REABILITAÇÃO DE VIGAS DE MADEIRA COM ARGAMASSA EPOXÍDICA ARMADA

REABILITAÇÃO DE VIGAS DE MADEIRA COM ARGAMASSA

EPOXÍDICA ARMADA

António C. R. Duarte

Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria, Departamento de Engenharia Civil, Portugal

João H. O. Negrão

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, Departamento de Engenharia Civil, Portugal

Helena M. P. Cruz

Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal

RESUMO

Apresenta-se nesta comunicação um sistema de reabilitação de vigas de madeira que consiste na substituição das partes deterioradas por segmentos novos do mesmo material, os quais são ligados às partes aproveitáveis com argamassa epoxídica armada. A análise experimental realizada incidiu sobre o comportamento em flexão da ligação, utilizando-se diversos tipos de armadura. Com base nas conclusões recolhidas concebeu-se um modelo analítico de dimensionamento do sistema de reabilitação que se revelou adequado.

1. INTRODUÇÃO

A reparação e o reforço de estruturas de Engenharia Civil tem assumido uma importância crescente nos últimos anos. Actualmente, muitas estruturas necessitam de reabilitação por terem ultrapassado o período de vida útil, apresentando patologias próprias do envelhecimento, ou por evidenciarem sinais de degradação prematura devida a falta de manutenção, erros de projecto, construção deficiente ou a causas acidentais.

A necessidade da recuperação do património construído exige cada vez mais o desenvolvimento de técnicas de reforço e reabilitação. Este assunto tem especial interesse na recuperação de construções de relevância histórica, nas quais as intervenções deverão respeitar a natureza e a concepção original da obra.

Apresenta-se nesta comunicação um sistema de reabilitação de elementos estruturais em madeira. Este consiste na extracção das partes deterioradas e na sua substituição por novos segmentos do mesmo material, os quais são ligados às partes aproveitáveis através de argamassa epoxídica armada. Foram experimentadas armaduras de diferentes materiais, nomeadamente, varões de aço de construção A400 NR, varões roscados de aço inox e varões pultrudidos de fibra de vidro (GFRP).

O sistema desenvolvido permite intervenções pouco intrusivas e é especialmente adequado à reabilitação de estruturas de madeira degradadas por agentes biológicos. Esta anomalia é

frequente em estruturas antigas e ocorre principalmente nas zonas das entregas das vigas, permanecendo a parte restante dos elementos em boas condições de conservação.

A utilização desta técnica iniciou-se na década de 80, não existindo ainda um conhecimento completo e consensual acerca da mesma, quer sob o ponto de vista teórico quer experimental. As bases de cálculo são ainda insuficientes e em algumas situações de reparação o dimensionamento do sistema não é sequer efectuado (Gemert, 1987). Na prática, o sistema de reabilitação pode ser concretizado de diversas formas, sendo comuns a todas elas alguns trabalhos fundamentais (Freas, 1982).

2. CARACTERIZAÇÃO DA LIGAÇÃO ENTRE ELEMENTOS DO SISTEMA

A ligação entre os elementos do sistema de reabilitação, nomeadamente a dos segmentos de madeira novos aos antigos, é efectuada mediante a colocação de armadura em entalhes praticados nas extremidades a unir, os quais são depois preenchidos com argamassa epoxídica.

Para efeito da análise experimental ensaiou-se a ligação entre dois segmentos de madeira, separados por uma junta de 10 mm de espessura preenchida com argamassa epoxídica, tal como é representado na Figura 1 para o caso particular de vigas com secção bxh=75x125 mm2_. A armadura de reforço da argamassa era constituída por três varões 10 de aço A400 NR, dispostos em três camadas (vigas V1 a V5). Para melhorar a aderência, decaparam-se os varões com jacto de areia seguido de limpeza final com catrabucha de arame, processo que lhes conferiu uma superfície rugosa e isenta de sinais de corrosão.

Figura 1 - Sistema de reabilitação incorporando varões A400 NR

Embora mantendo a concepção de base, a ligação da Figura 1 sofreu algumas adaptações nos casos das vigas armadas com aço inox (vigas V6 e V7) e com perfis de compósito reforçado com fibra de vidro – GFRP (vigas V8 e V9). Nestes casos usaram-se vigas de madeira com

A

A

´

B

B´

C

C´

Varões 10 de aço A400 NR a Cotagem em mm b a a b b

secção bxh=75x110 mm2_{, justificando-se a alteração apenas pela necessidade económica de} aproveitar madeira disponível.

A armadura de aço inox era constituída por dois varões roscados M14 dispostos em duas camadas, enquanto a armadura GFRP integrava 6 varões 5 dispostos em 3 camadas. Antes da aplicação os varões foram criteriosamente limpos e, no caso da armadura GFRP, as suas superfícies lixadas. Para ambos os tipos de armadura, fixou-se o afastamento livre entre varões numa quantidade igual ao diâmetro nominal e atribuiu-se o mesmo valor ao recobrimento do varão extremo em relação ao canto inferior da viga.

3. RESISTÊNCIA À FLEXÃO DO SISTEMA DE REABILITAÇÃO 3.1. Ensaios de flexão

Inicialmente ensaiou-se um conjunto de cinco vigas de madeira maciça (Pinus Pinaster, Ait) de secção bxh=75x125 mm2, submetendo-as à rotura por flexão. Posteriormente, as mesmas vigas foram reabilitadas, através do sistema de junta apresentado na Figura 1, e sujeitas a nova série de ensaios de flexão.

Adicionalmente, foram ensaiadas quatro vigas de secção bxh=75x110 mm2 incorporando armaduras de materiais alternativos, duas delas armadas com varões roscados de aço inox e as outras duas armadas com varões pultrudidos de fibra de vidro.

Os ensaios foram conduzidos de acordo com a norma EN 408, apresentando-se na Figura 2 o esquema de ensaio estático. Além do momento último de rotura, foram determinados o módulo de elasticidade global e o módulo de elasticidade local relativo ao terço central da viga. Na operação de reparação as partes danificadas foram removidas, o que só foi possível por as vigas originais possuírem comprimentos superiores ao estritamente necessário à satisfação das dimensões do esquema estático da Figura 2.

Figura 2 - Esquema de ensaio de flexão segundo a EN 408

Na Figura 3 apresenta-se, a título de exemplo e para a viga V1, o traçado da relação entre a força actuante e o deslocamento vertical provocado a meio vão. No diagrama sobrepôs-se o traçado da viga reabilitada ao traçado homólogo obtido no ensaio da mesma viga em estado original, permitindo-se a fácil comparação de comportamentos antes e depois da reabilitação. Em todas as vigas originais ensaiadas (madeira maciça) observou-se uma relação aproximadamente linear entre a força aplicada e os deslocamentos provocados.

Depois de reabilitadas com armadura de aço A400 NR, o comportamento das vigas caracterizou-se por rotura do tipo dúctil devido à cedência da armadura na secção da junta de ligação. A plastificação dos varões de aço permite a rotação de corpo rígido das duas partes da

2 F 2 F 2 F 2 F a = 6h 1,5h a = 6h 1,5h l = 18h 3h 6h h

viga e a abertura de uma fenda extensa na parte inferior da secção, formando-se uma rótula plástica (Figura 4).

A rotura por plastificação da armadura é própria de vigas sub-armadas, sendo possível aumentar a eficácia do sistema de reabilitação através do reforço da armadura. No entanto, o excessivo reforço poderá conduzir à modificação do modo de rotura. Outras causas possíveis de ruína estrutural são o esmagamento por compressão da argamassa ou da madeira, a rotura da madeira por tracção paralela ou perpendicular às fibras, a rotura da aderência argamassa-armadura e a rotura da aderência argamassa-madeira.

