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ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE PEÇAS ESTRUTURAIS COM DIFERENTES REFORÇOS

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Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia CONTECC’2016

Rafain Palace Hotel & Convention Center- Foz do Iguaçu - PR 29 de agosto a 1 de setembro de 2016

ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE PEÇAS ESTRUTURAIS COM DIFERENTES

REFORÇOS

RENNAN LIBERATO RODRIGUES1*, EMANOEL CUNHA ARAÚJO 2, RICARDO JOSÉ CARVALHO SILVA3 1Acadêmico de Engenharia Civil, Universidade Estadual Vale do Acaraú, Sobral -CE,

rennanliberato@outlook.com

2Acadêmico de Engenharia Civil, Universidade Estadual Vale do Acaraú, Sobral -CE, emanoel.cunha@hotmail.com

3 Professor Doutor, Universidade Estadual Vale do Acaraú, Sobral –CE, ricardo.carvalho222@gmail.com

Apresentado no

Congresso Técnico Científico da Engenharia e da Agronomia – CONTECC’2016 29 de agosto a 2 de setembro de 2016 – Foz do Iguaçu, Brasil

RESUMO: Estruturas de concreto armado são as mais usadas na construção civil. Porém, com o passar do tempo sem a devida manutenção, essas estruturas normalmente apresentam patologias que comprometem a eficiência da estrutura da edificação. Com isso, o estudo de reabilitação de estruturas vem crescendo e se mostra um segmento de mercado promissor na indústria da construção civil, objetivando o restabelecimento da estrutura danificada através de reforços estruturais. Essa realidade justifica a escolha dessa análise comparativa entre dois tipos de vigas reforçadas: (1) vigas de concreto armado reforçadas à flexão com chapas de aço coladas ou coladas e aparafusadas na parte inferior da viga – vigas X2, X3, X4 e X5 e (2) vigas de concreto armado com chapas de aço coladas nas partes inferior e lateral das vigas com intuito de melhorar a ancoragem – vigas J2, J3, J4 e J5. É importante salientar que inicialmente as vigas foram pré-fissuradas com aplicação de 50 kN (aproximadamente 70% da carga de ruína), em seguida as vigas foram reforçadas e, uma semana depois, as vigas foram ensaiadas até a ruína. Os ensaios à flexão realizados na prensa do laboratório foram os tradicionais ensaios de Stuttgart. Observou-se que boa parte dos tipos reforços se mostraram eficientes, cumprindo o objetivo para qual foram realizados.

PALAVRAS-CHAVE: Concreto, reforço, estruturas.

COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN STRUCTURAL PARTS WITH

DIFFERENT TYPES OF STRENGTHENING

ABSTRACT: Reinforced concrete structures are the most used ones in the Construction. However, as time goes by without the proper maintenance these structures usually start presenting pathologies which compromise the efficiency of the structure of the building. Thus, the study of rehabilitation of structures has grown and has demonstrated to be a promising market segment in the construction, with the aim of reestablishing the damaged structure through structural strengthening. This reality justifies the choice of this comparative analysis between two types of strengthened beams: reinforced concrete beams strengthened by flexure with glued steel plates or glued and screwed in the inferior part of the beam - beams X2, X3, X4 and X5 and (2) reinforced concrete beams with steel plates glued in the inferior and lateral parts of the beams with the aim of improving the anchorage – beams J2, J3, J4 and J5. It is important to emphasize that initially the beams were precracked with the application of 50 kN (about 70% of the ultimate load), and then the beams were strengthened and, one week later, the beams were tested to the failure. The tests by flexure performed in the laboratory press were the traditional Stuttgart tests. It was observed that a part of the strengthening types proved to be efficient, by fulfilling the aim that was expected.

KEYWORDS: Concrete, strengthening, structures INTRODUÇÃO

Peças de concreto armado são executadas com o objetivo de atender as necessidades para qual foi projetada, proporcionando desempenho satisfatório quanto à vida útil e à resistência a

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carregamentos. Porém, ao longo de sua vida útil, a estrutura geralmente apresenta manifestações patológicas decorrentes de má conservação, falta de manutenção e condições ambientais agressivas na região da edificação. Assim, com o aparecimento e agravamento de tais manifestações, optam por duas saídas: a demolição da estrutura, inviável ambiental e economicamente, ou a utilização de reforços que deem a estrutura uma maior resistência. O concreto armado é um dos materiais mais utilizados na construção civil, sendo de suma relevância os estudos sobre a reabilitação estrutural através de reforços.

