Antonio Rogerio Pellissari
Verificação Experimental da Aderência CFC-Concreto com Carregamento de Impacto
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Área de Concentração: Estruturas.
Orientador: Giuseppe Barbosa Guimarães Co-orientador: Emil de Souza Sánchez Filho
Rio de Janeiro Setembro de 2007
Antonio Rogerio Pellissari
Verificação Experimental da Aderência CFC-Concreto com Carregamento de Impacto
Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio em Engenharia Civil. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Giuseppe Barbosa Guimarães
Orientador Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio
Emil de Souza Sánchez Filho
Co-orientador Universidade Federal Fluminense
Paulo Batista Gonçalves
Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio
Júlio Jerônimo Holtz Silva Filho
Avantec Engenharia Ltda
ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Antonio Rogerio Pellissari
Graduado em Engenharia Civil pela Universidade Estadual do Oeste do Paraná em fevereiro de 2005.
Ficha Catalográfica Pellissari, Antonio Rogerio
Verificação experimental da aderência CFC-concreto por meio de ensaios à flexão com carregamento de impacto / Antonio Rogerio Pellissari ; orientador: Giuseppe Barbosa Guimarães ; co-orientador: Emil de Souza Sánchez Filho. – 2007.
65 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil)– Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007.
Inclui bibliografia
1. Engenharia civil – Teses. 2. Reforço estrutural. 3. Impacto. 4. Concreto. 5. Compósitos de fibras de carbono. 6. Aderência. 7. Comprimento de ancoragem. I. Guimarães, Giuseppe Barbosa. II. Sánchez Filho, Emil de Souza. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título.
CDD: 624
Agradecimentos
Aos meus pais Rogerio Pellissari e Ivaema F. Grando Pellissari e aos meus irmãos João e Mariana, pelo apoio, carinho e compreensão para vencer esta nova etapa da minha vida.
Aos professores Giuseppe Barbosa Guimarães e Emil de Souza Sánchez Filho, pela orientação recebida e pelos ensinamentos passados ao longo da realização deste trabalho.
A Márcia, Marina, Vinícius e Marianna, pelo apoio e paciência para realização deste trabalho.
Aos amigos do BG, por terem sido companheiros durante os momentos de ausência de luz.
Aos amigos que seguiram outros caminhos e a todos os amigos conquistados durante esse período na PUC.
Aos funcionários Euclídes, José Nilson, Evandro e Haroldo pela amizade e pela ajuda para concretizando este trabalho.
Ao Engenheiro Júlio e Professor Emil, pelo fornecimento de todo o tecido de fibra de carbono necessário para essa pesquisa.
A Tarso Engenharia pelo suporte técnico na preparação dos ensaios. Ao CNPq pelo apoio financeiro.
A todas as pessoas que contribuíram de maneira direta ou indireta para a realização deste trabalho.
Pellissari, Antonio Rogerio; Guimarães, Giuseppe Barbosa; Sánchez Filho, Emil de Souza. Verificação Experimental da Aderência CFC- Concreto por meio
de Ensaios à Flexão com Carregamento de Impacto. Rio de Janeiro, 2007.
65p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Neste trabalho realizou-se uma investigação experimental sobre os efeitos de forças de impacto sobre a resistência de aderência entre compósitos de fibras de carbono e o concreto. O programa experimental consistiu de ensaios de flexão de corpos-de-prova constituídos de dois blocos de concreto unidos por uma rótula na região superior (comprimida) e por tiras de compósito de fibras de carbono coladas nas faces inferiores dos blocos. Foram ensaiados 23 corpos-de-prova, com resistências à compressão do concreto variando de 25 MPa a 35 MPa. A principal variável foi a taxa de carregamento ( expressa em termos de tensão de aderência), variou entre 6,06 MPa/s (estático) a 3.690.485 MPa/s (dinâmico). Os resultados mostraram que a resistência de aderência aumenta com o aumento da taxa de carregamento.
Palavras-chave
Reforço Estrutural; Impacto; Concreto; Compósitos de Fibras de Carbono; Aderência; Comprimento de Ancoragem.
Abstract
Pellissari, Antonio Rogerio; Guimarães, Giuseppe Barbosa; Sánchez Filho, Emil de Souza. Experimental Investigation of the Bond Strength between
CFC-concrete under impact loading. Rio de Janeiro, 2007. 65p. MSc Dissertation -
Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
An experimental investigation on the effects of impact loads on the bond strength between carbon fiber composite and concrete is described in this work. The objective was to investigate the influence of loading rate on the bond strength. Concrete-fiber specimens were tested under loading rates varying from a minimum of 6,06 MPa/s (static) to a maximum of 3.690.485 MPa/s. In addition, twenty tree concrete prisms were tested under different loading rates in order to investigate the effects of the loading rate on the tensile strength of concrete and carbon fiber separately. The results show that the bond strength increase with the increase of the loading rates.
Keywords
Structural Strengthening; Concrete; Carbon Fiber Composites; Impact Load; Bond.
1 Introdução 14
1.1 Objetivos 14
1.2 Organização do Trabalho 15
2 Revisão Bibliográfica 16
2.1 Fibras 16
2.2 Comprimento de Ancoragem e Tensão de Aderência 17
2.3 Modos de Ruptura 23
2.4 Vigas Reforçadas com CFC sob Forças de Impacto 25
3 Programa Experimental 26
3.1 Considerações Iniciais 26
3.2 Nomenclatura dos Corpos-de-Prova 26
3.3 Características dos Corpos-de-Prova 26
3.4 Materiais Utilizados nos Corpos-de-Prova 30
3.4.1 Concreto 30
3.4.2 Tecidos de Fibras de Carbono 31
3.4.3 Adesivo Epóxi 32
3.4.4 Características dos ensaios nas Fibras de Carbono 32
3.5 Aplicação do CFC 35 3.6 Instrumentação 38 3.7 Aquisição de Dados 40 3.8 Aplicação de Força 40 3.8.1 Carregamento Estático 40 3.8.2 Carregamento Dinâmico 41
3.9 Força Normal Aplicada no CFC 43
3.10 Tensão de Aderência do CFC 44
3.11 Tensão Normal no CFC 44
4 Apresentação e Análises dos Resultados 45
4.1 Modos de Ruptura 45
4.2 Curvas Força versus Tempo e Taxa de Carregamento 47 4.3 Efeito da Taxa de Carregamento Sobre a Resistência de Aderência
49
4.4 Efeito da Taxa de Carregamento Sobre a Resistência à Tração do CFC 51
4.5 Propagação da Onde de Choque 52
5 Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros 55
5.1 Conclusões 55
5.2 Sugestões para Trabalhos Futuros 55
6 Referências Bibliográficas 57
Anexo – Curvas Força versus Tempo 60
Figura 2.1 – Diagrama tensão-deformação específica, para diversos tipos fibras; adaptada
de Souto (2003). 17
Figura 2.2 – Corpo-de-prova para o ensaio de aderência; adaptado de Miller (1999). 20 Figura 2.3 – Curva τ×s para os corpos-de-prova; adaptada de Miller e Nanni (1999). 20 Figura 2.4 – Esquema do ensaio de tração-compressão; adaptada de Pacheco (2006). 21 Figura 2.5 – Resistência aderência fb vs. resistência do concreto fc; adaptada de
Pacheco (2006). 22
Figura 2.6 – Deformação específica x distância ao longo do comprimento de ancoragem;
adaptada de Meneghel (2005). 22
Figura 2.7 – Gráfico tri linear de carregamento x deslocamento; adaptada de
White et al. (2001). 24
Figura 3.1 – Características geométricas dos corpos-de-prova. 27 Figura 3.3 – Detalhe da fôrma para molde dos blocos, medidas em cm. 29 Figura 3.4 – Dimensões dos corpos-de-prova para ensaio de tração; adaptada da norma
ASTM D 3039/3039M. 33
Figura 3.5 – Gráfico tensão x deformação específica dos corpos-de-prova de CFC;
adaptado de Silva Filho (2007). 33
Figura 3.6 – Detalhe da área preparada para o recebimento do reforço. 35 Figura 3.7 – Detalhe da fixação dos blocos com os perfis metálicos. 36
Figura 3.8 – Detalhe da fixação rótula. 36
Figura 3.9 – Detalhe da marcação da área destinada a aplicação do CFC nos
corpos-de-prova com impregnação total. 37
Figura 3.10 – Detalhe do reforço do bloco de concreto não instrumentado, nas vigas com
impregnação parcial das fibras. 38
