Reforço de Pilares de Betão por Encamisamento Híbrido ...€¦ · elevado módulo de elasticidade, fibras de aramida e fibras de vidro. Foram utilizados dois tipos de reforço,

Reforço de Pilares de Betão por Encamisamento Híbrido

com Mantas de FRP

Sérgio Carneiro Henriques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientadores: Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio

Prof. Doutor Fernando José Forte Garrido Branco

Júri

Presidente: Prof. Doutor Luís Manuel Coelho Guerreiro

Orientador: Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio

Vogal: Prof. Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia

Abril de 2015

i

Resumo

A presente dissertação incide sobre o estudo experimental do comportamento de pilares de betão de

secção circular reforçados com materiais compósitos de FRP com fibras de carbono de reduzido e

elevado módulo de elasticidade, fibras de aramida e fibras de vidro. Foram utilizados dois tipos de

reforço, o de uso corrente em que o sistema de confinamento é constituído apenas por um tipo de

fibra e um encamisamento híbrido, sendo o sistema de confinamento constituído por dois tipos de

fibra.

A motivação para este estudo advém da crescente utilização de materiais compósitos no reforço de

estruturas e como tal a necessidade de aprofundar o conhecimento deste tipo de sistema de reforço.

O estudo experimental envolveu a realização de vários ensaios de compressão uniaxial até à rotura

dos modelos de catorze séries diferentes, duas das quais corresponderam às séries de referência em

que os modelos de betão não apresentavam reforço. Relativamente às doze séries confinadas com

mantas de FRP, em todas elas o sistema de confinamento consistiu em 3 camadas de mantas.

Foram utilizadas três camadas de reforço com o objectivo de avaliar a influência de diferentes

disposições de camadas no caso dos sistemas híbridos, utilizando sempre duas mantas do mesmo

tipo de fibra alternando com outra manta com um tipo de fibra diferente. Quatro séries

corresponderam a sistemas de confinamento constituídos apenas por um tipo de fibra, sendo as

restantes oito constituídas por sistemas de confinamento híbridos.

Os resultados experimentais foram analisados em termos de diversos parâmetros que caracterizam o

comportamento à compressão do betão confinado. O nível de confinamento atingido, avaliado

principalmente pelo acréscimo de tensão-extensão de rotura à compressão e da extensão do FRP, foi

relacionado com o tipo de encamisamento. Experimentalmente verificou-se que a resistência dos

pilares de betão reforçados com mantas de FRP pode ser consideravelmente incrementada, em

especial nos sistemas de reforço com aramida.

Efectuou-se uma análise de custo versus o acréscimo de resistência dos diversos sistemas de

confinamento utilizados, tendo-se obtido soluções híbridas com acréscimos de resistência

semelhantes e custos mais baixos

Efectuou-se ainda a comparação dos ensaios experimentais com os resultados obtidos por diversos

modelos teóricos publicados até à data. A estimativa da tensão última do betão confinado com FRP

apresenta uma maior fiabilidade face à estimativa da extensão axial. Realizou-se a calibração de

modelos teóricos que permitem uma estimativa da tensão de rotura do betão confinado com FRP.

Palavras-chave: pilares de betão, secção circular, reforço estrutural, confinamento, FRP, sistemas

híbridos, análise experimental.

iii

Abstract

This master thesis focuses on the experimental study of the behaviour of circular cross-section

strengthened concrete columns, with FRP composite materials with low and high modulus of elasticity

carbon fibers, aramid fibers and glass fibers. Two types of reinforcement have been used, a standard

one, in which the confinement system contains only one type of fiber and hybrid systems, where the

confinement system contains two types of fiber.

The motivation for this study comes from the increasing use of composite materials in strengthening

structures and therefore the need to deeper the knowledge of this type of reinforcement system.

The experimental study involved various monotonic axial compression tests at failure, for fourteen

models of different series, two of them corresponded to the reference series which the models are not

strengthened. For the twelve series confined with FRP sheets, in all of them, the confinement system

consisted in three layers of sheets. Three reinforcing sheets were used in order to evaluate the

influence of different arrangements of layers in hybrid systems. Two sheets of equal fibres were used

alternating with a different one. Four series, corresponded to confinement systems containing a single

type of fiber, and the remaining eight, consisted of hybrid systems.

The experimental results were analyzed in terms of various parameters that characterize the

compressive behavior of confined concrete. The achievement level of confinement, evaluated by

stress-strain failure in compression and the FRP strain was related to the type of wrapping.

Experimentally it was found that the resistance of strenghtened concrete columns with FRP sheets

can be considerably increased, especially in confinement systems with aramid.

Cost analysis versus increase resistance of the various confinement systems was performed. It was

found that it is possible to obtain hybrid confinement solutions with similar strength capacity at lower

costs.

The laboratorial tests are compared with the results obtained by many analytical models published to

date. The analysis results highlight that the errors related to the strength are lower than that of ultimate

strain. Strength prediction is rather good; on the other hand, the large scatter of strain data makes this

prediction more difficult. Calibration of analytical models that allows predict the strength of FRP

confined concrete was carried out.

Keywords: columns, circular section, structural reinforcement, confinement, FRP, hybrid systems,

experimental analysis.

v

Agradecimentos

A realização da presente dissertação só foi possível devido a várias pessoas e entidades que das

mais variadas formas contribuíram para a sua realização.

Ao Professor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio, orientador científico desta dissertação expresso o

meu profundo agradecimento pela sua disponibilidade, profissionalismo, entusiasmo e apoio científico

revelado.

Ao Professor Fernando José Forte Garrido Branco, co-orientador científico desta dissertação gostaria

também de expressar o meu profundo agradecimento, pelo apoio dado na pesquisa bibliográfica e na

realização dos ensaios experimentais, pela partilha de conhecimentos e ainda pela ajuda na

preparação do artigo referente a esta dissertação, apresentado nas Jornadas Portuguesas de

Engenharia de Estruturas 2014.

Ao pessoal técnico do LERM, especialmente ao Fernando Alves agradeço todo o apoio prestado,

sem o qual a realização dos ensaios e, consequentemente, a elaboração desta dissertação não teria

sido possível.

À empresa S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda, na pessoa do Engenheiro Filipe Dourado,

agradeço o fornecimento dos materiais de reforço.

Ao Engenheiro João Pedro Lage da Costa Firmo quero expressar o meu agradecimento pela ajuda

prestada no laboratório, pelo esclarecimento de dúvidas e ainda pelo apoio dado na pesquisa

bibliográfica.

Aos meus colegas de curso, André Alves e Sérgio Ferreira, agradeço toda a amizade,

companheirismo e apoio transmitidos ao longo dos anos em que estudámos e realizámos trabalhos

juntos.

Aos meus pais e à minha irmã agradeço todo o apoio, amor e compreensão, não só ao longo desta

dissertação mas também ao longo de toda a minha vida. Sem a ajuda do meu pai na aplicação das

mantas de FRP esta dissertação não seria possível, o meu muito obrigado pelo seu apoio.

