2.4 Compósitos de FRP
2.4.3 Vantagens e desvantagens do reforço estrutural com compósitos de CFRP
QUADRO 2-3 — Principais características e aspectos de instalação de sistemas de reforços com CFRP Característica Sistemas Pré-fabricados Sistemas curados in situ
Forma tiras ou laminados mantas ou tecidos
Espessura 1,0 a 1,5 mm 0,1 a 0,5 mm
Utilização colagem dos elementos pré-fabricados com adesivo
colagem e impregnação das mantas e tecidos com resina (moldado e curado in
situ) Aspectos típicos da
instalação salvo condições especiais, aplicável somente em superfícies planas
independente da forma da superfície, necessidade de arredondamento dos
cantos
adesivo tixotrópico para colagem resina de baixa viscosidade para colagem e impregnação
geralmente uma única camada freqüentemente várias camadas rigidez do compósito e tixotropia do
adesivo permitem a tolerância de algumas imperfeições na superfície reforçada
aplicação do putty é necessária para prevenir o descolamento por imperfeição
da superfície aplicação simplificada, maior garantia de
qualidade (sistema pré-fabricado) versatilidade de aplicação, necessita de rigoroso controle de qualidade controle de qualidade (má aplicação e mão-de-obra de baixa qualidade = perda da ação compósita entre o reforço e a estrutura, problemas na integridade do reforço a
longo prazo)
2.4.3.1 Resistência
Os compósitos podem ser projetados com componentes visando atender à soluções particulares. Isto permite que seja possível variar as proporções de fibra e resina, modificando as propriedades do compósito para atenderem a uma aplicação particular. Para aplicações no reforço estrutural, vêm sendo utilizados compósitos cujos valores de resistência têm sido cerca de 3 a 5 vezes maior que do aço.
2.4.3.2 Peso próprio
A densidade dos compósitos representa apenas cerca de 20% da densidade do aço.
Além de uma sensível diminuição nos custos com transporte, a grande economia acontece durante a instalação, uma vez que se pode dispensar equipamentos pesados para seu posicionamento e escoramento. Os adesivos empregados são suficientes para manter o compósito em posição até o final do processo de cura. Contudo, para a técnica de chapa colada, a fixação, através de parafusos, representa uma enorme parcela dos custos envolvidos.
2.4.3.3 Transporte
O peso dos compósitos é tão baixo que, por exemplo, uma chapa de material compósito com 20 metros de comprimento pode ser carregada por apenas um homem.
Algumas chapas podem ser enroladas em bobinas com diâmetro da ordem de 1,5 m, podendo, assim, ser facilmente transportadas em veículos de pequeno porte.
2.4.3.4 Versatilidade de projeto
O comprimento de chapas de aço para o reforço externo é limitado em função do seu peso próprio e dificuldades de manuseio. Não é possível a execução de solda in situ, uma vez que os adesivos utilizados não são capazes de suportar altas temperaturas. Isto conduz à necessidade da execução de emendas de custo elevado. Contrastando com esta realidade, os
compósitos não possuem limitação de comprimento, podendo, ainda, ser aplicados em número variável de camadas para atender à uma situação particular.
2.4.3.5 Facilidade de aplicação
O reforço através de chapas de aço coladas com resina epóxi, apresenta uma série de peculiaridades quanto à sua aplicação, principalmente relacionadas à preparação das superfícies com irão compor o reforço. O mesmo não se repete para a aplicação de materiais compósitos, onde sua aplicação é bem mais simples, necessitando apenas de uma supervisão criteriosa.
2.4.3.6 Menor necessidade de fixação
Mantas flexíveis e laminados pré-fabricados de material compósito apresentam menores espessuras que chapas de aço com capacidade equivalente. Isto ajuda a reduzir efeitos das tensões que conduzem ao descolamento do reforço, diminuindo a necessidade da utilização de elementos para a ancoragem e fixação dos reforços. Parte deste fenômeno está associada à rigidez axial do reforço. Comparações entre resultados experimentais e teóricos das tensões atuantes nos reforços, em vigas reforçadas com chapa de aço colada e compósitos de CFRP, permitiram identificar que as tensões nos compósitos seriam menores, principalmente em função dos seguintes aspectos [Hollaway & Leeming, 1999]:
(i) Capacidade do compósito de se ajustar mais facilmente ao perfil longitudinal da superfície de concreto;
(ii) As ondulações no reforço, provocadas pela excentricidade da força no reforço em relação ao plano do adesivo;
(iii) As tensões na interface (ou cisalhamento longitudinal) são menores nos reforços com CFRP uma vez que, quanto mais próximo o reforço da superfície de concreto, menor é a tensão de cisalhamento longitudinal desenvolvida.
