunto da estrutura. As ligações utilizadas nesta obra (mecânicas, por injecção, ou por colagens com resinas epoxy) encontram-se descritas junto ao faseamento da obra que foi condicionado pelas altas temperaturas que se faziam sentir na plataforma de trabalho N2. Salienta-se, ainda, que as diversas estruturas metálicas colocadas em obra foram executadas em aço inox 316L. De uma forma geral, a execução da obra, que foi sendo monitorizada quer topograficamente, quer com a colocação de fissurómetros na estrutura, contemplou então as seguintes fases:

• Reforço dos pilares através de um confinamento efectuado com cantoneiras e barras de aço inox. Este reforço foi executado após terem sido terminados os trabalhos de reconstituição da secção degradada, por vazamento de microbetão.

• Montagem de estruturas em aço inox para confinamento da viga do nível N2, dispostas sobre cada um dos pilares, de acordo com o especificado em projecto. Foi dado um aperto inicial mínimo aos tirantes Ø32 que estabeleceu a ligação entre cada uma destas estruturas, para que estas não se deslocassem e estabelecessem uma cintagem estrutural na viga do nível N2 enquanto decorriam as operações de reabilitação de betão sobre este elemento (Figura 14 a Figura 16).

Ø12 a 0.30

3Ø20/nível

Zona da coluna metálica


• Picagem e remoção do betão degradado e preenchimento das fendas verticais da viga de betão do nível N2 por injecção e vazamento de microbetão.

• Reabilitação do betão da viga do nível N2 nas faces laterais e inferior. Esta tarefa incluiu os trabalhos de picagem do betão degradado, tratamento de armaduras, refechamento das fissuras e injecção com caldas com cimento expansivo não retráctil.

• Reabilitação do betão da viga do nível N2 na sua face superior, desenvolvendo-se os trabalhos já referidos nos pontos anteriores. Esta tarefa obrigou à demolição da saia antifogo que envolve a coluna T-3001, na sua ligação com a viga do nível N2, até ao plano vertical que contém os pernos metálicos que estabelecem a sua ligação com a viga de betão, devido à existência de uma chapa metálica que impossibilitava o trabalho. Assim, apenas foi realizado o tratamento do betão na zona exterior ao plano vertical dos pernos metálicos. Dado algumas das armaduras longitudinais e estribos serem de difícil substituição por implicarem a picagem na zona de apoio da coluna, para além da colocação dos 3Ø20 em 3 diferentes níveis que cosem transversalmente a viga do nível N2, as operações de recuperação nesta viga foram efectuadas de acordo com o esquema já apresentado na Figura 17.

• Execução da furação transversal na viga de betão do nível N2 para colocação dos tirantes Ø20 em aço inox. Na face interior da viga de betão, estes foram fixados por chapas 200x200x15mm com rosca incorporada.

• Aplicação das barras horizontais 100x15mm de ligação entre as estruturas de aço inox sobre os pilares e respectivos trabalhos de soldadura e fixação com parafusos M16.

• Aperto dos tirantes transversais Ø20 e respectiva selagem. • Aperto final dos tirantes Ø32 em aço inox para a força de estiramento preconizada em

projecto, seguindo um processo iterativo baseado na medição das acelerações da zona central de cada troço de tirante entre dois apoios fixos através de acelerómetros colocados nos tirantes. Mediante a análise dos registos de aceleração, obteve-se a frequência do modo de vibração fundamental de cada troço de tirante, a qual se relaciona com a tensão instalada.

• Colagem estrutural de todas as estruturas em aço inox com recurso a resinas epoxy. • Pintura da estrutura de forma a dar-se uma protecção adicional ao betão face aos

agentes atmosféricos. Da Figura 18 à Figura 35, apresentam-se algumas das fases da obra aqui descritas, não necessariamente pela ordem apresentada. Refere-se ainda que, sendo a acção da temperatura uma acção importante na estrutura, foram introduzidos nas zonas de betão reparado da viga do nível N2 2 sensores de deformação (transversal e longitudinal) e 2 de temperatura (intradorso e extradorso da viga), todos baseados nas redes de Bragg, que permitem obter um registo contínuo da evolução da estrutura.


