TÍTULO: REFORÇO ESTRUTURAL COM COMPÓSITOS DE FIBRA DE CARBONO TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA ÁREA:
SUBÁREA: Engenharias SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO(ÕES): FACULDADE DE JAGUARIÚNA - FAJ INSTITUIÇÃO(ÕES):
AUTOR(ES): FERNANDO VICENTE MARQUES AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): LUCIANE SANDRINI DIAS ORIENTADOR(ES):
RESUMO
Considerando a presente intervenção de reforços estruturais necessárias nas estruturas durante sua execução ou para corrigir falhas de projetos ou durante sua vida útil, a análise das técnicas de reparos é de extrema importância para a engenharia nacional. A necessidade de se reforçar a estrutura ocorre no momento em que o elemento estrutural se torna incapaz de suportar o aumento dos esforços. O aparecimento de novos produtos e métodos desenvolvidos para reparos nos últimos cinquenta anos, demonstra a importância do desenvolvimento desse estudo e que tal tecnologia acaba se tornando imprescindível para o conhecimento dos engenheiros que tem por interesse obter resultados satisfatórios nas obras. A técnica é simples e eficaz em relação a outros métodos utilizados, tendo como algumas vantagens a velocidade de tempo de execução e vale ressaltar também o curto prazo para que o elemento estrutural possa entrar novamente em serviço. Há uma grande variação de elementos de concreto armado em que o sistema de compostos de fibra de carbono pode ser aplicado. Como se sabe, a alternância de tensões produzidas quando há a ocorrência de abalos sísmicos produz fissuras longitudinais radiais no concreto em suas extremidades inferiores e superiores das colunas, onde seu reforço pode ser feito através do aumento da resistência a flexão.
Palavras-chave: Fibra de Carbono, Recuperação de Estruturas, Reforço Estrutural.
1. INTRODUÇÃO
Ao longo dos últimos cinquenta anos, os compósitos têm impulsionado o aparecimento de novos produtos estruturais.
O início das pesquisas de materiais compósitos na construção civil foi desenvolvido no Japão no século XX, onde buscavam soluções devidas aos problemas originados pelos abalos sísmicos.
Devido a essa ação natural, havia necessidade de que esses reparos estruturais fossem executados em um curto intervalo de tempo. Nesses casos foram empregados mantas de fibra de carbono com a função de fortalecer os nós da estrutura e eliminar os danos causados.
O sistema de reforço estrutural com compósitos é indicado para diversas estruturas, entre elas lajes, paredes, túneis e outras estruturas onde haja necessidade de elevar a sua capacidade de carga.
No sistema de reparo estrutural com a manta de fibra de carbono, são empregadas além da fibra, resinas epóxicas, que aumentam significativamente a resistência das estruturas.
Especificamente para reforços, existem métodos já comprovadamente eficientes, como: o encamisamento da peça, colagem de chapas metálicas por meio de resina epóxi, protensão de cabos exteriores, implantação de perfis metálicos e uso de materiais alternativos que vêm conquistando espaço no mercado, como é o caso dos compósitos de fibras reforçadas com polímeros, com destaque para as fibras de carbono e de vidro, uma vez que são materiais flexíveis e altamente resistentes (FIORELLI, 2002, 1p).
O reforço com compósitos de fibras de carbono apresenta características semelhantes a outras tecnologias de reparo, mas nesse caso porta maior trabalhabilidade, técnica de rápida aplicação e na maioria das vezes não há alteração nas estruturas e suas dimensões.
BEBER (2000) afirma que para um mesmo incremento de resistência, 2 kg desse material compósito poderiam substituir 47 kg de aço.
Os tecidos permitem o seu uso em locais onde não há a possibilidade de execução de reparo de outra forma, devido a sua leveza, maleabilidade e fácil aplicação.
Todavia, essa tecnologia contém suas desvantagens, entre elas estão a baixa resistência ao fogo e raios UV, incompatibilidade com a superfície de algumas estruturas e comparando com outros sistemas, o seu custo chega a ser 40% maior.
