Reforço de vigas com polímeros reforçados com fibras (FRP)

À semelhança dos reforços com polímeros reforçados com fibras para pilares, as metodologias de reforço de vigas utilizando os mesmos materiais, centralizam-se nos polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP).

Nos tópicos seguintes, passam-se a descrever técnicas de reforço à flexão e ao corte, objecto de estudos laboratoriais que tiveram por finalidade, avaliar o seu comportamento.

5.4.1 REFORÇO À FLEXÃO

De uma forma geral, os estudos já efectuados sobre o reforço à flexão com materiais compósitos de CFRP de elementos de betão armado (vigas e faixas de laje) demonstram que o comportamento estrutural é significativamente melhorado ao nível da resistência. No entanto, tem-se verificado que é difícil obter o total aproveitamento do reforço de CFRP, ou seja, atingir a rotura do compósito em simultâneo com o esmagamento do betão. Isto deve-se ao facto de se verificar a ocorrência de ruínas prematuras intercalares, ao longo da junta de ligação betão – adesivo – CFRP, que culminam no destacamento antecipado do reforço (Dias et al., 2002).

Parafuso Furo Porca Chapa metálica Adesivo epoxy Bucha metálica

132 Capítulo 5

As técnicas que a seguir se apresentam e que foram sujeitas a ensaios laboratoriais para aferir a sua performance, cingem-se à colagem de dois sistemas compósitos de CFRP unidireccionais: o curado “in situ” (manta flexível) e o pré-fabricado (laminado).

Na Figura 5.28 pode-se observar a aplicação, por colagem superficial, do sistema de manta flexível unidireccional e do sistema pré-fabricado.

Figura 5.28 - Reforço à flexão com manta flexível unidireccional e laminados de CFRP (Dias et al., 2002).

A variante seguinte apresenta um conjunto de mecanismos exteriores de fixação do compósito longitudinal (neste caso concreto, um sistema curado “in situ”), tendo-se recorrido a presilhas executadas com mantas de CFRP (ver Figura 5.29).

Figura 5.29 - Reforço à flexão com mantas e presilhas flexíveis (Dias et al., 2002). Manta CFRP (1 camada - 90º)

Manta CFRP (1 camada - 0º) Manta CFRP (2 camadas - 0º)

Manta CFRP (2 camadas - 0º) Laminado CFRP

Reparação e reforço de vigas de betão armado 133

Como se pode observar, o reforço longitudinal é constituído por duas camadas de manta flexível com as fibras orientadas a 0º. As presilhas de fixação são constituídas por uma camada de manta com 10 cm de largura e as fibras com a mesma orientação que o reforço longitudinal; e outra camada de manta com a mesma largura e maior comprimento mas com as fibras orientadas a 90º. A Figura 5.30 ilustra esta solução adoptada para as presilhas executadas com mantas de CFRP.

Figura 5.30 - Presilhas executadas com mantas de CFRP (Dias et al., 2002).

O critério de escolha, sem a preocupação de uma estratégia de reforço ao corte, do número de presilhas e da sua posição, foi estabelecido recorrendo ao modelo da treliça de Morsch (Dias et al., 2002).

Os resultados dos ensaios levados a cabo sobre modelos de vigas reforçadas com estas técnicas, permitiram concluir que a técnica de reforço, utilizando a colagem de sistemas compósitos de CFRP unidireccionais, resulta num aumento significativo da capacidade última de carga e num razoável incremento de rigidez, quando se compara com vigas não reforçadas.

Permitiu ainda constatar que a flecha correspondente à carga máxima verificada nas vigas reforçadas foi menor e que, apesar das vigas reforçadas com o sistema da manta apresentarem resultados semelhantes (carga máxima, flecha máxima, extensão máxima medida), verifica-se que o tipo de mecanismo exterior de fixação do compósito usado (presilhas) permitiu a rotura do CFRP.

90º

134 Capítulo 5

Mais uma vez atestou-se que as consequências de uma deficiente aplicação do reforço podem conduzir a uma quase ineficácia deste (Dias et al., 2002).

Uma variante de reforço por laminados de CFRP passa pela inserção em ranhuras do sistema pré-fabricado, tal como ilustrado na Figura 5.31.

Figura 5.31 - Reforço à flexão com laminados de CFRP (Dias & Barros, Reforço ao Corte de Vigas T de Betão Armado por Inserção de Laminados de CFRP, 2005).

