Avaliação da resistência: cargas e modos de ruptura

A partir da avaliação do comportamento experimental das vigas do grupo F, notadamente suas cargas e modos de ruptura, é possível confirmar o excelente desempenho dos compósitos de CFRP no reforço à flexão de vigas de concreto armado. Os incrementos em resistência são evidentes, chegando até 78,9%. Contudo, a aplicação dos compósitos de CFRP conduz a modificações severas no comportamento de uma viga reforçada, influenciando, principalmente, seu modo de ruptura. Na tabela 5-1, são apresentados as principais características das vigas reforçadas, suas cargas e modos de ruptura.

TABELA 5-1  Comparação entre cargas e modos de ruptura (grupo F)

Viga Sistema de reforço Af

[cm²] A^f/As Modo de ruptura Carga de

ruptura [kN] Incremento [%]

V1_A 104,63 -

V1_B - - - alongamento excessivo da

armadura longitudinal 102,72 -

V2_A 117,89 13,7

V2_B laminado CFK 0,70 0,286 descolamento na interface

adesivo/compósito 116,66 12,5

V3_A 139,69 34,7

V3_B laminado CFK 1,40 0,572 descolamento na interface

adesivo/compósito 148,10 42,8

V4_A 132,81 28,1

V4_B manta Replark 0,167 0,068 ruptura por fissuração

excessiva de flexão 130,05 25,4

V5_A 185,49 78,9

V5_B manta Replark 0,999 0,408 arrancamento do

cobrimento 170,39 64,3

V6_A 118,56 14,4

V6_B manta C-Sheet 0,167 0,068 ruptura por fissuração

excessiva de flexão 118,50 14,3

V7_A 167,07 61,1

V7_B manta C-Sheet 0,999 0,408 descolamento na interface

concreto/reforço 154,79 49,3 Obs.: a determinação do incremento na carga de ruptura das vigas reforçadas é realizada sobre a média aritmética das cargas de ruptura das vigas V1_A e V1_B.

Em função de uma taxa de armadura reduzida, o modo de ruptura apresentado pelas vigas de controle se caracterizou pela deformação excessiva da armadura longitudinal. Neste caso, a ruptura da viga está associada a um quadro de fissuração bastante acentuado em conjunto com grandes deslocamentos verticais. Nas figuras 5-1(a) e 5-1(b) apresenta-se, em detalhe, este modo de ruptura.

FIGURA 5-1  Detalhes do modo de ruptura das vigas V1_A e V1_B

De um modo geral, as vigas reforçadas apresentaram aumentos significativos em suas cargas de ruptura. No entanto, como era de se esperar, a aplicação do reforço modificou dramaticamente o modo de ruptura destas vigas.

As vigas reforçadas com o laminado pré-fabricado (V2_A, V2_B, V3_A e V3_B) apresentaram um ganho razoável de resistência, variando entre 12,5% e 42,8% para as situações de colagem de uma e duas tiras de laminado. A ruptura destas vigas caracterizou-se pelo descolamento do reforço na interface adesivo/compósito, a partir de sua extremidade, conduzindo, na seqüência, ao progressivo descolamento do reforço em praticamente toda sua extensão.

Em função da considerável rigidez proporcionada pela aplicação deste sistema de reforço, não foi possível verificar, até alguns segundos antes da separação do reforço, qualquer indício de sua ocorrência. Nas figuras 5-2(a) e 5-2(b) apresenta-se um aspecto geral do descolamento do reforço para as vigas reforçadas com uma e duas tiras de laminado, respectivamente. A partir das figuras 5-3(a) e 5-3(b) é possível observar, em detalhe, o ponto de início do descolamento, junto à extremidade do reforço.

A aplicação de compósitos de CFRP, sob a forma de mantas flexíveis, conduziu a um comportamento distinto daquele apresentado pelas vigas reforçadas com laminados pré-fabricados. No caso das vigas reforçadas com a manta flexível do tipo Replark 20, o incremento de resistência oscilou entre 25,4% e 78,9%. Já as vigas reforçadas com as mantas do tipo C-Sheet 240, apresentaram incrementos de resistência um pouco menores, entre

(a) (b)

14,3% e 61,1%. Embora tenham sido reforçadas com a mesma seção transversal de reforço, essas pequenas diferenças em resistência são aceitáveis em virtude das características particulares de cada sistema de reforço, notadamente, quantidade de fibra por m², resistência à tração, módulo de elasticidade, espessura e combinação de resinas de imprimação e saturação.

FIGURA 5-2  Aspecto geral do descolamento nas vigas reforçadas com laminado pré-fabricado

FIGURA 5-3  Detalhe do descolamento na interface adesivo/compósito

O modo de ruptura apresentado pelas vigas reforçadas com uma camada de manta flexível (V4_A ,V4_B, V6_A e V6_B) aconteceu em decorrência da fissuração excessiva.

Este quadro está associado, principalmente, a maior ductilidade que estas vigas apresentaram,

(a) (b)

(a) (b)

em função da pequena espessura das mantas. Nas figuras 5-4(a) e 5-4(b) observa-se o deslocamento na seção central e um detalhe da fissuração da viga V4_B.