Figura 18: Limpeza do betão degradado

das zonas com fissuração Figura 19: Limpeza do betão degradado das zonas

com fissuração. Monitorização das fissuras

Figura 20: Pernos de ligação da coluna T-3001 à

viga N2 já sem a saia de betão antifogo Figura 21: Pormenor da figura anterior.

Rotura de armaduras

Figura 22: Remoção do betão degradado de

parte da face superior da viga de N2 Figura 23: Pormenor da corrosão e delaminação

das armaduras


Figura 24: Execução de molde da peça de

confinamento da estrutura Figura 25: Peça de confinamento colocada e

tirantes apertados a um nível inferior para permitir os trabalhos de remoção e reparação do

betão e reposicionamento de armaduras

Figura 26: Pormenor das novas armaduras Figura 27: Pormenor de colocação de estribos

Figura 28: Linhas de nafta a alta temperatura

ainda sem isolamento térmico junto aos tirantes Figura 29: Pormenor dos varões Ø20 que

cosem transversalmente a viga


Figura 30: Injecção de fendas e colocação

dos tirantes Ø20 transversais à viga Figura 31: Pormenor do aperto dos tirantes Ø20

pelo interior da viga. Injecção das fissuras

Figura 32: Reforço de pilares com

cantoneira e barra de aço inox Figura 33: Vista geral de pilares e viga do nível

N2

Figura 34: Colocação de acelerómetros Figura 35: Vista geral de um acelerómetro


3. CASO 2 – REFORÇO DE UMA LAJE DE BETÃO ARMADO – AVALIAÇÃO DE SEGURANÇA, CONCEPÇÃO E EXECUÇÃO

O edifício em estudo neste segundo caso constitui uma ampliação das instalações de uma unidade industrial, correspondendo a um novo corpo que apresenta uma implantação aproximadamente rectangular, com dimensões de cerca de 50m numa direcção e 45m na outra. O presente estudo refere-se ao reforço do pavimento do piso 0 (laje Lm1) associado às novas sobrecargas que se pretendem instalar na zona de armazém.

As juntas de dilatação existentes definem 3 zonas da laje referenciadas por Zona A (zona de armazém), Zona B (zona do cais de carga) e por Zona C. A laje Lm1 é materializada por uma laje maciça em betão armado, com uma espessura de 0.20m, apoiando-se em vigas de secção rectangular com dimensões variadas e, na sua periferia, em muros de contenção de betão armado, com espessuras de 25 ou 30 centímetros consoante a zona em que estes se inserem.

Na Zona A, a laje Lm1 apresenta um comportamento de laje contínua unidireccional com 4 vãos iguais de cerca de 5.0m e um vão extremo de 2.8m. Na Zona B e na Zona C, a laje Lm1 tem dois tramos de 5.0m de vão que estão em continuidade com uma laje aligeirada de vigotas pré-esforçadas. As vigas de betão armado que servem de apoio à laje Lm1 apresentam secções de largura variável (entre 0.25m e 0.50m) e uma altura constante de 0.50m. Na Zona A e na Zona B, as vigas desenvolvem-se em 6 tramos contínuos de cerca de 5.0m de vão. Na zona C, as vigas em análise, com 2 e 3 tramos contínuos, apoiam-se nos pilares interiores e num dos muros. A generalidade dos pilares que constituem os apoios intermédios das vigas são pilares de betão armado de secção circular com 0.35m de diâmetro. 3.1 Avaliação de segurança A análise estrutural efectuada teve como principal objectivo a avaliação de segurança da laje Lm1 do piso 0 do edifício em estudo, não se tendo efectuado portanto a análise estrutural global do edifício. Contudo, a análise contemplou os aspectos relevantes associados ao funcionamento estrutural da laje, bem como todos os elementos estruturais a ela associados. Refira-se a este propósito que a estrutura da cobertura não foi considerada no modelo numérico, tendo sido consideradas unicamente as acções transmitidas pelos pilares à estrutura de betão armado. Na análise e verificação de segurança da estrutura foram adoptadas as disposições definidas na regulamentação nacional aplicável e em vigor e na regulamentação europeia, nomeadamente no que respeita aos procedimentos de verificação de segurança, à quantificação das acções e às combinações de acções de Estados Limite Últimos e Estados Limite de Serviço. As acções contabilizadas nas verificações efectuadas consistiram, para além das cargas permanentes (peso próprio dos elementos estruturais, peso dos revestimentos e paredes divisórias), nas sobrecargas aplicáveis ao edifício em estudo, tendo sido estudados 3 cenários distintos: cenário de sobrecargas de projecto; cenário de sobrecargas Eref.01, correspondendo a um ligeiro aumento no seu valor em relação aos valores de projecto; e cenário Eref.02,


correspondendo a um aumento significativo do valor das sobrecargas, sendo este o cenário correspondente às necessidades definidas pelo dono de obra.

A avaliação da segurança foi baseada nos resultados obtidos do modelo numérico analisado com o programa de cálculo automático SAP2000 v10. O modelo numérico global utilizado na análise consistiu num modelo tridimensional da estrutura que utiliza elementos de barra para a simulação de pilares e vigas, e elementos finitos (elementos de casca) na simulação das lajes. A análise efectuada com este modelo foi baseada numa análise linear elástica considerando-se em geral a rigidez dos elementos definida a partir do módulo de elasticidade inicial do betão. Apresenta-se na Figura 36 uma representação do modelo de cálculo utilizado onde são ainda identificadas as diferentres zonas da laje Lm1. Salienta-se, ainda, que na avaliação da segurança foram igualmente utilizados modelos parcelares para a análise da laje e que consistiram em modelos de viga contínua. Atendendo a que a disposição de armaduras dos painéis rectangulares das lajes corresponde a um funcionamento essencialmente numa direcção, foi adoptada, nestes painéis, uma rigidez diferente em cada uma das direcções, de forma a atender-se à direcção principal de funcionamento da laje e à correspondente distribuição das armaduras. Para a análise detalhada da laje, foram considerados ainda no modelo de cálculo os efeitos da fendilhação associada aos momentos flectores negativos nas zonas de apoio da laje.

Figura 36: Vista do modelo numérico e identificação das diferentes zonas da laje Lm1

Do ponto de vista da verificação de segurança, os resultados obtidos indicam [2]:

• A segurança estrutural foi apenas condicionada pelos resultados das análises para os Estados Limite Últimos (ULS);

• Com base nos diferentes cenários de carga analisados, observou-se que a zona B da laje Lm1 não cumpria as condições de segurança para o cenário de carga Eref.02, havendo, portanto, necessidade de proceder ao seu reforço;

• Relativamente às vigas, verificou-se a necessidade de reforçar a capacidade em flexão de algumas vigas da Zona A, bem de reforçar a capacidade ao corte de algumas vigas da Zona B;

Zona B

Zona A

Zona C


• No que respeita os pilares, a verificação de segurança foi efectuada com base na avaliação da sua capacidade resistente em flexão desviada com compressão, não tendo sido sendo observadas deficiências de segurança nestes elementos para os cenários de carga analisados;

• Em relação às sapatas, a análise de segurança foi efectuada com base nas características definidas em projecto tendo em vista avaliar o nível de tensões instaladas no terreno e avaliar a sua segurança estrutural em relação ao punçoamento e às armaduras inferiores. Observou-se que, para os cenários de carga admitidos, a segurança estrutural é verificada em todas as sapatas, salientando-se que os valores de cálculo máximos da tensão no terreno (sempre inferiores a 350kPa) são aceitáveis para a generalidade dos terrenos de fundação com características médias.

3.2 Medidas de reforço estrutural

Após a identificação dos elementos estruturais que não cumprem as condições de segurança para o cenário de carga designado por Eref.02, no qual foram definidas as acções para a zona de armazém e de cais de carga que se pretende instalar, foram equacionadas as medidas de reforço estrutural a tomar, no sentido de se proporcionar a funcionalidade para o nível de carga estabelecido, garantindo-se as adequadas condições de segurança. Relativamente à Zona B onde se verificou-se a necessidade de reforço, a solução adoptada consistiu na:

• Colocação de perfis metálicos (HEB) na direcção de funcionamento da laje em todos os alinhamentos dos pilares. Estes perfis são posicionados na face inferior da laje e fixados na zona superior dos pilares por intermédio de elementos metálicos. Os perfis metálicos servem de apoio à laje Lm1, passando esta laje a ter um funcionamento nas duas direcções, formando painéis de laje de 5.0x5.0m2;

• Colocação de uma malha de armadura e aplicação de uma camada de cerca de 6,5cm de betão projectado na face inferior da laje, constituindo esta solução num aumento da armadura inferior da laje (colocando armadura nas duas direcções) e num aumento da espessura. As armaduras a incorporar foram amarradas aos perfis HEB e ancoradas à laje através de ligadores metálicos.