Por fim, agradeço à minha namorada, Alda Dinis, todo o seu amor, apoio, dedicação, compreensão e

que nos momentos mais difíceis sempre me motivou a continuar, permitindo-me fechar mais uma

importante etapa da minha vida.

vii

Índice geral

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

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

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

Índice geral ............................................................................................................................................. vii

Índice de figuras ...................................................................................................................................... xi

Índice de tabelas ................................................................................................................................... xvi

Simbologia ........................................................................................................................................... xviii

Siglas ..................................................................................................................................................... xxi

1 Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1 Enquadramento ......................................................................................................................... 1

1.2 Objectivos da dissertação ......................................................................................................... 2

1.3 Organização do documento ...................................................................................................... 2

2 Reforço de pilares com compósitos de FRP .................................................................................... 5

2.1 Introdução ................................................................................................................................. 5

2.2 Materiais compósitos reforçados com fibras (FRP) .................................................................. 8

2.2.1 Fibras ............................................................................................................................... 8

2.2.2 Resinas .......................................................................................................................... 11

2.2.3 Matriz polimérica............................................................................................................ 12

2.2.4 Técnicas e características gerais dos adesivos de colagem ........................................ 13

2.3 Mantas .................................................................................................................................... 15

2.4 Encamisamento com mantas de FRP .................................................................................... 16

2.5 Propriedades mecânicas dos compósitos de FRP ................................................................. 18

3 Modelos analíticos para betão confinado com sistemas de FRP .................................................. 21

3.1 Introdução ............................................................................................................................... 21

3.2 Betão simples .......................................................................................................................... 21

3.3 Betão confinado com armaduras de aço ................................................................................ 23

3.3.1 Modelos teóricos............................................................................................................ 28

3.4 Betão confinado com sistemas de FRP .................................................................................. 28

3.4.1 Modelos teóricos............................................................................................................ 35

viii

3.4.1.1 Modelos orientados para o dimensionamento .......................................................... 37

3.4.1.2 Modelos orientados para a análise............................................................................ 47

3.4.1.3 Tensão-extensão de rotura do betão confinado com FRP ....................................... 49

3.5 Modelos de dimensionamento e verificação da segurança .................................................... 53

3.5.1 Bulletin 14 da fib ............................................................................................................ 54

3.5.1.1 Equações de previsão “exactas” ............................................................................... 54

3.5.1.2 Equações de previsão “aproximadas” ....................................................................... 56

3.5.1.3 Valor de cálculo da tensão de rotura à tracção do FRP de confinamento ................ 57

3.5.2 ACI 440.2R-08, 2008 ..................................................................................................... 57

3.5.3 Norma Italiana CNR-DT 200/2004, 2004 ...................................................................... 60

3.6 Resposta tensão-deformação ................................................................................................. 64

3.7 Ensaios experimentais em pilares .......................................................................................... 67

3.7.1 Tipo de fibras ................................................................................................................. 67

3.7.2 Número de camadas de FRP e rigidez de confinamento.............................................. 72

3.7.3 Nível de cintagem e orientação das fibras .................................................................... 74

3.7.4 Geometria do pilar ......................................................................................................... 75

3.7.5 Classe de resistência do betão ..................................................................................... 78

4 Estudo experimental do betão confinado com sistemas híbridos de FRP .................................... 81

4.1 Programa experimental ........................................................................................................... 81

4.1.1 Objectivos do programa experimental ........................................................................... 81

4.2 Materiais .................................................................................................................................. 81

4.2.1 Betão ............................................................................................................................. 81

4.2.2 Compósitos de fibras de carbono, aramida e vidro ....................................................... 85

4.3 Ensaios de compressão uniaxial dos modelos de pilares ...................................................... 86

4.3.1 Caracterização dos modelos de pilares de betão ......................................................... 86

4.3.1.1 Geometria das secções transversais ........................................................................ 86

4.3.1.2 Configuração das soluções de confinamento em FRP ............................................. 87

4.3.1.3 Procedimento de aplicação do encamisamento em FRP ......................................... 89

4.3.2 Sistema e procedimento de ensaio ............................................................................... 90

4.3.2.1 Equipamento de ensaio e de aquisição de dados..................................................... 90

ix

4.3.2.2 Instrumentação .......................................................................................................... 91

4.4 Resultados dos ensaios experimentais .................................................................................. 93

4.4.1 Introdução ...................................................................................................................... 93

4.4.2 Ensaios experimentais com betão de referência 1 (Betão B1) ...................................... 95

4.4.2.1 Série PB1.000 – Modelos de referência para o 1º grupo de ensaios ........................ 95

4.4.2.2 Série PB1.3C1 ............................................................................................................ 96

4.4.2.3 Série PB1.3C2 ............................................................................................................ 97

4.4.2.4 Série PB1.C1.2C2 ....................................................................................................... 98

4.4.2.5 Série PB1.2C1.C2 ....................................................................................................... 99

4.4.2.6 Série PB1.C1.2A ....................................................................................................... 101

4.4.2.7 Série PB1.2C1.A ....................................................................................................... 102

4.4.2.8 Série PB1.A.C1.A...................................................................................................... 103

4.4.2.9 Série PB1.2A.C1 ....................................................................................................... 104

4.4.3 Ensaios experimentais com o betão de referência 2 (Betão B2) ................................. 105

4.4.3.1 Série PB2.000 – Modelos de referência para o 2º grupo de ensaios ...................... 105

4.4.3.2 Série PB2.3A ............................................................................................................ 106

4.4.3.3 Séria PB2.3G ........................................................................................................... 107

4.4.3.4 Série PB2.A.2G ........................................................................................................ 108

4.4.3.5 Série PB2.2A.G ........................................................................................................ 109

5 Discussão dos resultados dos ensaios experimentais ................................................................ 111

5.1 Introdução ............................................................................................................................. 111

5.2 Tensão e extensões axial e circunferencial na rotura .......................................................... 111

5.3 Influência do tipo de fibras .................................................................................................... 116

5.4 Influência dos sistemas híbridos ........................................................................................... 118

5.5 Disposição das camadas ...................................................................................................... 124

5.6 Extensão do FRP .................................................................................................................. 127

5.7 Coeficiente de confinamento ................................................................................................ 129

5.8 Extensão volumétrica e dilatância ........................................................................................ 133

5.9 Análise custo / benefício ....................................................................................................... 141

6 Comparação entre modelos analíticos e resultados experimentais ............................................ 145

x

6.1 Diagramas tensão-extensão axial ......................................................................................... 145

6.2 Tensão e extensão de rotura do betão confinado com FRP ................................................ 152

6.3 Modelo analítico proposto ..................................................................................................... 161

6.3.1 Tensão de rotura do betão confinado com FRP – Modelo analítico 1 ........................ 161

6.3.2 Tensão de rotura do betão confinado com FRP – Modelo analítico 2 ........................ 163

7 Considerações finais .................................................................................................................... 167

7.1 Conclusões ........................................................................................................................... 167

7.2 Desenvolvimentos Futuros ................................................................................................... 168

8 Bibliografia .................................................................................................................................... 171

Anexos ................................................................................................................................................. 179

Anexo A ............................................................................................................................................... 181

Diagramas de extensão volumétrica ................................................................................................... 181

Anexo B ............................................................................................................................................... 187

Relação entre a extensão lateral e axial (dilatância) .......................................................................... 187

Anexo C ............................................................................................................................................... 193

Tabelas com o cálculo dos custos das séries confinadas com FRP. ................................................. 193

Anexo D ............................................................................................................................................... 197

Diagramas teóricos de tensão-deformação axial obtidos com base na extensão de rotura à tracção do

FRP de confinamento (εfu). .................................................................................................................. 197

Anexo E ............................................................................................................................................... 205

Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos obtidos com base na tensão

lateral de confinamento última efectiva flu(εju). .................................................................................... 205

Anexo F ............................................................................................................................................... 213

Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos obtidos com base na tensão

lateral de confinamento última teórica flu(εfu). ...................................................................................... 213

xi

Índice de figuras

Figura 1.1 – Evolução dos trabalhos de reabilitação em Portugal .......................................................... 1

Figura 2.1 – Técnicas correntes para o encamisamento de pilares de betão armado ........................... 5

Figura 2.2 – Aplicações de materiais compósitos em diversas indústrias .............................................. 6

Figura 2.3- Primeiras aplicações de FRP na engenharia civil ................................................................ 6

Figura 2.4 – Orientação das fibras no encamisamento com compósitos de fibras ................................ 7

Figura 2.5 – Variação de resistência com a orientação das fibras ......................................................... 8

Figura 2.6 – Tipos de fibra utilizados em mantas para o reforço de pilares ......................................... 10

Figura 2.7 – Propriedades à tracção para vários tipos de fibra. ........................................................... 11

Figura 2.8 – Matriz polimérica ............................................................................................................... 13

Figura 2.9 – Método de colagem através da introdução de tiras de laminados de CFRP em rasgos

efectuados no betão .............................................................................................................................. 14

Figura 2.10 – Encamisamento automático ............................................................................................ 14

Figura 2.11 – Colagem de FRP pré-esforçado ..................................................................................... 15

Figura 2.12 – Reforço com mantas de fibra de carbono num pilar ....................................................... 16

Figura 2.13 – Passos da aplicação da manta de FRP .......................................................................... 17

Figura 2.14 – Disposição dos materiais poliméricos ............................................................................. 17

