Reforços de PRF

Reforços de PRF são constituídos por fibras, sejam fibras vegetais como o sisal, juta, cânhamo ou fibras sintéticas, dentre elas as fibras de carbono, são comuns as de vidro e de aramida. As fibras apresentam excepcional comportamento de resistência à tração, porém necessitam de adesivos e resinas para manter a coesão do feixe fibroso. Esses materiais compósitos apresentam comportamento mecânico predominantemente resistente ao alongamento e rasgamento, o que faz com que os reforços em PRF sejam predominantemente aplicados de forma a resistir à tração e/ou cisalhamento. Assim, as lâminas de PRF aderidas à peça passam a receber as solicitações dos esforços de tração, trabalhando em conjunto com a matriz de madeira.

Fiorelli e Dias (2006) exploraram o uso de polímeros reforçados com fibra de vidro (PRFV) com objetivo de incremento da rigidez e da capacidade de carga de vigas submetidas à flexão. Propuseram um reforço baseado em compósito de tecido de fibra de vidro unidirecional e resina epóxi, adicionando o compósito em até no máximo 3% das áreas das seções transversais de peças de pinus sp. Os ensaios mostraram a presença de dois patamares de ruptura: O primeiro à tração das lâminas de madeira mais tracionadas e, logo a seguir, um segundo patamar onde ocorria ruptura total, combinando esforços normais e tangenciais. Os incrementos de rigidez experimentalmente encontrados foram pouco expressivos, sendo da ordem de 10%.

O comportamento das peças reforçadas com PRF pode ser quantificado, através do método da seção transformada, pelo produto de rigidez à flexão (EI) conforme Equação 1.

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Onde:

Ei= Módulo de elasticidade de cada lâmina de reforço ou da peça de madeira;

b = largura da lâmina; hi = altura da lâmina;

di = distância entre o centro de gravidade da lâmina e o centro de gravidade da viga;

Com a Equação 1 encontrou-se o produto de rigidez global, podendo-se isolar os valores de E (módulo de elasticidade global) e I (momento de Inércia global). Os autores compararam os valores experimentais com os teóricos, verificando uma pequena diferença, da ordem de 5%.

Fiorelli e Dias (2006) relataram também os possíveis modos de falha envolvidos em vigas reforçadas com PRF na zona tracionada, mostrados na Figura 4, onde se nota claramente o deslocamento da linha neutra no sentido do reforço. Notam-se ainda diferenças nos diagramas de tensões, pois, na região comprimida exibem uma descontinuidade no local do reforço, indicando uma concentração de tensões ocasionada pela diferença de rigidez dos materiais.

Figura 4: Rupturas possíveis na seção reforçada com PRF de fibra de vidro. Fonte: Adaptada de Fiorelli e Dias (2006)

As formas de ruína típicas são de configuração elástica e a ruptura elasto- plástica. Na forma elástica ocorre na zona tracionada, caracterizada pela ruptura do reforço ou da própria madeira por excesso de deformação do material (valor da tensão à tração, σt, é ultrapassado), sem que se altere o regime elástico em qualquer outra parte da seção. Por outro lado, a ruptura elasto-plástica é caracterizada, em um primeiro momento, pela plastificação da zona comprimida. A tensão na região comprimida (σc) mantém-se fixada em um valor último, há um deslocamento progressivo da linha neutra em direção à parte tracionada, provocando uma elevação na tensão da fibra, até que se atinja o limite e haja de fato a ruptura da madeira ou do reforço. Este segundo patamar de ruptura, segundo Fiorelli e Dias (2006) ocorreu devido a uma combinação entre tensões normais e tensões tangenciais (de cisalhamento no adesivo).

Nos ensaios de corpos de prova, Fiorelli e Dias (2006) confirmaram a hipótese adotada, a qual foi possível prever as tensões através do modelo e que quanto maior a quantidade de reforço adotada, maior o módulo de rigidez alcançado. Os resultados apontaram também para a necessidade de se incorporar ao modelo de cálculo os valores de cisalhamento do adesivo (epóxi) utilizado no reforço.

Outras pesquisas merecem destaque pelo uso de fibras naturais ou sintéticas para o reforço de peças de madeira. Dentre elas o reforço com fibra de sisal, fibra de vidro e fibra de carbono solidarizados por adesivos à base de epóxi, de poliuretano e de cianoacrilato.