2.4.3.7 Durabilidade
Diferentemente das chapas de aço, os materiais compósitos não sofrem deterioração proveniente da ação de agentes agressivos, químicos, físicos ou biológicos. No entanto, atenção especial deve ser dada à ação da radiação ultravioleta.
2.4.3.8 Resistência à ação do fogo
Os materiais compósitos apresentam menor condutividade térmica que o aço, conseqüentemente reduzindo o efeito do fogo nas camadas internas de adesivo. O material compósito carboniza ao invés de queimar, mantendo o reforço operante por um período de tempo maior do que o reforço com chapa de aço colada. A resistência à ação de elevadas temperaturas sobre os compósitos de CFRP depende fundamentalmente da resina, uma vez que a fibra de carbono, individualmente, é capaz de manter suas propriedades mecânicas e de resistência até cerca de 1000o C [fib, 2000].
Meier (1997) apresenta resultados de ensaios à flexão realizados com vigas reforçadas com chapa de aço colada e laminados pré-fabricados de fibra de carbono em um grande forno horizontal. O forno foi aquecido de acordo com a norma ISO 834 até uma temperatura de cerca de 650 oC. O desprendimento da chapa de aço aconteceu após cerca de oito minutos. Durante o ensaio das vigas reforçadas com chapas de fibra de carbono, a superfície da chapa começou a queimar ocasionando uma lenta diminuição da seção transversal do reforço conduzindo a uma perda de rigidez. O desprendimento da chapa de fibra de carbono aconteceu após uma hora de exposição. O maior tempo levado para o desprendimento da chapa fibra de carbono, quando comparado ao da chapa de aço, deve-se, principalmente à baixa condutividade térmica da chapa na direção lateral.
2.4.3.9 Manutenção
Reforços executados com chapas de aço coladas, demandam uma manutenção periódica através de pinturas protetoras, conduzindo inevitavelmente a interrupções de tráfego, em pontes, por exemplo, e em elevados custos operacionais. Os materiais
compósitos não necessitam de manutenção periódica, o que diminui sensivelmente os custos globais de adoção deste sistema de reforço.
2.4.3.10 Menor tempo de interdição
Muitas das vantagens práticas apresentadas acima se combinam, permitindo que o tempo de instalação de sistemas de reforço com compósitos possa ser diminuído significativamente, principalmente quando comparado ao sistema de reforço com chapas de aço. Assim como os custos de instalação, devido ao tempo, serão menores, da mesma forma, minimiza-se a interrupção de tráfego, por exemplo, ou a interdição de uma edificação.
2.4.3.11 Protensão
A possibilidade de se protender os materiais compósitos cria novas perspectivas para a sua aplicação. A aplicação de materiais compósitos pode ser utilizada para substituir sistemas de protensão danificados, aumentar a resistência ao cisalhamento pela indução de tensões longitudinais. Ainda, a formação de fissuras pode ser inibida, e o estado limite de utilização da estrutura aumentado.
Os materiais compósitos apresentam uma intolerância quanto à preparação da superfície. Uma superfície irregular pode conduzir à possibilidade de modos de ruptura frágeis, associados ao destacamento do reforço. [Swamy & Mukhopadhyaya, 1995]. Além disso, o custo dos materiais compósitos é, ainda, maior do que outros materiais de reforço, em especial as chapas de aço com a mesma capacidade de resistência. Desta forma, o custo é, portanto, o fator mais influente quando se avaliam os méritos de técnicas de reforço alternativas. Particularmente, para o caso de novas técnicas, o custo tende a diminuir na medida em que um número cada vez maior de fornecedores e empresas entram neste mercado. A comparação de custos entre as diversas técnicas de reforço disponíveis deve considerar não somente o custo dos materiais, mas principalmente, a mão-de-obra e os custos operacionais que envolvem cada uma delas. A aplicação de materiais compósitos tem demonstrado ser a solução mais econômica em virtualmente todos os casos [Hollaway & Leeming, 1999].
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.