Figura 3.1 – Diagramas tensão/extensão (σ/ε) do betão ...................................................................... 22

Figura 3.2 – Ensaio de compressão num provete cilíndrico. Lei tensão-deformação em compressão

axial ....................................................................................................................................................... 22

Figura 3.3 – Pormenorização de armadura num pilar ........................................................................... 23

Figura 3.4 – Efeito dos diferentes tipos de confinamento no diagrama tensões-extensões do betão. 24

Figura 3.5 – Tensão lateral de confinamento em secções circulares ................................................... 25

Figura 3.6 – Núcleo de betão efectivamente confinado ........................................................................ 26

Figura 3.7 – Núcleo de betão efectivamente confinado com armaduras transversais em secções

rectangulares ......................................................................................................................................... 27

Figura 3.8 – Tipo de encamisamento com FRP .................................................................................... 29

Figura 3.9 – Efeito do raio de curvatura em pilares com secções quadradas e circulares .................. 29

Figura 3.10 – Comparação entre a acção de confinamento dos FRP com o aço ................................ 29

Figura 3.11 – Tensão lateral de confinamento exercida pelo encamisamento com FRP .................... 30

Figura 3.12 – Estado triaxial de tensões verificado no encamisamento com FRP ............................... 31

Figura 3.13 – Pilar com encamisamento parcial ................................................................................... 33

Figura 3.14 – Fibras orientadas de forma helicoidal ............................................................................. 34

Figura 3.15 – Núcleo de betão efectivamente confinado com FRP, numa secção rectangular ........... 34

Figura 3.16 – Área efectivamente confinada em colunas de betão armado com secção rectangular

com e sem encamisamento de FRP e variando o raio dos cantos arredondados ............................... 35

Figura 3.17 – Comparação entre os diagramas tensão-extensão axial do betão não confinado, com o

betão confinado com aço e FRP ........................................................................................................... 36

Figura 3.18 – Modelo bilinear proposto por Samaan et al (1998) ......................................................... 37

Figura 3.19 - Modelo proposto por Toutanji (1999) ............................................................................... 39

xii

Figura 3.20 – Modelo proposto por Lam e Teng (2003) ....................................................................... 42

Figura 3.21 – Modelo tensão-extensão axial proposto pela CNR-DT 200/2004 (2004) ....................... 44

Figura 3.22 – Modelo proposto por Wei e Wu (2012) ........................................................................... 45

Figura 3.23 – Processo iterativo do modelo proposto por Spoelstra e Monti (1999) ............................ 49

Figura 3.24 – Procedimento de cálculo para a determinação da deformação última e resistência última

à compressão do betão ......................................................................................................................... 55

Figura 3.25 – Secção circular equivalente ............................................................................................ 59

Figura 3.26 – Modelo tensão-extensão axial de dimensionamento proposto pela

CNR-DT 200/2004 (2004) ..................................................................................................................... 64

Figura 3.27 – Classificação das curvas tensão-deformação ................................................................ 65

Figura 3.28 – Comparação entre o betão não confinado, confinado com aço e com FRP .................. 67

Figura 3.29 – Relação entre o coeficiente de confinamento e a extensão última mobilizada pelo

FRP. ....................................................................................................................................................... 70

Figura 3.30 – Comparação entre a resistência e a extensão na rotura obtida para os modelos

ensaiados com os diferentes compósitos de FRP. ............................................................................... 71

Figura 3.31 – Relação entre a resistência e o coeficiente de confinamento. ....................................... 72

Figura 3.32 – Curva tensão-deformação para diferentes níveis de confinamento ............................... 72

Figura 3.33 – Influência do nível de confinamento no efeito de Poisson .............................................. 73

Figura 3.34 – Relação entre o acréscimo de extensão axial e o coeficiente de confinamento ............ 73

Figura 3.35 – Curvas tensão-deformação para diversos espaçamentos ............................................. 74

Figura 3.36 – Curvas tensão-deformação para modelos de betão armado confinados e não

confinados com CFRP ........................................................................................................................... 76

Figura 3.37 – Efeito do raio de curvatura dos cantos arredondados .................................................... 77

Figura 3.38 – Variação do valor de ke com a relação rc /b .................................................................... 77

Figura 3.39 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e o coeficiente de eficácia de

confinamento; b) Relação entre o factor de eficácia de confinamento e a classe de resistência do

betão ...................................................................................................................................................... 78

Figura 3.40 – Influência da classe de resistência do betão no acréscimo da extensão axial última do

betão confinado com FRP ..................................................................................................................... 79

Figura 4.1 – Curva utilizada para a caracterização da resistência à compressão do betão da segunda

série de ensaios. ................................................................................................................................... 84

Figura 4.2 – Tipos de fibra utilizados .................................................................................................... 85

Figura 4.3 – Resina epóxida constituída por dois componentes .......................................................... 85

Figura 4.4 – Modelos de pilares ............................................................................................................ 86

Figura 4.5 – Modelo confinado com sistema de reforço híbrido com CFRP e AFRP. .......................... 87

Figura 4.6 – Procedimento de aplicação das mantas de FRP .............................................................. 90

Figura 4.7 – Equipamento de ensaio e de aquisição de dados ............................................................ 91

Figura 4.8 – Posicionamento dos transdutores de deslocamentos verticais. ....................................... 91

Figura 4.9 – Posicionamento dos extensómetros ................................................................................. 92

Figura 4.10 – Aplicação dos extensómetros ......................................................................................... 93

xiii

Figura 4.11 – a) Rotura das fibras de encamisamento; b) Betão ligado ao encamisamento após a

rotura do modelo; c) Formação de um cone de betão na zona de rotura do modelo. .......................... 95

Figura 4.12 – Diagrama tensão-deformação para o modelo PB1.000 definido pelo EC2..................... 96

Figura 4.13 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.3C1. ................................................... 97

Figura 4.14 – Rotura dos modelos da série PB1.3C1. ........................................................................... 97

Figura 4.15 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.3C2. ................................................... 98

Figura 4.16 – Rotura dos modelos da série PB1.3C2 ............................................................................ 98

Figura 4.17 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.C1.2C2................................................ 99

Figura 4.18 – Rotura dos modelos da série PB1.C1.2C2. ...................................................................... 99

Figura 4.19 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2C1.C2.............................................. 100

Figura 4.20 – Rotura dos modelos da série PB1.2C1.C2 ..................................................................... 100

Figura 4.21 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.C1.2A. .............................................. 101

Figura 4.22 – Rotura dos modelos da série PB1.C1.2A ....................................................................... 101

Figura 4.23 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2C1. A. ............................................. 102

Figura 4.24 – Rotura dos modelos da série PB1.2C1.A ....................................................................... 102

Figura 4.25 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.A.C1. A. ............................................ 103

Figura 4.26 – Rotura dos modelos da série PB1.A.C1.A ..................................................................... 104

Figura 4.27 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2A.C1. .............................................. 105

Figura 4.28 – Rotura dos modelos da série PB1.2A.C1 ....................................................................... 105

Figura 4.29 – Diagrama tensão-deformação para o modelo PB2.000 definido pelo EC2................... 106

Figura 4.30 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.3A. ................................................... 107

Figura 4.31 – Rotura dos modelos da série PB2.3A ............................................................................ 107

Figura 4.32 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.3G. ................................................... 108

Figura 4.33 – Rotura dos modelos da série PB2.3G ........................................................................... 108

Figura 4.34 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.A.2G. ............................................... 109

Figura 4.35 – Rotura dos modelos da série PB2.A.2G ........................................................................ 109

Figura 4.36 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.2A.G. ............................................... 110

Figura 4.37 – Rotura dos modelos da série PB2.2A.G ........................................................................ 110

Figura 5.1 – Valores médios para a tensão de rotura à compressão (fcc). ......................................... 112

Figura 5.2 – Valores médios para a extensão axial rotura de compressão (εcc). ............................... 112

Figura 5.3 – Valores médios para a extensão circunferencial de rotura do encamisamento de

FRP ...................................................................................................................................................... 113

Figura 5.4 – Valores médios para a tensão de rotura e respectivas extensões axiais e laterais para os

modelos do betão B1. .......................................................................................................................... 114

Figura 5.5 – Valores médios para a tensão de rotura e respectivas extensões axiais e laterais para os

modelos do betão B2. .......................................................................................................................... 114

Figura 5.6 – Curvas tensão-deformação para a série de ensaios do betão B1. ................................. 115

Figura 5.7 – Curvas tensão-deformação para a série de ensaios do betão B2. ................................. 116

Figura 5.8 – Resultados experimentais para as séries confinadas com um tipo de fibra ................... 117

xiv

Figura 5.9 - Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizados para as séries

confinadas com um tipo de fibra. ........................................................................................................ 117

Figura 5.10 - Diagrama tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com um tipo de

fibra. ..................................................................................................................................................... 118

Figura 5.11 – Resultados experimentais normalizados para análise da influência dos sistemas

híbridos ................................................................................................................................................ 120

Figura 5.12 – Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizadas para as séries

confinadas com carbono e/ou aramida. .............................................................................................. 121


confinadas com aramida e/ou vidro. ................................................................................................... 122

Figura 5.14 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com carbono

e/ou aramida. ....................................................................................................................................... 123

Figura 5.15 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com aramida

e/ou vidro. ............................................................................................................................................ 124

Figura 5.16 – Resultados experimentais para os sistemas híbridos carbono-aramida em que se

alterou a disposição das camadas ...................................................................................................... 125


confinadas com sistemas híbridos carbono-aramida em que se alterou a disposição das

camadas. ............................................................................................................................................. 126

Figura 5.18 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com carbono

e aramida em que se estudou a influência da disposição das camadas. ........................................... 126

Figura 5.19 – Mobilização da extensão última do FRP de confinamento. .......................................... 128

Figura 5.20 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e a rigidez do sistema de confinamento;

b) Relação entre o acréscimo de ductilidade e a rigidez do sistema de confinamento. ..................... 132

Figura 5.21 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e o coeficiente de confinamento;

b) Relação entre o acréscimo de ductilidade e o coeficiente de confinamento. ................................. 133

Figura 5.22 - Extensão volumétrica para as séries do betão B1. ........................................................ 134

Figura 5.23 - Extensão volumétrica para as séries do betão B2. ........................................................ 134

Figura 5.24 – Relação entre a extensão lateral e axial para as séries do betão B1. .......................... 135

Figura 5.25 – Relação entre a extensão lateral e axial para as séries do betão B2. .......................... 136

Figura 5.26 – a) Extensão volumétrica para as séries confinadas apenas com um tipo de fibra;

b) Relação entre a extensão lateral e axial para as séries confinadas com apenas um tipo de

fibra. ..................................................................................................................................................... 137

Figura 5.27 – a) Extensão volumétrica para as séries com sistemas de confinamento com mais de um

tipo de fibra (carbono C1-carbono C2 e carbono C1-aramida); b) Relação entre a extensão lateral e

axial para as séries com sistemas de confinamento com mais de um tipo de fibra (carbono C1-carbono

C2 e carbono C1-aramida). .................................................................................................................. 139

Figura 5.28 – a) Extensão volumétrica para as séries com sistemas de confinamento de aramida e/ou

vidro; b) Relação entre a extensão lateral e axial para as séries com sistemas de confinamento

aramida e/ou vidro. .............................................................................................................................. 140

xv

Figura 5.29 – Custo associado a cada série. ...................................................................................... 142

Figura 5.30 – a) Comparação entre o custo e o acréscimo de resistência; b) Custo por acréscimo de

resistência associado a cada série. .................................................................................................... 144

Figura 6.1 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos com base na

tensão lateral de confinamento última fl(εju) ........................................................................................ 149

Figura 6.2 – Comparação entre os resultados experimentais e os valores teóricos obtidos com base

na extensão de rotura do encamisamento de FRP verificada experimentalmente (εju) ..................... 156

Figura 6.3 – Comparação entre os resultados experimentais e os valores teóricos obtidos com base

na extensão de rotura à tracção do encamisamento de FRP (εfu) ...................................................... 160

Figura 6.4 – Relação entre o coeficiente k1, e o coeficiente de confinamento flu/fc0. .......................... 161

Figura 6.5 – Comparação entre o modelo analítico 1 e os resultados experimentais para a tensão de

rotura à compressão do betão confinado com FRP. ........................................................................... 163

Figura 6.6 – Relação entre o parâmetro A e o módulo de elasticidade para o encamisamento de

FRP ...................................................................................................................................................... 164

Figura 6.7 – Comparação entre o modelo analítico 2 e os resultados experimentais para a tensão de

rotura à compressão do betão confinado com FRP. ........................................................................... 165

xvi

Índice de tabelas

Tabela 2.1 – Propriedades das fibras correntes para reforço dos FRP ................................................ 10

Tabela 2.2 – Propriedades físicas e mecânicas das resinas termoendurecíveis ................................. 12

Tabela 3.1 – Expressões que permitem determinar a tensão máxima de compressão do betão

confinado (fcc) e a respectiva extensão axial (εcc). ................................................................................ 51

Tabela 3.2 – Factores parciais de segurança para os FRP .................................................................. 57

Tabela 3.3 – Factor de redução ambiental CE, para vários tipos de FRP e condições de exposição. . 60

Tabela 3.4 – Valores dos factores parciais γf ........................................................................................ 63

Tabela 3.5 – Factor de conversão ambiental ηa, para diferentes condições ambientais e sistemas de

FRP ........................................................................................................................................................ 63

Tabela 3.6 – Ensaios experimentais em modelos de betão de secção circular realizados por diversos

autores. .................................................................................................................................................. 68

Tabela 3.7 – Coeficiente da extensão de rotura do FRP e extensão de rotura nos ensaios

normalizados. ........................................................................................................................................ 70

Tabela 4.1 - Cálculo da tensão média de rotura do betão à compressão da primeira série de ensaios a

tempo infinito. ........................................................................................................................................ 82

Tabela 4.2 – Extensão do betão à compressão correspondente à tensão fcm, da primeira série de

ensaios. ................................................................................................................................................. 83

Tabela 4.3 – Tensão de rotura à compressão dos provetes de betão da segunda série de ensaios. . 83

Tabela 4.4 – Extensão do betão à compressão correspondente à tensão fcm, da segunda série de

ensaios. ................................................................................................................................................. 84

Tabela 4.5 – Módulo de elasticidade secante do betão para várias idades. ........................................ 85

Tabela 4.6 – Propriedades dos diferentes tipos de fibra utilizados fornecidas pelas fichas técnicas da

S&P Clever Reinforcement.................................................................................................................... 86

Tabela 4.7 – Configurações das soluções de confinamento dos diversos modelos ............................ 88

Tabela 4.8 – Configurações dos compósitos utilizados no confinamento dos modelos. ...................... 94

Tabela 5.1 – Resultados experimentais: tensão de rotura à compressão, extensão axial e lateral. .. 111

Tabela 5.2 – Resultados experimentais para a tensão e extensão de rotura para as séries de

referência e confinadas com um tipo de fibra. .................................................................................... 116

Tabela 5.3 – Resultados experimentais para a tensão e extensão axial de rotura para as séries de

referência e confinadas com dois tipos de fibra. ................................................................................. 119

Tabela 5.4 – Resultados experimentais para a tensão e extensão axial de rotura para as séries

confinadas com sistemas híbridos carbono-aramida em que se alterou a disposição das

camadas. ............................................................................................................................................. 124

Tabela 5.5 – Extensão do FRP correspondente à rotura dos modelos de cada série. ...................... 127

Tabela 5.6 – Factor de eficiência do FRP. .......................................................................................... 129

Tabela 5.7 – Parâmetros para o cálculo da rigidez do sistema de confinamento (Kconf) e da tensão

lateral de confinamento última (flu). ..................................................................................................... 130

xvii

Tabela 5.8 – Rigidez do sistema de confinamento, tensão lateral de confinamento última, coeficiente

de confinamento e acréscimo de tensão e extensão axial de compressão para as séries

ensaiadas. ........................................................................................................................................... 131

Tabela 5.9 – Custo das mantas de FRP ............................................................................................. 141

Tabela 5.10 – Custo da resina saturante ............................................................................................ 141