Segundo Souza e Ripper (1998), com crescimento muito acelerado da construção civil, viu-se a necessidade de inovações e, com isto, a aceitação de novos riscos que, consequentemente, provocam uma busca maior sobre o conhecimento sobre materiais e estruturas, com base nos erros cometidos que tem como resultado a deterioração precoce ou acidentes. Por conta disso, várias estruturas são projetadas e não tem o desempenho satisfatório, confrontando as necessidades para as quais foi projetada.

Para Silva (2006), o correto dimensionamento, a execução realizada com todos os controles de qualidade, o uso correto da estrutura e a sua manutenção periódica, são as condições ideais para prolongar sua vida útil. Porém, se houver alguma falha em alguma dessas etapas e decorrer então algum processo de degradação da estrutura, deve-se então proceder a sua recuperação ou o seu reforço. Segundo a NBR 6118 (ABNT, 2014), a solução estrutural adotada deve atender aos requisitos de qualidade estabelecidos nas normas técnicas, relativos à capacidade resistente, ao desempenho em serviço e à durabilidade da estrutura. Existem inúmeras formas de reforços em estruturas de concreto armado, as quais se pode citar: reforço por meio de barras de aço coladas, reforço por meio de chapas de aço ancoradas a superfície tracionada da peça, reforço por meio da aplicação de polímero reforçado com fibra de carbono, entre outros. Apesar do reforço de polímeros com fibra de carbono ser mais atual e eficiente que o reforço com chapas de aço coladas, o reforço mais popular no Ceará ainda é o com chapas de aço coladas, por se tratar de um reforço mais econômico.

O presente trabalho apresenta uma análise comparativa entre dois tipos de reforços para vigas de concreto armado. Os dois tipos de reforços se dão pela aplicação de chapas de aço na região tracionada da viga, ou seja, na parte inferior, diferindo principalmente no tipo de ancoragem utilizada. No primeiro tipo de reforço, a chapa de aço inferior e as chapas laterais foram coladas a viga e entre si com adesivo estrutural de base epóxi (vigas J2, J3, J4 e J5). A colagem das chapas (inferior e laterais) tinha a intenção de melhorar a ancoragem da chapa inferior. No segundo tipo de reforço, a ancoragem foi feita também com auxílio de adesivo estrutural de base epóxi, porém a chapa de aço foi fixada somente em baixo (vigas X2, X3, X4 e X5). Em duas dessas vigas, as chapas foram também aparafusadas à peça estrutural. As 10 vigas (8 reforçadas e 2 não reforçadas) foram produzidas e ensaiadas pelo Grupo de Pesquisa de Estruturas e Materiais – GEM da Universidade Estadual Vale do Acaraú (UVA).

Esse trabalho tem por objetivo verificar a eficiência desses dois tipos de reforços em vigas de concreto armado quanto à resistência mecânica, bem como a aderência entre o reforço e o substrato, analisando as vantagens e desvantagens do seu uso. Optou-se por esses tipos de reforços por ser um tipo de reforço que serve para obras de pequeno e grande porte, além de que os reforços com chapas de aço são os mais utilizados no estado do Ceará. Pretende-se também aprofundar os estudos na área de reforços estruturais, colaborando para a literatura sobre tal assunto, que ainda apresenta-se escassa. MATERIAIS E MÉTODOS

Nesse programa experimental, foram confeccionada 10 vigas, sendo 5 da série J e 5 da série X. Todas as 10 vigas (série J e série X) tinham a mesma armadura, conforme apresentada na Figura 1. Figura 1. Detalhamento da Armadura das Vigas.

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As chapas de aço estruturais utilizadas no reforço das vigas tinham espessura de 3mm e foram provenientes de dois lotes distintos. A Figura 2a e 2b mostram, respectivamente, as chapas de aço para o reforço ancorado com chapas laterais e as chapas de aço para o reforço aparafusado. Tem-se que a

tensão média de escoamento do aço usado na confecção das chapas é fy = 371 MPa e a tensão média

de ruptura é frupt= 523,5MPa.

Figura 2. Chapas de aço utilizadas no reforço.