Figura 3 - Diagramas força–deslocamento da viga V1, antes e depois da reabilitação

Figura 4 – Modo de rotura das vigas armadas com aço A400 NR A Figura 5 refere-se aos diagramas força-deslocamento das vigas reabilitadas com aço inox, nas quais se utilizou a maior percentagem de armadura. Não obstante os varões de aço inox apresentarem uma rotura dúctil, a plastificação da secção da junta de ligação da viga é apenas incipiente no caso da viga V6 e não conseguida no ensaio da V7. A elevada percentagem de armadura adiou a plastificação e permitiu a manifestação de outras fragilidades do elemento estrutural.

Figura 5 - Diagramas força–deslocamento das vigas V6 e V7 reabilitadas

Figura 6 – Modo de rotura das vigas armadas com aço inox Nas duas vigas a rotura iniciou-se nas fibras traccionadas da madeira, exteriormente ao sistema de reabilitação, formando-se uma fenda inclinada direccionada à parte superior da junta de ligação. A causa principal da rotura foi a fraca resistência da madeira na direcção perpendicular ao fio, conforme se pode observar na Figura 6. Ao longo da fenda formada observa-se a

60

120

Deslocamento vertical a meio vão, w (mm)

Fo rç a F , ( kN ) Diagrama F-w V 1 Maciça V 1 Reabilitada 0 0 Diagrama F-w

Deslocamento vertical a meio vão, w (mm)

45 25 Fo rç a F , ( kN ) V 6 V 7 0 0

fractura da argamassa epoxídica e rotura localizada da aderência entre esta e a madeira. A aderência entre a armadura e a argamassa revelou-se eficaz, observando-se que os varões se mantinham perfeitamente envolvidos mesmo após a rotura.

Relativamente às vigas reabilitadas com GFRP, a relação entre a força aplicada e o deslocamento no vão é inicialmente linear mas observa-se a rápida perda de rigidez quando a rotura se aproxima (Figura 7). Os varões GFRP apresentam um comportamento perfeitamente elástico o que não favorece a plastificação da secção de junta. Ambos os elementos de teste comportaram-se de forma idêntica, sendo os mencionados diagramas sobreponíveis entre si.

Em ambas as vigas ensaiadas, V8 e V9, a ruína foi devida principalmente à perda de aderência da armadura, facto que se encontra bem documentado pela Figura 8.

Figura 7 - Diagramas força–deslocamento das vigas V8 e V9 reabilitadas

Figura 8 – Modo de rotura das vigas armadas com GFRP

3.2. Cálculo analítico do momento de rotura

A modelação analítica do comportamento em flexão da secção de junta do sistema de reabilitação permite o cálculo do momento último de rotura, o qual poderá ser comparado com os valores homólogos obtidos experimentalmente. O modelo de cálculo adoptado fundamenta-se no equilíbrio estático das tensões defundamenta-senvolvidas na fundamenta-secção, admitindo-fundamenta-se que esta permanece plana na deformação. Na Figura 9 e na Tabela 1 caracterizam-se as relações constitutivas dos materiais.

Figura 9 - Relações constitutivas dos materiais

As propriedades mecânicas assumidas no cálculo foram determinadas através de ensaios dos materiais ou recorrendo a fichas técnicas dos mesmos, quando disponíveis. O ensaio de vigas

f

f

( )=E

.

f

f

f

= f

f

f

f

f

f

f

Deslocamento vertical a meio vão, w (mm)

30 30 Fo rç a F, (kN) 0 0 V 8 V 9

de madeira maciça permitiu a determinação das propriedades da madeira, aplicando a metodologia definida na EN 408. A campanha experimental incluiu o ensaio de provetes de argamassa epoxídica à compressão e o ensaio de tracção de varões metálicos e compósitos.