Em relação ao reforço das vigas da Zona e da Zona B, a solução adoptada consistiu na:

• Colocação de cantoneiras metálicas nos vértices inferiores em todo o desenvolvimento das vigas. Estas cantoneiras são ligadas a barras, também metálicas, dispostas na vertical em cada face lateral das vigas. Este sistema de reforço, confere um aumento de resistência em relação aos momentos flectores positivos, traduzindo-se por um aumento da capacidade de carga destas vigas.

3.3 Reforço estrutural Com vista a determinar os esforços de cálculo com maior rigor de modo a proceder ao dimensionamento dos elementos de reforço [3], foram desenvolvidos 2 modelos de cálculo,


com base no modelo previamente utilizado, para a verificação de segurança. Cada um destes modelos permitiu avaliar os esforços instalados na estrutura em duas fases distintas: o primeiro modelo (R1), sem qualquer estrutura de reforço, permitiu avaliar as cargas actualmente na laje Lm1 e nas respectivas vigas de apoio após a sua execução, ou seja, ainda sem quaisquer sobrecargas instaladas; o segundo modelo (R2), semelhante ao primeiro mas agora considerando a introdução dos elementos de reforço (perfis metálicos HEB) e as suas implicações no funcionamento estrutural, permitiu avaliar o acréscimo de esforços provocado pela actuação das restantes cargas necessárias para completar os cenários de Estados Limite Últimos. Refira-se que nos 2 modelos foram considerados os efeitos da fendilhação associada aos momentos flectores negativos nas zonas de apoio da laje, à semelhança do efectuado no modelo usado para a verificação de segurança. Adicionalmente, salienta-se que a concepção estrutural do reforço dos diferentes elementos teve em especial atenção os aspectos associados à definição e à execução da ligação entre os elementos estruturais existentes e os novos elementos que compõem o reforço, de modo a potenciar o seu funcionamento em conjunto. 3.3.1 Reforço da laje Numa primeira fase foram avaliados os esforços instalados na laje após o reforço (modelo R2), de modo a determinar quais os perfis metálicos HEB a colocar. Verificou-se que a escolha destes perfis não era condicionada pelo seu dimensionamento, já que qualquer que fosse o perfil escolhido possuiria capacidade de suportar os esforços instalados, mas sim por questões de rigidez relativa em relação à laje, pois perfis metálicos muito flexíveis não desempenhariam a sua função de apoio de uma forma eficaz. Para que o funcionamento bidireccional da laje fosse o desejado, os perfis a introduzir teriam de ser suficientemente rígidos para sofrer deformações pequenas. A escolha do perfil ficou então condicionada à altura aparente das vigas de betão armado, já que não se pretendia que a altura útil do piso diminuísse com a execução do reforço. Assim, os perfis escolhidos foram HEB300. A Figura 37 mostra um desenho de pormenor dos perfis e da sua fixação a uma viga de betão armado existente. Quanto ao reforço da laje por via da introdução de armadura inferior suplementar, esta foi dimensionada para a soma dos esforços obtidos através dos dois modelos (R1 e R2), contabilizando a contribuição da armadura já existente. Note-se que a malha de armadura é quadrada, possuindo os mesmos varões nas duas direcções perpendiculares (Figura 38).

SIRR09 – Seminário Internacional de Reforço e Reabilitação – Ligações Estruturais 17 20

030

0

500

PISO 0

Armaduras existentes da viga

6012

012

0

6012

012

0

HEB300

Chapa 25x300x300

4 Furos Ø22Chapa 25x300x3004 Furos Ø22

4 Varões roscados M20 - 8.8 8 Porcas M 20 - 88 Anilhas Ø22 - Aço

300

HEB300

Figura 37: Pormenor da ligação dos perfis HEB300 à viga V2

P orm. 4

P orm. 2

P orm. 3

HE

B30

0

HE

B30

0

HE

B30

0

HE

B30

0

HE

B30

0H

EB

300

HE

B30

0

HE

B30

0

HE

B30

0

HE

B30

0

RV TIPO 2

A B

C

D E F

A' B' C'

D'

E' F'