(a) (b)

O adesivo estrutural utilizado foi o Sikadur 31, pois o mesmo oferece uma consistência pastosa boa que não derrama, mesmo na parte inferior de vigas, e foi especialmente criado para colagens de concreto velho com concreto novo ou para chapas de aço com concreto.

Para o desenvolvimento deste trabalho foram ensaiadas pelo método de “Ensaio de Stuttgart” dez vigas de seções transversais retangulares medindo 10 x 15 cm e com um comprimento de 80cm. Deste modo, foi possível estudar o reforço na região submetida à flexão pura (sem a presença do esforço cortante), no segmento central do vão, e flexão simples nos segmentos externos da viga.

Nos “Ensaios de Stuttgart”, detalhado na Figura 3(a), reproduzidos em laboratório foi possível verificar os mecanismos de ruptura nas vigas estudadas e também a carga de ruptura. As oito vigas foram submetidas a um ensaio de pré-fissuração com aplicação de uma carga de 50 kN (Figura 3(b)). Posteriormente foram reforçadas e submetidas ao ensaio de ruptura, enquanto às vigas de referência, sem reforço, foram submetidas apenas ao ensaio de ruptura.

Figura 3. Detalhamento do Ensaio de Stuttgart.

(a)

(b)

Antes de iniciar os ensaios, as dez vigas foram marcadas com as seguintes denominações de X1, X2, X3, X4, X5 para as vigas com reforços de chapa de aço coladas e aparafusadas (Figura 4) e J1, J2, J3, J4 e J5 para as vigas reforçadas com chapa de aço ancorada por chapas de aço laterais (Figura 5). As vigas X1 e J1 não receberam o reforço, pois serviram somente como referência para as demais e as outras oito receberam reforço.

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Figura 4. Vista Inferior do Detalhamento do Reforço das Vigas da Série X.

Figura 5. Vistas Lateral e Inferior do Detalhamento do Reforço das Vigas da Série J.

Os ensaios foram realizados no Laboratório de Materiais e Estruturas do Departamento de Engenharia da Universidade Estadual Vale do Acaraú. As vigas foram ensaiadas em uma prensa universal (Figura 3b) com a utilização de adaptadores, que são formas metálicas, padrão, existentes com dois apoios distantes entre si 62 cm, e um dispositivo para a distribuição da carga em dois pontos simétricos.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A partir da análise das rupturas e o comportamento das vigas juntamente com os reforços, os seguintes dados foram obtidos e dispostos na Tabela 1:

Tabela 1. Resultados obtidos com os Ensaios de Stuttgart

Viga Carga de Ruptura Modo de Ruptura

Série X

X1 111 kN Ruptura por Flexão

X2 115 kN Ruptura por Flexão com Descolamento do Reforço

X3 132 kN Ruptura por Compressão Diagonal

X4 135 kN Ruptura por Flexão

X5 125 kN Ruptura por Flexo-Cisalhamento

Série J

J1 98 kN Ruptura por Flexão

J2 99 kN Ruptura por Flexo-Cisalhamento com Descolamento do Reforço J3 108 kN Ruptura por Flexo-Cisalhamento com Descolamento do Reforço J4 110 kN Ruptura por Flexo-Cisalhamento com Descolamento do Reforço J5 100 kN Ruptura por Flexo-Cisalhamento com Descolamento do Reforço

Da série J, em todas as vigas, os reforços com chapas de aço coladas e ancoradas com chapas de aço laterais se descolaram antes que a peça pudesse atingir sua ruptura, embora tenham ajudado a diminuir significativamente as fissuras na região de flexão pura. As chapas de aço podem ter descolado por conta do adesivo estrutural, pelo fato deste não proporcionar a aderência suficiente tanto no conjunto chapa de aço - viga quanto no conjunto chapa de aço inferior - chapas de aço laterais. Destaca-se também que as chapas de aço laterais estavam localizadas em uma região de intenso esforço cortante, contribuindo para o seu descolamento. Além disso, observou-se que as chapas maiores (das vigas J2 e J3) descolaram mais cedo e, consequentemente, foram menos eficientes que as chapas curtas (das vigas J4 e J5).

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Da série X, observou-se na viga X2 que a extremidade esquerda do reforço se descolou aos 55 kN, influenciando na sua ruptura. Na viga X3, vale salientar que, à medida que o carregamento ia sendo efetuado, o reforço ia se descolando e os parafusos geraram uma zona de tensão, fazendo a viga se romper por compressão diagonal. