Polímeros reforçados com fibras

Desde 1998 que os esforços de pesquisa na área de reforços de nós de pórticos viga-pilar, se têm focado na utilização de polímeros reforçados com fibras (FRP), seja na forma de mantas flexíveis coladas com epoxy, faixas manufacturadas ou varões colocados junto da superfície. O relativo custo inicial elevado dos FRP’s é ultrapassado pelas suas vantagens tais como a razão resistência/peso, a resistência à corrosão, facilidade de aplicação, baixos custos de mão-de-obra bem como a capacidade de não aumentarem significativamente as dimensões dos elementos. São bastante atractivos pela sua flexibilidade de aplicação, ou seja, a orientação das fibras pode ser ajustada para que objectivos específicos de reforço tais como o aumento da resistência, do confinamento ou ambos, possa ser alcançado.

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Um sistema externo de FRP colado requer que a superfície de betão seja exaustivamente limpa (removidos todos os materiais soltos e as fissuras injectadas com epoxy em estruturas danificadas), seja aplicado um primário de epoxy e cada elemento seja colocado entre duas camadas de resina.

Presentemente, a literatura sobre nós reforçados com FRP’s consiste principalmente em testes bidimensionais simplificados e estudos analíticos.

Foi proposta a utilização de varões de polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP), combinada com mantas coladas exteriormente (observar Figura 3.16), para reforçar nós interiores unidireccionais numa tentativa de deslocar a rotura em primeiro lugar do pilar para o nó e, seguidamente, do nó para a viga (Prota et al., 2001) e (Prota et al., 2002).

Figura 3.16 – Reforço com mantas e/ou laminados de CFRP (alçados). Pilar Viga CFRP unidireccional (2 camadas) t=0.33 mm _{CFRP unidireccional} (2 camadas) t=0.33 mm CFRP unidireccional (2 camadas) t=0.33 mm _{CFRP unidireccional} (2 camadas) t=0.33 mm 4 varões laminados de CFRP 4 varões laminados de CFRP 4 varões laminados de CFRP 6 varões laminados de CFRP CFRP colocado a 90º CFRP colocado a 0º e 90º Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Tipo 5

88 Capítulo 3

Os varões de CFRP foram colocados em roços preenchidos com epoxy, perto da superfície (ver Figura 3.17). Contudo, não foi possível controlar os modos de rotura, não se alcançando um colapso dúctil da viga.

Figura 3.17 – Reforço com mantas e/ou laminados de CFRP (corte).

A solução tipo 2 deslocou a rotura da zona de compressão para a zona de tracção do pilar, para cargas axiais baixas, enquanto que para cargas elevadas, ocorreu uma rotura conjunta do pilar e do nó. A adição de varões de CFRP como reforço de flexão ao longo do pilar (tipo 3), conduziu a uma rotura por corte do nó. Quando se reforçou o nó (tipo 4), a interface pilar – nó ruiu, o que foi atribuído ao término da manta de FRP naquela posição como forma de ter em conta a presença da laje de piso. Os acréscimos de reforço atingidos foram de 7% a 33% para o tipo 2, 39% a 62% para o tipo 3 e 37% a 83% para o tipo 4.

O esquema de reforço tipo 5 utilizando um encamisamento em U da viga e do nó, resultou num modo de rotura similar ao tipo 4.

Uma outra solução de reforço consiste na utilização de polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP). Foram concebidas e testadas várias soluções para reparar nós de pórticos danificados, através da aplicação de mantas unidireccionais e bidireccionais (±45º). Como se pode observar na Figura 3.18, as tipologias T1R e T2R, cujos nós estavam danificados e posteriormente reparados, foram reforçadas com mantas de GFRP as quais foram ancoradas mecanicamente usando chapas de aço e barras de fixação que atravessam o nó. Esta ancoragem na tipologia T1R demonstrou-se eficaz, levando o GFRP à ruptura por tracção. O mesmo já não aconteceu na tipologia T4 onde a aplicação do GFRP não surtiu nenhum efeito, devido à falta de ancoragem mecânica e à consequente descolagem.

colocados perto da superfície (Ø = 8 ou 9.5 mm) Varões laminados de CFRP

Rasgos preenchidos com epoxy

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Na tipologia T2R não foi observada qualquer descolagem do compósito nem fissuração de corte no nó. A ruptura deveu-se à formação de uma rótula plástica na viga.

A aplicação das tiras diagonais de GFRP na tipologia T9 foi facilitada através da colocação de barras de aço triangulares nos quatro cantos do nó. Contudo, esta disposição não conseguiu travar a expansão do nó de betão, levando a uma ruptura simultânea da viga e do nó (Ghobarah & Said, 2002).

Figura 3.18 – Várias tipologias de reforço com GFRP ensaiadas. 1 camada GFRP

(não ancorada) (+45º, -45º)

3 camadas GFRP Barras em aço triangulares

Alçado GFRP Planta GFRP (+45º, -45º) Alçado Planta (unidireccional) (unidireccional) Tipologia T4 Tipologia T9 Placa de protecção Barras de ancoragem 1 camada GFRP (+45º, -45º) _{2 camadas GFRP} (+45º, -45º) Alçado GFRP (+45º, -45º) Placa de protecção

Barras de ancoragem Planta

90 Capítulo 3

Na Figura 3.19 e Figura 3.20 podem-se observar outras variantes utilizadas para reforçar nós sem cintas de reforço ao corte e com ancoragem inadequada dos varões da armadura inferior da viga (El-Amoury & Ghobarah, 2002). Os ensaios realizados em ambos os esquemas resultaram, aproximadamente, num aumento de 100% na capacidade de carga. A rotura da tipologia TR1 deveu-se à descolagem completa dos compósitos das superfícies da viga e do pilar bem como do arranque dos varões longitudinais inferiores da viga. No caso TR2, a utilização de duas chapas metálicas em forma de U eliminaram a descolagem do GFRP e reduziram a degradação da resistência.

Figura 3.19 – Reforço com GFRP (tipologia TR1). Barras de ancoragem de

Ø12 mm, atravessando o nó

4 camadas de GFRP unidireccionais

Parafusos com bucha química de 16 mm

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Figura 3.20 – Reforço com GFRP (tipologia TR2).

Foi ainda estudada a utilização de mantas de CFRP em nós exteriores unidireccionais. Com a disposição das mantas de acordo com a Figura 3.21, a rotura por corte do nó foi deslocada para a interface viga – pilar, com um mínimo de danos no encamisamento de CFRP. Os aumentos na resistência ao corte do nó e dissipação de energia foram de 5% e 200% respectivamente.

GFRP (+45º, -45º, 0) Barras de fixação Ø 25 mm 8 camadas de GFRP unidireccionais Parafusos Ø 20 mm Chapas de aço de 3 mm de espessura em forma de U Cantoneira em aço 500x225x8 mm

92 Capítulo 3

Figura 3.21 – Reforço com CFRP.

Uma análise da literatura existente sobre FRP indica que compósitos colados exteriormente podem eliminar algumas das mais importantes limitações (por exemplo, dificuldades construtivas ou aumento das dimensões dos elementos) de outras soluções de reforço e, ainda, melhorar a capacidade de resistência ao corte do nó bem como deslocar a rotura para mecanismos de viga de rótulas dúcteis. Tais melhorias foram atingidas mesmo com a aplicação de baixas quantidades de FRP’s, através da disposição das fibras numa direcção de ±45º na região do nó e por encamisar as extremidades dos elementos para fixar as mantas a ±45º e aumentar o confinamento.

Diversos estudos demonstraram que o comportamento deste tipo de reforço é dominado pela descolagem dos compósitos da superfície do betão, indicando a necessidade de uma preparação cuidada da superfície bem como a utilização de ancoragens mecânicas, conduzindo a um confinamento do nó mais eficaz e a uma utilização mais optimizada da resistência das fibras. Os autores acreditam que o desenvolvimento de tais métodos de ancoragem pode criar um

Viga Vista Posterior Pilar 1 camada 4 camadas em cada direcção diagonal 1 camada 2 camadas 1 camada Folga de 102 mm Folga de 25 mm Folga de 25 mm Vista inferior Vista superior Vista Frente

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potencial elevado na aplicação de FRP’s no reforço de nós tridimensionais, os quais estão ainda por testar.

Embora não sejam necessários conhecimentos elevados, a selecção e aplicação de FRP’s requer considerações cuidadas das condições do ambiente (por exemplo, temperatura e humidade) no momento da aplicação e, igualmente, no decurso do tempo de serviço (Engindeniz, Kahn, & Zureick, 2005).