2.6.1 Ensaios de corte
O comportamento da ligação entre o betão e o compósito é de extrema importância na aplicação da técnica de reforço por colagem externa. A eficiência e a durabilidade desta ligação são preponderantes para que o reforço tenha um papel efetivo na estrutura durante um período de vida útil. Neste contexto, revela-se importante o aprofundamento do estudo da resistência da colagem sob o efeito de diversos fatores que afetam a sua integridade.
Desde o início da aplicação desta técnica de reforço que o comportamento da ligação sujeita a esforços de corte tem sido alvo de estudo experimental. Diversos investigadores tais como Tadeu e Branco [35], Theillot [48], Savoia et al [49], Camata et al. [50] e Leone et al. [51] idealizaram diferentes modelos para esse estudo. Numa fase inicial, estes modelos foram concebidos e ensaiados com o objetivo de obter uma distribuição de tensões a carregamentos estáticos bem como modos de rotura a temperaturas ambiente. O estudo da influência da temperatura na ligação é um aspecto abordado mais recentemente, tendo sido no passado frequentemente negligenciado pelos investigadores. Segundo Ekenel e Myers [52] e Gamage et al. [53], são ainda reduzidos os estudos sobre o efeito da temperatura na ligação do FRP-resina-betão.
No ponto seguinte, descrevem-se alguns modelos laboratoriais concebidos para a realização de ensaios de corte à temperatura ambiente e a temperaturas elevadas, que foram desenvolvidos por diferentes autores.
19 2.6.2 Ensaios ao corte à temperatura ambiente
Pham e AL-Mahaidi [54] efetuaram um dos primeiros ensaios com FRP, utilizando o modelo de ensaio de Theillout [48]. Atendendo ao modo de preparação da superfície de betão, aplicação da resina, geometria do FPR-resina-betão e resistência dos materiais, estes autores identificaram os modos de rotura apresentados na Figura 13:
Figura 13 - Modos de rotura observados em ensaios de corte (Pham & Al-Mahaidi) [54].
Modo 1 - delaminação do betão de recobrimento, sendo o modo de rotura observado mais frequentemente. A rotura dá-se pelo interior do betão, a poucos milímetros da ligação betão-resina. Por vezes verifica-se também o arrancamento de uma porção de betão junto da extremidade onde é aplicado o carregamento;
Modo 2 - rotura por esforço transverso, neste caso dá-se uma propagação no betão de uma fenda localizada no fim do reforço;
Modos 3 – rotura pelo laminado quando este atinge a tensão de rotura. Este tipo de rotura é raro mas pode acontecer se a área da secção transversal de reforço for reduzida.
Modo 4 – rotura na camada de resina. A este tipo de rotura dá-se o nome de rotura coesiva pelo resina. Este fenómeno é raro em betões comerciais onde a resistência ao corte do betão é muito inferior quando comparada com a resistência da resina.
Modo 5 – a rotura dá-se na superfície de contato entre o resina e o FRP. Dá-se o nome de delaminação do FRP. Ocorre quando não há aderência entre os dois materiais normalmente por deficiência aquando da colagem.
De acordo com Oller et al. [55], nos modelos de corte, a tensão de tração no compósito e a tensão de corte na interface não se distribuem uniformemente ao longo da ligação. Na etapa inicial (Estágio I) verifica-se a existência, na extremidade do CFRP, de um valor de pico da tensão de corte, conforme ilustrado na Figura 14. Quando esta tensão atinge o valor máximo de resistência do betão, este fendilha. A partir desse momento, verifica-se que o pico da tensão se desloca mais para o interior da ligação (Estágio II), até que ocorra o destacamento brusco do compósito como se pode observar na Figura 15.
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Figura 14 - Tensão de corte no Estagio I em que
assume-se que a interface de colagem tem um comportamento elástico linear (Oller et al. [55]).
Figura 15 - Tensões de corte no Estágio II,
caracterizado pelo desenvolvimento de micro-fendas na interface de colagem (Oller et al. [55]).
Muitos estudos têm sido realizados com o objetivo de desenvolver uma lei para o comportamento da interface FRP-resina-betão. Vários modelos tensão-escorregamento, lineares, bilineares e não lineares, calibrados através de ensaios de corte, têm sido desenvolvidos e propostos para análise do mecanismo de rotura, evolução das tensões na interface, comprimento efetivo de colagem, e configurações da colagem [55]. Segundo Smith e Gravina [56], estas relações são bastante condicionadas pelas características materiais e geométricas relativas a cada ensaio e ainda pelo tipo de técnica usada para a preparação da superfície do betão.
Lu et al. [57] efetuaram vários estudos em modelos teóricos de aderência-escorregamento calibrados através de 253 tipos de testes existentes na literatura. Concluíram que o modelo bilinear fornece melhor resultados do que os restantes.
