Maria Luisa de Faria Simões
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇAO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
____________________________________________ Prof. Ibrahim Abd El Malik Shehata, Ph.D.
____________________________________________ Profª. Lídia da Conceição Domingues Shehata, Ph.D.
____________________________________________ Prof. Giuseppe Barbosa Guimarães, Ph.D.
____________________________________________ Profª.Michèle Schubert Pfeil , D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2007
SIMÕES, MARIA LUISA DE FARIA
Reforço à Flexão de Vigas de Concreto Armado por Encamisamento Parcial [Rio de Janeiro] 2007
XX,162p.29,7cm(COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Civil, 2007)
Dissertação - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE.
1. Reforço à Flexão 2. Vigas
3. Encamisamento Parcial
Dedico esta conquista a meus pais, Luiz Carlos e Dalila, exemplos de vida, pelo apoio e carinho
“Vencer não é nada, se não se teve muito trabalho; Fracassar não é nada se se fez o melhor possível.” (Nadia Boulanger)
Com enorme satisfação, gostaria de prestar meus mais sinceros agradecimentos a todos aqueles que contribuíram, direta ou indiretamente, para a concretização deste trabalho.
Primeiro que tudo agradeço a Deus pela minha vida, minha saúde e por estar sempre ao meu lado.
À minha intercessora e protetora de todas as horas, Nossa Senhora das Graças. Aos meus pais, Luiz Carlos e Dalila, que se doaram inteiros e renunciaram aos seus próprios sonhos para que, muitas vezes, pudesse realizar os meus. Recebam minha gratidão, reconhecimento e lembrança de que nos méritos dessa conquista há muito de vocês.
Ao meu namorado, Ederson, principal incentivador pelo meu ingresso no curso de mestrado, por suas palavras de carinho e companheirismo. Este momento não estaria completo sem sua presença.
Ao Professor Ibrahim, pela excelente orientação, disponibilidade, paciência, incentivo e principalmente pelo seu exemplo profissional.
À Professora Lídia, pelos importantes ensinamentos dados durante a realização do curso, pelo auxílio na realização da pesquisa bibliográfica e pelas sugestões feitas no trabalho.
Aos amigos que fiz na COPPE, Aline, Carlos, Euler, Thiago, Valéria e em especial, Maurício, sempre presente em todos os momentos do desenvolvimento desta tese. Entre todos nós ficará, como elo, a lembrança de nossos encontros, erros e acertos e a certeza de que cada um de nós contribuiu para o crescimento do outro.
Às meninas do CMRJ, pelos quase 15 anos de amizade. Vocês fazem parte da minha história. Que o tempo nunca apague e a distância nunca separe nossas vidas.
À minha querida amiga Kátia, aos meus familiares e amigos da UERJ que demonstraram tanto carinho e torcida.
Aos funcionários e secretárias do Laboratório de Estruturas, pela dedicação dispensada durante todas as fases do programa experimental.
À Holcim Ltd., pelo fornecimento do cimento para a fabricação do concreto. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, pelo suporte financeiro durante a elaboração deste trabalho.
REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO POR ENCAMISAMENTO PARCIAL
Maria Luisa de Faria Simões Março/2007
Orientador: Ibrahim Abd El Malik Shehata Programa: Engenharia Civil
A demanda pelo reforço de estruturas surgiu como resposta aos problemas de deterioração, projetos inadequados, problemas de construção ou aumento de cargas nas estruturas. O reforço por encamisamento é um sistema muito utilizado tendo em vista os materiais empregados e o baixo custo.
A investigação da eficiência de uma alternativa de reforço à flexão de vigas (encamisamento parcial) com dimensões menores que as do encamisamento convencional tendo-se, portanto, menor consumo de concreto para o reforço e menor peso próprio e a proposição de modelo teórico para o cálculo de flechas são apresentadas neste trabalho.
O programa experimental consistiu no ensaio de quatro vigas, bi-apoiadas, de seção transversal retangular de 150mm x 400mm, comprimento de 4500mm e taxa de armadura longitudinal igual a 0,49%. Uma viga foi tomada como referência, não recebendo nenhum tipo de reforço, enquanto as demais foram reforçadas à flexão por encamisamento parcial, com a adição de concreto e aço apenas na zona mais tracionada, variando-se a taxa de armadura do reforço entre 0,53% e 1,28%.O comportamento estrutural das vigas foi avaliado em termos de deslocamentos, deformações do concreto e da armadura original e do reforço, e carga de ruptura.
Os resultados experimentais mostraram o aumento da resistência e da rigidez das vigas reforçadas, que tiveram comportamento dúctil, inclusive aquelas que não romperam por flexão e sim por cisalhamento do talão de reforço. A teoria da flexão simples pode ser utilizada para avaliar a capacidade resistente das vigas reforçadas, desde que a ligação entre a viga e o reforço seja garantida.
FLEXURAL STRENGTHENING OF REINFORCED CONCRETE BEAMS BY PARTIAL JACKETING
Maria Luisa de Faria Simões March/2007
Advisor: Ibrahim Abd El Malik Shehata Department: Civil Engineering
The demand for the reinforcement of structures appeared as answer to the deterioration problems, inadequate projects, construction problems or additional loads on the structures. The strengthening by jacketing is a system very used due to the employed materials and low cost.
The investigation of the efficiency of an alternative flexural strengthening of reinforced concrete beams (partial jacketing) that presents smaller dimensions, that means lesser consumption of concrete for the strengthening and reduction of its dead weight compared to conventional jacketing, and the proposition of a theoretical model to calculate deflections are presented in this work.
The experimental program comprised tests of four beams simply supported, with 150mm x 400mm rectangular cross section, 4500mm length and flexural reinforcement ratio equal to 0,49%. One of these beams was taken as reference, not receiving any strengthening type, while the others were strengthened in bending by partial jacketing, by addition of concrete and steel reinforcement only in the zone of the beam under tensile stress. The strengthening flexural reinforcement ratio varied between 0,53% and 1,28%. The structural behavior of those beams was evaluated in terms of displacements, concrete and initial and strengthening reinforcement strain, and ultimate load.
The experimental results showed the increase of the resistance and the stiffness of the reinforced beams, that had ductile behavior, including those that did not have a bending failure, but a longitudinal shear failure. The bending theory can be used to evaluate flexural resistance of the strengthened beams, as long as the connection between the beam and the jacket is assured.