RV TIPO 3L60x6

L60x6 L60x6

UNP65

UNP65

L60x6 UNP65

UNP 65

UNP 65

UNP 65

UNP 65

UNP 65

UNP 65

UNP65

UNP 65

UNP 65

UNP 65

UNP65

UNP 65 UNP 65 UNP 65 UNP65 UNP65 UNP 65

UNP65

UNP 65

UNP65

UNP 65

L60x60x6

L60x60x6

270 300 300 600 300 300 300 300 300 300 300 300 300 2701 30.01130

270 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 600 300 2701 30.01130

270 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300130

B arra 50x6 B arra 50x6 B arra 50x6 UNP 65 L60x60x6

B arra 50x6

UNP65 L60x60x6 UNP 65

UNP 65

L60x60x6

L60x60x6 Barra 50x6

UNP 65

UNP 65

L60x60x6

L60x60x6 Barra 50x6

UNP 65

UNP65

L60x60x6

L60x60x6

UNP 65

UNP 65

L60x60x6

L60x60x6

300270 300 300 300 300 300 300 300 600 300 300 2701 30.01130

270 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 2701 30.01130

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 2701 30.01

300 300300 300 300 300 300

Ø 10//0.20 +Ø 10//0 .20 ( L=4.00)

Ø 10//0. 20 (L= 4.40) +

Ø 10//0 .20 ( L=4.00)

Ø 10//0.20 +Ø 8//0. 20 (L =4.00)

Ø 10//0. 20 (L= 4.40) +

Ø 8//0. 20 (L =4.00)

A FP AINÉ IS DAS LAJ ES A

. A rmadura in ferio r de re forçr: #Ø10//0.20+Ø8//0.20

. B etonagem c/Betão Projec tado (6,5cm)

P AINÉ IS DAS LAJ ES A

. A rmadura in ferio r de reforço: #Ø10//0.10

. B etonagem c/Betão Projec tado (6,5cm)

A' F'

B arra 50x6 B arra 50x6 B arra 50x6 Barra 50x6 B arra 50x6

- V IGAS E XISTEN TE S C/RE FORÇO METÁLICO

- PA INÉ IS DE LAJ E A RE FORÇAR

P orm. 5

300 300100100

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300100100

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300100100

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300100100

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300100100

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300300 30010080

300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.200.20

0.20

0.200.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.20

0.200.20

0.20

0.200.20

Figura 38: Planta da zona B (zona do reforço) da laje Lm1

No que respeita à verificação ao esforço transverso nas lajes, concluiu-se que a colocação dos perfis metálicos HEB300, pelo efeito de desvio das cargas instaladas em duas direcções ortogonais, faz com que se verifique a segurança face ao esforço transverso em Estado Limite Último. Esta verificação foi efectuada de uma forma conservativa, sem a contribuição do reforço com betão projectado, ou seja considerando-se a altura da laje existente de 20cm. 3.3.2 Reforço das vigas A solução de reforço adoptada para as vigas resulta na execução de uma estrutura metálica em barras e perfis de aço estrutural S275. O dimensionamento das cantoneiras de reforço, face aos


esforços de flexão, permitiu obter a área de aço adicional necessária para resistir aos momentos totais aplicados na secção. Na Figura 39 apresenta-se um caso genérico, onde estão representadas: (a) a secção com as armaduras existentes assinaladas a azul e as cantoneiras de reforço assinaladas a vermelho; (b) o diagrama de extensões da secção, onde se assinalam as extensões das duas armaduras (existente e de reforço) com as cores em correspondência; (c) as forças internas que equilibram os momentos totais calculados com recurso aos modelos R1 e R2.

Fc

FsFs,r

εsεs,r

As

As,r

Figura 39: Esquema de uma secção tipo de uma viga com indicação dos parâmetros que intervêm no equilíbrio da mesma

Quanto ao reforço ao esforço transverso, este foi conseguido através da colocação de barras metálicas (S275) verticais junto às faces laterais das vigas, funcionando assim como armadura de corte suplementar. No caso das vigas que não necessitavam de reforço para este tipo de esforços, estas barras foram dimensionadas de modo a transmitir à viga de betão as forças instaladas nas cantoneiras de reforço de flexão, não se tendo considerado, de modo conservativo, a aderência na transmissão destes esforços. Na Figura 40 apresenta-se um corte de uma das vigas com a indicação dos elementos tipo utilizados no reforço.