Tabela 5.11 – Custo por acréscimo de resistência associado a cada uma das séries. ..................... 141

Tabela 6.1 – Tensão lateral última efectiva de confinamento e tensão lateral última teórica de

confinamento. ...................................................................................................................................... 145

Tabela 6.2 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos para a tensão de

rotura à compressão (fcc) obtidos para a tensão lateral de confinamento última flu(εju). ..................... 151

Tabela 6.3 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos para a extensão

axial de rotura (εcc) obtida obtidos para a tensão lateral de confinamento última flu(εju). .................... 152

Tabela 6.4 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a tensão

de rotura à compressão do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão de rotura do

FRP verificada experimentalmente (εju). ............................................................................................. 154

Tabela 6.5 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a extensão

de rotura do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão de rotura do FRP verificada

experimentalmente (εju). ...................................................................................................................... 155

Tabela 6.6 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a tensão

de rotura à compressão do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão última do

FRP (εfu). .............................................................................................................................................. 158

Tabela 6.7 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a extensão

última do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão última do FRP (εfu).............. 159

Tabela 6.8 – Parâmetros para a calibração do modelo analítico 1. .................................................... 162

Tabela 6.9 – Parâmetros para a calibração do modelo analítico 2. .................................................... 165

xviii

Simbologia

Notações romanas maiúsculas

Símbolo Descrição

𝐴𝑐 Área da secção de betão confinado

𝐴𝑒 Área da secção de betão efectivamente confinado

𝐴𝑔 Área total da secção de betão

𝐴𝑠𝑙 Área total de armaduras longitudinais

𝐴𝑠𝑤 Área da secção transversal do sistema de confinamento

𝐴𝑢 Área da secção de betão não confinado

𝐶𝐸 Factor ambiental de redução

𝐷 Diâmetro do pilar

𝐸𝑐 Módulo de elasticidade tangente do betão

𝐸𝑐𝑚 Valor médio do módulo de elasticidade do betão

𝐸𝑑 Valor de cálculo do efeito das acções

𝐸𝑓 Módulo de elasticidade à tracção do compósito de FRP

𝐸𝑓𝑖𝑏 Módulo de elasticidade à tracção das fibras

𝐸𝑓𝑖𝑏,𝑖 Módulo de elasticidade das fibras da manta i

𝐸𝑓𝑖𝑏′ Módulo de elasticidade equivalente das fibras

𝐸𝑗 Módulo de elasticidade do encamisamento de FRP

𝐸𝑙 Módulo de confinamento

𝐸𝑚 Módulo de elasticidade à tracção da matriz

𝐸𝑠𝑒𝑐 Módulo de elasticidade secante do betão

𝐾𝑐𝑜𝑛𝑓 Rigidez do sistema de confinamento de FRP

𝑀𝐶𝑅 Coeficiente de confinamento modificado

𝑁𝑅𝑐𝑐,𝑑 Valor de cálculo do esforço axial resistente do elemento de betão confinado com FRP

𝑁𝑠𝑑 Valor de cálculo do esforço axial actuante

𝑃 Passo da hélice

𝑃𝑛 Valor nominal da resistência axial de compressão do betão

𝑅𝑑 Valor de cálculo das resistências

𝑇𝑔 Temperatura de transição vítrea

𝑉0 Volume do núcleo de betão confinado

𝑉𝑐𝑜𝑛𝑓 Volume do sistema de confinamento

𝑉𝑓𝑖𝑏 Fracção volumétrica das fibras

𝑉𝑚 Fracção volumétrica da matriz

xix

Notações romanas minúsculas

𝑐𝑐𝑜𝑛𝑓. Coeficiente de confinamento

𝑏 Diâmetro da coluna, dimensão da secção quadrada ou menor dimensão da secção rectangular

𝑏𝑗 Largura do encamisamento de FRP

𝑐 Dimensão da secção rectangular

𝑑𝑠 Diâmetro do núcleo de betão confinado, medido em relação ao eixo das armaduras transversais

𝑓𝑐0 Tensão de rotura à compressão do betão não confinado

𝑓𝑐 Tensão de compressão no betão

𝑓𝑐𝑐 Tensão máxima à compressão do betão confinado

𝑓𝑐𝑐𝑑 Valor de cálculo da tensão de rotura de confinamento

𝑓𝑐𝑑 Valor de cálculo da tensão de rotura à compressão do betão não confinado

𝑓𝑐𝑖 Tensão de rotura à compressão do provete cúbico i

𝑓𝑐𝑘 Valor característico de tensão de rotura do betão à compressão

𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 Valor característico da tensão de rotura à compressão para os provetes cilíndricos

𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Valor característico da tensão de rotura à compressão para os provetes cúbicos

𝑓𝑐𝑢 Tensão de rotura à compressão do betão confinado

𝑓𝑐𝑚 Valor médio da tensão de rotura à compressão do betão

𝑓𝑐𝑚,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Valor médio da tensão de rotura à compressão para os provetes cúbicos

𝑓𝑓 Tensão de rotura à tracção do compósito de FRP

𝑓𝑓𝑑 Valor de cálculo da tensão última de tracção do FRP

𝑓𝑓𝑖𝑏 Tensão de rotura à tracção das fibras

𝑓𝑓𝑘 Valor característico da tensão de tracção do FRP

𝑓𝑓𝑢 Tensão última de tracção do compósito de FRP

𝑓𝑗 Tensão de tracção do encamisamento de FRP

𝑓𝑗𝑢 Tensão última de tracção do encamisamento de FRP

𝑓𝑙 Tensão lateral de confinamento

𝑓𝑙,𝑒𝑓 Tensão lateral efectiva de confinamento

𝑓𝑙,𝑒𝑞 Tensão lateral de confinamento equivalente

𝑓𝑙𝑢 Tensão lateral de confinamento última

𝑓𝑚 Tensão de rotura à tracção da matriz

𝑓𝑠𝑦 Tensão de cedência da armadura transversal

𝑓𝑦𝑑 Valor de cálculo da tensão de cedência do aço à tracção

𝑓𝑦𝑘 Valor característico da tensão de cedência à tracção do aço

ℎ maior dimensão da secção rectangular

𝑘𝑎, 𝑘𝑏 Coeficientes de eficiência para ter em consideração a geometria da secção transversal

xx

𝑘𝑒 Coeficiente de eficácia de confinamento

𝑘𝐻 Coeficiente de eficácia de confinamento horizontal

𝑘𝜀 Coeficiente de eficácia do FRP

𝑘𝑉 Coeficiente de eficácia de confinamento vertical

𝑘𝛼 Coeficiente de eficácia de confinamento para encamisamento helicoidal

𝑘1, 𝑘2 Coeficientes determinados experimentalmente

𝑛𝑠𝑙 Número de varões longitudinais

𝑟𝑐 Raio dos cantos arredondados

𝑠 Espaçamento das armaduras transversais ou do encamisamento de FRP

𝑠′ Espaçamento livre entre armaduras transversais e bandas de FRP

𝑠𝑙′ Distância livre entre varões longitudinais adjacentes e lateralmente restringidos

𝑡 Idade do betão em dias

𝑡𝑗 Espessura do encamisamento de FRP

𝑤𝑖′ Distância livre entre os cantos arredondados

Notações gregas minúsculas


𝛼𝑓 Ângulo de aplicação das fibras com o eixo longitudinal da coluna

𝛼𝑓𝐸 Coeficiente de segurança relativo à rigidez do FRP

𝛾𝑐 Coeficiente parcial relativo ao betão

𝛾𝑓 Factor parcial de segurança para o FRP

𝛾𝑅𝑑 Coeficiente parcial para a resistência dos modelos

𝛾𝑠 Coeficiente parcial relativo ao aço

𝜀𝑐 Extensão axial de compressão do betão

𝜀𝑐0 Extensão axial do betão correspondente à tensão de rotura de compressão do betão não confinado 𝑓𝑐0

𝜀𝑐𝑐 Extensão axial do betão correspondente à tensão de rotura de compressão do betão

confinado 𝑓𝑐𝑐

𝜀𝑐𝑐𝑑 Valor de cálculo da extensão axial última do betão confinado

𝜀𝑐𝑢 Extensão axial de rotura do betão à compressão

𝜀𝑓𝑑 Valor de cálculo da extensão última do FRP

𝜀𝑓𝑘 Valor característico da extensão de tracção do FRP

𝜀𝑓𝑢 Extensão de rotura à tracção do FRP

𝜀𝑓𝑢𝑚 Valor médio da extensão última do FRP verificada no ensaio normalizado de tracção

𝜀𝑗 Extensão circunferencial do encamisamento de FRP

𝜀𝑗𝑢 Extensão circunferencial de rotura do encamisamento de FRP correspondente à rotura à compressão do betão confinado

𝜀𝑗=𝑙 extensão circunferencial do encamisamento de FRP (igual à extensão lateral do betão, 𝜀𝑙)

𝜀𝑙 Extensão lateral do betão

xxi

𝜀𝑣 Extensão volumétrica

𝜀 ̅ Extensão axial normalizada

𝜂𝑎 Factor de conversão ambiental

𝜇 Coeficiente de dilatação

𝜇0 Coeficiente de dilatação inicial

𝜇𝑚á𝑥 Coeficiente de dilatação máximo

𝜇𝑢 Coeficiente de dilatação último

𝜌𝑐𝑜𝑛𝑓 Relação volumétrica de confinamento

𝜌𝑓𝑖𝑏,𝑖 Densidade das fibras da manta i

𝜌𝑗 Relação volumétrica do encamisamento de FRP

𝜌𝑘 Coeficiente de rigidez do sistema de confinamento

𝜌𝑠𝑐 Percentagem de armaduras longitudinais em relação à área total de betão confinado

𝜌𝑠𝑤 Relação volumétrica das armaduras transversais

𝜌𝜀 Coeficiente de deformação do sistema de confinamento

𝜎𝑐 Tensão de compressão do betão

𝜙 Factor redutor da resistência

𝜓𝑓 Factor redutor da resistência do FRP

Notações gregas maiúsculas


Δ𝑅 Acréscimo de resistência

Siglas


ACI American Concrete Institute

AFRP Polímero reforçado com fibras de aramida (do termo inglês aramid fibre reinforced polymer)

ASTM American Society for Testing and Materials

CFRP Polímero reforçado com fibras de carbono (do termo inglês carbon fibre reinforced polymer)

CNR Italian National Research Council

EC2 Eurocódigo 2

Fib Fédération Internacionale du Béton

FRP Polímero reforçado com fibras (do termo inglês fibre reinforced polymer)

GFRP Polímero reforçado com fibras de vidro (do termo inglês glass fibre reinforced polymer)

HM Rigidez Elevada (do termo inglês high modulus)

HM CFRP Polímero reforçado com fibras de carbono de elevado módulo de elasticidade (do termo inglês high modulus carbon fibre reinforced polymer)

xxii

HPC Betão de elevado desempenho (do termo inglês High Performance Concrete)

HS Resistência Elevada (do termo inglês High Strenght)

HSS Secções tubulares (do termo inglês Hollow Structural Sections)

IM Rigidez Intermédia (do termo inglês Intermediate Modulus)

ITZ Zona de interface entre o agregado e a pasta ligante (do termo inglês Interfacial Transition Zone)

UHM Rigidez Ultra Elevada (do termo inglês Ultra High Modulus)

UHS Resistência Ultra Elevada (do termo inglês Ultra High Strenght)

Introdução

1

1 Introdução

1.1 Enquadramento

As estruturas são projectadas para um período de vida útil, correspondendo a 50 anos no caso de

estruturas correntes. Depois de ultrapassado o limite de vida útil das estruturas, estas deverão ser

avaliadas e, caso seja necessário, deverão sofrer intervenções de reparação ou reforço. Por outro

lado, mesmo no decurso da sua vida útil, as estruturas necessitam frequentemente de intervenções,

motivadas e.g. por necessidade de adaptação a novas utilizações. Deste modo, a reparação e o

reforço de estruturas apresenta cada vez mais um papel importante na Engenharia Civil. Nos últimos

anos as actividades de manutenção, reparação, reabilitação e reforço de estruturas têm vindo a

ganhar um peso cada vez maior no sector da construção civil em Portugal (Figura 1.1).

Figura 1.1 – Evolução dos trabalhos de reabilitação em Portugal de [1]: a) 1990 – 2010; b) 2011 – 2030; c) Mercado de Reabilitação em Portugal.

Existe um número considerável de técnicas a que se pode recorrer para a execução de operações de

reforço estrutural. No caso de pilares em betão armado, algumas destas incluem o seu

encamisamento através de betão, aço ou de materiais de compósitos, Fiber Reinforced Polymer

(FRP). Actualmente, verifica-se um aumento no uso dos FRP neste contexto pois apresentam

inúmeras vantagens e competitividade económica, conduzindo a um aumento da capacidade

resistente dos pilares, da sua ductilidade e da sua capacidade de absorção de energia, por efeito do

confinamento em toda a altura do pilar ou apenas em troços críticos [2]. As mantas de FRP também

aumentam a resistência ao corte do pilar e previnem roturas prematuras na sequência, por exemplo,

da acção sísmica [3].

O estudo aqui descrito teve por objectivo fazer a prova de um novo conceito de reforço de pilares de

betão por encamisamento híbrido de FRP, tendo como motivação principal as diferenças em termos

de módulo de elasticidade e custos das fibras comercializadas: carbono, aramida e vidro. O estudo do

encamisamento híbrido surge da necessidade de tentar obter um incremento de resistência

considerável para pilares de betão, através da junção de um material de reforço mais caro com um

material mais barato, tornando assim o sistema de reforço mais económico. O estudo do sistema

16%

84%

Trabalhos reabilitação

Trabalhos novos

44,9%

55,1%

Trabalhos reabilitação

Trabalhos novos

Edifícios Residenciais

47,0%

Edifícios Não

Residenciais 20,0%

Património Monumental

19,0%

Eficiência Energética

7,0%

Infra-estruturas

7,0%

a) b) c)

Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP

2

híbrido, baseou-se essencialmente na análise experimental, tendo sido realizadas várias séries de

ensaios de compressão até à rotura de modelos de pilares circulares em betão. Os modelos

experimentais de cada série foram concebidos de forma a avaliar, principalmente, a influência do tipo

de FRP adoptado no encamisamento. Ensaiaram-se modelos com encamisamentos constituídos por

apenas um tipo de fibra e modelos com encamisamentos constituídos por dois tipos de fibra, aqui

designados sistemas híbridos. Em todos os modelos reforçados foram adoptadas três camadas de

FRP.

1.2 Objectivos da dissertação

A presente dissertação pretende contribuir para o aprofundamento dos conhecimentos existentes no

domínio do reforço de pilares de betão, através da proposta e estudo de uma técnica inovadora de

encamisamento híbrido de FRP.

A metodologia adoptada no desenvolvimento deste trabalho foi a seguinte:

Realização de uma pesquisa bibliográfica, de forma a obter uma síntese e a tomar um

conhecimento actual das contribuições relevantes nesta área;

Definição de um programa experimental que permitisse avaliar o confinamento de pilares de

betão de secção circular com compósitos de FRP reforçados combinando vários tipos de fibra

(carbonos de reduzido e elevado módulo de elasticidade, aramida e vidro);

Observação experimental do comportamento à compressão dos modelos de pilares de betão

confinados com compósitos de FRP reforçados com vários tipos de fibra;

Confrontação dos resultados experimentais com modelos analíticos propostos por diferentes

autores.

Os principais objectivos que orientaram a definição deste trabalho foram os seguintes:

Definir a influência do tipo de fibra;

Avaliar a eficácia de encamisamentos híbridos;

Caracterizar a influência da disposição de camadas de reforço nos sistemas híbridos;

Avaliar a adequação dos modelos teóricos existentes na literatura na previsão do

comportamento de pilares reforçados por encamisamento de FRP.

1.3 Organização do documento

A presente dissertação encontra-se estruturada em sete capítulos de acordo com os objectivos

definidos.

O primeiro capítulo faz um breve enquadramento sobre a necessidade crescente de reparar e

reforçar as estruturas e em como, neste contexto, o reforço com FRP se apresenta como uma

alternativa interessante relativamente às técnicas correntes.