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO ... 01
CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Introdução ... 04
2.2 Técnicas de reforço ... 05
2.2.1 Reforço com chapa de aço ... 06
2.2.2 Reforço com compósito de fibras e resinas ... 09
2.2.3 Reforço com protensão externa ... 14
2.2.4 Reforço com adição de aço e concreto ... 16
2.3 Trabalhos realizados sobre técnica de encamisamento ... 21
2.3.1 Ensaios realizados por ALEXANDRE (1988) ... 21
2.3.2 Ensaios realizados por SOUZA (1990) ... 24
2.3.3 Ensaios realizados por LIEW e CHEONG (1991) ... 29
2.3.4 Ensaios realizados por CHEONG e MacALEVEY (2000) ... 31
2.3.5 Ensaios realizados por BORJA (2001) ... 38
2.3.6 Ensaios realizados por PIANCASTELLI e CALIXTO (2002) ... 42
2.3.7 Ensaios realizados por ALTUN (2004) ... 47
2.3.8 Ensaios realizados por SANTOS (2006) ... 49
2.4 Considerações sobre o projeto de reforço ... 54
2.4.1 Hipóteses de cálculo ... 54
2.4.2 Transferência de esforços ... 55
2.5 Considerações finais ... 58
CAPÍTULO 3: PROGRAMA EXPERIMENTAL 3.1 Introdução ... 60
3.2 Materiais ... 61
3.2.1 Concreto ... 61
3.2.2 Aço ... 65
3.3 Esquema de ensaio ... 70
3.4 Características das vigas ... 72
3.5 Características do reforço ... 73
3.5.1 Área interface viga original-reforço ... 76
3.5.2 Chumbadores ... 79
3.6 Execução das vigas ... 81
3.6.1 Fôrmas ... 81
3.6.2 Execução das vigas originais ... 82
3.7 Execução do reforço ... 82
3.7.1 Fôrmas ... 82
3.7.5 Concretagem ... 86
3.8 Instrumentação ... 87
3.8.1 Medição das deformações específicas das armaduras ... 87
3.8.2 Medição das deformações específicas do concreto ... 89
3.8.3 Medição dos deslocamentos verticais ... 91
3.8.4 Medição dos deslocamentos horizontais entre reforço e viga original ... 92
3.9 Procedimento de ensaio ... 93
3.10 Resultados dos ensaios ... 94
3.10.1 VREF ... 94
3.10.2 VR1 ... 97
3.10.3 VR2 ... 102
3.10.4 VR3 ... 107
3.10.5 Resumo dos resultados ... 111
CAPÍTULO 4: ANÁLISE DOS RESULTADOS 4.1 Introdução ... 114
4.2 Resistência à flexão teórica das vigas sem reforço ... 115
4.3 Resistência à flexão teórica das vigas com reforço ... 116
4.4 Comparações entre as vigas ensaiadas ... 118
4.4.1 Cargas de fissuração e ruína ... 118
4.4.2 Tensão cisalhante na ligação viga-reforço ... 119
4.4.3 Deslocamentos horizontais ... 121
4.4.4 Deslocamentos verticais ... 122
4.4.5 Deformações específicas das armaduras ... 138
4.4.6 Deformações específicas do concreto ... 141
4.5 Comparações das vigas reforçadas deste trabalho com as vigas reforçadas por Santos(2006) ... 141
CAPÍTULO 5: CONCLUSÕES E SUGESTÕES Conclusões e Sugestões ... 145
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 147
APÊNDICE A - Resultados dos ensaios ... ... 149
CAPÍTULO 2: REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Figura 2.1 - Modos de ruptura prematuras em vigas reforçadas com chapas de aço ... 07 Figura 2.2 - Tipos de ancoragens estudadas por CAMPAGNOLO (1993)... 08
Figura 2.3 - Diagrama tensão-deformação dos principais tipos de fibras e para os aços de
concreto armado e protendido.[BEBER,2003] ... 10
Figura 2.4 - Modos de ruptura para reforço à flexão segundo TRIANTAFILLOU (1998).. 12 Figura 2.5 - Geometria dos cabos de protensão.[ALMEIDA e HANAI, 2001] ... 14
Figura 2.6 - Desviador e conector típico utilizado em protensão externa.[CÂNOVAS,
1988] ... 15
Figura 2.7 - Efeito de segunda ordem – redução da excentricidade do cabo. [ALMEIDA,
2001]... 16
Figura 2.8 - Reforço de viga com nova armadura atada à mesma [CÁNOVAS, 1988] ... 19
Figura 2.9 - Reforço com aumento da base com danos à laje [CÁNOVAS, 1988] ...
20
Figura 2.10 - Reforço de viga mediante “denteamento” [CÁNOVAS, 1988] ... 20
Figura 2.11 - Seção transversal das vigas e esquema do ensaio de ALEXANDRE et al.
(1988) ... 21
Figura 2.12 - Fôrmas das vigas a serem ensaiadas antes do reforço FC1, FC2, FP1, FP2 e
DF) e da viga de referência após o reforço (RF) – SOUZA(1990) ... 25
Figura 2.13 - Armadura das vigas ensaiadas antes do reforço (FC1, FC2, FP1, FP2 e DF)... 26 Figura 2.14 - Armadura da viga de referência de SOUZA(1990) após o reforço (RF)... 26 Figura 2.15 - Armadura de reforço das vigas FC1R, FC2R, FP1R e FP2R.- SOUZA
(1990) ... 27
Figura 2.16 - Seção transversal das vigas ensaiadas por LEIW e CHEON (1991) ... 30 Figura 2.17 - Detalhamento das vigas simplesmente apoiadas (a) e contínuas (b)
CHEONG e MacAlevey (2000). (Continua) ... 33
Figura 2.18 - Esquema de ensaio das vigas simplesmente apoiadas e contínuas.CHEONG
e MacAlevey (2000)... 32
Figura 2.19 - Esquema de ensaio e detalhe da geometria e armação das vigas de BORJA
(2001), antes do reforço... 38
Figura 2.20 - Detalhe da geometria e armação das vigas de BORJA (2001), após o reforço. 40 Figura 2.21 - Curvas carga-flecha das vigas ensaiadas por BORJA(2001)... 42 Figura 2.22 Características das vigas originais de PIANCASTELLI (2002) ... 43 Figura 2.23 - Características das vigas reforçadas por PIANCASTELLI (2002) ...
44
Figura 2.24 - Esquema do ensaio das vigas de Fatih Altun (2004) ... 47 Figura 2.25 - Barras de ligação em forma de Z das vigas de. ALTUN (2004)... 48 Figura 2.26 - Esquema de ensaio das vigas ensaiadas por SANTOS(2006) ... 50
Figura 2.28 - Detalhamento das armaduras originais das vigas. SANTOS(2006) ... 51
Figura 2.29 - Detalhamento das armaduras do reforço. SANTOS (2006) ... 52
Figura 2.30 - Operação de fixação dos chumbadores nas vigas de SANTOS (2006)... 53
Figura 2.31 - Transferência integral de tensões de cisalhamento horizontais em vigas compostas... 55
Figura 2.32 - Transferência de tensão na interface concreto novo x concreto antigo [CEB,1983]... 56
CAPÍTULO 3: PROGRAMA EXPERIMENTAL Figura 3.1 - Agregados utilizados nas concretagens ... 62
Figura 3.2 - (a) Betoneira utilizada nos ensaios; (b) Ensaio de abatimento de tronco de cone ... 62
Figura 3.3 - Ensaios de resistência à compressão (a) e à tração indireta (b) dos corpos-de-prova ... 63
Figura 3.4 - (a) Adensamento, (b) desmoldagem e (c) cura dos corpos-de-prova ... 63
Figura 3.5 - Execução do capeamento dos corpos-de-prova ... 64
Figura 3.6 - Ensaio de tração do aço... 66
Figura 3.7 - Barras de aço ensaiadas, após ruptura ... 66
Figura 3.8 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 8mm das vigas originais ... 67 Figura 3.9 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 10mm das vigas originais ... 67 Figura 3.10 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 12,5mm das vigas originais ... 68 Figura 3.11 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 5mm do reforço ... 68
Figura 3.12 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 8mm do reforço ... 69
Figura 3.13 - Diagrama tensão-deformação das barras de aço de φ = 16mm do reforço ... 69
Figura 3.14 - (a) Pórtico de reação utilizado nos ensaios; (b) Esquema de ensaio. (Continua) ... 71
Figura 3.15 - Armação das vigas VREF e V1, V2 e V3 ... 73
Figura 3.16 - Características geométricas das vigas reforçadas ... 74
Figura 3.17 - Detalhe da armação do reforço das vigas VR1, VR2 e VR3 ... 75
Figura 3.18 - Área de interface entre a viga e o reforço... 77
Figura 3.19 - Componentes dos chumbadores utilizados no reforço... 79
Figura 3.22 - Posicionamento dos chumbadores ... 81
Figura 3.23 - Formas utilizadas na confecção das vigas ... 81
Figura 3.24 - Fôrmas utilizadas no reforço... 82
Figura 3.25 - Apicoamento da superfície lateral da viga original... 83
Figura 3.26 - Apicoamento da superfície inferior da viga original... 83
Figura 3.27 - Execução dos furos no concreto para fixação dos chumbadores... 84
Figura 3.28 - Fixação dos chumbadores. Continua... 84
Figura 3.29 - Armaduras do reforço.... 85
Figura 3.30 - Posicionamento e fixação das armaduras do reforço... 85
Figura 3.31 - Umedecimento da superfície de ligação entre os concretos da viga original e do reforço... 86
Figura 3.32 - Concretagem do reforço... 86
Figura 3.33 - Processo de colagem dos extensômetros elétricos de resistência... 87
Figura 3.34 - Posição dos extensômetros elétricos na armadura longitudinal das vigas VREF, V1, V2 e V3... 88