2. DESENVOLVIMENTO
A fibra de carbono para reforço estrutural passou a ser utilizada a partir de necessidades em estruturas de concreto armado, quando necessário para a reparação ou reforços na estrutura de concreto, buscando melhorar a segurança e também prolongando sua vida útil. Trata-se de patologias ocasionada por erros de projetos, erros de execução, utilização de materiais de baixa qualidade, ou o conjunto desses fatores incluindo sua vida útil.
O processo de produção da fibra de carbono vem do tratamento térmico de fibras orgânicas, que são derivados de petróleo ou carvão. A produção consiste no processamento dessas fibras em elevadas temperaturas, que variam de 1.000ºC a 1500°C para as fibras. O
resultado do processo térmico apresenta átomos alinhados ao longo da fibra, e com isso mostra uma resistência mecânica no produto final.
O reforço com a fibra de carbono pode ser utilizado em vários tipos de elementos e estruturas em concreto promovendo reforço estrutural onde ocorrem momentos fletores com suas correspondentes tensões de tração, compressão e cortante, tais como, muros de arrimo, tabuleiros de pontes, túneis, lajes, pilares, vigas, reservatórios, postes de rede elétrica, etc.
(TEKEUTI 1999, 22p) afirma em seu estudo que as consequências das patologias variam desde a perda do nível adequado de segurança das estruturas até a perda das condições de utilização da construção, afetando suas características estéticas e funcionais.
Por esse motivo a durabilidade das estruturas em concreto armado gerou uma preocupação para os que trabalham com a construção civil, com isso o reforço e a recuperação das estruturas são as principais soluções para sanar os problemas como os citados acima.
Para (BEBER 2003, 03p) o envelhecimento e a degeneração das estruturas de concreto são processos naturais e inevitáveis. O problema principal não é a degeneração propriamente dita e sim, como o processo desenvolvem-se quais as condicionantes que determinam sua evolução.·.
Os materiais carbonosos possuem teor superior a 99% e podem ser encontrados na natureza ou processados (sintético). Materiais carbonosos sintéticos são processados em indústrias ou laboratórios originados por um composto de carvões, resinas, coques, gases orgânicos e em maior proporção, materiais poli granulares constituídos por ligantes orgânicos, fibras e partículas.
Tanto materiais carbonosos naturais como sintéticos, podem obter um formato hexagonal em camadas planas e arranjadas com diversos níveis de ordenação e são semelhantes a estrutura do grafite ou ligação estrutural do diamante.
O processo produtivo consiste na oxidação das fibras precursoras orgânicas, como o Poliacrilonitril, posteriormente encaminhada a elevadas temperaturas.
No processo térmico, as fibras apresentam átomos de carbono perfeitamente alinhados ao longo da fibra, característica que comprova a alta resistência do material.
Quanto maior a temperatura utilizada no processo, maior será seu módulo de elasticidade, que tem a variação entre 100 GPa a 300 GPa para as fibras de carbono e até 650 GPa para fibras de grafite.
A segunda componente dos compósitos de FRP é a matriz, cuja função é garantir que as fibras trabalhem em conjunto, com forma de que haja proteção de intempéries, danos mecânicos e fenômenos de instabilidade.
Devido às excelentes propriedades em termos de aderência, de resistência e de resistência mecânica é utilizado resinas termoendurecíveis.
3. TÉCNICAS DE REFORÇO
Dentre as técnicas utilizadas é considerado a mais correta a que se baseia na colagem externa de sistema de FRP, onde a direção das fibras deve seguir o máximo possível a direção das tensões de tração. Esta técnica tem sido utilizada no reforço à flexão e ao corte (ACI 2002, Juvandes et. al. 2001, Barros e Dias 2003).
A aplicação de sistemas compósitos de CFRP no reforço de elementos de betão segundo a técnica da colagem externa envolve essencialmente três tarefas (Dias e Barros, 2004):
● O Preparo da superfície do elemento é fundamental para que a base de aplicação tenha boas condições de aderência. No sistema de cura in situ a superfície deve ser esmerilhada, enquanto no caso dos laminados deve ser preparada com um jato de areia seguido por sua limpeza de ar comprimido.