Figura 3.11 – Detalhes do posicionamento da célula de carga. 38 Figura 3.12 – Detalhes dos posicionamentos das células de carga. 39 Figura 3.13 – Detalhes dos EER posicionados no CFC. 39 Figura 3.14 – Detalhe do EER entre os blocos de concreto e no centro do reforço (viga
com impregnação total). 40
Figura 3.15 – Viga bi-apoiada com extremidade em balanço, adaptada de
Martins Junior (2006). 41
Figura 3.16 – Detalhes do aparato de ensaio. 42 Figura 3.17 – Esquema das distâncias dos pontos de aplicação de carga e apoio. 43 Figura 4.1 – Ruptura por destacamento do concreto no corpo-de-prova VD III 12. 46 Figura 4.2 – Ruptura por descolamento do adesivo no corpo-de-prova VE II 04. 46
Figura 4.3 – Ruptura das fibras de carbono no corpo-de-prova VE III 13. 47 Figura 4.4 – Curva força aplicada versus tempo do corpo-de-prova VE II 04 (força medida
na célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova). 48 Figura 4.5 – Curva força aplicada versus tempo do corpo-de-prova VD III 12 (força medida
na célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova). 48 Figura 4.6 – Curva força aplicada versus tempo (corpo-de-prova VDM II 21). 49 Figura 4.7 – Relação entre a taxa de tensão de aderência Tτ e a resistência de aderência
fb para os corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto. 50
Figura 4.8 – Relação entre a taxa de tensão normal Tσe a resistência à tração fb para os
corpos-de-prova com ruptura por tração nas fibras de carbono. 52 Figura 4.9 – Gráfico dos valores da célula de carga dividida pela força máxima e os
valores da deformação dividida pela deformação específica máxima, ambos em relação ao tempo de ensaio ( VD III 12). 53
Figura A.01 – Corpo-de-prova VE I 01. 60
Figura A.02 – Corpo-de-prova VE I 02. 60
Figura A.03 – Corpo-de-prova VD I 03. 60
Figura A.04 – Corpo-de-prova VE II 04. 61
Figura A.05 – Corpo-de-prova VE II 05. 61
Figura A.06 – Corpo-de-prova VE II 06. 61
Figura A.07 – Corpo-de-prova VE II 07. 61
Figura A.08 – Corpo-de-prova VD II 08. 62
Figura A.09 – Corpo-de-prova VD II 09. 62
Figura A.10 – Corpo-de-prova VD III 10. 62
Figura A.11 – Corpo-de-prova VE III 11. 62
Figura A.12 – Corpo-de-prova VD III 12. 63
Figura A.13 – Corpo-de-prova VE III 13. 63
Figura A.14 – Corpo-de-prova VDM III 14. 63
Figura A.15 – Corpo-de-prova VEM III 15. 63
Figura A.16 – Corpo-de-prova VDM III 16. 64
Figura A.17 – Corpo-de-prova VDM III 17. 64
Figura A.18 – Corpo-de-prova VDM III 18. 64
Figura A.19 – Corpo-de-prova VDM III 19. 64
Figura A.20 – Corpo-de-prova VDM II 20. 65
Figura A.21 – Corpo-de-prova VDM II 21. 65
Figura A.22 – Corpo-de-prova VDM II 22. 65
Figura A.23 – Corpo-de-prova VDM III 23. 65
Tabela 2.1 – Tipos e características das fibras; adaptada de Nakaba et al. (2005). 23 Tabela 2.2 – Tipos e características de base; adaptada de Nakaba et al. (2005). 23 Tabela 2.3 – Variáveis adotadas; adaptada de White et al. (2001). 25 Tabela 3.1 – Características dos corpos-de-prova. 30 Tabela 3.2 – Consumo de material por m3 de concreto. 31
Tabela 3.3 – Dimensões dos corpos-de-prova adotadas para ensaio de tração em materiais compósitos de fibras de carbono; adaptada da ASTM D3039/3039M. 33 Tabela 3.4 – Resultados dos ensaios de resistência à tração dos corpos-de-prova de
CFC. 34
Tabela 3.5 – Valor adotado para deformação específica última, resistência à tração
máxima e módulo de elasticidade do CFC. 34
Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios. 45
Tabela 4.2 – Taxa de carregamento e resistências de aderência dos corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto. 49 Tabela 4.3 – Valores das resistências à tração e das taxas de carregamento para os
corpos-de-prova com ruptura nas fibras de carbono. 51 Tabela 4.4 – Diferença do tempo entre a resposta da célula de carga localizada no topo
do corpo-de-prova e o EER. 53
Tabela 4.5 – Diferença no tempo de carregamento entre a célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova e a célula de carga localizada no seu apoio, para os corpos-de-prova com modo de ruptura no concreto. 54
Lista de Símbolos
Romanos
A, B, C Dimensões do Bloco de concreto
a Distância do centro da rótula ao ponto de aplicação da força b Distância da aplicação da força a extremidade do bloco bc Largura do elemento de concreto
bp Largura do CFC
c Distância do apoio do corpo-de-prova a extremidade do bloco CFC Compósito de fibras de carbono
d Distância entre os apoios do corpo-de-prova da Distância da ancoragem a extremidade do bloco
Ec Módulo de elasticidade do concreto
Ep , EL Módulo de elasticidade do CFC
Ff Força normal aplicada às fibras
Fmax, Pu Força máxima aplicada no CFC b
f Resistência de aderência
c
f Resistência à compressão do concreto H Altura de queda do martelo
b
K Coeficiente que considera a influência da largura relativa do compósito sobre a largura do elemento de concreto l Comprimento das fibras sem impregnação
la Comprimento de ancoragem
le Comprimento de ancoragem efetivo
l1 Comprimento não aderido do CFC no concreto
P Força aplicada no topo do corpo-de-prova
Tc Taxa de carregamento normal às fibras
Tσ Taxa de tensão normal às fibras
Tτ Taxa de tensão de aderência entre o CFC e o concreto
z Braço de alavanca entre o CFC e o eixo da rótula
Gregos
L
β Coeficiente adimensional que relaciona o comprimento de aderência com
o comprimento de aderência efetivo p
β Coeficiente adimensional que relaciona a largura do compósito com a do
elemento de concreto
t
∆ Tempo entre a início do carregamento e o tempo da força máxima
1 t
∆ Diferença de tempo entre a resposta da célula de carga no topo do corpo-de-prova e a resposta do EER
2 t
∆ Diferença de tempo entre a resposta da célula de carga no topo do corpo-de-prova e a resposta da célula de carga no seu apoio
f
ε Deformação específica do CFC
u
ε Deformação específica última do CFC
σ, σdb,
σfibras
Tensão normal às fibras
τad Tensão de aderência entre o CFC e o concreto
bk
τ Tensão de aderência característica
1 Introdução
O reforço de estruturas de concreto armado e protendido é uma atividade muito importante e está se desenvolvendo com o passar dos anos. As diversas razões para reforçar estruturas de concreto armado são: restaurar e/ou aumentar cargas de serviço, reduzir a flecha, limitar as dimensões e a distribuição de fissuras no concreto, reparar acidentes e patologias decorrentes de intempéries, e também, reparar erros de projetos ou que ocorreram durante os estágios da construção.
A utilização de materiais compósitos proporciona soluções tecnicamente e economicamente viáveis. Dentre os materiais compósitos utilizados na recuperação estrutural encontra-se o compósito de fibras de carbono (CFC). Este material apresenta grandes vantagens, tais como: não corrói, não é magnético, não é um condutor elétrico e geralmente resiste a ataques químicos e tem uma grande resistência em relação ao seu peso.
O aumento da aplicação do CFC como reforço externo em elementos estruturais exige um conhecimento das características e do comportamento desse material junto ao elemento estrutural. Este conhecimento é adquirido por meio de pesquisas experimentais e teóricas. Um comportamento muito discutido é tensão de aderência entre o CFC e o substrato de concreto, que requer um estudo mais aprofundado de seu comportamento.
Como todo material utilizado com função estrutural, o CFC requer que suas propriedades mecânicas sejam determinadas em ensaios, utilizando-se metodologias consistentes. As propriedades mecânicas do CFC não são as mesmas do material fibra de carbono (Ribeiro, 2005).
1.1 Objetivos
Este estudo experimental tem como objetivo estudar a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o CFC e o concreto, submetido a força de impacto.
O programa experimental desenvolvido consistiu de ensaios de flexão em 23 corpos-de-prova constituídos de dois blocos de concreto unidos por uma rótula na região superior (comprimida) e por tiras de compósito de fibra de carbono
coladas nas faces inferiores dos blocos, submetidos a carregamento de impacto, cuja taxa de carregamento normal às fibras varia entre 6,06 MPa/s (estático) a 3.690.485 MPa/s (dinâmico).