Figura 3.35 - Posição dos extensômetros elétricos na armadura longitudinal do reforço (continua)... 88
Figura 3.36 - Posicionamento das bases de medição para o extensômetro mecânico... 90
Figura 3.37 - Processo de colagem de chapas de cobre para medição com extensômetro mecânico... 90
Figura 3.38 - Posicionamento dos trandutores de deslocamento... 91
Figura 3.39 - Posicionamento dos transdutores de deslocamento no talão de reforço... 92
Figura 3.40 Fixação dos transdutores para medição de deslocamento entre reforço e viga original. ... 93
Figura 3.41 - Aspecto da fissuração na região central da viga de referência, após os primeiros carregamentos e após a ruptura... 95
Figura 3.42 - Curvas carga-deformação das armaduras longitudinais da VREF, na seção do meio do vão e a 960 mm do meio do vão ... 96
Figura 3.43 - Curva carga-flecha da VREF, na seção a 150 mm do meio do vão ... 96
Figura 3.44 - Deformação longitudinal na seção transversal do meio da VREF ... 97
Figura 3.45 - Aspecto da fissuração da região central após os carregamentos da viga original e após ruptura da viga VR1.Continua ... 98
Figura 3.46 - Curvas carga-deformação das armaduras longitudinais da VR1, na seção do meio do vão ... 99
Figura 3.47 - Curvas carga-deformação da armaduras longitudinais da VR1, na seção a 960 mm do meio do vão ... 100
Figura 3.49 - Curva carga-flecha da VR1, na seção a 150 mm do meio do vão ... 101
Figura 3.50 - Deformação longitudinal na seção transversal do meio da VR1 ... 101
Figura 3.51 - Aspecto da viga VR2, após os carregamentos realizados antes do reforço... 102
Figura 3.52 - Aspecto da viga VR2, após colapso... 103
Figura 3.53 - Curvas carga-deformação das armaduras longitudinais da VR2, na seção do meio do vão ... 104 Figura 3.54 - Curvas carga-deformação da armaduras longitudinais da VR2, na seção a 960 mm do meio do vão ... 105 Figura 3.55 - Curva carga-deslocamento relativo entre o reforço e o substrato para VR2 .... 105 Figura 3.56 - Curva carga-flecha da VR2, na seção a 150 mm do meio do vão ... 106
Figura 3.57 - Deformação longitudinal na seção transversal do meio da VR2 ... 106
Figura 3.58 - Fissuração da região central da V3, após os carregamentos iniciais... 107
Figura 3.59 - Aspecto da viga VR3, após colapso... 108
Figura 3.60 - Curvas carga-deformação da armaduras longitudinais da VR3, na seção do meio do vão ... 109
Figura 3.61 - Curvas carga-deformação da armaduras longitudinais da VR3, na seção a 960 mm do meio do vão ... 110
Figura 3.62 - Curva carga-deslocamento relativo entre o reforço e o substrato para VR3 .... 110
Figura 3.63 - Curva carga-flecha da VR3, na seção a 150 mm do meio do vão ... 111
Figura 3.64 - Deformação longitudinal na seção transversal do meio da VR3 ... 111
Figura 3.65 - Mapeamento das fissuras das vigas ensaiadas ... 113
CAPÍTULO 4: ANÁLISE DOS RESULTADOS Figura 4.1 - Diagrama simplificado retangular de tensões de compressão no concreto e diagrama de deformações da seção da viga... 115
Figura 4.2 - Diagrama retangular simplificado de tensões e diagrama de deformações da seção da viga reforçada... 117
Figura 4.3 - Tensão cisalhante atuante na ligação viga reforço ao longo do carregamento. 120 Figura 4.4 - Critério de Mohr-Coulomb para análise da tensão cisalhante da interface na ruptura... 120
Figura 4.5 - Curvas carga-deslocamento relativo entre o reforço e o substrato para as vigas reforçadas, VR1, VR2 e VR3, na seção extrema do talão... 121
Figura 4.6 - Curvas carga-flecha das vigas VREF, VR1 e REF2 (SANTOS)... 122
Figura 4.7 - Curvas carga-flecha das vigas VREF, VR2 e REF2 (SANTOS)... 123
Figura 4.10 - Expressão utilizada para o cálculo teórico de flechas para vigas biapoiadas
com carregamento concentrado no meio do vão... 126
Figura 4.11 - Curva carga-flecha da viga VREF, experimental e teórica segundo a
NBR6118:2003... 127
Figura 4.12 Curva carga-flecha da viga VR1, experimental e teórica segundo a
NBR6118:2003... 128
Figura 4.13 Curva carga-flecha da viga VR2, experimental e teórica segundo a
NBR6118:2003... 128
Figura 4.14 - Curva carga-flecha da viga VR3, experimental e teórica segundo a
NBR6118:2003... 129
Figura 4.15 - Comparação entre as curvas carga-flecha experimental e as calculadas
segundo procedimentos deste trabalho, para a viga VREF... 132
Figura 4.16 - Comparação entre as curvas carga-flecha experimental e as calculadas
segundo procedimentos deste trabalho, para a viga VR1... 132
Figura 4.17 - Comparação entre as curvas carga-flecha experimental e as calculadas
segundo procedimentos deste trabalho, para a viga VR2... 133
Figura 4.18 - Comparação entre as curvas carga-flecha experimental e as calculadas
segundo procedimentos deste trabalho, para a viga VR3... 133
Figura 4.19 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VREF e a do
modelo teórico proposto... 134
Figura 4.20 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VREF e a do
modelo teórico proposto... 134
Figura 4.21 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VR2 e do
modelo teórico proposto... 135
Figura 4.22 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VR3 e do
modelo teórico proposto... 135
Figura 4.23 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga REF1, ensaiada
por SANTOS(2006), e a do modelo teórico proposto... 136
Figura 4.24 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga REF2, ensaiada
por SANTOS(2006), e a do modelo teórico proposto... 136
Figura 4.25 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VR1, ensaiada
por SANTOS(2006), e a do modelo teórico proposto... 137
Figura 4.26 - Comparação entre a curva carga-flecha experimental da viga VR2, ensaiada
por SANTOS(2006), e a do modelo teórico deste trabalho... 137
Figura 4.27 - Curva carga-deformação das barras de aço do reforço das vigas VREF,VR1,
VR2, VR3 e REF2(SANTOS), na seção do meio do vão... 138
Figura 4.28 - Curva carga-deformação do aço do reforço das vigas VREF,VR1, VR2 ,VR3
e REF2(SANTOS), na seção referente a 960 mm do meio do vão ... 139
Figura 4.29 - Curvas carga-deformação da armadura longitudinal interna das vigas
originais VREF, V1, V2 e V3, na seção referente ao meio do vão... 140
Figura 4.30 - Curvas carga-deformação da armadura longitudinal interna das vigas
originais VREF, V1, V2 e V3, na seção referente a 960 mm do meio do vão. 140
Figura 4.31 - Curvas carga-deformação específica do concreto, referentes à camada mais
comprimida do concreto, das vigas ensaiadas neste trabalho... 141
Figura 4.32 Evolução da tensão cisalhante no talão com o aumento do carregamento
aplicado: (a) para as vigas VR1 e V1R(SANTOS) e (b) para as vigas VR2 e V2R(SANTOS)... 144
xv CAPÍTULO 2 : REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Tabela 2.1 - Propriedades das Fibras [ACI 440.2R, 2002] ... 11
Tabela 2.2 - Propriedades de Diferentes Resinas[MATTHYS, 2000] ... 12
Tabela 2.3 - Cargas de ruptura por ALEXANDRE et al ,1988 ... 23
Tabela 2.4 - Características das vigas ensaiadas por SOUZA (1990) ...24
Tabela 2.5 - Momentos de fissuração e de ruína das vigas ensaiadas por SOUZA (1990) ... 28
Tabela 2.6 - Propriedades dos concretos utilizados por LIEW e CHEONG (1991) ... 31
Tabela 2.7 - Características das amaduras das vigas. [CHEONG e MacALEVEY, 2000] ... 34
Tabela 2.8 - Ensaio com carregamento estático.[CHEONG e MacALEVEY, 2000] ... 35
Tabela 2.9 - Vigas de CHEONG E MACALEVEY (2000) ensaiadas sob carregamento cíclico ... 37
Tabela 2.10 - Características das vigas antes e após o reforço.BORJA (2001) ... 39
Tabela 2.11 - Concretos – Propriedades mecânicas – PIANCASTELLE (2002) ...45
Tabela 2.12 - Resultados experimentais médios, teóricos e da NBR-6118. PIANCASTELLE (2002) ... 46
Tabela 2.13 - Resultados dos ensaios e ganhos obtidos com reforço. PIANCASTELLE (2002) . 46 Tabela 2.14 - Características das vigas de Altun (2004) ... 48
Tabela 2.15 - Resultados das vigas de Altun (2004) ... 49
Tabela 2.16 - Resultados teóricos e experimentais das vigas ensaiadas por SANTOS (2006)... 53
Tabela 2.17 - Expressões propostas por pesquisadores e norma para o cálculo da resistência ao cisalhamento [JÚDICE et al.,2004] ... 57
