C APÍTULO 3
—— C OMPORTAMENTO ESTRUTURAL ——
As implicações estruturais, resultantes da aplicação dos compósitos de fibra de carbono no reforço estrutural de peças fletidas de concreto armado, são apresentadas e discutidas neste capítulo. Este conjunto de informações tem por objetivo fundamentar a presente tese através de uma compreensiva revisão das principais contribuições, teóricas e experimentais, acerca do assunto.
compósito de CFRP, colados sobre a superfície de concreto, empregando os mesmos adesivos epóxi utilizados, até então, para o reforço com chapa de aço colada. Os resultados demonstraram o excelente desempenho desta técnica de reforço, embora todas as vigas apresentassem taxas de armadura reduzidas; o que contribui para que os incrementos de resistência sejam mais pronunciados [Beber, 1999a].
Este programa experimental identificou, também, aumentos significativos na rigidez das vigas reforçadas. A utilização dos compósitos de fibra de carbono reduziu a abertura de fissuras, além de distribuí-las de forma mais uniforme ao longo do comprimento da viga. A partir das observações deste programa experimental, foi possível identificar os seguintes modos de ruptura:
(i) Falha por tração do compósito de CFRP de forma frágil e repentina;
(ii) Esmagamento do concreto;
(iii) Lento e contínuo destacamento do laminado ocasionado pela falta de regularidade da superfície de concreto (continuous peel off);
(iv) Destacamento repentino do laminado devido ao deslocamento relativo entre dois lados de uma fissura de cisalhamento (sudden peel off);
(v) Cisalhamento horizontal do concreto na região tracionada;
(vi) Cisalhamento interlaminar do compósito.
Apesar de defasadas alguns anos em relação às pesquisas desenvolvidas até então na Europa, as primeiras investigações na América do Norte ocorreram a partir do início da década de 90 [Buyukosturk et al, 1999].
Ritchie et al (1991) realizaram ensaios exploratórios em vigas de concreto armado reforçadas com laminados de fibra de vidro, aramida e carbono. O principal objetivo deste estudo era determinar a magnitude dos incrementos de resistência e rigidez obtidos através do reforço estrutural com materiais compósitos. Este estudo incluiu, ainda, a investigação de procedimentos analíticos para a determinação das cargas e modos de ruptura, cujos valores situaram-se muito próximos dos valores experimentais.
Outro importante efeito identificado neste programa experimental está relacionado ao processo de formação de fissuras. Nas vigas sem reforço, as fissuras apresentam-se muito
espaçadas e com grande abertura. Por outro lado, nas vigas reforçadas, o espaçamento entre fissuras diminui sensivelmente, assim como sua abertura, tornando este efeito especialmente atraente na melhoria do desempenho em serviço [Beber, 1999b]. Além disso, uma diminuição significativa na abertura de fissuras tem, também, um impacto altamente positivo sobre a durabilidade das estruturas de concreto armado.
A aplicação de compósitos de fibra de carbono no reforço de estruturas de concreto conduz a diversas implicações estruturais. O problema está relacionado ao comportamento puramente elástico linear dos compósitos de fibra de carbono, resultando em perda de ductilidade [Spadea & Swamy, 1997].
A influência dos compósitos de fibra de carbono sobre os mecanismos de ruptura, ductilidade e rigidez de elementos estruturais de concreto reforçados foi examinada por Triantafillou & Plevris (1992). Os mecanismos de ruptura, observados neste programa experimental, foram:
(i) Escoamento da armadura seguido da ruptura do reforço à tração;
(ii) Escoamento da armadura associado ao esmagamento do concreto;
(iii) Propagação repentina de fissuras no adesivo (a maioria dos adesivos é frágil);
(iv) Peeling off ocasionado por fissuras de cisalhamento no concreto;
(v) Arrancamento do concreto entre armadura longitudinal e o reforço.
