NOTA DANOS NO
2 POLÍMERO REFORÇADO COM FIBRA DE CARBONO (PRFC)
O polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC) é um material compósito formado pela matriz polimérica e as fibras de carbono. Materiais compósitos são formados pela união de dois ou mais materiais de origem e composições diferentes, formando um material composto. De acordo Beber (2003), considera-se compósito todo material multifásico, artificialmente construído, que apresente uma significativa parcela das propriedades de todos os materiais que o integram, de forma que a melhor combinação destas propriedades seja alcançada. Na Figura 4 pode ser vista a composição do PRFC em perspectiva.
Figura 4: Representação do polímero reforçado com fibras de carbono em perspectiva.
(Fonte: autor, 2018)
O polímero reforçado com fibras de carbono é um material anisotrópico e heterogêneo com comportamento elástico linear até a ruptura. O PRFC não sofre plastificação antes de romper, portanto, rompe de forma abrupta. No Gráfico 2 pode ser visto a relação tensão- deformação do PRFC e do aço CA-50. A relação tensão-deformação do PRFC é elástico linear até a ruptura, e a relação tensão-deformação do aço CA-50 é elástico linear até atingir a tensão de escoamento. Quando a tensão no aço atinge a tensão de escoamento, o aço entra no regime plástico, e sofre deformação sob tensão constante até a ruptura (ruptura dúctil).
Gráfico 2: Tensão-deformação do PRFC e do Aço CA-50.
(Fonte: autor, 2018)
Como pode ser visto no Gráfico 2, a resistência à tração do PRFC é muito superior ao do aço CA-50, sendo esta uma das principais vantagens para utilização no reforço de estruturas de concreto. Poucos volumes de PRFC já garantem um aumento substancial da capacidade resistente do elemento estrutural reforçado. Além da elevada resistência a tração, há outras vantagens importantes no uso do PRFC, como:
o Material muito leve com peso especifico na faixa de 15 a 16kN/m³, muitas vezes podendo ser desprezado o seu peso próprio no dimensionamento;
o Elevada rigidez; o Não sofre corrosão; o Facilidade executiva.
A resistência mecânica e o módulo de elasticidade do PRFC dependem do processo de fabricação das fibras de carbono, e principalmente da orientação e volume das fibras de carbono que compõem o material. No Gráfico 3, pode-se observar que a resistência do PRFC é diretamente proporcional a quantidade de fibras de carbono que o compõe.
Gráfico 3: Diagrama tensão-deformação para diferentes volumes de fibra em (%).
(Fonte: CEB-FIP, 2001)
O PRFC é comercializado com as fibras de carbono orientadas em uma única direção (unidirecional), em duas direções (bidirecional) ou em variadas direções (multidirecional).
O arranjo unidirecional das fibras estabelece um comportamento anisotrópico ao material, em que nesse arranjo a máxima resistência e máximo módulo de elasticidade estão na direção axial as fibras. O arranjo bidimensional das fibras tem também comportamento anisotrópico, entretanto, possui resistências inferiores ao arranjo unidirecional. O arranjo multidirecional tem comportamento quase isotrópico, porém, possuem resistências inferiores aos PRFC com orientação unidirecional e bidirecional das fibras. Segundo a ACI 440R-96 (2002) as propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, resistência a tração, etc.) numa direção qualquer do compósito são diretamente proporcionais a quantidade de fibras orientadas naquela direção.
Os compósitos com arranjo unidirecional das fibras de carbono, são predominantemente utilizados no reforço de estruturas (OBAIDAT, 2010). Isso decorre pelo fato de terem um volume maior de fibras em uma única direção, e, portanto, serem mais resistentes quando dimensionados na direção das resultantes dos esforços principais de tração. No Gráfico 4 pode ser visto o aumento da resistência do PRFC de acordo com a orientação e volume de fibras de carbono.
Gráfico 4: Resistência do PRFC em relação a orientação das fibras.