2.6.2.1 Modelo bilinear da relação aderência-escorregamento
Considerando a interface entre o laminado e o betão sujeita a tensões médias de corte longitudinal, o processo de desresinamento do laminado pode ser analisado pela formação e propagação de fendas na ligação. Estas tensões de corte longitudinal estão diretamente relacionadas com o deslocamento relativo entre ambos os materiais, controlado pela lei constitutiva da resina adotado e que pode ser descrita por uma função aderência-escorregamento (do inglês bond-slip). Nas figuras seguintes, apresentam-se o traçado teórico (Figura 16) e o traçado simplificado bilinear (Figura 17) da relação aderência-escorregamento.
21 Figura 16 - Tipica função teórica da relação aderência-
escorregamento numa junta colada (adaptado de Oller et
al. [55]).
Figura 17 - Simplificação da função de aderência-
escorregamento segundo uma função bilinear (adaptado de Oller et al. [55]).
No traçado gráfico da relação aderência-escorregamento, a máxima tensão de corte (𝜏𝑚á𝑥) corresponde a um valor de escorregamento 𝛿0. Neste traçado podem ser distinguidas três zonas:
Zona I : O escorregamento nesta fase é menor do que 𝛿0 e a tensão de corte é uma função crescente representando a deformação da resina da ligação;
Zona II : Para valores de escorregamento maiores do que 𝛿0, a tensão de corte é uma função decrescente que reproduz o comportamento pós-pico. Na Zona I o material apresenta-se sem danos e na Zona II desenvolvem-se micro-fendas na junta de colagem. Ainda assim, a transferência de tensões é efetuada pelos agregados que se mantêm conectados. Esta função é válida para escorregamentos até ao valor máximo de 𝛿𝑓.
Zona III : Para escorregamentos maiores do que 𝛿𝑓, a tensão de corte é praticamente zero, sendo assumida uma rotura localizada no conjunto, com abertura de uma macro-fenda na interface.
A área delimitada pela função aderência-escorregamento é a energia de fratura (𝐺𝐹) por unidade de área colada. A energia de fratura é definida como a energia necessária para conduzir uma ligação com uma determinada área a uma rotura completa.
Lu et al. [57] e Ferracuti et al. [58] confirmaram, através de estudos experimentais, que a energia de fratura entre o FRP e o betão é bastante mais elevada em corte puro do que em tração pura, para a camada superficial do betão.
As características do mecanismo de rotura da colagem explicam por que razão as propriedades mecânicas da resina, a compatibilidade entre o resina e o FRP e a preparação da superfície do betão antes da aplicação da resina podem ser muito importantes no incremento da força máxima de rotura do conjunto. A análise estatística dos resultados revela um elevado coeficiente de variação entre os
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valores obtidos com diferentes provetes de betão da mesma classe de resistência. Contudo, esta variação é bastante reduzida, caso o processo de preparação da superfície e o resina aplicado sejam semelhantes [49]. Isto revela a importância de todos processos associados à execução de um reforço, uma vez que pequenas alterações podem induzir diferenças significativas nos resultados. Atualmente, existem vários modelos de ensaios ao corte com CFRP descritos na literatura, tais como Monti et al. [59] e Lu et al. [57]. Estes autores desenvolveram modelos analiticos que pretendem estimar os valores que regem o traçado da aderência-escorregamento, nomeadamente, a tensão máxima de corte (𝜏𝑚á𝑥), escorregamentos inicial (𝛿0) e final ( 𝛿𝑓) e energia de fratura (𝐺𝐹) associada.
Na Tabela 3 apresentam-se alguns parâmetros propostos pelos referidos autores.
Tabela 3 - Resumo dos parâmetros das relações bilineares propostos pelos referidos autores.
Tensão
máxima de
corte, 𝜏𝑚á𝑥
(MPa)
Parâmetro que relaciona o efeito
da largura do reforço, 𝛽𝑤 Escorregamento inicial, 𝛿0 (mm) Escorregamento final, 𝛿𝑓 (mm) Energia de fratura, 𝐺𝐹 (N/mm) Monti et al. [7] τmáx=1.8βwft 𝛽𝑤= √(1.5(2 − ( 𝑏𝑓 𝑏𝑐))/(1 + ( 𝑏𝑓 100)) 𝛿0=2.5τmáx( 𝑡𝑎 𝐸𝑎+ 50 𝐸𝑐) 𝛿𝑓=0.33βw GF =(τmáx 𝛿𝑓)/2 Lu et al. [8] τmáx=α1βwft 𝛽𝑤= √(2.25 − ( 𝑏𝑓 𝑏𝑐))/(1.25 + ( 𝑏𝑓 𝑏𝑐)) 𝛿0=αβwft 𝛿𝑓=2Gf / τmáx GF=α3βw √𝑓𝑡 𝑓(𝐾𝑎)
Em que α1=1.5 e α2=0.0195, ft é a tensão de rotura à tração do betão, fcm é a resistência média à
compressão de betão medida em cilindros e 𝑓(𝐾𝑎)é igual a 1 para resinas correntes [57].