1.2 Organização do Trabalho
No Capítulo 2 são apresentadas as características das fibras de carbono, alguns estudos sobre comprimento de ancoragem e tensão de aderência entre o CFC e o concreto e sobre os modos de ruptura para o reforço externo com CFC. Esse capítulo descreve também o comportamento de vigas reforçadas com CFC sob carregamento de impacto.
No Capítulo 3 é descrito o programa experimental. São apresentadas as características dos corpos-de-prova, dos materiais utilizados, do CFC e da metodologia de aplicação do reforço, do esquema de aplicação do carregamento, da força normal, da tensão de aderência e da tensão normal aplicada ao CFC.
No Capítulo 4 são apresentados e analisados os resultados obtidos nos ensaios. São descritos os modos de ruptura do CFC, mostradas as curvas força
versus tempo e taxa de carregamento, o efeito da taxa de carregamento na tensão
de aderência entre o CFC e o concreto, o efeito da taxa de carregamento na resistência a tração das fibras e propagação de ondas de choque.
No Capítulo 5 são apresentadas as conclusões obtidas nos resultados experimentais e apresentadas sugestões para trabalhos futuros.
No Anexo são apresentadas as curvas força aplicada versus tempo de carregamento.
2 Revisão
Bibliográfica
Neste capítulo são apresentados trabalhos relacionados ao comprimento de ancoragem e a resistência de aderência do CFC-substrato de concreto. São mostradas de forma resumida as principais características dos materiais compósitos.
Os modos de ruptura em ensaios de aderência CFC-concreto são descritos em conjunto com as resistências últimas de aderência obtidas na bibliografia pesquisada.
2.1 Fibras
As fibras são as principais responsáveis pelas características de resistência e espessura do sistema de compósito, sendo que as fibras contínuas com maior uso em reforço estrutural são: a aramida, a fibra de vidro, a fibra de grafite e a fibra de carbono.
A fibra de aramida, comercialmente conhecida como Kevlar®, é uma poliaramida de fibras contínuas. O módulo de elasticidade das fibras varia entre 70 a 200 GPa, com a deformação específica de ruptura variando entre 1,5% e 5%. As fibras de aramida são sensíveis às altas temperaturas, à umidade, à luz e apresentam problemas de relaxação e corrosão sob tensão.
Os compósitos de fibras de vidro têm módulo de elasticidade variando entre 70 GPa a 85 GPa, com deformação específica de ruptura entre 2% e 5%. São mais sensíveis à corrosão para tensões de grande magnitude e podem apresentar problemas de relaxação. As fibras de vidro são sensíveis à umidade, mas com a escolha certa da matriz ficam protegidas; apresentam um valor conveniente para as deformações específicas, e são mais baratas que as fibras de carbono (Escobar, 2003).
As fibras de carbono resultam do tratamento térmico com elevadas temperaturas, variando de 1000ºC a 1500ºC e cerca de 3000ºC para fibras de grafite. Quanto maior a temperatura maior será o módulo de elasticidade da fibra, variando de 100 GPa a 300 GPa para as fibras de carbono e até 650 GPa para as fibras de grafite. As fibras de carbono apresentam como características básicas: boa resistência à corrosão, resistência a ataques químicos em geral, ótimo
comportamento quanto à fadiga sob atuação de cargas cíclicas, alta rigidez, peso específico da ordem de 1,8 g/cm3 e estabilidade térmica e reológica destacando-se das demais fibras (Machado, 2002).
A Figura 2.1 mostra as tensões e as deformações específicas dos diversos tipos de fibras, onde se verifica um comportamento elástico-linear para esses materiais, com a relação constitutiva indicando um comportamento frágil.
Figura 2.1 – Diagrama tensão-deformação específica, para diversos tipos fibras; adaptada de Souto (2003).
Souto (2003) relata que existe atualmente no mercado compósitos de fibras de carbono em três formas diferentes: chapas poliméricas reforçadas com fibras de carbono, que podem ser coladas para reforço de elementos estruturais em geral; tecidos em fibras de carbono, pré-impregnados para colagem em elementos estruturais por meio de resinas epoxídicas; e folhas flexíveis unidirecionais para colagem sobre o concreto, que podem ser utilizadas como elemento confinante.
2.2 Comprimento de Ancoragem e Tensão de Aderência
O comprimento de ancoragem efetivo le, é definido como sendo o
comprimento ao longo do qual ocorre a transferência de tensão entre o compósito e o concreto. O parâmetro le varia de acordo com o tipo de sistema de reforço a ser
18
utilizado, com o carregamento aplicado e com as características dos materiais adotados no reforço.
Chen e Teng (2001) propuseram um modelo de cálculo para ancoragem baseado na combinação da análise da mecânica da fratura com dados experimentais. Esse modelo tem como objetivo calcular a resistência última de aderência e o comprimento de ancoragem efetivo. Esses dois parâmetros foram calculados usando um enfoque da Mecânica da Fratura Não Linear (MFNL) de acordo com as seguintes expressões:
' 0, 427 , u p L c p e P = β β f b L N (2.1) onde 1 2 e L e e se L L L sen se L L L β π ≥ ⎧ ⎪ =⎨ ⎡ ⎤ < ⎢ ⎥ ⎪ ⎣ ⎦ ⎩ (2.2) 2 1 bp bc p bp bc β − = + (2.3) ' , p p e c E t L mm f = (2.4) onde p pt E é dado em MPa.mm; ' c f é dado em MPa.
A razão entre a largura do compósito e a largura do elemento de concreto
c p
b b
tem um efeito significativo sobre a resistência última de aderência. Se a largura do compósito for menor do que a do elemento de concreto, a transferência de forças do compósito para o concreto leva a uma distribuição de tensões não uniforme ao longo da largura do elemento de concreto. Uma pequena largura do compósito bp, comparada com a largura do elemento de concreto b , pode c
resultar em tensões tangenciais maiores no adesivo durante a ruptura, atribuídas à contribuição do concreto fora da área de aderência.
Substituindo-se a expressão 2.4 e p p u db t b P = σ
na expressão 2.1 tem-se a tensão de ruptura no compósito:
'
0, 427 p L Ep fc 0, 4 p L Ep fcu
db t t
p p
σ = β β = β β (2.5)
Miller et al. (1999) desenvolveram um modelo teórico para o cálculo do
comprimento efetivo e da força última para a aderência do CFC ao concreto, baseando-se numa aproximação linear dos resultados dos ensaios em conjunto com os resultados experimentais do método de Maeda et al. (1997)
(expressão 2.6), que utiliza um modelo analítico para estimar a força última e considera uma distribuição linear de tensão antes do descolamento ocorrer. Esses autores ensaiaram 18 vigas T invertido, simplesmente apoiadas (Figura 2.2). As características do compósito de fibras de carbono eram: largura de 51 mm, espessura de 0,165 mm, módulo de elasticidade de 228 GPa. O modo de ruptura foi por descolamento do CFC. Ao longo de comprimento efetivo de ancoragem o CFC resiste à forca aplicada, e a partir desse comprimento não se obtém deformações específicas (Figura 2.3).
0, 432 94,3
e f L
L = − t E + (2.6)
sendo
Le – comprimento de ancoragem efetivo, mm;
tf – espessura do compósito de fibras de carbono, mm;
EL – modo de elasticidade, GPa;
20
Figura 2.2 – Corpo-de-prova para o ensaio de aderência; adaptado de Miller (1999).
Os resultados experimentais mostram que a partir de um certo comprimento a força aplicada não pode mais ser transferida ao tecido de CFC, logo não há acréscimo de resistência (Figura 2.3).
Figura 2.3 – Curva τ×s para os corpos-de-prova; adaptada de Miller e Nanni (1999).
Meneghel (2005) e Pacheco (2006) estudaram o comportamento da aderência entre o concreto e o CFC por meio de ensaios tração-compressão de corpos-de-prova, compostos de dois cubos de concreto ligados por tiras de tecidos de CFC coladas em suas laterais opostas (Figura 2.4). O tecido utilizado apresentava as seguintes características: tecidos de fibras de carbono (Tec-Fiber) do tipo N-300, espessura = 0,165 mm , deformação específica na ruptura =1,55%,
resistência à tração = 3.550MPa, módulo de elasticidade = 235GPa e gramatura (folha) = 300 g m . 2
Figura 2.4 – Esquema do ensaio de tração-compressão; adaptada de Pacheco (2006).
Os trabalhos de Meneghel (2005) e de Pacheco (2006) tiveram como variáveis a largura do reforço de CFC, o carregamento atuante (carregamento monotônico crescente e carregamento em ciclos de carga e descarga), a resistência à compressão do concreto variando de 25 MPa até 45 MPa e diferentes tipos de superfícies de aderência do CFC ao substrato de concreto (face lisa e face rugosa).
Os resultados dos trabalhos de Meneghel (2005) e de Pacheco (2006) mostraram que: a largura do tecido não influencia as tensões últimas de aderência; os diferentes modos de carregamentos estudados (monotônico crescente e carregamento em ciclos de carga e descarga) não influenciaram os valores das resistências últimas de aderência obtidas; para as diferentes resistências à compressão do concreto, as tensões de aderência não apresentaram grandes variações (Figura 2.5); com concreto com resistência fc <23MPa a resistência última pode ser inferior a 1,44MPa; os diferentes tipos de superfícies do concreto pouco influenciaram as resistências últimas de aderência tendo um acréscimo nas resistências últimas de aderência da ordem de 5% nas superfícies rugosas.
Essas autoras também concluíram que existe um comprimento de ancoragem efetivo, no qual as tensões de aderência são realmente distribuídas. Sendo esse valor igual a 120 mm (Figura 2.6). O valor característico (associado ao quantil de 5%) da tensão última de aderência obtida nesses trabalhos foi de
MPa bk =1,45 τ . Tração Compressão Tração
22 0 ,0 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2 ,5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5
Figura 2.5 – Resistência aderência fb vs. resistência do concreto fc; adaptada de
Pacheco (2006). -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 6 40,5 75 109,5 144 Distância (mm) De for m aç ão 0,3 kN 2,6 kN 6,6 kN 10,6 kN 14,6 kN 15,6 kN 18 kN 20,7 kN 22 kN 23,5 kN 25 kN 30,64 kN (Rupt.) (µ ε)
Figura 2.6 – Deformação específica x distância ao longo do comprimento de ancoragem; adaptada de Meneghel (2005).
Nakaba et al. (2001) desenvolveram ensaios de tração-tração para reforços externos em peças de concreto com o intuito de determinar o comprimento efetivo de ancoragem. As variáveis analisadas foram os tipos de fibras e a base de aplicação do reforço (Tabela 2.1 e Tabela 2.2). Estudos prévios feitos ainda por Nakaba et al. (2001) mostraram que o comprimento efetivo de ancoragem é inferior a 100 mm. Deform ação e specífica (με )
Tabela 2.1 – Tipos e características das fibras; adaptada de Nakaba et al. (2005).
Tipo de Fibra Espessura (mm) Massa Específica (g/m²) Resistência a Tração (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa)
Fibra de carbono padrão 0,167 150/300 4200 261 Fibra de carbono menos
espessa 0,165 300 4400 425
Aramida 0,193 285 2800 124
Tabela 2.2 – Tipos e características de base; adaptada de Nakaba et al. (2005).
Tipo de Base Resistência à compressão (MPa) Resistência à Tração (MPa) 1/3 Módulo Secante Ec (GPa) Concreto C-5 57,60 3,25 29,00 Argamassa M5 - 1 47,10 4,65 24,50 Argamassa M5 - 2 50,90 4,08 25,50 Concreto C-2 23,80 1,98 22,00
Esses autores concluíram que: a espessura do compósito influencia tanto a resistência de ancoragem quanto a forma de distribuição de tensão, e que a relação tensão/deslocamento na aderência local não é influenciada pelo tipo de compósito; a tensão máxima de aderência aumenta quando a resistência do concreto também aumenta.
Confirmando o conceito sobre comprimento efetivo de CFC para o reforço em estrutura de concreto, Bizindavyi (1999) afirma que o comprimento de ancoragem de 80 mm e 220 mm é suficiente para desenvolver a capacidade máxima de reforço dos CFC com uma e duas camadas de tecido, respectivamente. Todavia, esses comprimentos são válidos somente para o sistema de reforço estudado por esse autor.
2.3 Modos de Ruptura
Em geral, as vigas de concreto armado com ou sem reforço de CFC, exibem um gráfico tri linear de força x flecha (Figura 2.7). Na fase 1 não há fissuras na face tracionada do concreto, na fase 2 ocorre o surgimento e propagação das
24
fissuras, e na fase 3 ocorre o escoamento da armadura de aço até o colapso do elemento. Os três modos de ruptura que ocorrem comumente são: escoamento da armadura seguido do esmagamento do concreto; escoamento da armadura de aço seguido da ruptura da lâmina de CFC, e escoamento da armadura de aço seguido do destacamento da lâmina de CFC. O último modo de ruptura pode ocorrer de duas maneiras: destacamento da camada de concreto junto com a lâmina de CFC (bond spliting failure) e desplacamento (descolamento) da lâmina de CFC (laminate peeling failure) de acordo com WHITE et al. (2001).
Figura 2.7 – Gráfico tri linear de carregamento x deslocamento; adaptada de White et al. (2001).
White et al. (2001) avaliaram vigas de concreto armado reforçadas com CFC. As variáveis adotadas foram: tipo de CFC e taxa de carregamento (Tabela 2.3). As vigas S-A, S-B, S-D e R-D ensaiadas por esses autores tiveram modos de ruptura do tipo destacamento do concreto (splitting) e as demais vigas romperam por desplacamento da lâmina de CFC (peeling).
Viga de concreto armado convencional Viga de concreto armado reforçada Carre gamento (kN)
Deslocamento no meio do vão (mm) Fase I
Fase II
Fase III
Tabela 2.3 – Variáveis adotadas; adaptada de White et al. (2001).
Vigas Tipo de CFC Tipo de Carregamento
C-B sem reforço B S-A Lâmina A S-B Lâmina B S-C Lâmina C S-D Lâmina D R-A Tecido A R-B Tecido B R-C Tecido C R-D Tecido D
Nota: A – carregamento lento até a ruptura; B – carregamento rápido até a ruptura; C - carregamento lento até 150 kN, rápido até a ruptura; D – carregamento rápido até 120 kN em 12 ciclos, seguido de carregamento rápido até a ruptura.
2.4 Vigas Reforçadas com CFC sob Forças de Impacto
As vigas de concreto armado reforçadas externamente com CFC sob carregamento dinâmico apresentam aumento em sua capacidade de resistência. Com o aumento da taxa de carregamento há um aumento da capacidade de resistência das vigas.
As flechas máximas, o número e a abertura das fissuras são menores nas vigas reforçadas com CFC. Tang et al. (2005) constataram uma redução da flecha máxima na ordem de 30 % a 40 %.
A absorção de energia de vigas solicitadas por carga dinâmica depende das características elásticas dos materiais (concreto, aço, CFC, etc.). Jerome et al. (1997) verificaram que para uma dada taxa de deformação a viga tem uma absorção de energia fixa, correlacionada com o comportamento dinâmico do concreto. Erki et al. (1999) compararam em seu trabalho vigas reforçadas com CFC e aço, concluindo que as vigas reforçadas com aço absorviam mais energia que as vigas reforçadas com CFC, mas ambas tiveram ganho de resistência.
Os modos de ruptura das vigas solicitadas dinamicamente foram os mesmos modos de ruptura das vigas com forças estáticas.
Esses fatos são consensos entre os estudos feitos pelos autores White et al. (2001), Erki et al. (1999), Jerome et al. (1997) e Tang et al. (2005).
Não foram encontrados estudos referentes ao comportamento da resistência de aderência entre o CFC e o concreto sob carregamento com impacto.
3 Programa
Experimental
3.1 Considerações Iniciais
O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência entre CFC e o concreto, por meio de ensaios de flexão de corpos-de-prova submetidos a forças de impacto. Neste capítulo é feita uma descrição detalhada dos corpos-de-prova, das variáveis adotadas, dos materiais utilizados, da montagem dos ensaios e da instrumentação.