(Fonte: Adaptado de Schwarz3, 1992 apud ACI 440R-96, 2002) 2.1 Composição
O PRFC é formado pela matriz polimérica e as fibras de carbono. A matriz polimérica tem o objetivo de manter as fibras coesas, assegurar a transferência de esforços da estrutura para as fibras, e proteger as fibras de efeitos deletérios do meio ambiente externo. As fibras têm a função estrutural de resistir as tensões tração advindas de solicitações externas.
As tensões de tração são transferidas as fibras através de tensões de corte (ou contato) na interface fibras-matriz. A transferência dos esforços é mais efetiva a medida que o comprimento da fibra embebida na matriz aumenta.
As propriedades mecânicas da fibra de carbono e da matriz polimérica são bastante distintas, sendo a fibra de carbono muito mais resistente e rígida que a matriz polimérica. A deformação última dos dois materiais são também bem distintas, onde as fibras, por serem mais rígidas, rompem com deformações inferiores a matriz polimérica. Em consequência disso, o compósito rompe pela deformação excessiva das fibras carbono, e, teoricamente, com o mesmo valor de deformação limite das fibras.
Na Figura 5, tem-se a ilustração de como se dá a transferência de tensões no compósito de PRFC.
3SCHWARZ, M. M., 1992. Composite Materials Handbook, McGraw-Hill, Inc., New York. apud ACI
COMMITTEE. State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures. ACI 440.2R-96. ed. Farmington Hills, USA: American Concrete Institute, 2002. 68 p.
Figura 5: Distribuição de tensões de tração na fibra e de cisalhamento na interface da ligação fibra-matriz do PRFC.
(Fonte: Harris4, 1973, apud Fortes, 2004)
No Gráfico 5 apresenta-se relação tensão-deformação entre as fibras, PRFC e a matriz polimérica.
Gráfico 5: Relação tensão-deformação entre as fibras, PRFC e a matriz polimérica.
(Fonte: adaptado de Machado, 2015)
4HARRIS, B., 1973. Journal of Composite Materials, vol. 7. apud FORTES, ADRIANO SILVA. Estruturas de
concreto submetidas à flexão reforçadas com laminados de CFRP colados em entalhes. 2004. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Catarina, Santa Catarina, 2004.
Segundo Machado (2015), o sistema PRFC, tem menor rijeza que as fibras e rompe com a mesma deformação das próprias fibras. Decorrente desse fato, além dessa deformação última, é prevenida a distribuição de carregamentos das fibras para a matriz.
2.1.1 Fibras de carbono
A resistência mecânica e a rigidez das fibras de carbono dependem da sua estrutura molecular e do grau de tolerância quanto a imperfeições construtivas. Atualmente as fibras de carbono são produzidas comercialmente através de três tipos de matérias-primas, sendo elas o PITCH (através do alcatrão), o PAN (através precursoras de poliacrilonitril) e as fibras de rayon.
Tabela 4: Propriedades típicas das fibras de carbono.
(Fonte: adaptado de Feldman5, 1989, e Kim, 1995, apud CEB-FIP, 2001)
A maioria das fibras de carbono atualmente comercializadas são fabricadas através do PAN. Neste processo se obtém maiores resistências à tração e maiores módulos de elasticidade, quando comparadas as fibras de carbono produzidas com outras matérias-primas.
As fibras de carbono fabricadas através do PITCH têm um custo relativamente baixo e possuem um alto rendimento de carbono, entretanto, tendem a ter orientações não uniformes,
5FELDMAN, D. (1989), Polymeric building materials, Elsevier Science Publishers Ltd., UK. KIM, D.-H. (1995),
Composite structures for civil and architectural engineering, E & FN Spon, London. apud CEB-FIP, FIB. Externally bonded FRP reinforcement for RC structures: Design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement (FRP EBR) for reinforced concrete structures. 9.3. ed. Lausanne, Switzerland: International Federation For Structural Concrete, 2001. 130 p.
MATERIAL