Introdução

3

No segundo capítulo, com base na pesquisa bibliográfica efectuada, são apresentadas as principais

características, vantagens e desvantagens do reforço de pilares com materiais compósitos de FRP, e

indicam-se os materiais e tecnologias associados a esta técnica.

O terceiro capítulo, igualmente baseado na pesquisa bibliográfica efectuada, apresenta uma

compilação de vários modelos teóricos que permitem estimar o efeito do confinamento em elementos

de betão com compósitos de FRP, incluindo alguns contidos em propostas normativas. Apresenta-se

ainda, o resumo de alguns trabalhos experimentais de investigação sobre confinamento com FRP,

onde se estudam diversos parâmetros que influenciam o comportamento do betão confinado com

FRP.

No quarto capítulo apresenta-se o programa experimental que serviu de base ao estudo do

confinamento de pilares de betão de secção circular com vários tipos de FRP: carbon fibre reinforced

polymer (CFRP), high modulus carbon fibre reinforced polymer (HM CFRP), aramid fibre reinforced

polymer (AFRP) e glass fiber reinforced polymer (GFRP). No início deste capítulo, faz-se a

caracterização dos modelos de pilares e dos sistemas de FRP adoptados no confinamento, bem

como os respectivos procedimentos de aplicação. Na segunda parte, apresentam-se os resultados

dos ensaios de caracterização dos materiais utilizados na produção dos modelos. Na terceira parte é

feita uma descrição relativamente ao sistema de ensaio e instrumentação dos modelos. Finalmente,

são apresentados os resultados dos ensaios de compressão até à rotura das catorze séries de

modelos ensaiadas, cada uma delas constituída por dois modelos iguais. Em duas destas, uma para

cada tipo de betão adoptado, os modelos não foram reforçados, servindo assim como referência. As

restantes doze séries foram confinadas com três camadas de mantas de FRP, nomeadamente:

HM CFRP, CFRP, AFRP, GFRP e oito séries com soluções híbridas, constituídas por combinações

dos FRP anteriormente referidos, adoptando-se sempre duas camadas de um mesmo FRP e uma

camada de um FRP diferente.

O quinto capítulo apresenta uma análise global dos resultados dos ensaios experimentais realizados,

a caracterização do comportamento à compressão do betão confinado com FRP e uma análise de

custo/benefício onde se quantifica a relação entre o custo e o acréscimo de resistência obtida com

cada uma das séries confinadas.

O sexto capítulo apresenta em primeiro lugar, a comparação dos resultados experimentais com os

resultados teóricos obtidos através dos modelos teóricos considerados no terceiro capítulo. Em

segundo lugar, são propostas duas expressões para estimar a tensão de rotura do betão confinado

com sistemas híbridos de FRP.

No sétimo capítulo apresentam-se as principais conclusões deste estudo e sugerem-se alguns

aspectos para desenvolvimento futuro.


4

Reforço de pilares com compósitos de FRP

5

2 Reforço de pilares com compósitos de FRP

2.1 Introdução

A necessidade de reabilitação (implicando reparação e/ou reforço) de uma estrutura poderá

encontrar-se associada a diversos factores como: a correcção de anomalias decorrentes de

deficiências de projecto ou de construção, a alteração da geometria da estrutura ou das acções

instaladas, em resultado de nova regulamentação ou da alteração da sua função principal de

utilização [4]. A crescente deterioração das estruturas resultado do seu envelhecimento, ataque de

agentes agressivos, falta de manutenção, ou em resultado de sismos, incêndios ou acções

acidentais, combina-se também como uma necessidade crescente da reabilitação estrutural.

As técnicas de reparação e reforço correntes correspondem ao encamisamento com betão armado

(Figura 2.1a), encamisamento metálico (Figura 2.1b), cintagem com elementos metálicos

(Figura 2.1c), colagem de chapas metálicas (Figura 2.1d) ou a aplicação de pré-esforço exterior com

cordões de aço (Figura 2.1e) ou cintas metálicas (Figura 2.1f).

Figura 2.1 – Técnicas correntes para o encamisamento de pilares de betão armado: a) Encamisamento com betão armado (adaptado de [5]); b) Encamisamento metálico (adaptado de [5]); c) Encamisamento com elementos metálicos (adaptado de [5]); d) Encamisamento com colagem de chapas metálicas (adaptado de [5]); e) Encamisamento com cordões de aço pré-esforçados num pilar quadrado (adaptado de [6]); f) Encamisamento com cintas metálicas pré-esforçadas (adaptado de [7]).

Nos últimos trinta anos, o sistema de reforço com materiais compósitos de matriz polimérica

reforçada com fibras, designados por compósitos de FRP, tem sido sucessivamente mais adoptado.

Estes materiais já eram contudo utilizados em diversas indústrias, em especial no domínio das

engenharias aerospacial (Figura 2.2a), naval (Figura 2.2b) de defesa e aeronáutica (Figura 2.2c),

tendo despertado o interesse por parte da engenharia civil, devido às vantagens que apresentam

relativamente aos materiais tradicionais. Os materiais compósitos, e em particular os FRP, são

a) b) c)

d) e) f)


6

sinónimo de uma procura constante de materiais de elevada resistência e durabilidade, fáceis de

manusear, transportar e aplicar [4].

Figura 2.2 – Aplicações de materiais compósitos em diversas indústrias: a) Nave espacial SpaceShipOne e o seu veículo de lançamento White Knight (adaptado de [9]); b) F-16 da aviação militar Norte Americana (adapatado de [10]); c) Barco de recreio com casco totalmente em compósito de fibras de vidro [11].

Entre a década de 50 e a década de 60 do século XX, verificaram-se as primeiras aplicações de

materiais compósitos na área da construção em dois projectos experimentais denominados

“Monsanto House of the Future” (Figura 2.3a) e “American Pavilion in Brussels” (Figura 2.3b), em que

no revestimento das suas fachadas foram utilizados compósitos de fibra de vidro, conferindo um

aspecto vanguardista a estes edifícios [12].

Figura 2.3- Primeiras aplicações de FRP na engenharia civil: a) “Monsanto House of the Future” com revestimentos em compósitos de fibra de vidro [13]; b) “American Pavillion in Brussels” com fachadas totalmente em compósitos de fibra de vidro [14].

No final da década de 80 e início da década de 90 do século XX, a descida dos custos dos FRP,

resultado da evolução tecnológica dos processos de fabrico como a pultrusão e da maior procura

destes materiais, acompanhou a necessidade de renovação de um conjunto de infra-estruturas,

sobretudo rodoviárias, com exigências de funcionalidade crescentes. O desenrolar de projectos-

piloto, apoiados pela indústria e por organizações governamentais, em paralelo com o crescimento do

esforço de investigação, contribuiu para uma aceitação cada vez maior destes materiais em

aplicações do sector da construção. Este tema estimulou frentes de trabalho em localizações

distintas, destacando-se o Japão interessado na pré-fabricação e no pré-esforço por pré-tensão, a

América do Norte empenhada nas soluções para problemas de durabilidade, e a Europa preocupada

com as necessidades de preservação do património histórico [12]. Na década de 1990 deu-se início a

uma série de conferências internacionais com o objectivo de discutir aspectos específicos do uso

destes materiais compósitos na engenharia civil. Desde então, tem sido desenvolvida uma grande

diversidade de produtos desde armaduras para estruturas de betão (incluindo varões e cabos de

a) b) c)

a) b)


7

pré-esforço), cabos para pontes suspensas, perfis estruturais, painéis de laje pré-fabricados, até

laminados e mantas para reforço de estruturas existentes [12].

Os FRP poderão ser aplicados a diferentes elementos estruturais de betão como vigas, pilares e

lajes. As aplicações típicas correspondem ao reforço à flexão de lajes e vigas, reforço ao corte de

vigas e pilares e aumento da capacidade resistente de pilares através do efeito de confinamento. No

reforço à flexão de vigas, o FRP é colocado na zona traccionada com as fibras dispostas

paralelamente à direcção principal das tensões. No reforço ao corte de vigas e pilares o FRP é

colocado nas faces laterais, com as fibras dispostas paralelamente à direcção principal de tensões,

actuando como reforço exterior ao corte. O aumento da capacidade resistente de pilares de betão é

conseguido através do encamisamento de FRP [15].