O fenômeno de peeling off representa uma falha típica em vigas de concreto reforçadas externamente com compósitos de fibra de carbono [Triantafillou & Plevris, 1992;
He et al, 1997; Beber, 1999a]. Esta falha está associada à combinação de tensões tangenciais e de tração, conduzindo à separação do reforço de forma frágil e abrupta [Täljsten, 1999].
De acordo com Triantafillou & Plevris (1992), o fenômeno de peeling off conduz a uma limitação na espessura do reforço, ocasionando uma ruptura frágil sem que seja possível alcançar a máxima resistência e ductilidade. No entanto, o projeto de sistemas de ancoragem adequados pode aumentar significativamente a capacidade de carga de uma estrutura sem reduzir excessivamente sua ductilidade [Spadea & Swamy, 1997 Neubauer & Rostasy, 1997b;
Swamy & Mukhopadhyaya, 1999; Fortes & Padaratz, 2000].
As diretrizes básicas para o projeto de reforço com compósitos de fibra de carbono seguem os mesmos princípios do projeto de estruturas convencionais de concreto armado.
Entretanto, o projeto de ancoragem requer atenção especial [Neubauer & Rostasy, 1997]. O comportamento de reforços com compósitos de fibra de carbono é similar ao comportamento de elementos estruturais reforçados com chapa de aço colada. O início da falha de aderência é determinado pela energia de fratura do concreto ou pela energia de fratura interlaminar do elemento de reforço [Brosens & Van Gemert, 1997; Neubauer &
Rostasy, 1997b].
Täljsten (1999) concentrou seus esforços no desenvolvimento de procedimentos analíticos para a determinação das tensões normais e tangenciais que conduzem a modos de ruptura prematuros, notadamente o peeling off. Täljsten demonstrou que a distância do reforço ao apoio é fator preponderante para a ocorrência deste tipo de ruptura. A espessura do reforço, sua rigidez e a espessura do adesivo afetam, também, este comportamento.
Um método para prever a distribuição de tensões normais e de cisalhamento na interface entre o reforço e o adesivo, ao longo de todo seu comprimento e, particularmente em suas extremidades, foi desenvolvido por Malek et al (1998). Este método foi desenvolvido com base em um comportamento elástico linear do concreto, considerando, ainda, o efeito das fissuras de flexão e a natureza anisotrópica dos compósitos. Os resultados obtidos a partir da aplicação do modelo analítico proposto por Malek et al (1998), apresentaram boa concordância com resultados numéricos e experimentais.
As pesquisas realizadas pelos japoneses diferem um pouco em relação àquelas que vêm sendo realizadas por europeus e norte-americanos. Uma modificação no sistema de reforço com laminados de compósitos de CFRP, até então largamente empregado na Europa, aconteceu através da aplicação de sistemas curados in situ (mantas flexíveis e tecidos). O Japão está localizado em uma região de grande atividade sísmica. Os sistemas curados in situ apresentam uma série de vantagens, principalmente nas atividades de seismic retrofitting de estruturas sujeitas à ação de solicitações oriundas de terremotos.
As mantas e tecidos de fibra de carbono foram desenvolvidos no início da década de 90. O reflexo da aceitação deste tipo de reforço pode ser demonstrado pelos mais de 1000 projetos de reforço já realizados. Em 1996, por exemplo, o maior fabricante de sistemas curados in situ do Japão aplicou cerca de 372.000 m2 deste material [Emmons et al, 1998].
Koga & Ohtsu (1997) realizaram um estudo bastante minucioso sobre sistemas de reforço com compósitos de fibra de carbono. Neste trabalho, apresentaram a problemática dos abalos sísmicos, que conduzem à necessidade de retrofitting de estruturas de concreto armado, localizadas em regiões de grande atividade sísmica. O trabalho de Koga e Ohtsu discute alguns aspectos tecnológicos que envolvem a aplicação deste sistema de reforço, bem como resultados experimentais, passando, ainda, pela apresentação de diversos exemplos de aplicação deste sistema de reforço.