CAPÍTULO 3 : PROGRAMA EXPERIMENTAL Tabela 3.1 - Consumo dos materiais para 1 m3 de concreto ... 61
Tabela 3.2 - Resistência à compressão dos corpos-de-prova do concreto ... 64
Tabela 3.3 - Resistência à tração dos corpos de prova do concreto ... 65
Tabela 3.4 - Características das barras de aço utilizadas nas armaduras das vigas e do reforço... 70
xvi Tabela 3.7 - Valores de Ai calculados a partir de diferentes expressões propostas para o
cálculo da resistência ao cisalhamento ... 78
Tabela 3.8 - Dados referentes aos chumbadores AF, segundo o fabricante... 79
Tabela 3.9 - Altura da linha neutra para diferentes etapas de carga da VREF ... 97
Tabela 3.10 - Altura da linha neutra para diferentes etapas de carga da VR1 ... 101
Tabela 3.11 - Altura da linha neutra para diferentes etapas de carga da VR2 ... 106
Tabela 3.12 - Altura da linha neutra para diferentes etapas de carga da VR3 ... 111
Tabela 3.13 - Resumo dos resultados experimentais das vigas ensaiadas ... 112
CAPÍTULO 4 : ANÁLISE DOS RESULTADOS Tabela 4.1 - Características e resistências teóricas e experimentais à flexão das vigas sem reforço... 116
Tabela 4.2 - Características e resistências teóricas e experimentais à flexão das vigas reforçadas... 117
Tabela 4.3 - Cargas de ruptura teóricas e experimentais das vigas ensaiadas... 118
Tabela 4.4 - Tensão cisalhante na ligação viga-reforço das vigas reforçadas VR1, VR2 e VR3... 119
Tabela 4.5 - Cargas limites de serviço e de ruptura das vigas ensaiadas... 124 Tabela 4.6 - Valores de cargas de escoamento e de ruptura, deslocamentos verticais relativos a essas cargas e índice de ductilidade das vigas ensaiadas... 125
Tabela 4.7 Características das vigas V1R e V2R ensaiada por SANTOS(2006) e VR1 e VR2 ensaiadas neste trabalho... 142
Tabela 4.8 Comparações entre as vigas V1R e V2R ensaiadas por SANTOS(2006) e VR1 e VR2 ensaiadas neste trabalho... 143
APÊNDICE Tabela A.1 - Resultados obtidos nos ensaios de pré-fissuração e ruptura da viga de referência VREF... 150
Tabela A.2 - Resultados obtidos nos ensaios de pré-fissuração e ruptura da viga VR1 ... 151
Tabela A.3 - Resultados obtidos nos ensaios de pré-fissuração e ruptura da viga VR2 ... 152
Tabela A.4 - Resultados obtidos nos ensaios de pré-fissuração e ruptura da viga VR3 ... 153
Tabela B.1 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pela NBR6118:2003 para a viga VREF... 155
xvii Tabela B.3 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pela NBR6118:2003
para a viga VR2 ...157 Tabela B.4 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pela NBR6118:2003
para a viga VR3 ...158 Tabela B.5 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pelo modelo proposto
para a viga VREF... 159 Tabela B.6 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pelo modelo proposto
para a viga VR1...160 Tabela B.7 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pelo modelo proposto
para a viga VR2...161 Tabela B.8 Resultados obtidos no calculo teórico de flechas pelo modelo proposto
LETRAS ROMANAS:
A Área da seção transversal da viga.
As Área da seção transversal da armadura longitudinal de tração da viga sem serviço. As’ Área da seção transversal da armadura longitudinal de compressão da viga sem e
com reforço.
Asr Área da seção transversal da armadura longitudinal do reforço.
Asw Área da seção transversal da armadura de transversal, no comprimento s. Ai Área da interface viga-reforço.
b Largura da viga.
Cc Força resultante de compressão no concreto.
Cs Força resultante de compressão na armadura longitudinal de compressão. d Altura efetiva da viga original.
d’ Distância do centróide da seção da armadura longitudinal de compressão à face superior da viga.
dr Altura efetiva da viga reforçada
Ec Módulo de elasticidade tangente na origem do concreto. Ecs Módulo de elasticidade secante do concreto.
Es Módulo de elasticidade do aço. fc Resistência do concreto à compressão.
fck Resistência característica à compressão do concreto. fcm Resistência à compressão média do concreto. fct Resistência à tração direta do concreto. fctm Resistência à tração direta do concreto média. fct,sp Resistência à tração indireta do concreto.
F Força resultante máxima na armadura longitudinal do reforço.
fst Resistência à tração do aço.
fy Resistência de escoamento do aço experimental. h Altura da viga.
L Vão centro a centro dos apoios.
Lv Comprimento total da viga. Lr Comprimento total do reforço. Lcis Comprimento de cisalhamento. Mu Momento fletor último da viga.
Mu,exp Momento fletor último da viga experimental.
Py Carga correspondente ao escoamento da armadura longitudinal de tração. Pu Carga última teórica.
Pu,exp Carga última experimental. Pfiss Carga de fissuração.
Pδlim Carga correspondente à flecha limite.
Pδlim,exp Carga correspondente à flecha limite experimental.
s Espaçamento da armadura transversal.
T Força resultante na armadura longitudinal de tração.
x Altura da linha neutra da viga.
xr Altura da linha neutra da viga reforçada.
z Distância entre o centróide da zona de compressão e o centróide da seção da armadura longitudinal de tração (braço da alavanca).
zr Distância entre o centróide da zona de compressão e o centróide da
seção da armadura longitudinal de tração da viga reforçada.
LETRAS GREGAS:
δ Deslocamento vertical.
δlim Deslocamento vertical relativo à flecha limite (item 13.3 da NBR 6118/2003)
δy Deslocamento vertical relativo à carga de escoamento da armadura.
δu Deslocamento vertical relativo à carga última.
εc Deformação específica da fibra mais comprimida de concreto.
εs Deformação específica do aço da armadura longitudinal de tração.
εs’ Deformação específica do aço da armadura longitudinal de compressão.
εsu Deformação da armadura longitudinal de tração correspondente à carga
última da viga.
ρ Taxa geométrica de armadura longitudinal de tração.
ρb Taxa geométrica de armadura longitudinal correspondente à condição balanceada.
ρv Taxa geométrica da armadura longitudinal de tração da viga original.
ρr Taxa geométrica da armadura longitudinal de tração do reforço.
ρsw Taxa geométrica de armadura transversal.
σs’ Tensão da armadura de compressão.
σsr Tensão da armadura longitudinal de tração do reforço.
τ Tensão cisalhante na interface de ligação.
τR Tensão cisalhante resistente na interface de ligação.
γ Coeficiente de minoração da resistência ao cisalhamento na interface. γc Coeficiente de minoração da resistência do concreto à compressão.
γs Coeficiente de minoração da tensão de escoamento do aço.
γf Coeficiente de majoração das cargas.
As’
As
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃOO concreto armado é o material mais largamente usado na construção civil devido à facilidade com que elementos estruturais de concreto podem ser executados, numa variedade de formas e tamanhos, e suas características.
Entretanto, como todos os materiais, o concreto sofre deteriorações ao longo do tempo das mais diversas origens, que podem vir a comprometer a capacidade resistente da estrutura de elementos estruturais. Segundo CEB-FIP (2001), a necessidade de reabilitar, reparar e reforçar estruturas de concreto armado aumentou consideravelmente nos últimos anos.
Os fatores que contribuem para essa situação são vários: necessidade de mudança do tipo de utilização (ações além das previstas em projeto); erros de projeto e/ou construção; falta de controle de qualidade dos materiais utilizados; falta de manutenção periódica; variações térmicas intrínsecas e extrínsecas ao concreto; ocorrência de acidentes (sismos, incêndios, explosões, cheias ou atos de vandalismo), etc.
As conseqüências podem ser, por exemplo, um nível inadequado da segurança das estruturas e das condições de utilização da construção que afetam as condições de higiene, estética e funcionalidade da estrutura.
Existem diferentes tipos de intervenção para fazer face aos problemas provocados pelos fatores anteriormente enunciados, destacando-se a demolição total ou parcial da estrutura, a imposição de medidas restritivas no seu uso, a modificação do seu sistema estrutural, a substituição ou introdução de novos elementos ou o reforço de elementos estruturais.