5.4.2 REFORÇO AO CORTE

A utilização de materiais compósitos de CFRP no reforço ao corte, deriva de se pretender evitar os aspectos negativos que são apontados às técnicas de reforço tradicionais já apresentadas.

Basicamente são duas as técnicas de reforço ao corte com materiais compósitos de CFRP desenvolvidas até ao momento: por colagem externa de compósitos de CFRP (mantas e laminados) e por inserção de varões de CFRP em entalhes realizados no betão de recobrimento.

Vários estudos experimentais têm demonstrado que a colagem externa de compósitos de CFRP (mantas e laminados) permite aumentar consideravelmente a resistência ao corte de vigas de betão armado. No entanto, em resultado da ocorrência de roturas prematuras, principalmente devida ao descolamento antecipado do CFRP, o nível de tensão máxima aplicado no reforço é bastante inferior à sua resistência última. Além disto, estes modos de rotura são frágeis e quase instantâneos. Estes factos, associados à susceptibilidade dos compósitos de CFRP colados externamente quer à acção do fogo como a actos de vandalismo, têm motivado a realização de investigação de forma a se contornar os pontos frágeis desta técnica.

Reparação e reforço de vigas de betão armado 135

Assim e nesse sentido, foi desenvolvida a técnica de inserção de laminados de CFRP em entalhes efectuados no betão de recobrimento das faces laterais de vigas de betão armado. Esta técnica permite aumentar significativamente a capacidade de carga, ao mesmo tempo que garante uma maior protecção do reforço de CFRP pois este encontra-se inserido no interior do elemento estrutural e não colado externamente. Um dos aspectos menos positivos desta técnica é a necessidade de ter de se efectuar entalhes com grandes dimensões no betão de recobrimento, o que se torna num processo moroso (Dias & Barros, 2005) .

Apresenta-se em primeiro lugar, o reforço de vigas de betão armado ao corte recorrendo a mantas flexíveis de CFRP, coladas externamente.

Figura 5.32 - Reforço de vigas ao corte através de mantas flexíveis de CFRP.

Conforme se pode observar na Figura 5.32, a técnica resume-se à colagem de faixas de mantas de CFRP. Estas mantas possuem a forma de U, envolvendo a parte inferior e faces laterais da viga, e as suas fibras encontram-se orientadas a 90º.

No que diz respeito aos laminados inseridos em entalhes nas faces laterais das vigas, estes podem ser verticais (ver Figura 5.33) ou inclinados (ver Figura 5.34).

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Figura 5.33 - Reforço ao corte por laminados de CFRP verticais.

Figura 5.34 - Reforço ao corte por laminados de CFRP inclinados.

No que diz respeito a estas metodologias apresentadas, investigação experimental permitiu concluir que a utilização de compósitos de CFRP como elementos resistentes ao esforço transverso, colados externamente ou inseridos no betão de recobrimento, permite aumentar significativamente a capacidade máxima de carga de vigas de betão armado com rotura por corte.

De entre as duas tipologias de reforço (com mantas flexíveis de laminados), a que permite maior incremento da carga máxima e da capacidade deformacional das vigas é a baseada na inserção de laminados em entalhes efectuados no betão de recobrimento das faces laterais das vigas (Dias & Barros, 2005).

No que diz respeito à inclinação dos laminados de CFRP inseridos em entalhes, a solução inclinada é mais eficaz. Esta inclinação poderá adoptar os valores de 45º ou 60º, sendo este último valor o que apresentou maiores valores de capacidade de carga de serviço nos ensaios experimentais. Verificou-se, ainda, que o aumento da percentagem de CFRP aplicada foi acompanhado por um aumento da capacidade resistente máxima da viga. No entanto, esse aumento não foi proporcional, verificando-se que a solução a 60º

Reparação e reforço de vigas de betão armado 137

foi a que se aproximou mais da referida proporcionalidade. Este facto pode indiciar a existência de um “ponto óptimo” que optimiza a relação ganho de resistência / percentagem de CFRP (Dias & Barros, 2006).

Ainda comparando os laminados inseridos em entalhes verticais e inclinados, os últimos tornam-se mais eficazes à medida que a altura da viga aumenta (Dias & Barros, 2005).

Os modos de rotura das vigas reforçadas ao corte com laminados de CFRP inseridos no betão de recobrimento são menos frágeis que os verificados nas vigas reforçadas com mantas de CFRP coladas externamente e a sua técnica de execução é mais rápida e fácil de executar, pelo que mais económica (Dias & Barros, 2005).

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