A utilização de sistemas curados in situ permite, ainda, variar o número de camadas, bem como a orientação das fibras, visando atender a uma solução particular. Beber (1999a), afirma que esta possibilidade permite maior amplitude na aplicação desta técnica de reforço, tornando possível obter-se maiores incrementos nas cargas de ruptura e conseqüentemente dotar o elemento de maior rigidez.
O programa experimental desenvolvido por Norris et al (1997) investigou o comportamento de vigas de concreto armado reforçadas à flexão e ao cisalhamento. O efeito do reforço foi considerado para diferentes situações de orientação das fibras. Foram utilizados três diferentes tipos de sistemas de reforço. Observou-se que, para as fibras dispostas perpendicularmente em relação às fissuras, existe um aumento significativo na rigidez e resistência da viga, tendo como resultado uma ruptura frágil devido à ruptura do concreto na região próxima aos apoios. Quando as fibras foram posicionadas obliquamente em relação às fissuras, observaram menores incrementos em resistência e rigidez, contudo apresentando uma ruptura mais dúctil.
Os estudos sobre a aplicação de compósitos de CFRP no reforço ao cisalhamento de vigas de concreto armado têm sido limitados e, de certa forma entremeados de certa controvérsia. Verifica-se que, apesar da existência de alguns estudos sobre o reforço ao cisalhamento de vigas de concreto, os procedimentos de projeto e verificação estão, ainda, distantes de um consenso [Triantafillou, 1998]. Os modelos analíticos propostos são variados e, em alguns casos, contraditórios.
O reforço ao cisalhamento e, principalmente, o efeito da orientação das fibras sobre a ductilidade de vigas reforçadas com mantas flexíveis de fibra de carbono foram, também, investigados por Triantafillou (1998). Nos reforços ao cisalhamento, a disposição diagonal das mantas é mais eficiente que a combinação de duas camadas, nas direções horizontal e
vertical, reduzindo as solicitações sobre os estribos, para um mesmo nível de carregamento.
Esta configuração do reforço apresenta a mesma facilidade de aplicação que as mantas orientadas verticalmente, porém utiliza menos material que a combinação de duas camadas [Hutchinson et al, 1997]. A influência da orientação das fibras sobre o aumento da resistência ao cisalhamento foi também demonstrada por Chajes et al (1995).
Os mecanismos de aderência e transferência de esforços entre os compósitos de FRP e o concreto foram investigados, também, por Chajes et al (1996). O programa experimental demonstrou que a preparação da superfície e a resistência à compressão do concreto têm influência significativa sobre o desempenho da ligação concreto/compósito. O estudo confirmou, ainda, a existência de um comprimento de ancoragem efetivo, além do qual nenhum incremento de carga é alcançado. A existência de um comprimento de ancoragem efetivo foi também corroborada através dos experimentos e modelos analíticos propostos por Maeda et al (1997), Täljsten (1998), De Lorenzis et al (2000).
Contudo, de forma contraditória, Brosens & Van Gemert (1997) demonstraram que comprimentos de ancoragem maiores conduzem, igualmente, a maiores cargas de ruptura.
No entanto, este mesmo estudo salienta que esta influência diminui sensivelmente para grandes comprimentos de ancoragem. Este estudo recomenda, ainda, que para aplicações computacionais, pode-se considerar uma distribuição linear de tensões de aderência no compósito. Embora um número considerável de programas experimentais tenha sido conduzido até o momento, não existe, porém, consenso sobre modelos teóricos (analíticos e numéricos) para a determinação da resistência da ligação concreto/compósito e de um comprimento de ancoragem efetivo [De Lorenzis et al, 2000].