A escolha por um dos referidos tipos de intervenção passa, necessariamente, por fatores técnicos e econômicos como, eficiência da intervenção, condições e custos de realização da obra e disponibilidade local de mão-de-obra adequada, materiais e equipamentos. Outros aspectos importantes são a continuidade ou não da utilização da estrutura durante a obra e a agressividade do meio ambiente durante e após a intervenção.
O reforço estrutural por aumento da seção transversal ou encamisamento consiste na colocação de uma camada adicional de concreto armado ou argamassa armada em um elemento estrutural existente. Pilares, vigas, lajes, tabuleiros de pontes e vigas-parede podem ter suas seções resistentes aumentadas para elevar sua capacidade resistente, rigidez, ductilidade, etc. A nova camada deve ser aplicada à superfície de concreto existente com o objetivo de produzir um elemento monolítico.
Como vantagens, frente aos outros tipos de reforços, destacam-se a economia, principalmente devido à não exigência de mão-de-obra especializada para a execução e o emprego de materiais tradicionalmente usados na construção civil e a proteção das armaduras do reforço ao ataque de agentes agressivos externos.
Entre as principais desvantagens desse método destacam-se o aumento da seção transversal e do peso próprio, a necessidade de fôrmas para a concretagem e a retração diferenciada dos concretos velho e novo que acarreta problemas de fissuração e aderência entre a camada nova e o elemento antigo.
Visando contribuir para uma melhor compreensão do comportamento estrutural das estruturas reforçadas, no presente trabalho é feito estudo de vigas de concreto armado reforçadas por meio de encamisamento parcial em concreto armado, nas quais variou-se a taxa de armadura de reforço.
O trabalho engloba cinco capítulos, referências bibliográficas e dois apêndices.
O Capítulo 2 aborda sucintamente sobre as técnicas de reforço mais utilizadas e em mais detalhes o reforço por encamisamento, sendo resumidos alguns estudos experimentais encontrados na literatura sobre vigas de concreto armado reforçadas à flexão por essa técnica.
No Capítulo 3 descreve-se o programa experimental desenvolvido para avaliar a técnica de reforço à flexão de vigas de concreto armado de seção retangular, por encamisamento parcial, que consiste em reforçar a viga aumentando o número de barras tracionadas, envolvendo-as com concreto. Foram ensaiadas quatro vigas de concreto armado, biapoiadas, carregadas com uma carga concentrada no meio do vão, das quais apenas uma não foi reforçada (viga de referência). O carregamento das vigas reforçadas foi realizado em duas etapas: antes do reforço (até a carga correspondente a 80% da carga de ruptura teórica) e após o reforço (até a ruína).
No Capítulo 4 estão as análises dos resultados do programa experimental desenvolvido, feitas por meio de comparações entre os valores de flechas, deformações das armaduras e do concreto e cargas de rupturas das vigas reforçadas e de referência. Um modelo teórico para previsão de flechas das vigas ensaiadas também é apresentado.
As conclusões e temas propostos para trabalhos de pesquisas futuros estão no Capítulo 5.
No apêndice A encontram-se os resultados dos ensaios nas diferentes etapas de carregamento. No apêndice B encontram-se os resultados obtidos no cálculo teórico de flechas.
As’
As
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA2.1- INTRODUÇÃO
Quando uma estrutura não tem mais capacidade de resistir aos esforços a que está sendo submetida ou quando há aumento do seu carregamento, é necessário reabilitá-la ou reforçá-la.
O reforço pode ser realizado pela associação de materiais ou elementos à estrutura original, como barras de aço, concreto, chapas metálicas ou compósitos de fibras e resinas. Além disso, pode-se diminuir o nível de tensões imposto à estrutura, aplicando-se forças que se contraponham ao acréscimo de tensões gerado. Isto pode ser conseguido por meio de protensão com cabos externos.
Neste capítulo são comentadas algumas características importantes das técnicas de reforço citadas acima, apontando-se algumas vantagens e desvantagens de cada uma. Em mais detalhes, é abordado o reforço por meio de encamisamento de concreto armado, resumindo-se alguns estudos realizados sobre o comportamento de vigas de concreto armado, submetidas à flexão, reforçadas por meio do aumento das seções de concreto e armadura.
2.2 – TÉCNICAS DE REFORÇO
Antes de se definir a técnica que será utilizada para o reforço, é fundamental levantar as causas que levaram à necessidade de reforço, de forma a garantir a vida útil da estrutura após a intervenção. Além disso, é importante avaliar a resistência residual da estrutura para que o reforço possa ser dimensionado adequadamente. Deve-se analisar também a influência do reforço que se está executando em um elemento nos demais componentes da estrutura. Ao se enrijecer uma viga, por exemplo, pode-se mudar significativamente suas reações, vindo a comprometer os pilares nos quais se apóia.
Devem ser utilizados materiais com boa durabilidade, baixa permeabilidade, boa resistência, boa aderência ao concreto e ao aço, baixa retração, boa trabalhabilidade e propriedades compatíveis com o concreto e o aço, visando garantir a eficiência do processo de reforço.
Outro aspecto que deve ser estudado é a forma de execução do reforço. A técnica não será eficiente se o que foi planejado não for executado adequadamente. É de suma importância assegurar-se o comportamento monolítico dos novos elementos resistentes, devendo-se, para isso, garantir a união do substrato ao reforço. Além disso, muitas vezes é necessário descarregar parcialmente a estrutura antes da execução do reforço para que se diminua o nível de solicitações na estrutura original.
Todas as recomendações acima são gerais, ou seja, independem da técnica de reforço escolhida. Cada técnica possui suas vantagens e desvantagens, devendo-se avaliá-las de forma a escolher aquela que represente a melhor relação custo-benefício e possa ser executada dentro do prazo requerido. A seguir são comentados alguns aspectos importantes das técnicas mais utilizadas na prática.
2.2.1 – REFORÇO COM CHAPA DE AÇO
Desde meados dos anos 60, o reforço com chapas de aço coladas em vigas de concreto armado tem sido utilizado na África do Sul, Japão e em vários países da Europa (BEBER, 2003). A técnica é adequada nos casos onde há deficiência nas armaduras existentes, sem haver deficiência nas dimensões dos elementos estruturais e na qualidade do concreto.
Trata-se de uma técnica simples de executar e que recorre a materiais de uso corrente. Devido à pequena interferência que causam nas dimensões arquitetônicas, ao baixo peso próprio introduzido na estrutura, à facilidade de execução e limpeza na aplicação, além da possibilidade de rápida reutilização da estrutura, a técnica de reforço de vigas por intermédio de chapas de aço coladas ao concreto tem sido a solução adotada com maior freqüência.
No entanto, ela apresenta alguns inconvenientes, nomeadamente: corrosão do aço; a impossibilidade de visualizar fissuras na região sob a chapa; tendência de destacamento dos bordos da chapa devido à concentração de tensões; baixa resistência ao fogo, o que compromete a segurança estrutural em alguns casos específicos; dificuldade de manipulação de pesadas chapas de aço no local da obra; alto custo do adesivo; necessidade de suportes durante o tempo de cura do mesmo e limitação do comprimento das chapas que pode dar origem à necessidade de execução de emendas.
A colagem das chapas metálicas pode ser feita com resinas de epóxi, de poliéster, acrílicas, de poliuretanos e sintéticas. As resinas epóxi são as mais empregadas, devido às suas excelentes propriedades adesivas com o concreto e o aço e ausência quase que total de retração durante o processo de cura, garantindo a integridade da superfície de ligação.
A qualidade da adesão entre o concreto e o aço é propriedade fundamental nessa técnica de reforço. Segundo Bauer (2000), a adesividade está relacionada à qualidade do adesivo, às condições das superfícies dos materiais ligados e às propriedades destes materiais.
A preparação da superfície de concreto onde será colado o reforço consiste na remoção da camada superficial de concreto da viga e limpeza do substrato. A superfície da chapa de aço deve ser lixada, para retirar escaras e oxidação, e limpa, para que sejam removidos óleos e gordura. Em seguida, pode ser feita a aplicação homogênea do adesivo na chapa de aço e no concreto.
O principal problema que pode ocorrer em vigas de concreto armado reforçadas com esta técnica é que, além dos modos de ruptura convencionais que podem existir em qualquer viga de concreto armado, pode ocorrer ainda a ruptura por descolamento ou destacamento da chapa (ver figura 2.1).