3.2 Nomenclatura dos Corpos-de-Prova
Os corpos-de-prova foram nomeados como descrito abaixo: VE – Ensaio estático;
VD – Ensaio Dinâmico;
M – Distância do início da ancoragem à borda do bloco de concreto, 6 cm; I – Corpos-de-prova da primeira série de concretagem;
II – Corpos-de-prova da segunda série de concretagem; III – Corpos-de-prova da terceira série de concretagem; n° – Número do corpo-de-prova
3.3 Características dos Corpos-de-Prova
Os corpos-de-prova são constituídos de dois blocos de concreto unidos por uma rótula na região de compressão e tiras de tecidos de CFC coladas na face inferior dos blocos (Figura. 3.1 ‘a’). As tiras de CFC têm espessura de 0,122 mm e largura de 75 mm. O comprimento de ancoragem la (comprimento colado ao
concreto) é de 60 mm (Figura 3.1 ‘c’ e ‘d’) e 120 mm (Figura 3.1 ‘b’ e ‘b’). Para os corpos-de-prova com comprimento de ancoragem de 60 mm foram feitas duas séries; a primeira recebia impregnação parcial das fibras com epóxi (Figura 3.1 ‘c’), e a segunda recebia impregnação total das fibras com epóxi (Figura 3.1 ‘d’). Para os corpos-de-prova com comprimento de ancoragem de 120 mm, foi adicionado um reforço em “V” em um dos blocos (Figura 3.1 ‘b’), forçando a ruptura para o bloco sem reforço onde foram colocados extensômetros de
resistência. A região entre as áreas de ancoragem foi protegida com fita para evitar a aderência do CFC ao concreto.
z C a b c CFC P/2 P/2 a B B B la la la l l l1 d A (a) (c) (d) (b)
Figura 3.1 – Características geométricas dos corpos-de-prova.
Os parâmetros mostrados na Figura 3.1 são:
A, B e C – dimensões do bloco (40 x 15 x 20 cm);
P/2 – força aplicada;
a – distância da rótula ao ponto de aplicação da força, 16 cm;
b – distância do ponto de aplicação da força a extremidade do bloco, 26 cm; c. – distância do apoio a extremidade do bloco de concreto, 14 cm,
d– distância entre os apoios do corpo-de-prova, 56 cm;
z– distância do braço de alavanca entre a fibra e a rótula, 15 cm;
la – comprimento de ancoragem;
l – comprimento da fibra sem impregnação;
28
l1 – distância não aderida do CFC ao concreto, 16 cm.
Os blocos de concreto tinham seção transversal de 150 mm x 200 mm e comprimento de 400 mm. Estes foram armados com duas barras de φ 6,3 mm para a armadura longitudinal no banzo comprimido, duas barras de φ 6,3 mm para armadura longitudinal no banzo tracionado, seis estribos de φ 5 mm para armadura transversal e cobrimento de 30 mm. Os blocos foram armados com a finalidade de evitar uma possível ruptura desses elementos (Figura 3.2).
9 14 6Ø5 c/ 6 - 56cm 2Ø6,3 - 44cm 34 5 5 2Ø6,3 - 44cm 34 5 5 Bloco de concreto
Figura 3.2 – Detalhes das armaduras dos blocos de concreto
Os blocos foram moldados numa fôrma metálica com capacidade para 12 blocos, compostas por três vigas “U” laminadas. Duas vigas “U” com altura de 200 mm foram fixadas em outra viga “U” com altura de 250 mm (perfil 1, na Figura 3.3), uma por solda (perfil 2A, na Figura 3.3) e a outra por parafuso (Perfil 2B, na Figura 3.3); para separar os blocos foram utilizadas peças de madeira com dimensões de 200 mm x 150 mm x 20 mm revestidas com adesivo plástico e barras rosqueadas de φ 6 mm para prender as peças de madeira nos seus devidos lugares.
pontos de solda 15 40 20 perfil 2 A perfil 1 perfil 2 B perfil 1 perfil 2 A barra rosqueada
pontos de solda perfil 2 B 600 A A' Corte AA'
Figura 3.3 – Detalhe da fôrma para molde dos blocos, medidas em cm.
A principal variável adotada foi a taxa de carregamento da força normal às fibras que variou de um mínimo de 0,054 kN/s (estático) até o máximo de 33.766 kN/s (dinâmico). As características dos corpos-de-prova são mostradas na Tabela 3.1.
30
Tabela 3.1 – Características dos corpos-de-prova.
Corpo-de-prova Tc (kN/s) H (cm) Superfície la (cm) da. (cm) Impregnação VE I 01 0,0748 0 rugosa 12 1,50 parcial VE I 02 0,1011 0 rugosa 12 1,50 parcial VD I 03 22.193 230 rugosa 12 1,50 parcial VE II 04 0,0851 0 lisa 12 1,50 parcial VE II 05 0,1008 0 lisa 12 1,50 parcial VE II 06 0,0535 0 lisa 12 1,50 parcial VD II 07 20.211 230 lisa 12 1,50 parcial VD II 08 7.247 100 lisa 12 1,50 parcial VD II 09 5.269 50 lisa 12 1,50 parcial VD III 10 7.711 25 lisa 12 1,50 parcial VE III 11 0,0988 0 lisa 12 1,50 parcial VD III 12 28.708 230 rugosa 12 1,50 parcial VE III 13 0,1730 0 rugosa 12 1,50 parcial VDM III 14 19.331 230 rugosa 6 6,00 parcial VEM III 15 0,0554 0 rugosa 6 6,00 parcial VDM III 16 11.326 100 rugosa 6 6,00 parcial VDM II 17 22.018 150 rugosa 6 6,00 parcial VDM III 18 11.766 50 rugosa 6 6,00 parcial VDM III 19 7.288 25 rugosa 6 6,00 parcial VDM II 20 33.766 230 rugosa 6 6,00 total VDM II 21 26.943 150 rugosa 6 6,00 total VDM II 22 19.214 100 rugosa 6 6,00 total VDM III 23 8.620 50 rugosa 6 6,00 total Tc é a taxa de carregamento
H é a altura de queda do martelo la é o comprimento de ancoragem;
da. é a distância da ancoragem a extremidade do bloco de concreto
3.4 Materiais Utilizados nos Corpos-de-Prova 3.4.1 Concreto
O concreto empregado apresentou resistências à compressão entre 26 MPa e 42 MPa na ocasião dos ensaios. Os resultados encontram-se no capítulo 4.
Para a moldagem dos blocos foram necessárias três concretagens: na primeira foi utilizado o traço 1:2,59:3,07 com relação água cimento de 0,67 para uma resistência de fc = 25 MPa; na segunda foi utilizado o traço 1:1,97:2,29 com
relação água cimento de 0,55 para fc = 35 MPa e na terceira concretagem foi
utilizado o traço 1:2,10:2,88 relação água cimento de 0,62 para fc =30 MPa.
Para a primeira etapa de concretagem foram moldados oito blocos e 16 de-prova, e para as demais etapas foram moldados 12 blocos e 18 corpos-de-prova cilíndricos com dimensões 100 mm x 200 mm. Os corpos-corpos-de-prova foram moldados segundo recomendações da NBR 5738:1984.
Tabela 3.2 – Consumo de material por m3 de concreto.
Quantidade em kg por m3 Material
Série I Série II Série III Cimento CP II F 32 339,45 394,42 338,71
Areia 878,83 777,01 711,29
Brita 1 1041,70 903,21 975,48
Água 227,43 216,93 210,00
Os materiais empregados no concreto foram: cimento CPII F32; agregado miúdo de areia de rio, com massa específica de 2,62 g/cm3 e módulo de finura de 3,46; agregado graúdo de gnaisse, brita 1, com dimensão máxima característica de 19 mm, massa específica absoluta de 2,50 g/cm3 e massa específica aparente de 1,60 g/cm3. As características desses materiais foram obtidas por meio de ensaios prescritos nas normas NBR 9776, NBR 7217 e NBR 9937 e executados no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da PUC – Rio.
3.4.2 Tecidos de Fibras de Carbono
Foram utilizados tecidos de fibras de carbono SikaWrap – 230 C, com as seguintes características fornecidas pelo fabricante:
Base: tecido de fibras de carbono unidirecional. Cor: preta.
Conteúdo de fibras em volume: 99%. Densidade: 1,78 g/cm3.
Peso: 220 g/m2 ± 10 g/m2. Largura da faixa = 300 mm. Espessura = 0,122 mm.
Deformação específica na ruptura = 1,7%.
32
Resistência à tração = 4100 MPa. Módulo de elasticidade = 230 GPa.
As tiras empregadas nos corpos-de-prova tinham 75 mm de largura e aproximadamente 300 mm de comprimento. Para corpos-de-prova com comprimento de ancoragem de 12 cm foram utilizados duas tiras com dimensões de 75 mm x 15 mm com reforço adicional em um dos blocos, com o intuído de direcionar a ocorrência de ruptura para o bloco onde foram colados extensômetros elétricos, conforme ilustrado na Figura 3.1.