Carvalho (2005) avaliou a formação de compósitos entre tecidos de sisal e resinas poliuretânica e a base de epóxi, com intuito de aplicá-las como reforço na região tracionada das vigas de madeira. Seu estudo foi mais direcionado ao levantamento das características do compósito sisal-resina, avaliando-se os resultados relativos ao módulo de elasticidade dos corpos de prova. O autor ainda aplicou o reforço em vigotas de madeira de pinus e obteve um aumento bastante discreto na rigidez das peças. Porém, mesmo após a ruptura da madeira à tração, o compósito de sisal manteve sua integridade (Figura 5), impactando no modo de ruptura da peça reforçada. Cabe ressaltar a natureza frágil da ruptura do compósito à tração, conforme reportou o autor.

Figura 5: Madeira reforçada com sisal. Fonte: Carvalho, 2005.

A análise do incremento da rigidez associada à aplicação do reforço de PRF de sisal se deu de maneira experimental. Em seu cálculo, Carvalho (2005) considerou para avaliar a rigidez apenas um coeficiente “k”, dado pela Equação 2.

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Onde: F= força aplicada e d = deslocamento do centro da viga.

Carvalho (2005) concluiu que não houve delaminação durante os ensaios de flexão, e que a separação entre compósito e madeira ocorrera apenas após a ruptura do compósito, nos testes de cisalhamento. Verificou-se uma elevação média na rigidez das peças reforçadas em torno de 14%. O autor propôs investigações futuras para novos arranjos no tecido de sisal, distribuição de adesivos pelo compósito, porosidade superficial e madeiras mais aptas à colagem do compósito. Foi evidenciada a preocupação com a interface madeira-compósito, como sendo o fator essencial para o emprego deste tipo de reforço, podendo limitar o desempenho do mesmo.

Mascia et al. (2008) sugerem o uso de fibra de sisal como reforço de peças de MLC, seja em forma de telas ou cordões. Os autores descrevem que o sisal, devido à sua alta tensão de ruptura (por volta de 350 MPa) possui excelentes características de reforço para a porção tracionada das vigas, constituindo num material promissor.

Pelo fato de ser um material vegetal, renovável como a madeira, o sisal é uma alternativa a ser viabilizada para aplicação em reforços de madeira serrada e de MLC. No entanto, por se tratar de material com baixo módulo de elasticidade, a associação do sisal à madeira laminada colada, em especial a baseada em madeira de coníferas jovens, acaba por não trazer um incremento em rigidez tão significativo para conferir expressivas reduções de flechas às peças em serviço. Os valores de incremento de rigidez observados nas pesquisas feitas com esse material de reforço foram da ordem de 7% a 20%. Por outro lado, o modo de ruptura das peças reforçadas foi distinto, caracterizado pela redução da incidência de ruptura frágil nas peças reforçadas.

Balseiro (2007) relata que diferentes fibras podem ser utilizadas como reforço, entre elas PRFV, PRFC e APRF (aramida), com ampla revisão das características de cada uma, bem como das formas de reforço a serem executadas em estruturas. O foco do trabalho voltou-se às vigas já existentes, deterioradas ou não (Figura 6), com intuito de reforçar ou mesmo reabilitar peças comprometidas.

Figura 6: Ruptura de viga de MLC reforçada com fibra de carbono. Fonte: Balseiro, 2007.

Nos ensaios com corpos de prova, Balseiro (2007) testou o modo de ligação entre os reforços e o material de base MLC sob tração e, também, no comportamento de peças ensaiadas sob flexão. Verificou-se que a aplicação de PRFC contribuiu para melhora significativa na resistência das peças já comprometidas, dando a elas uma capacidade de carregamento 50% superior à capacidade das vigas não reforçadas.

Notou-se, no entanto, tanto nos trabalhos de Fiorelli e Dias (2006) quanto nos de Balseiros (2007), que o efeito de delaminação entre as fitas de PRFC e a madeira esteve presente. A grande dificuldade neste tipo de reforço é compatibilizar a capacidade de carga da peça reforçada, a rigidez dos adesivos e a relativa flexibilidade da madeira. Portanto, nota-se que a principal limitação deste tipo de reforço, diferentemente do que ocorre no aço, é a diferença entre as deformações em regime de serviço entre os materiais de base e de reforço.

Salienta-se que o valor do módulo de elasticidade não deve ser analisado de maneira isolada, uma vez que o aço, diferente da fibra de carbono, sofre escoamento e, por isso, tem a capacidade de se deformar conjuntamente com a madeira em serviço, mantendo o patamar de tensão.