A ruptura por descolamento da chapa de aço ocorre devido a uma má execução da colagem ou quando o carregamento for muito rápido ou em situações de impacto. A ruptura por destacamento caracteriza-se por uma fissura, surgida na seção transversal coincidente com a extremidade da chapa, que se horizontaliza mais ou menos no nível das armaduras internas. Estas fissuras, ao ligarem-se com as fissuras de cisalhamento, levam a viga a um colapso brusco [SILVEIRA, 1997, apud REIS, 1998].
Figura 2.1 – Modos de ruptura em vigas reforçadas com chapas de aço.
Para evitar esses tipos de ruptura da viga reforçada com chapas de aço, o CEB (1983) estabelece limites para o valor da tensão tangencial na interface reforço/substrato (τ). Como a resistência de aderência depende mais da resistência do concreto à tração
(a) ruptura por descolamento da chapa (b) ruptura por destacamento da chapa
Fissura crítica de cisalhamento
Fissura horizontal no nível da armadura interna
chapa
Região dedescolamento Região de ruptura do cobrimento
do que da resistência do adesivo ao cisalhamento, recomenda-se que, para chapas coladas continuamente, τ seja menor que a resistência média do concreto à tração.
Outros métodos têm sido usados para tentar prevenir esses tipos de ruptura: aumento na relação largura/espessura da chapa; término das chapas nas proximidades dos apoios; utilização de chumbadores e outros dispositivos para ancoragem das chapas (ver figura 2.2).
Figura 2.2 – Tipos de ancoragens estudadas por CAMPAGNOLO (1993) apud Reis,1998.
Morais (1997) verificou que os estribos formados por chapas em tiras coladas foram efetivos como dispositivos de ancoragem para evitar o arrancamento da chapa de aço do reforço à flexão.
Segundo Ripper e Souza (1998), para garantir uma melhor qualidade na ligação entre concreto, resina e chapa é necessário que durante a cura da resina seja aplicada uma leve e constante pressão na chapa contra o concreto por no mínimo 24 horas. O tempo necessário vai depender do tipo da resina e da temperatura ambiente.
Pesquisadores, como Jones e Swamy (1995), verificaram que a espessura da chapa de aço tem vital importância na eficácia do reforço. O CEB (1983) recomenda a utilização de chapas com espessura máxima de 3,0mm, espessura máxima da camada de resina epóxica de 1,5mm e proteção da região reforçada contra as mudanças de temperatura e fogo.
(b) Ancoragem por meio de chapa envolvente
2.2.2 - REFORÇO COM COMPÓSITO DE FIBRAS E RESINAS
A evolução na tecnologia de materiais tornou possível substituir as chapas de aço por materiais mais leves, resistentes, duráveis e de fácil aplicação: FRP (Fiber Reinforced Polymer), ou, em português, polímero (plástico) reforçado com fibras (PRF).
Os compósitos, inicialmente desenvolvidos para aplicações nas indústrias aeroespacial, automotiva, naval, de equipamentos esportivos e armamentos, passam agora a ocupar um lugar de destaque como alternativa viável no reforço de estruturas de concreto armado.
Em muitos casos, a aplicação de compósitos pode significar um meio de estender a vida útil de uma estrutura que possivelmente não poderia ser reforçada utilizando materiais convencionais. Ainda, a habilidade de se conduzir a completa operação de reforço em períodos muito curtos de tempo, sem que seja necessário interromper completamente a utilização da estrutura, é, sem dúvida, uma das maiores vantagens dos compósitos.
Compósitos são materiais cuja estrutura é constituída por uma combinação de dois ou mais produtos diferentes, claramente identificáveis, cujas propriedades em conjunto são superiores às que possuem em separado, para um dado propósito [Ripper, 1998].
Os polímeros reforçados com fibras (PRF) são compósitos que têm sido usados no reforço de estruturas. A resistência e a rigidez dos compósitos de PRF depende, basicamente, do tipo de fibra, da matriz polimérica e da interface entre estas duas. Cada um destes componentes deve apresentar um conjunto de características que permita um desempenho satisfatório do compósito [Hollaway, 1993, apud Beber, 2003 ].
Nos PRF, as fibras representam as componentes de resistência e rigidez do compósito, justificando a existência de um critério de seleção, função de parâmetros como o tipo de fibra, o seu grau de concentração, o seu comprimento (curtas ou longas) e a forma como se dispõem na matriz.
De acordo com Hollaway & Leeming, 1999, apud Beber, 2003, em função da orientação das fibras, os compósitos podem ser divididos em três grandes grupos: unidirecionais (fibras alinhadas em uma única direção); bidirecionais (fibras alinhadas perpendicularmente em duas direções) e multidirecionais (fibras distribuídas aleatoriamente nas várias direções em um mesmo plano).
Vários tipos de fibra, com grande variedade de propriedades, estão disponíveis comercialmente. As fibras longas (contínuas) e de pequeno diâmetro são as mais adequadas para o reforço de estruturas de concreto, pela ótima capacidade de transferência de tensão e de aproveitamento de suas propriedades.
Segundo o ACI 440R.2R (2002), os produtos de plásticos reforçados com fibras (PRF) utilizados para o reforço de estruturas de concreto são constituídos por fibras contínuas de vidro (PRFV), aramida (PRFA) ou carbono (PRFC). A tabela 2.1 mostra a variação das propriedades físicas e mecânicas de diversas fibras e a figura 2.3 faz uma comparação do diagrama tensão x deformação das mesmas com o do aço.
De acordo com Ripper (1998), as fibras de carbono apresentam boa resistência a maioria dos tipos de ataques químicos, bom comportamento à fadiga, leveza (peso específico da ordem de 18 kN/m3), boa rigidez e estabilidade térmica e reológica.
Figura 2.3 - Diagrama tensão-deformação dos principais tipos de fibras e para os aços de
Tabela 2.1 – Propriedades das Fibras [ACI 440.2R, 2002]
Tipo de Fibras Resistência à Tração ff (MPa) Módulo de Elasticidade Ef (GPa) Deformação Última εfu (°/oo) Carbono (mínimo) Alta ff 3790 a 4820 220 a 240 14,0 Ultra-Alta ff 4820 a 6200 220 a 240 15,0 Alto Ef 1720 a 3100 340 a 520 5,0 Ultra -Alto Ef 1380 a 2400 520 a 690 2,0 Vidro Tipo E 1860 a 2680 69 a 72 45,0 Tipo S 3440 a 4140 86 a 90 54,0 Aramida Baixo Ef 3440 a 4140 69 a 83 25,0 Alto Ef 3441 a 4140 110 a 124 16,0
A matriz dos compósitos reforçados com fibras apresenta variadas funções: é responsável pela união das fibras que compõem o compósito, atuando como o meio através do qual as solicitações externas são transmitidas e distribuídas para as fibras; atua na proteção das fibras, formando uma camada entre as fibras e o ambiente, protegendo-as contra a abrasão, umidade e agentes agressivos de natureza química e biológica. Além disso, a matriz polimérica é responsável por manter as fibras posicionadas corretamente.
Atualmente, existe uma grande variedade de matrizes disponíveis para a fabricação de compósitos de FRP. No âmbito dos reforços estruturais, as resinas termorrígidas representam a matriz ideal para a confecção dos compósitos de FRP, porque proporcionam, dentre outras propriedades, boa estabilidade térmica, boa resistência química e baixa fluência [ACI, 1996].
As mais utilizadas em compósitos para o reforço estrutural, são as poliéster, viniléster e epóxi. As resinas epóxi são bastante usadas nos compósitos de alta performance pela extensa gama de propriedades físicas e mecânicas, apesar do alto custo [CEB-FIP, 2001]. Na Tabela 2.2 podem ser vistas algumas das propriedades físicas e mecânicas de diferentes tipos de resina, segundo MATTHYS ,2000 apud ARAÚJO, 2002).
Tabela 2.2 – Propriedades de Diferentes Resinas[MATTHYS, 2000 apud ARAÚJO, 2002]
Tipos de Resina Resistência à Tração ff (MPa) Módulo de Elasticidade Ef (GPa) Peso específico (kN/m3) Retração na cura (%) Poliéster 35 a 104 2,1 a 3,5 11 a 14 5,0 a 12,0 Viniléster 73 a 81 3,0 a 3,5 11 a 13 5,0 a 10,0 Epoxi 55 a 130 2,4 a 4,1 12 a 13 1,0 a 5,0
A resina pouco influi na resistência à tração do polímero, mas influi bastante no comportamento do mesmo ao corte e à compressão. A grande influência da resina é nas condições de fabricação do plástico, tais como viscosidade, ponto de fusão, temperatura de cura. É fundamental que a quantidade de resina seja a estritamente necessária à impregnação e/ou colagem, para que não haja alteração das características do plástico (quanto mais resina, maior o peso e menor a resistência) [RIPPER, 1998].