3.4.3 Adesivo Epóxi
O adesivo epóxi utilizado para garantir a transferência das tensões de cisalhamento entre o substrato de concreto e o CFC foi Sikadur 330, cujas propriedades fornecidas pelo fabricante são:
Cor (componente A): branco; Cor (componente B): cinza escuro; Relação em peso: 4:1;
Vida útil da mistura (Pot-life) 40 min. (25ºC/ 50% UR) Deformação específica na ruptura = 1,5%.
Resistência à tração = 30 MPa. Módulo de elasticidade = 3800 MPa.
3.4.4 Características dos ensaios nas Fibras de Carbono
Para o dimensionamento de um sistema de reforço estrutural, deve-se obter as propriedades do material compósito, resistência à tração e módulo de elasticidade, por ensaios coerentes.
Esses ensaios são normalizados pela norma ASTM D 3039 / D 3039M –
Standard Test Method for Tensile Properties of Matrix Composite Material, cujas
dimensões mínimas para os corpos-de-prova são apresentadas na Tabela 3.3 e Figura 3.4.
Tabela 3.3 – Dimensões dos corpos-de-prova adotadas para ensaio de tração em materiais compósitos de fibras de carbono; adaptada da ASTM D3039/3039M.
Orientação das fibras Largura (mm) Comp. (mm) Espessura (mm) Comp. aba (mm) Espessura aba (mm) Ângulo aba (0) 00 unidirecional 15 250 1,0 56 1,5 7 ou 90 900 unidirecional 25 175 2,0 25 1,5 90 Espessura da Aba Mínimo de 38 mm Mínimo de 38 mm Comp. do Extensômetro + 2 x Largura Largura Espessura da Fibra
Figura 3.4 – Dimensões dos corpos-de-prova para ensaio de tração; adaptada da norma ASTM D 3039/3039M.
Os valores da resistência à tração e do módulo de elasticidade do CFC foram obtidos em trabalhos anteriores Silva Filho (2007) e Spagnolo (2007) desenvolvidos no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da PUC – Rio. Os resultados dos ensaios constam na Tabela 3.4 e na Figura 3.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Deformação específica (%o)
T e n são ( M P a )
Figura 3.5 – Gráfico tensão x deformação específica dos corpos-de-prova de CFC; adaptado de Silva Filho (2007).
34
Tabela 3.4 – Resultados dos ensaios de resistência à tração dos corpos-de-prova de CFC.
Autor/ensaio
ε
u (‰) Tensão (MPa) Módulo (GPa)
Spagnolo (2007) CP1 11,223 2798,96 249,387 CP3 11,477 3081,75 268,523 CP4 13,411 3703,44 276,147 CP5 10,256 2766,93 269,798 CP6 11,812 2991,04 253,211 Spagnolo (2007) Média 11,64 3068,42 263,410 DP 1,15 378,46 11,51 CV 9,88% 12,33% 4,37% Silva Filho (2007) CP1 12,091 3391,29 281,778 CP3 12,778 3257,87 256,946 CP4 13,465 3329,89 248,086 CP5 14,437 3615,41 254,301 CP6 15,113 3794,19 252,850 CP7 13,324 3375,28 253,624 CP8 12,822 3303,24 258,570
Silva Filho (2007) Média 13,43 3438,17 258,020
DP 1,04 194,40 10,99
CV 7,72% 5,65% 4,26%
Adotou-se a média dos valores dos trabalhos acima como sendo à deformação última, resistência à tração máxima e o módulo de elasticidade. Ressaltando-se que para carregamentos dinâmicos a deformação específica última e o módulo de elasticidade não são os mesmos obtidos em ensaios estáticos.
Para início das análises os valores da deformação específica última e do módulo de elasticidade estáticos são considerados como sendo válidos para os carregamentos estáticos e dinâmicos.
Os valores adotados para a deformação especifica última, resistência máxima à tração e do módulo de elasticidade são mostrados na Tabela 3.5
Tabela 3.5 – Valor adotado para deformação específica última, resistência à tração máxima e módulo de elasticidade do CFC.
ε
u (‰) Tensão (MPa) Módulo (GPa)CFC 12,53 3.253,30 260,72
3.5 Aplicação do CFC
A preparação da superfície, sobre o qual o CFC é aplicado foi feita manual e também mecanicamente.
A preparação manual foi feita com lixa de granulometria entre 24 a 36 com o intuito de retirar a nata de cimento. Em seguida a superfície foi apicoada com um ponteiro pequeno e martelo, tomando-se o cuidado para não deixar a superfície com furos maiores que 2 mm. Após passa-se a escova de aço para retirar qualquer pedaço de concreto solto (Figura 3.6).
Figura 3.6 – Detalhe da área preparada para o recebimento do reforço.
Na preparação mecânica empregou-se uma lixadeira elétrica com lixa de granulometria 60.
A remoção da poeira em ambos os casos foi feita com o uso de aspirador de pó e estopa com álcool 93 % para também retirar as substâncias oleosas.
As tiras de tecido de fibras de carbono foram cortadas com estiletes e foram coladas fitas adesivas nas extremidades da tira para evitar o desfiamento.
Para garantir que os blocos ficassem alinhados utilizaram-se dois perfis metálicos nas laterais dos blocos, ligados por parafusos pressionando-os contra os blocos (Figura 3.7).
36
Figura 3.7 – Detalhe da fixação dos blocos com os perfis metálicos.
Com os blocos alinhados foi colocada a rótula, formada por duas chapas metálicas com dimensões de 150 mm x 100 mm e um rolete soldado em uma delas. Utilizou-se massa plástica para a fixação das chapas metálicas nos blocos de concreto (Figura 3.8).
Figura 3.8 – Detalhe da fixação rótula.
A região destinada à aplicação do CFC foi medida com paquímetro, demarcada com lápis, e foram empregadas fitas adesivas para proteger as demais áreas do contato com a resina (Figura 3.9).
Figura 3.9 – Detalhe da marcação da área destinada a aplicação do CFC nos corpos-de-prova com impregnação total.
Utilizou-se o adesivo epóxi Sikadur 330 como camada de imprimador na superfície de colagem do compósito de fibras de carbono, aplicado com espátulas numa quantidade de 700 g/m2. O imprimador tem como objetivo penetrar nos poros do substrato de concreto, preenchendo-os para que haja uma transferência de solicitações eficiente entre o tecido e o concreto. Após esse processo colocaram-se as tiras do tecido de carbono nas áreas demarcadas passando o rolo para deixar as fibras esticadas, para retirar bolhas de ar e garantir um perfeito contato com o adesivo. Uma camada de saturação de adesivo epóxi foi aplicada sobre o tecido, com um consumo de 500 g/m2, para garantir uma total penetração do adesivo nas fibras. Com o auxilio de uma espátula foi feita à regularização da superfície para colagem dos extensômetros elétricos de resistência. Esse procedimento foi executado para os corpos-de-prova com impregnação parcial e total das fibras de carbono, e também para as tiras de reforço adicional no bloco não instrumentado.
Os corpos-de-prova que receberam reforço com impregnação parcial tiveram a região central do reforço protegidas com fita adesiva evitando o contado com a resina epóxi. Colou-se fita adesiva entre a extremidade do bloco de concreto e o início da ancoragem, evitando-se a aderência da fibras fora da região demarcada (Figura 3.10).
38
Figura 3.10 – Detalhe do reforço do bloco de concreto não instrumentado, nas vigas com impregnação parcial das fibras.
3.6 Instrumentação
A força aplicada foi medida por meio de célula de carga com capacidade de 200 kN, posicionada sobre o vão central da viga presa por meio de um sistema de chapas metálicas, de modo que se fizesse a leitura da força transferida pelo martelo (Figura 3.11).
barra rosqueada
célula de carga
rótula
material compósito
viga I
transferência de força
bloco de concreto
Figura 3.11 – Detalhes do posicionamento da célula de carga.
Nos corpos-de-prova VDM II 20 a VDM III23 foi usada mais uma célula de carga com capacidade de 100 kN posicionada em um dos apoios do corpo-de-prova (Figura 3.12).
Figura 3.12 – Detalhes dos posicionamentos das células de carga.
Os corpos-de-prova VE I 01, VE I 02 e VEM III 15 foram instrumentados com LVDT localizado no meio do vão, para se conhecer o deslocamento máximo. Os corpos-de-prova VE II 04, VE II 05, VE II 06 e VD III 12 foram instrumentados com cinco extensômetros elétricos de resistência (EER), posicionados ao longo do comprimento de ancoragem com espaçamento de 2,75 cm entre si e distantes da borda da fibra de 3,75 cm (Figura 3.13). Nos corpos-de-prova VE III 13 a VDM III 23 foi usado apenas um EER posicionado entre os blocos no centro do CFC (Figura 3.14).
0 1 2 3 4 2,75 3, 7 5 CFC aresta chanfrada bloco de concreto extensômetros vista inferior
Figura 3.13 – Detalhes dos EER posicionados no CFC.
40
Figura 3.14 – Detalhe do EER entre os blocos de concreto e no centro do reforço (viga com impregnação total).
3.7 Aquisição de Dados
Para aquisição dos dados dos ensaios estáticos das vigas foi utilizado o equipamento 3497A DATA ACQUISITION/CONTROL UNIT do fabricante HP (Hewllet Packard), interligado a um computador portátil por meio do software LABVIEW 7.1 do fabricante NATIONAL INSTRUMENTS S/A.
Para aquisição dos dados dos ensaios dinâmicos foi utilizado o equipamento NI DAQ 7 do fabricante NATIONAL INSTRUMENTS S/A, interligado ao mesmo computador com o mesmo software.
3.8 Aplicação de Força
3.8.1 Carregamento Estático
O carregamento estático foi aplicado em duas etapas. A primeira por um sistema hidráulico usado para suspender o peso próprio da estrutura. Liberando-se todo o peso da estrutura para o corpo-de-prova, continuava a aplicação do carregamento por um cilindro hidráulico com capacidade de 30 toneladas, localizado e travado sobre o martelo de aço, até a ruptura do elemento do corpo-de-prova.
3.8.2 Carregamento Dinâmico
A força dinâmica foi aplicada por meio de um martelo solto de diferentes alturas sobre a extremidade em balanço de uma viga, como representado na Figura 3.15. R1 R2 A B P P δ h C
Figura 3.15 – Viga bi-apoiada com extremidade em balanço, adaptada de Martins Junior (2006).
Para aplicar o carregamento dinâmico foi adaptado um sistema baseando-se no aparato utilizado por Martins Junior (2006). A força de impacto amplificada foi alcançada por meio de um martelo de massa conhecida, solto de uma altura, sobre a extremidade em balanço de um perfil metálico I (255 mm x 175 mm) com rigidez à flexão elevada. Na outra extremidade do perfil metálico foi instalado um apoio com restrição nos eixos vertical e horizontal e livre a rotação. Para evitar a rotação de todo o sistema de transferência de força empregou-se uma rótula, anulando-se quaisquer solicitações não verticais no elemento de viga (Figura 3.16).
Foram montadas estruturas de aço reforçadas na face inferior do perfil metálico I (255 mm x 175 mm) e no topo do elemento de viga, fixadas por quatro barras com rosca e porcas φ =25 mm. Com isso a força de impacto gerada pelo martelo foi transmitida à viga, sendo amplificada devido ao braço de alavanca, sem que o sistema absorvesse energia.
Por meio de várias combinações de altura de queda do martelo pode-se alcançar diversas taxas de carregamento.
42 célula de carga corpo-de-prova martelo de impacto perfil I (255 mm x 117 mm) rótula bloco de concreto célula de carga viga I transferência de força viga I transferência de força apoio do corpo-de-prova
apoio rotulado do perfil I material compósito
perfil I (255 mm x 117 mm) apoio rotulado do perfil I
rótula rótula
apoio do corpo-de-prova
guia para o martelo
VISTA LATERAL VISTA FRONTAL
Figura 3.16 – Detalhes do aparato de ensaio.
3.9 Força Normal Aplicada no CFC
Para obtenção da força no reforço foram utilizadas as expressões 3.1 e 3.2. Estas expressões são resultados do equilíbrio das forças aplicada no sistema, como mostra a Figura 3.17: z C a b c CFC P P a d A
Figura 3.17 – Esquema das distâncias dos pontos de aplicação de carga e apoio.
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = d a z N Ff . 2 2 (3.1) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = d a z R Ff 2 (3.2) sendo
Ff – força normal aplicada no CFC, kN;
N – força lida pela célula de carga localizada no topo a viga, kN; R – força lida pela célula de carga localizada no apoio da viga, kN;
A e C – dimensões do bloco de concreto (40 x 20 x 15 cm);
P – força aplicada;
a – distância do ponto de aplicação da força ao eixo da rótula, 16 cm; b – distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio, 26 cm; c – distância do ponto de apoio à extremidade do bloco, 14 cm;
d – distância entre os apoios do corpo-de-prova, 56 cm;
z – distância do eixo da rótula ao CFC, braço de alavanca, 15 cm;
44
3.10 Tensão de Aderência do CFC
A tensão de aderência da ancoragem é determinada usando-se o valor da Ff ,
é dada por: a f f ad l b F = τ (3.3) sendo τad – tensão de aderência;
Ff – força normal aplicada ao CFC;
bf – largura do CFC;
la – comprimento de ancoragem do CFC.
3.11 Tensão Normal no CFC
A tensão normal no CFC é determinada por:
f f f fibra t b F = σ (3.4) sendo:
σfibra – tensão normal;
bf – largura do CFC;
tf – espessura da seção transversal do CFC.
4 Apresentação e Análises dos Resultados
4.1 Modos de Ruptura
Os resultados gerais dos ensaios são apresentados na Tabela 4.1. Foram observados três modos de ruptura: destacamento do concreto, descolamento do adesivo e ruptura por tração das fibras.
Tabela 4.1 – Resultados dos ensaios. Corpo-de-prova fc (MPa) la (cm) Fmáx (kN) Δt (s) σfibra (MPa) (MPa/s)Tσ τad (MPa) (MPa/s)Tτ Modo de Ruptura Tc (kN/s) VE I 01 26,30 12 28,44 380 3108 8,18 3,16 0,0083 C 0,0748 VE I 02 26,17 12 28,33 280 3095 11,04 3,15 0,0112 C 0,1011 VD I 03 26,83 12 29,68 0,00134 3243 2425494 3,30 2466 F 22193 VE II 04 36,42 12 19,69 231 2152 9,30 2,19 0,0095 A 0,0851 VE II 05 41,47 12 28,39 282 3103 11,01 3,15 0,0112 A 0,1008 VE II 06 41,97 12 17,75 332 1940 5,84 1,97 0,0059 A 0,0535 VD II 07 33,98 12 30,72 0,00152 3358 2208985 3,41 2246 A 20211 VD II 08 33,98 12 21,16 0,00292 2312 791818 2,35 805 A 7247 VD II 09 33,63 12 10,96 0,00208 1197 575619 1,22 585 F 5269 VD III 10 32,48 12 11,72 0,00152 1068 702415 1,09 714 A 7711 VE III 11 32,38 12 20,54 208 1871 8,99 1,90 0,009 A 0,0988 VD III 12 32,38 12 41,34 0,00144 4375 2151640 6,30 4375 C 28708 VE III 13 33,14 12 12,21 70,56 1164 16,49 1,36 0,0192 F 0,1730 VDM III 14 33,48 6 28,61 0,00148 3127 2112681 6,36 4296 F 19331 VEM III 15 36,04 6 18,66 337 2039 6,06 4,15 0,0123 C 0,0554 VDM III 16 34,81 6 19,48 0,00172 2128 1237496 4,33 2516 F 11326 VDM II 17 38,60 6 24,66 0,00112 2695 2406351 5,48 4893 F 22018 VDM III 18 34,25 6 15,06 0,00128 1646 1286112 3,35 2615 F 11766 VDM III 19 30,27 6 11,66 0,0016 1274 796547 2,59 1620 F 7288 VDM II 20 38,60 6 43,22 0,00128 4724 3690485 9,61 7503 C 33766 VDM II 21 38,60 6 37,72 0,0014 4122 2944486 8,38 5987 C 26943 VDM II 22 38,60 6 26,90 0,0014 2939 2099599 5,98 4269 C 19214 VDM III 23 30,27 6 16,55 0,00192 1808 941997 3,68 1915 C 8620
fc é a resistência à compressão do concreto; la é o comprimento de ancoragem; Fmáx é a força
máxima nas fibras; Δt é o tempo de carregamento; σfibra é a tensão normal máxima; Tσ = σfibra / Δt
é a taxa de tensão normal; τad é a tensão máxima de aderência;. Tτ = τad / Δt é a taxa de tensão de
aderência; Tc.= Fmáx / Δt é a taxa de carregamento; modo de ruptura: C = destacamento do
concreto, A = descolamento do adesivo e F = ruptura das fibras.