FIGURA 5-4  Deslocamento vertical e fissuração da viga V4_B

Com o aumento do carregamento aplicado sobre a viga, as fissuras tendem a apresentar maiores aberturas devido ao escoamento da armadura longitudinal. Assim, em função de sua elevada resistência e capacidade de absorver grandes deformações, o reforço torna-se, gradativamente, responsável por uma parcela maior da resultante das tensões de tração. Entretanto, a pequena rigidez do reforço na direção transversal (paralela ao carregamento) torna-o extremamente sensível a possíveis deslocamentos diferenciais que ocorrem em dois segmentos adjacentes a uma determinada fissura. As figuras 5-5(a) e 5-5(b) apresentam, em detalhe, este modo de ruptura.

FIGURA 5-5  Detalhe do modo de ruptura das vigas reforçadas com uma camada de manta

(a) (b)

(a) (b)

Os modos de ruptura apresentados pelas demais vigas reforçadas com manta flexível foram similares quanto ao mecanismo, sendo necessário, porém, estabelecer algumas distinções quanto à sua origem.

O modo de ruptura das vigas reforçadas com a manta do tipo Replark 20 (V5_A e V5_B) teve sua origem a partir da extremidade do reforço. Este modo de ruptura pode ser identificado como uma falha na ancoragem do reforço com conseqüente arrancamento do concreto junto à armadura longitudinal, ou seja, o concreto do cobrimento.

Este modo de ruptura é bastante comum e está associado ao mecanismo de transferência de esforços entre reforço e concreto. Como os adesivos utilizados nos sistemas de reforço apresentam uma resistência à tração muito maior que a do concreto, este acaba tornando-se o elemento frágil nesta ligação e, conseqüentemente aquele que desencadeará o processo de ruptura. A ruptura está, portanto, associada à combinação de tensões tangenciais e de tração nesta região. Nas figuras 5-6(a) e 5-6(b) apresenta-se, em detalhe, este modo de ruptura.

FIGURA 5-6  Detalhe do modo de ruptura das vigas V5

Por outro lado, o modo de ruptura apresentado pelas vigas reforçadas com a manta do tipo C-Sheet 240 (V7_A e V7_B) teve sua origem a partir do meio do vão. Embora pouco comum, este modo de ruptura está associado ao processo de transferência de tensões junto às fissuras. Basicamente, quando uma fissura se forma, a tensão de tração correspondente é transferida para o reforço, resultando no surgimento de tensões tangenciais entre concreto e reforço, próximo a esta fissura. O incremento na carga aplicada conduz a um aumento

(a) (b)

natural nas tensões de tração e a conseqüente elevação da tensão tangencial na interface concreto/reforço, ao longo de um comprimento de ancoragem efetivo. Quando esta tensão tangencial atinge valores críticos, o descolamento tem início neste ponto e se propaga para uma das extremidades, geralmente a mais próxima.

Em outras palavras, as tensões são transferidas ao concreto, ao longo deste comprimento até que uma falha localizada promova uma mudança na posição deste comprimento de ancoragem efetivo. Esta mudança de posição do comprimento de ancoragem efetivo ocorre até o completo destacamento do reforço. Nas figuras 5-7(a) e 5-7(b) pode-se observar detalhadamente este modo de ruptura.

FIGURA 5-7  Detalhe do modo de ruptura das vigas V7

Em última análise, este modo de ruptura pode conduzir, ainda a um arrancamento do concreto do cobrimento. Além disso, o conceito de um comprimento de ancoragem efetivo, pode explicar, em parte, o modo de ruptura das vigas V5.

Outro importante aspecto, relacionado às cargas de ruptura, pode ser verificado quando são comparados os incrementos de resistência alcançados com cada um dos sistemas de reforço. A comparação entre estes resultados abre a perspectiva para que seja avaliada, também, a eficiência dos diferentes sistemas de reforço utilizados. No caso particular desta tese, esta avaliação se limitará à comparação entre as cargas de ruptura das vigas V2_A e V2_B com V6_A e V6_B que, por coincidência, apresentaram, praticamente, o mesmo incremento de resistência em relação às vigas de controle (cerca de 14%). Neste caso, observa-se que a seção transversal de reforço das vigas V6_A e V6_B representa, somente,

(a) (b)

24% da seção transversal de reforço das vigas V2_A e V2_B. Isto significa dizer que, se a escolha do sistema de reforço, neste caso, estivesse condicionada exclusivamente ao incremento de resistência, a aplicação da manta flexível representaria menor consumo de material e, possivelmente, menor custo.

É importante salientar, ainda, que a taxa de armadura longitudinal adotada para as vigas do grupo F (ρ=0,55%) tem importância significativa sobre os valores dos incrementos nas cargas de ruptura. Com esta taxa de armadura, a “ruptura” das vigas de controle ocorre por deformações plásticas excessivas da armadura longitudinal, dentro do domínio 2 de deformação, segundo a NBR 6118/2003. Isto significa dizer que a viga está sendo submetida à flexão, sem ruptura à compressão do concreto e com o máximo alongamento permitido para a armadura longitudinal.

Maiores valores de taxa de armadura conduzem a viga a situar-se no domínio 3 de deformação, caracterizado pela flexão, com ruptura por esmagamento do concreto e escoamento da armadura longitudinal. A aplicação do reforço, então, faz com que a viga tenha sua ruptura situada no domínio 3, uma vez que a resultante de tensões de tração da armadura e do reforço são somadas, ou seja, como se a taxa de armadura fosse aumentada. A aplicação de reforços em estruturas, que originalmente já apresentem taxas de armadura elevadas, conduz, por esta razão, a menores incrementos nas cargas de ruptura.