O adesivo é o material responsável pela colagem do PRF na superfície do concreto e pela transferência de tensões, possibilitando a ação conjunta dos dois materiais. A escolha do adesivo depende do tipo de performance desejada, do substrato e das condições do ambiente e de aplicação do compósito na execução. Seu sucesso irá depender da correta preparação e aplicação da mistura, baseada nas especificações do fornecedor. Os adesivos estruturais mais usados são as resinas epóxicas.
Os modos de ruína que podem ocorrer em vigas reforçadas pela colagem de compósito estão representados na figura 2.4. Alguns desses modos de ruptura são semelhantes aos que ocorrem quando a viga tem reforço com chapas de aço.
Onde:
(a) Escoamento da armadura interna seguido de ruptura do reforço.
(b) Escoamento da armadura interna seguido de esmagamento do concreto. (c) Esmagamento do concreto.
(d) Destacamento do compósito nas extremidades da zona de ancoragem. (e) Descolamento do compósito próximo às fissuras inclinadas.
(f) Descolamento do compósito provocado por fissuras de flexão.
(g) Descolamento do compósito provocado por irregularidades na superfície do concreto.
O escoamento da armadura seguido de ruptura do reforço (a) pode acontecer quando as taxas de aço e de reforço forem baixas, assim como a deformação de ruptura do compósito, ou ainda devido a uma elevada resistência à compressão do concreto. O modo (b) seria o alvo do dimensionamento ótimo do reforço, onde a ruína é governada pelo escoamento do aço seguida de esmagamento do concreto. O esmagamento do concreto (c) ocorre quando as taxas de reforço e de aço são elevadas. A fissuração da peça se desenvolve diminuindo a zona comprimida, até o momento no qual a tensão de compressão no concreto atinja seu valor máximo, o que leva à ruptura brusca. Os demais modos, (d), (e), (f) e (g), ocorrem de maneira frágil e brusca e devem ser evitados.
Shehata et al. (2000) resumem estudo feito sobre reforço de vigas de concreto armado utilizando lâminas de fibras de carbono. Segundo eles, a ruptura por descolamento ocorre quando a deformação do compósito alcança valor em torno de 5‰, devendo-se, portanto, considerar essa deformação limite da lâmina de carbono no dimensionamento do reforço. Para evitar o destacamento do compósito, é sugerido que a tensão de cisalhamento na ligação do compósito com o concreto não ultrapasse valor igual à resistência à tração do concreto minorada por fator que leva em consideração a menor qualidade do concreto do cobrimento e a possível existência de fissuras nesse concreto.
2.2.3- REFORÇO COM PROTENSÃO EXTERNA
Desde 1950 a protensão externa vem sendo largamente utilizada para o reforço de vigas. Este tipo de reforço é extremamente eficiente, possuindo uma flexibilidade de adaptação às particularidades de cada estrutura existente, mantendo a geometria da viga. A aplicação da protensão melhora o comportamento em serviço e aumenta a capacidade portante das vigas. O aumento de rigidez proporcionado pela protensão, decorrente do melhor controle da fissuração do concreto, pode reduzir as flechas e a vibração das pontes, bem como reduzir a variação de tensões, aumentando a resistência à fadiga [Almeida, 2001].
A depender da situação que se tenha e do tipo de esforço que se queira introduzir na estrutura, podem ser utilizados cabos retos ou poligonais, ancorados nos pilares, em vigas de apoio ou nas lajes, e com ou sem desviadores, como mostra a figura 2.5.
Figura 2.5 – Geometria dos cabos de protensão [ALMEIDA, 2001].
No detalhamento, cuidados específicos devem ser tomados com relação aos desviadores e conectores (figura 2.6). Os dispositivos de desvio devem ser aptos a transmitir à estrutura as tensões radiais e tangenciais gerados pelos cabos e ser lisos para diminuir o atrito entre os desviadores e os cabos. Os conectores, elementos cilíndricos pelos quais passam dois cabos a serem ancorados, são muito utilizados nos casos em que não é possível ancorar os cabos isoladamente [RIPPER, 1998].
(a) Cabo reto, sem desviador, ancorado nos pilares.
(c) Cabo poligonal, ancorado nos pilares, com um desviador na face inferior da
viga.
(b) Cabo reto, sem desviador, ancorado na face inferior da viga.
(d) Cabo poligonal, ancorado na laje, com dois desviadores nas laterais da viga.
Figura 2.6 – Desviador e conector típico utilizado em protensão externa. [CÂNOVAS,1988]
Dentre as vantagens da aplicação da protensão externa para reforço tem-se:
• Pode-se aumentar a resistência à flexão e ao esforço cortante sem aumentar significativamente o peso próprio das vigas;
• Fissuras de flexão existentes antes da execução do reforço podem se fechar completamente com a protensão;
• A excentricidade dos cabos pode ser aumentada, fixando-os por meio de desviadores na face inferior da viga;
• As perdas por atrito dos cabos externos são menores do que as dos cabos internos;
• Os cabos podem ser facilmente inspecionados, re-protendidos e até substituídos, sem implicar em acréscimos significativos de custo; e
• O reforço, em muitos casos, pode ser feito sem interrupção do uso da construção.
Entretanto alguns aspectos devem ser observados segundo Almeida (2001) e Reis (2003):
• Necessidade de avaliar o estado de tensões a que está submetido o concreto para que o acréscimo de força axial não cause sua ruptura. Isto pode ser importante, principalmente, se o concreto for de baixa resistência ou estiver deteriorado; • Execução de um sistema de proteção eficiente dos cabos externos contra o fogo
e corrosão pois os mesmos encontram-se mais expostos às influências ambientais;
• O detalhamento dos desviadores e das ancoragens deve levar em conta a concentração de tensões nas regiões de sua localização; e
• Nas vigas com cabos externos, os cabos não acompanham a deformação da viga em todos os pontos, havendo uma variação da excentricidade do cabo (efeito de segunda ordem). Se a viga for protendida com cabos retos e sem desviadores ao longo do vão, esta variação é teoricamente igual à flecha da viga (figura 2.7).
Figura 2.7 – Efeito de segunda ordem – redução da excentricidade do cabo
[ALMEIDA, 2001].
2.2.4 – REFORÇO COM ADIÇÃO DE AÇO E CONCRETO
Esta técnica consiste em acrescentar concreto ou argamassa armada às peças a serem reforçadas ou reparadas, e sua eficiência depende da ligação entre as partes antiga e nova. No caso da reparação, o material danificado é substituído, mantendo-se a configuração inicial, enquanto no de reforço há aumento da seção transversal.
As principais vantagens desse método são:
• Mão-de-obra e materiais de fácil disponibilidade;
• Custo em geral mais baixo, se comparado com outros métodos de reforço; • Proteção das armaduras de reforço ao fogo e atos de vandalismo.
Por outro lado, tem-se como desvantagens: a necessidade de fôrmas para concretagem, o aumento de seção transversal das peças na maioria dos casos, o fato de a peça reforçada só poder ser solicitada após o concreto ter atingido a sua resistência de projeto e a retração do concreto novo que pode prejudicar a aderência entre os dois concretos.
Profundidade do cabo antes da aplicação do carregamento
Para melhorar a aderência e controlar a retração, o CEB (1983) recomenda que sejam tomadas as seguintes precauções:
• remover o concreto deteriorado ou desintegrado com ponteiro ou talhadeira. Por razões práticas, a espessura mínima da camada a ser adicionada deve ficar em torno de 75 mm a 100 mm, possibilitando que a compactação do novo concreto e o posicionamento da nova armadura possam ser feitos de forma adequada;
• promover uma superfície rugosa deixando os agregados expostos, e remover, quando necessário, o concreto que envolve as armaduras, eliminando somente o concreto deteriorado;
• remover a ferrugem das armaduras e óleos do concreto; • eliminar o pó utilizando água sob pressão;
• saturar o concreto antigo por pelo menos seis horas antes de aplicar o concreto novo;
• evitar bolhas de ar aplicando concreto ou argamassa com uma maior fluidez e a partir de um mesmo lado da fôrma. Muitas vezes, é necessário abrir janelas temporárias na fôrma para lançar o concreto e permitir a passagem do vibrador de imersão;
• promover a cura com umedecimento da superfície ou cobrindo-a com materiais úmidos, tais como areia, espuma, estopa e outros. Este umedecimento deve persistir por dez dias, no mínimo;
• usar concreto de melhor qualidade, com resistência característica de, no mínimo, 5 MPa a mais do que a do concreto existente.
