Fibras

Na construção, e principalmente no que diz respeito ao reforço de estruturas, podem encontrar-se soluções com três tipos de fibras, sendo elas a fibra de carbono (C - Carbon), a fibra de vidro (G - Glass) e a fibra de aramida (A - Aramid).

As fibras são o principal elemento de um FRP (Fiber Reinforced Polymer), constituindo a maior percentagem do compósito, partilhada com a resina que permite a ligação da fibra com o betão e a mobilização de tensões quando o material compósito é solicitado, fazendo com que as tensões que são transmitidas ao betão sejam absorvidas pelo compósito. O funcionamento mecânico das fibras é semelhante ao dos varões de aço numa estrutura de betão armado. Quando a carga é aplicada numa estrutura, o primeiro elemento a ser solicitado é o betão, posteriormente a armadura interna (varões de aço) e finalmente as fibras do compósito. O diagrama de tensões, em análise de

25 equilíbrio interno de forças, mostra que as fibras funcionam a uma tensão de tração, na mesma direção que os varões de aço, contrariando a ação de compressão exercida sobre o betão. Este assunto será abordado no capítulo 5, dedicado à análise de dimensionamento.

As fibras permitem uma extensão, combinada com uma elevada resistência à tração, que permite que o elemento estrutural não perca ductilidade, absorvendo contudo as tensões com extensões limitadas variando em função da regulamentação utilizada. Note-se que um uso excessivo de fibra poderá diminuir a ductilidade do elemento, a ponto de o converter em elemento frágil, pelo que se devem respeitar os limites para transmissão de tensões (Bulletin 14 fib:01, 2001).

Os três tipos de fibras apresentam características diversas entre si, conforme se pode verificar na figura 10.

Figura 10 - Características básicas das principais fibras de reforço [Fonte: Bulletin 14 fib:2001: Externally bonded FRP reinforcement for RC structures]

A fibra de carbono é a que apresenta melhores características mecânicas para reforço estrutural sendo, por este motivo, o tipo de fibra mais aconselhável para reforço estrutural (Carvalho, 2011).

É comum encontrar reforço estrutural com utilização de fibra de vidro, uma vez que é mais económica que as restantes, no entanto apresenta valores de módulos de elasticidade bastante inferiores ao da fibra de carbono e elevados valores de deformação máxima. Note-se que quanto maior o módulo de elasticidade da fibra (E), menor é a sua extensão máxima (ε).

26

A relação pode ser entendida pela expressão genérica do cálculo de tensão:

𝜎 = 𝐸 × 𝜀

Poder-se-ia, inicialmente, interpretar que uma fibra com maior capacidade de extensão seria a melhor solução para um reforço, mas se uma fibra permitisse uma grande capacidade de extensão não estaria a contrariar as ações para as quais foi dimensionada, provocando fendilhação no betão antes do compósito de fibra de carbono ser solicitado.

Conclui-se portanto, que uma fibra adequada para reforço é aquela que apresenta uma capacidade elevada de tensão e apresenta uma extensão reduzida ao mesmo tempo. Note-se também, que uma fibra com elevado módulo de elasticidade é uma fibra com rigidez elevada, pelo que pode ocorrer rotura frágil quando solicitada a elevadas tensões.

A fibra de vidro (compósito GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer), pode apresentar várias categorias. Existem quatro categorias comuns de fibra de vidro com as designações E, S, AR, C.

Todas elas apresentam valor de módulo de elasticidade semelhante, e diferenciam-se pelo valor de resistência mecânica, resistência à corrosão e a diversos químicos. Como consta no quadro comparativo da figura 10, estando apenas fibras de vidro tipo E e tipo S, a fibra de vidro apresenta valores muito reduzidos de módulo de elasticidade, quando comparados com as restantes fibras.

A fibra de aramida (compósito AFRP –Aramid Fiber Reinforced Polymer), apresenta um módulo de elasticidade considerável quando comparado com a fibra de vidro. A sua desvantagem prende-se com a dificuldade da sua fabricação e nos custos inerentes à mesma. O custo elevado de mercado fez com esta fibra de reforço não contemplasse a grande maioria dos reforços estruturais.

Na figura 11, pode verificar-se a relação tensão/deformação dos três compósitos resultantes das fibras referidas anteriormente, sendo:

 PRFC (CFRP) – Polímero Reforçado com Fibra de Carbono;

 PRFA (AFRP) – Polímero Reforçado com Fibra de Aramida;

 PRFV (GFRP) – Polímero Reforçado com Fibra de Vidro.

27 Figura 11 - Diagrama tensão-deformação das fibras e do aço

[Fonte: Bulletin 14 fib:2001: Externally bonded FRP reinforcement for RC structures]

Os intervalos de valores que se obtêm através da interpretação da figura 11, são os considerados pela fib - (Fédération Internationale du Béton) no seu documento de dimensionamento para reforço externo de elementos de betão armado (Bulletin 14 fib:01). Como são baseados em ensaios laboratoriais, podem encontrar-se ligeiras diferenças nos intervalos da figura 10, em função do tipo e da qualidade da fibra ensaiada.

Pela observação, pode concluir-se que as fibras de reforço apresentam um comportamento linear até à rotura, necessitando de tensões consideravelmente superiores às do aço para atingir a rotura.

Dos três tipos de fibras, a fibra de vidro é a que apresenta maiores valores de extensão. Este facto não agrega mais valor à fibra de vidro em relação às restantes, uma vez que existem extensões máximas a ser consideradas no reforço estrutural por questões de ductilidade, conforme já foi referido anteriormente.

O elevado módulo de elasticidade das fibras de carbono permite que as mesmas absorvam tensões elevadas com extensão reduzida (comportamento com tendência rígida), fator este que se apresenta como uma grande vantagem para contrariar as cargas exercidas na estrutura de betão, desde que não sejam ultrapassados os valores máximos de tensão de tração, sob o risco de ocorrer rotura frágil.

É de salientar que o risco de rotura frágil na fibra de carbono é predominante no sistema laminado (lâminas), uma vez que o sistema de manta de fibra de carbono (tecido impregnado), apesar de ter um elevado módulo de elasticidade e uma capacidade de deformação elevada, apresenta um valor

28

de resistência à tração bastante superior às lâminas. A distinção entre laminado e tecido de fibra de carbono será abordada no capítulo 4 do presente texto.

Independentemente da diferença entre tecido ou laminado, as fibras têm um comportamento linear até à rotura, apresentam um comportamento perfeitamente elástico, sem patamar de tensão de cedência e deformação plástica. Desta análise, conclui-se a necessidade de avaliar a capacidade resistente do compósito para minimizar ao máximo o risco de rotura frágil iminente.