Tabela 1 - Propriedades mecânicas dos materiais (valores médios)

Argamassa A400NR Inox GFRP Madeira Módulo de elasticidade (MPa) 19000 213000 174000 47000 14804

Tens. de rotura à tracção (MPa) - 586 962 870 90

Tens. de rotura à compressão (MPa) 66 - - - 90

Extensão lim. proporcionalidade (0_/

00) 3,47 2,75 5,53 18,51 6,10 Extensão última (0_/

00) 6,10 10,00 10,00 18,51 6,10

3.3. Interpretação de resultados

Na Tabela 2 apresentam-se os momentos de rotura por flexão, obtidos experimentalmente e analiticamente.

Tabela 2 - Momentos de rotura (Duarte, 2004)

Descrição Viga

Momentos de rotura (kN.m) Vigas Reabilitadas Vigas Maciças Ensaio Analítico Ensaio EC5 (2)

Vigas de secção 75x125, armadas com aço A400 NR

V1 9,3 10,5 19,9 5,3 V2 9,2 13,0 V3 9,4 22,2 V4 8,9 13,6 V5 8,2 15,1 Média 9,0 16,8 Vigas de secção 75x110, armadas com aço inox

V6 9,9 10,6 13,7 (1) _4,1 V7 7,5 Média 8,7 Vigas de secção 75x110, armadas com GFRP V8 6,6 7,5 13,7 (1) _4,1 V9 6,5 Média 6,6

(1) _{Valor extrapolado a partir dos ensaios de vigas originais 75x125, admitindo a mesma} tensão máxima e comportamento elástico

(2) _{Valor de cálculo segundo o Eurocódigo 5 para madeira de pinho de classe EE (NP 4305)}

Comparando os momentos resistentes antes e depois da reabilitação, verifica-se que o momento último decresceu cerca de 46% nas vigas reabilitadas com aço A400 NR. No caso das vigas armadas com aço inox, essa percentagem foi de 36% e, para as vigas reabilitadas com GFRP, de 52%. Estas relações dependem fundamentalmente da percentagem da armadura, mais que do tipo de varões. Em especial no caso de vigas reabilitadas com aço A400 NR, a secção da junta é claramente sub-armada, havendo a possibilidade de se aumentar o momento último através do reforço da armadura.

Um outro facto que justifica a diferença entre o comportamento mecânico das vigas antes e depois de reabilitadas é a superior qualidade da madeira utilizada, que pouco influencia o comportamento da secção crítica do sistema de reabilitação.

Apesar da redução de momento resistente ser significativa, o sistema de reabilitação é viável devido aos momentos últimos de ensaio serem todos maiores que o momento de cálculo da secção de madeira, obtido através do Eurocódigo 5. Na prática, este esforço nunca será ultrapassado durante a vida da estrutura, de acordo com a metodologia regulamentar de dimensionamento.

Não obstante o número de ensaios ser insuficiente para permitir uma análise estatística fiável, simulou-se o cálculo do valor característico inferior da variável “momento de rotura” para o caso das vigas reabilitadas com aço A400 NR. Obteve-se o valor de 8,2 kNm para este parâmetro de resistência e, considerando um factor parcial de segurança relativo aos materiais de M =1,1 por a rotura estar associada à cedência das armaduras, é previsível que o momento

resistente de cálculo obtido experimentalmente seja aproximadamente 7,4 kNm.

O valor anterior é directamente comparável com o momento de cálculo da secção de madeira maciça obtido segundo o Eurocódigo 5, excedendo-o em 41%. Este facto indicia mais uma vez a segurança do sistema de reabilitação, considerando a metodologia aprovada de dimensionamento de estruturas de madeira.

O momento de rotura das vigas reabilitadas é próximo do obtido analiticamente através do modelo de cálculo concebido. Para o caso das vigas armadas com aço A400 NR, a rotura ocorreu para um momento médio aproximadamente igual a 85% do momento calculado, mas é possível aumentar a concordância através de um estudo mais aprofundado do comportamento dos materiais.