Recomenda-se ainda que o concreto ou a argamassa de reforço tenham resistência mecânica, módulo de elasticidade e coeficiente de dilatação compatíveis com os do concreto existente.
No reforço de elementos em locais de difícil acesso, tem-se a alternativa da utilização do concreto projetado, o qual pode ser lançado em qualquer superfície e direção e necessita de uma menor quantidade de fôrmas. A desvantagem desse método é
o custo mais elevado devido à necessidade de mão-de-obra e equipamentos especializados.
O jateamento do concreto pode ser feito por via seca, quando a água, sob pressão, é adicionada no instante em que o cimento e os agregados secos passam pela pistola, ou por via úmida, quando o cimento, os agregados e a água são previamente misturados e transportados sob pressão até a pistola, onde mais ar é injetado para o lançamento.
O processo por via úmida tem a desvantagem de não permitir a suspensão e retomada do serviço após o início dos trabalhos, porém oferece maior segurança de que a água se misture totalmente com os outros componentes do concreto; a adição da água é controlada na máquina, podendo ser adequadamente medida e misturada, levando a um concreto mais homogêneo, além de possibilitar menores perdas e produzir menos pó durante as operações.
O processo por via seca tem a vantagem de se adequar ao lançamento de misturas que contenham agregados leves e porosos; permite a utilização de comprimentos de mangueira mais extensos facilitando o deslocamento do operador para áreas distantes do equipamento de mistura; Sua maior desvantagem estaria na dificuldade do operador em controlar a quantidade da água utilizada na mistura, podendo haver uma variação desta quantidade nos concretos de diferentes regiões.
O reforço por encamisamento ou aumento da seção transversal pode ser utilizado quando a viga apresenta insuficiência de armadura na zona tracionada. O reforço realizado com concreto adequadamente preparado apresenta boa eficiência, mas tem o inconveniente de levar a seções maiores que as iniciais, o que, em alguns casos, pode ser indesejável.
Caso a concretagem seja dificultada pela existência de lajes que não podem ser danificadas, faz-se o apicoamento da peça para retirar a camada superficial de concreto nas faces laterais e inferior da viga, até encontrar os estribos. As novas armaduras transversais podem ser fixadas ou não aos estribos existentes e devem ser dimensionadas para suportar as tensões tangenciais entre o substrato e o material de
reforço. Em seguida, são posicionadas as armaduras longitudinais de reforço e as fôrmas para, então, realizar a concretagem.
Cânovas (1988) recomenda fazer furos para a passagem dos estribos com brocas de 20 mm e dispor as armaduras do reforço o mais próximo possível das barras existentes (ver figura 2.8). Para realizar a ancoragem das barras longitudinais que chegam até os apoios, Petrucci, apud Cânovas (1988), recomenda furar o concreto e, após a introdução das barras, preencher os vazios com argamassa epóxi ou com adesivo.
Uma técnica bastante empregada no encamisamento é a utilização do concreto pré-colocado que se baseia no enchimento das formas primeiramente com agregado graúdo devidamente compactado. Esse agregado deve ser molhado antes da argamassa flúida de cimento e areia (podendo ser utilizados aditivos) ser injetada sob pressão até o total preenchimento dos vazios. O concreto assim feito praticamente não exibe retração, uma vez que as partículas de agregado graúdo estão em contato entre si, sem o espaçamento que é necessário à pasta de cimento para retrair, como nos concretos comuns. Faz-se necessário o uso de formas estanques para que se evite a fuga de argamassa, deixando–se abertura somente na parte superior para que a água e o ar saiam e, conseqüentemente, haja um preenchimento completo, sem deixar vazios [MORAES, 1985].
Figura 2.8 - Reforço de viga com nova armadura adicionada [CÁNOVAS, 1988].
Local de injeção de furo Furos de φ = 20mm Apicoamento do concreto Armadura de reforço fixada por estribos
Concreto
Para os casos em que a laje pode ser danificada, o procedimento é o ilustrado na figura 2.9.
Figura 2.9 - Reforço com aumento da base com danos à laje [CÁNOVAS, 1988]
No dimensionamento da peça, deve-se considerar que as armaduras iniciais e de reforço estão em níveis diferentes e que mesmo que a viga seja parcialmente descarregada quando da execução do reforço, a armadura antiga pode estar submetida a uma tensão maior do que a do reforço.
Quando não são necessários estribos adicionais, pode-se usar chaves de cisalhamento na face inferior da viga para resistir ao cortante que agem na interface entre o substrato e o concreto novo (ver figura 2.10).
Figura 2.10 - Reforço de viga mediante “denteamento” [CÁNOVAS, 1988]
O CEB (1983) recomenda limitar a tensão tangencial na superfície de ligação entre os concretos velho e novo e que o acréscimo de área na seção transversal da viga seja menor que um terço da área da seção original.
Abertura onde será injetado o concreto Forma Laje Armadura existente Armadura de reforço Chaves de cisalhamento
2.3 – TRABALHOS REALIZADOS SOBRE TÉCNICA DE ENCAMISAMENTO
2.3.1 - Ensaios realizados por ALEXANDRE et al. (1988)
A fim de comparar o desempenho de vigas de concreto armado de seção retangular reforçadas à flexão por meio de encamisamento utilizando concreto projetado e argamassa de cimento e areia com ponte de aderência de resina epóxi, foram ensaiadas 12 vigas, divididas em 4 séries com 3 vigas cada uma, da seguinte forma:
Série 1 – vigas originais de referência;
Série 2 – vigas reforçadas com o uso de concreto projetado; Série 3 – vigas reforçadas com o uso de argamassa; e Série 4 – vigas monolíticas de referência.
A figura 2.11 mostra as seções transversais das vigas das quatro séries e o esquema do ensaio. O concreto das vigas originais e monolíticas possuía uma resistência média em torno de 25 MPa quando da realização dos ensaios (idade de 77 a 100 dias). A argamassa de cimento e areia utilizada no reforço possuía resistência média de 31 MPa e o concreto projetado tinha resistência de cerca de 20 MPa aos 28 dias. Na data dos ensaios a argamassa e o concreto projetado tinham idades que variavam de 67 a 97 dias.
Figura 2.11 – Seção transversal das vigas e esquema do ensaio de ALEXANDRE et al. (1988).
Continua. 3cm
Figura 2.11 – Seção transversal das vigas e esquema do ensaio de ALEXANDRE et al. (1988).
Continuação.
Antes da execução do reforço, uma das três vigas originais das séries 2 e 3 foi submetida a ensaio preliminar, atingindo uma carga correspondente à de serviço (26 kN). As outras duas vigas originais de cada uma dessas séries estavam íntegras quando foram reforçadas. O concreto das vigas originais que entraria em contato com o concreto projetado ou argamassa de reforço foi apicoado (superfície inferior e 15 cm nas laterais, a partir da face inferior da viga).
Em todas as vigas reforçadas, foram feitos furos de 3 cm de profundidade, nas faces laterais, para a colocação dos estribos do reforço (17φ5,0mm c.100mm) que serviriam como suporte para a armadura de reforço à flexão (ver figura 2.11). A remoção dos resíduos nesses furos foi feita com aplicação de jato de ar.
A superfície a ser reforçada por concreto projetado, antes da fixação dos referidos estribos com resina epóxi, foi preparada com aplicação de jato de areia de alta intensidade. Após a fixação dos estribos e colocação da armadura de reforço à flexão (2φ10mm com comprimento de 1650 mm), o concreto projetado foi lançado, depois do jateamento com água das superfícies de contato.
Já nas vigas reforçadas com argamassa, com a mesma armadura de reforço que as outras, as superfícies laterais e inferior apicoadas foram limpas com escova de aço e, posteriormente, umedecidas com estopa, visando melhorar a aderência da resina epóxi aplicada antes da fixação e colocação das armaduras de reforço.