200

300

500

Barra 50x6 L60x6

Barra 50x6

UNP 65

L60x6

Barra 50x6

UNP 65

Varões roscados M20 - 8.8 (afastados de 300mm)Porcas M20 - 8Anilhas Ø22 - Aço

PISO 0

6518

160

6518

160

60 392 60

==

Figura 40: Esquema do reforço tipo das vigas de betão armado


3.4 Execução A execução do reforço da estrutura seguiu um faseamento pré-definido [2], concebido de modo a optimizar o tempo de execução. Após a preparação e aprovisionamento dos materiais, incluindo as soldaduras e a preparação das superfícies dos elementos metálicos (Figura 41 e Figura 42), foi feita a detecção dos estribos nas vigas a reforçar (Figura 43), e a sua respectiva marcação, de modo a evitar que as furações para a fixação dos elemento metálicos de reforço os interceptassem. Foi também feita a decapagem da face inferior da laje com jacto de areia, de modo a conferir à superfície uma maior rugosidade e melhorar a aderência entre o betão projectado e esta superfície.

Figura 41: Estruturas de

reforço das vigas Figura 42: Perfis metálicos

HEB300 Figura 43: Detecção das

armaduras de uma das vigas De seguida foram efectuadas as furações nas vigas para a fixação dos perfis UNP100 (Figura 44), onde as estruturas de reforço da Figura 41 viriam a ser soldadas. Ao mesmo tempo, foram efectuadas as furações da laje para a colocação das fixações dos perfis e dos grampos conectores da laje existente ao betão projectado (Figura 45).

Figura 44: Furações numa das vigas Figura 45: Execução das furações na laje

Posteriormente foram colocados os perfis metálicos HEB300 (Figura 46) e devidamente fixados às vigas e à laje (Figura 47)


Figura 46: Colocação de um perfil metálico

HEB300 Figura 47: Perfis soldados às chapas de testa e

fixados à viga de betão armado Após a fixação dos perfis HEB300, foram colocados os perfis UNP100 nas faces das vigas (Figura 48). Na zona B, onde se iria proceder à projecção de betão, as armaduras de espera que fariam a amarração com os varões de reforço a colocar encontravam-se já soldadas a estes perfis. Nesta zona foram também fixados à laje os grampos que fazem a sua conexão com o betão projectado (Figura 49).

Figura 48: Colocação dos perfis UNP100 Figura 49: Grampos de conexão

Seguidamente, foram colocados os elementos de reforço das vigas, tendo sido devidamente soldados aos perfis UNP100 (Figura 50). Após a sua colocação, foi efectuada a selagem de todos os elementos metálicos de reforço, incluindo os perfis HEB300 e os grampos colocados na face inferior da laje. Depois foi montada a armadura inferior de reforço da laje (Figura 51), encontrando-se a estrutura preparada para a projecção do betão, com todos os elementos existentes devidamente protegidos. Finalmente, foi efectuada a projecção de betão (Figura 52) e foram consumados os acabamentos das superfícies e pintura dos elementos metálicos (Figura 53).


Figura 50: Colocação da estrutura de reforço

da viga Figura 51: Armadura de reforço da laje

montada

Figura 52: Camada de betão projectado Figura 53: Aspecto final da estrutura

AGRADECIMENTOS Os autores manifestam o seu agradecimento ao Prof. Carlos Rebelo da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra pelo apoio prestado na fase final da obra da GALP, ao Eng. Paulo Vasconcelos, ao Eng. Carlos Fagundes da Galp, ARL, ao Eng. Miguel Santos da STAP, SA e ao Eng. João Graça da STB, Lda. REFERÊNCIAS [1] Costa, A., Vila Pouca, N., Romão, X., Paupério, E., Relatório de Inspecção à Estrutura de

Apoio da Coluna T3001 – Porto (2005). [2] Costa, A., Vila Pouca, N., Paupério, E., Sousa, J., Relatório Técnico de Avaliação

Estrutural de Edifício de Comércio e Serviços – Valongo (2007). [3] Costa, A., Vila Pouca, N., Paupério, E., Lopes, V., Projecto de Reforço – Laje do piso 0 –

Edifício de Comércio e Serviços – Valongo (2007)

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reforço e reabilitação de estruturas de betão armado