● A aplicação do reforço.
● O controle de qualidade antes, durante e após a aplicação do FRP.
Para esse controle, é tomado um conjunto de medidas que tem por objetivo minimizar os riscos de gerar um reforço ineficiente, em especial:
● A avaliação da qualidade da superfície estrutural através de ensaios de tração, obtendo resultados recomendados de 1,0 Mpa para sistema curado in situ e de 1,5 Mpa para sistema pré-fabricado.
● O reparo nas irregularidades das superfícies de aplicações.
● A base deve estar limpa e seca, cuja umidade não ultrapasse 4%, além de que a superfície deve estar isenta de óleos e gordura.
● A temperatura mínima do ar para aplicação do sistema é de 10ºC. ● Deve ser respeitado o tempo de aplicação das resinas e adesivos.
● Na aplicação do sistema de manta deve ser evitada a formação de bolhas de ar e deve-se respeitar deve-seu alinhamento das fibras.
● Deve ser aplicada uma tinta no reforço, para que haja proteção contra raios ultravioleta.
Khalifa (1999) sugeriu para reforçar ao corte vigas de betão com compósitos de CFRP.
Estas configurações distinguem-se quanto à configuração da superfície colada, distribuição do reforço de CFRP, orientação das fibras, sobreposição de camadas com orientação diferente das fibras e quanto à adoção de mecanismos de ancoragem.
Sistemas de FRP podem ainda ser usados para aumentar o confinamento do betão, principalmente em elementos sujeitos a esforços de compressão, como é o caso dos pilares (Ferreira e Barros 2003).
4. CUSTO SISTÊMICO
Analisando o contexto de patologia, o emprego da fibra de carbono pode aparentar um custo elevado. Afinal, conforme explica Libânio, os fios das fibras de carbono são produzidos com tecnologia de ponta e comercializados para diversos países que produzem as telas, mantas e laminados. Esses produtos são em grande parte importados. Entretanto, ele afirma que, desde o fim da década de 80, a produção no mundo aumentou de maneira exponencial e, como consequência, houve uma redução maior de custos.
Com respeito à aplicação, os custos também são elevados, comenta Bertrand. Há tecnologia e processos ligados às fibras, às resinas, à aplicação que são mais delicados do que a maioria dos processos na construção civil. Entretanto, continua ele, a análise de custos de um reforço estrutural não pode ser feita de forma isolada. É preciso analisar o custo da
solução com esse sistema de maneira global e, nesse caso, o custo do reforço com esses elementos é muitas vezes bastante competitivo, senão mais barato.
Para Bertrand, entender o custo de cada solução depende de cada obra. Em alguns casos a solução com fibras de carbono é bem mais econômica, em outros a solução seria economicamente inviável e, em outros, poderia não ser tecnicamente viável. É necessário realizar uma avaliação caso a caso.
De acordo com a Câmara Brasileira da Indústria da Construção, a participação média da mão-de-obra no Custo Unitário Básico de construção foi de 54,1% no ano de 2015. Portanto, levar em consideração apenas o custo do material é um grave erro.
De acordo com o Instituto Brasileiro de Economia, da Fundação Getúlio Vargas, a inflação atingiu a mão de obra de maneira 60% mais significativa do que os materiais.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir das análises realizadas entre os estudos de sistemas de reforço estrutural, nota-se uma margem de custo elevada. Apesar do alto custo da fibra de carbono, é ressaltado que há uma menor necessidade de utilização de mão de obra e equipamentos, o que por sua vez faz com que o emprego da tecnologia seja viável.
Devido à facilidade de transporte e a simples técnica de aplicação do reforço, há também uma grande diferença de prazo entre os tipos de reforços e métodos tradicionais.
O serviço de adição de fibra de carbono não gera entulho algum, o que aumenta ainda mais sua atratividade em comparação com outros métodos.
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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