As principais vantagens da aplicação dos FRP resultam directamente das propriedades intrínsecas

aos próprios FRP, como resistência à tracção elevada, peso volúmico muito reduzido, resistência à

corrosão e à fadiga elevada, diversidade e versatilidade dos sistemas comercializados [4]. É ainda

uma técnica fácil e rápida de executar e não provoca grandes alterações nas dimensões das peças.

Em contra ponto, os principais inconvenientes apresentados pelos compósitos de FRP são a

exigência de mão-de-obra especializada, reduzida resistência ao fogo, necessidade de protecção

contra os raios ultravioletas e comportamento elástico até à rotura, i.e. não apresentando o patamar

de cedência associado ao aço.

O reforço de pilares de betão armado com FRP consiste na colagem dos compósitos à superfície dos

pilares, com as fibras orientadas, usualmente, na direcção transversal ao eixo longitudinal do

elemento por forma a aumentar o confinamento ( Figura 2.4). Para o efeito, utilizam-se mantas,

tecidos ou tubos pré-fabricados. Os tecidos e as mantas caracterizam-se por possuírem elevada

flexibilidade no momento de aplicação, sendo facilmente adaptáveis à geometria das secções

transversais. Os tubos pré-fabricados, além de servirem de armaduras transversais, podem

igualmente ser utilizados como cofragens dos pilares [4].

Figura 2.4 – Orientação das fibras no encamisamento com compósitos de fibras [16].

Normalmente, são utilizados três tipos de compósitos reforçados com fibras: CFRP, AFRP e GFRP.


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A utilização do encamisamento com CFRP nas potenciais regiões de formação de rótulas plásticas

nos pilares de betão armado para melhorar o seu desempenho sísmico permite um ganho de

ductilidade por parte do pilar. Este ganho de ductilidade resulta, por um lado, do confinamento do

betão conferido pela cintagem das mantas e, por outro, do aumento de resistência ao corte que

previne este modo de rotura, conduzindo a um modo de rotura por flexão, consequentemente mais

dúctil [17].

2.2 Materiais compósitos reforçados com fibras (FRP)

2.2.1 Fibras

Segundo a “American Society for Testing and Materials” (ASTM) [19], fibras são materiais alongados

com dimensões na razão mínima de 10/1 (comprimento/espessura), com uma área mínima de secção

transversal de 0.05 mm2 e uma espessura máxima de 0.25 mm.

As fibras constituintes dos FRP representam as componentes de resistência e rigidez do compósito e

o seu desempenho é função de parâmetros como o tipo de fibra (composição química), teor de

concentração, comprimento (curtas ou longas) e a sua disposição no seio da matriz. A resistência à

tracção e o respectivo módulo de elasticidade são máximos segundo a direcção longitudinal das

fibras, reduzindo de forma progressiva quando o ângulo analisado se afasta dessa direcção. As

propriedades mecânicas para qualquer orientação das fibras é proporcional à quantidade de fibras

por volume orientado segundo essa direcção (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Variação de resistência com a orientação das fibras (adaptado de [20]).

O comportamento exibido pelas fibras é elástico até à rotura, i.e não se verificando tensão de

cedência e deformação plástica, contrariamente ao que se observa com o aço [21, 22].

As fibras em filamento de forma contínua são as que permitem, numa situação de reforço estrutural,

um melhor desempenho do compósito devido à possibilidade de orientar as fibras em direcções

específicas [23].

As fibras contínuas mais usuais no reforço de estruturas correspondem às fibras de carbono (C), de

aramida (A) e de vidro (G).


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Dos materiais fibrosos de elevado desempenho, as fibras de carbono (Figura 2.6a) são as mais

utilizadas no reforço de compósitos (laminados e mantas) convencionais. Tal deve-se às seguintes

razões [23]:

As fibras de carbono possuem o mais elevado módulo de elasticidade e resistência

específica;

À temperatura ambiente, não são afectadas pela humidade nem por uma grande variedade

de solventes, ácidos e bases;

Os processos que têm sido desenvolvidos para fabrico das fibras e respectivos compósitos

são relativamente acessíveis, quer na produção, quer no custo efectivo.

As fibras de carbono resultam do tratamento térmico de dois precursores orgânicos ricos em carbono,

já existentes sob a forma de fibras. O precursor mais comum é o poliacrilonitrilo, pois proporciona

fibras com melhores características, designadas de PAN. É ainda usual a utilização de fibras pitch

(resíduo resultante da destilação do petróleo), apresentando maior rigidez relativamente a outras

fibras comercializadas [21]. As fibras de carbono possuem coloração preta (Figura 2.6a e b),

apresentam bom comportamento à fluência e fadiga, no entanto, em relação às fibras de vidro e

aramida, exibem pior comportamento ao impacto. De acordo com a sua característica mecânica

determinante, as fibras de carbono classificam-se de resistência elevada (HS – high strength),

resistência ultra elevada (UHS – ultra high strength), rigidez elevada (Figura 2.6b) (HM – high

modulus), rigidez ultra elevada (UHM – ultra high modulus) e rigidez intermédia (IM – intermediate

modulus).

As fibras de aramida (Figura 2.6c) foram introduzidas no mercado no início dos anos 1970, sob o

nome comercial de Kevlar, abrangendo diversas variedades. As fibras de aramida apresentam cor

amarela (Figura 2.6d) e uma estrutura anisotrópica. As fibras de aramida apresentam uma estrutura

molecular muito rígida e, em geral, um elevado módulo de elasticidade e elevada resistência

mecânica [23]. No reforço de estruturas, dada a elevada resistência destas fibras, apresentam

vantagens na aplicação do reforço de colunas, sendo especialmente utilizadas em protecções de

pilares para acções de explosão ou impacto. Quimicamente, as aramidas são susceptíveis à

degradação por soluções ácidas e bases fortes, mas são relativamente inertes a outros solventes e

químicos. Estas fibras apresentam a desvantagem de seres susceptíveis à rotura por fadiga e à

degradação pela radiação ultra violeta [23, 24].

As fibras de vidro (Figura 2.6d) são utilizadas para reforçar matrizes poliméricas, por forma a obter

materiais compósitos estruturais de GFRP, na forma de laminados e componentes moldados. O vidro

é utilizado como fibra de reforço, pois apresenta algumas características favoráveis [23]:

É facilmente extraído do seu estado fundido sob a forma de fibra de elevada resistência;

Tem fácil disponibilidade, associada a reduzido custo, podendo ser produzido num plástico

reforçado com fibras de vidro, utilizando uma diversidade de técnicas de processamento;


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Como fibra relativamente forte que é, embebida numa matriz plástica, produz-se um

compósito de elevada resistência específica;

Quando agrupada com os vários plásticos, possui uma química inerente que favorece o

compósito em diversos ambientes agressivos.

As fibras de vidro podem ser classificadas em três tipos: E, S e AR. As fibras de vidro do tipo E

(isolamento eléctrico), possuem elevado teor de boro-silicato, alumínio e cálcio, isento ou com

reduzidos teores de sódio e potássio. Após o fabrico, as fibras de vidro do tipo E apresentam boas

propriedades de isolamento térmico. No entanto, apresentam-se desvantajosas quando sujeitas a

meios alcalinos. As fibras de vidro do tipo S (elevada resistência mecânica), são mais resistentes

mecanicamente do que as fibras do tipo E. Apresentam uma relação resistência/peso mais elevada,

apresentando também um custo mais elevado do que as fibras do tipo E, sendo este tipo de fibra

normalmente utilizado para aplicações em que são exigidos elevados desempenhos mecânicos

(aplicações militares e aerospaciais). Apresenta, tal como as fibras do tipo E, a característica de não

ser resistente a meios alcalinos. As fibras do tipo AR (resistência em meio alcalino) são as fibras mais

resistentes a meios alcalinos. Este tipo de fibra é obtido por adiçã

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Reforço de Pilares de Betão por Encamisamento Híbrido ...€¦ · elevado módulo de elasticidade, fibras de aramida e fibras de vidro. Foram utilizados dois tipos de reforço,