Para atingir-se a melhor aderência, a superfície de concreto deve ser preparada adequadamente, mantendo-a o mais regular possível [Swamy & Mukhopadhyaya, 1995;
Chajes et al, 1996; Beber, 1999a]. Este procedimento irá garantir que a espessura de adesivo seja relativamente uniforme, tornando mais eficiente a transferência de tensões entre o reforço e o concreto, permitindo assim seu funcionamento como um sistema integrado [Hollaway & Leeming, 1999; De Lorenzis et al, 2000]. Embora esta técnica seja menos sensível à mão-de-obra do que a técnica de chapa colada, o procedimento de aplicação dos compósitos de fibra de carbono requer uma supervisão apropriada para garantir que todas as etapas sejam cumpridas adequadamente [Robery & Innes, 1997, Beber, 1999a].
A análise numérica, através do método dos elementos finitos, tem demonstrado ser uma ferramenta eficiente para a simulação do comportamento de elementos de concreto armado reforçados com compósitos de fibra de carbono [Arduini et al, 1997; He et al, 1997;
Beber, 1999a]. Segundo He et al (1997), a análise bi-dimensional, que considera as tensões de cisalhamento de forma mais realista, fornece resultados mais precisos. Arduini et al (1997) desenvolveu modelos numéricos e analíticos para simular o comportamento de vigas de concreto armado reforçadas à flexão com compósitos de fibra de carbono, demonstrando que, como resultado do reforço, o modo de ruptura pode modificar-se de dúctil para frágil, sendo de extrema importância a sua consideração.
Diversos procedimentos analíticos para a previsão das cargas de ruptura de vigas de concreto armado reforçadas à flexão com compósitos de fibra de carbono têm sido desenvolvidos [An et al, 1991; Hota et al, 1997; Ahmed & Van Gemert, 1999; Beber, 1999a;
El-Refaie et al, 1999]. As hipóteses de manutenção das seções planas e aderência perfeita entre o reforço e concreto para a previsão das cargas e modos de ruptura são, ainda, corroboradas através da comparação entre resultados teóricos e experimentais [El-Refaie et al, 1999].
As investigações realizadas até o momento identificaram uma série de vantagens da aplicação dos compósitos de fibra de carbono para o reforço de vigas de concreto armado.
No entanto, a maioria dos programas experimentais conduzidos tem avaliado, principalmente o desempenho estrutural deste tipo de reforço. Existe um consenso entre diversos autores que, antes que esta alternativa de reforço estrutural possa ser empregada em larga escala, estudos devem ser conduzidos objetivando determinar a durabilidade dos reforços executados com compósitos de fibra de carbono em ambientes agressivos, bem como estudar o seu comportamento frente à ação de cargas cíclicas [Chajes et al, 1995; Beber, 1999a].
Além disso, alguns programas experimentais têm se dedicado ao desenvolvimento de ensaios que visam determinar o efeito de altas temperaturas sobre a integridade dos reforços estruturais com compósitos de fibra de carbono, bem como alternativas de proteção [Lima, 2001].
Yagi et al (1999) realizaram um estudo sobre a durabilidade de reforços executados com sistemas de reforço curados in situ. Este estudo identificou uma série de vantagens deste tipo de reforço frente à ação de agentes agressivos. Em ensaios acelerados de durabilidade,
através de espectrometria com radiação infravermelha, nenhuma modificação foi verificada em relação à resistência à tração e a aderência entre o reforço e o concreto. A deterioração da resina epóxi dos compósitos de CFRP foi somente verificada superficialmente, sem que esta progredisse para as camadas mais internas. Verificou-se também que os compósitos de CFRP apresentam excelente resistência aos ciclos de gelo e degelo. Adicionalmente, foram obtidos excelentes resultados nos testes ao ataque de álcalis e sais, bem como ensaios de fadiga, comprovando a durabilidade dos compósitos de fibra de carbono para aplicações estruturais.
Toutanji & Gómez (1997) avaliaram a durabilidade de vigas de concreto armado reforçadas com mantas flexíveis de fibra de carbono. O programa experimental investigou o desempenho de dois tipos diferentes de mantas e três diferentes tipos de adesivo epóxi. Os resultados demonstraram uma pequena diminuição no desempenho dos protótipos submetidos aos ensaios de envelhecimento acelerado, em função da deterioração do adesivo epóxi.