No caso das vigas armadas com aço inox esta percentagem foi de 82% e, para as vigas reabilitadas com GFRP, de 88%. Alguma discrepância deve-se à rotura por flexão não ter sido alcançada, tendo a ruína sido antecipada pela conjugação de outras causas não consideradas no modelo, nomeadamente, fractura da argamassa, perda de aderência entre os materiais envolvidos e tracção perpendicular ao fio na madeira. No ensaio da viga V6 obteve-se um momento último inferior em apenas 7% ao momento de rotura calculado, o que demonstra a adequação do modelo de análise na ausência de outros modos de ruína que antecedam a rotura por flexão.

6. NOTAS FINAIS

Os resultados da análise experimental comprovaram a eficiência do sistema de reabilitação e encorajam o desenvolvimento de novas investigações. O conhecimento adquirido serve para fundamentar a proposta de algumas alterações do sistema com o objectivo de aumentar o momento resistente último. Como exemplo refere-se a compensação da fraca resistência perpendicular ao fio da madeira através da disposição de armaduras transversais na placa de argamassa. A cintagem da madeira nas secções críticas também poderá ser recomendável nos casos em que tal seja esteticamente aceitável.

A utilização de varões roscados de aço inox é uma boa alternativa relativamente ao emprego de aço A400 NR. A rosca dos varões torna a aderência da argamassa epoxídica mais eficiente e o facto do material não enferrujar dispensa a decapagem, sendo suficiente a limpeza simples da

sujidade superficial. Além disso, a resistência à tracção é bastante superior à verificada nos varões correntes.

Os varões GFRP, apesar de muito resistentes, possuem baixo módulo de elasticidade, o que se manifesta na elevada extensão última do material. Na zona envolvente da armadura observa-se a fissuração exagerada da argamassa devida à dificuldade desta em acompanhar as deformações impostas. Este facto e a baixa rugosidade da superfície dos varões GFRP prejudicam a aderência entre os dois materiais.

O modelo de cálculo deduzido constitui um meio útil no dimensionamento e concepção de sistemas de reabilitação semelhantes ao agora ensaiado. O modelo poderá ainda ser aprimorado através da investigação aprofundada do comportamento dos materiais.

Além da eficiência, abonam em favor da solução a possibilidade do desenvolvimento de uma metodologia de execução simples e barata, recorrendo a elementos de armadura pré-fabricados e de fácil posicionamento.

O trabalho de investigação encontra-se em curso, debruçando-se actualmente sobre a análise da aderência entre a argamassa e os outros materiais envolvidos, nomeadamente os varões da armadura e a madeira. No caso da aderência argamassa-madeira, será analisada a influência da variação do teor em água devida a alterações extremas das condições ambientais.

7. AGRADECIMENTOS

Os ensaios experimentais foram realizados no Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra, tendo contado com o empenho dos funcionários da instituição.

Duas empresas contribuíram com materiais consumidos no fabrico de provetes, nomeadamente, a SIKA, que ofereceu uma parte da argamassa epoxídica utilizada, e a ROTAFIX, empresa britânica que forneceu em condições especiais varões pultrudidos em fibra de vidro.

8. REFERÊNCIAS

Gemert, D. V.; Bosch, M. V. Structural restoration oh wooden beams by means of epoxi resin, Materials and Structures / Materiaux e Construction , 1987

Freas, A.; “Evaluation, Maintenance and Upgrading of Wood Structures. A guide and Comentary”, ASCE, 1982

EN 408. 2003, Timber Structures – Structural timber and glued laminated timber – Determination of some physical and mechanical properties, CEN

NP ENV 1995-1-1 Eurocódigo 5. 1998, Projecto de estruturas de madeira, Parte 1.1: Regras gerais e regras para edifícios, IPQ

NP 4305. 1995, Madeira serrada de pinheiro bravo para estruturas – Classificação visual, IPQ Duarte, A.; Reabilitação de elementos estruturais de madeira com argamassa epoxídica

armada. Tese de dissertação de mestrado apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2004