O destacamento do concreto é caracterizado pela ruptura à tração do concreto, como ilustrado na Figura 4.1. O descolamento do adesivo (Figura 4.2) é
46
um modo de ruptura prematuro e ocorre devido às falhas na preparação da superfície ou por deficiência do próprio adesivo. Ressalta-se que todos os corpos-de-prova foram projetados para romper por aderência, mas em alguns deles ocorreu à ruptura por tração das fibras de carbono (Figura 4.3). Nesses corpos-de-prova observou-se que as fibras não estavam uniformemente tracionadas, havendo regiões na tira do tecido mais tracionadas do que as outras. Assim, as fibras mais tracionadas rompiam primeiro, transferindo a força para as fibras vizinhas resultando então numa ruptura prematura. Nos dados da Tabela 4.1 observa-se que a tensão normal máxima nas fibras desses corpos-de-prova foi menor do que a resistência do CFC, cujo valor é 3.253 MPa.
Figura 4.1 – Ruptura por destacamento do concreto no corpo-de-prova VD III 12.
Figura 4.2 – Ruptura por descolamento do adesivo no corpo-de-prova VE II 04.
Figura 4.3 – Ruptura das fibras de carbono no corpo-de-prova VE III 13.
4.2 Curvas Força versus Tempo e Taxa de Carregamento
As três curvas típicas obtidas nos ensaios são apresentadas nas Figuras 4.4, 4.5 e 4.6. As curvas força versus tempo de carregamento de todos os corpos-de-prova encontram-se no Anexo.
A Figura 4.4 mostra a curva força versus tempo do corpo-de-prova VE II 04 sob carregamento estático, onde os trechos 1 e 2 correspondem à aplicação da força relativa ao peso da viga metálica e das barras e chapas mostradas na Figura 3.15. O trecho 3 corresponde à aplicação da força com o macaco hidráulico.
A Figura 4.5 mostra a curva força versus tempo do corpo-de-prova VD III 12 sob carregamento dinâmico.
Nos corpos-de-prova VDM III 20, VDM II 21, VDM II 22 e VDM III 23 os gráficos força-tempo mostram duas curvas, uma referente à força lida pela célula de carga localizada no topo e a outra referente à força lida pela célula de carga localizada no apoio (Figura 4.6).
As curvas força-tempo permitem obter o valor máximo da força aplicada e o tempo de duração do carregamento. A determinação da taxa de carregamento foi feita dividindo a força máxima pelo tempo compreendido entre o início do carregamento até a força máxima. A taxa de tensão de aderência e a taxa de tensão normal foram determinadas dividindo-se a tensão máxima de aderência e a tensão normal máxima pelo tempo entre o início do carregamento e o carregamento máximo, obtidos nas curvas força versus tempo de carregamento.
48 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 200 250 300 Tempo (s) F o rça (k N) 1 2 3
Figura 4.4 – Curva força aplicada versus tempo do corpo-de-prova VE II 04 (força medida na célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0,7230 0,7235 0,7240 0,7245 0,7250 0,7255 0,7260 Tempo (s) Fo rç a (k N)
Figura 4.5 – Curva força aplicada versus tempo do corpo-de-prova VD III 12 (força medida na célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova).
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 0,7350 0,7355 0,7360 0,7365 0,7370 0,7375 0,7380 Tempo (s) Fo rça (k N)
Célula no topo do modelo Célula no apoio do modelo
Figura 4.6 – Curva força aplicada versus tempo (corpo-de-prova VDM II 21).
4.3 Efeito da Taxa de Carregamento Sobre a Resistência de Aderência
A Tabela 4.2 reúne os resultados referentes apenas aos corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto, nos quais a resistência de aderência fb
foi efetivamente atingida. Os valores de fb são os mesmos já apresentados na
coluna τad da Tabela 4.1. Como a ruptura desses corpos-de-prova foi por
aderência, τad passa a representar a resistência fb.
Tabela 4.2 – Taxa de carregamento e resistências de aderência dos corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto.
Corpo-de-prova Tτ (MPa/s) Tσ (MPa/s) fb(MPa)
VE I 01 0,008 8,18 3,16 VE I 02 0,012 11,04 3,15 VD III 12 4375 3.137.890 6,30 VEM III 15 0,012 6,06 4,15 VDM II 20 7503 3.690.485 9,61 VDM II 21 5987 2.944.486 8,38 VDM II 22 4269 2.099.599 5,98 VDM III 23 1915 941.997 3,68
50
A relação entre a taxa de tensão de aderência Tτ e a resistência de aderência
fb é mostrada na Figura 4.7, onde se observa que essa relação pode ser considerada
linear e representada pela expressão 4.1, obtida pelo método dos mínimos quadrados, com coeficiente de correlação R2 = 0,93.
14 3 0008
0, T ,
fb = τ + (4.1)
com fb em MPa e Tτ em MPa/s
Em função da taxa de tensão normal Tσ a expressão 4.1 assume a forma:
14 3 10 6 1, 6T , fb = × − σ + (4.2)
com fb em MPa e Tσ em MPa/s
As expressões 4.1 e 4.2 foram determinadas utilizando-se a taxa de carregamento obtida pela célula de carga localizada no topo do corpo-de-prova. Observa-se que os valores reais da Tτ e Tσ são menores devido à propagação da
onda do carregamento. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Taxa de tensão de aderência, Tτ (MPa/s)
R e s is tê n c ia de ad erên c ia, f b (M P a )
Figura 4.7 – Relação entre a taxa de tensão de aderência Tτ e a resistência de aderência
fb para os corpos-de-prova que romperam por destacamento do concreto.
4.4 Efeito da Taxa de Carregamento Sobre a Resistência à Tração do CFC
Os corpos-de-prova com modo de ruptura nas fibras apresentam valores da tensão normal inferiores ao valor encontrado nos ensaios de caracterização do CFC (Capítulo 3). Este fato deve-se a não uniformidade da distribuição da tensão normal às fibras da tira do CFC. A impregnação das fibras de carbono com resina proporciona uma distribuição de tensões uniforme sob carregamento dinâmico, evitando a concentração em um feixe de fibras.
Tabela 4.3 – Valores das resistências à tração e das taxas de carregamento para os corpos-de-prova com ruptura nas fibras de carbono.
Corpos-de-prova ff (MPa) Tσ (MPa/s)
VD I 03 3244 2425494 VD II 09 1197 575619 VE III 13 1164 16,49 VDM III 14 3127 2112681 VDM III 16 2128 1237496 VDM II 17 2695 2406351 VDM III 18 1646 1286112 VDM III 19 1274 796547
ff é a resistência à tração do compósito, igual a σfibra na Tabela 4.1; Tσ é taxa de tensão normal
A Figura 4.10 mostra a curva de tensão normal versus taxa de tensão normal para o modo de ruptura por tração das fibras.
Analisando-se os resultados apresentados na Figura 4.10 determina-se a expressão que relaciona a resistência à tração com a taxa de carregamento Tσ . O
coeficiente de correlação da expressão 4.3 é R2 = 0,88.
828 0009 0 + = , Tσ ff (4.3) sendo
ff – resistência à tração do CFC, em MPa
Tσ – taxa de tensão normal, em MPa/s
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Observa-se que essa expressão apenas indica que a resistência deve aumentar com a taxa de carregamento, pois os valores alcançados para este modo de ruptura são inferiores aos valores de resistência a tração do CFC encontrados no capítulo 3. 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000
Taxa de tensão normal à fibra (MPa/s)
te n são n o rmal à fib ra (MPa)
ruptura na fibra Linear (ruptura na fibra)
Figura 4.8 – Relação entre a taxa de tensão normal Tσ e a resistência à tração fb para os
corpos-de-prova com ruptura por tração nas fibras de carbono.
4.5 Propagação da Onde de Choque
Nos corpos-de-prova instrumentados com EER constatou-se uma diferença entre o tempo reação da célula de carga e o tempo de reação do EER. Esta diferença está relacionada ao posicionamento dos elementos de leitura e a teoria da propagação de ondas. A célula de carga está localizada no topo do corpo-de-prova, recebendo diretamente a força transmitida pelo martelo e o EER está localizado na parte inferior da viga, sendo excitado somente após o pulso de carregamento ter passado por todos os materiais envolvidos no ensaio. A velocidade de propagação de onda esta ligada às características dos elementos e a uniformidade do meio onde a onda se propaga.
A Figura 4.16 mostra a leitura da célula de carga dividida pela força máxima, e a leitura da deformação específica dividida pela deformação específica máxima, ambos em tempo de carregamento.
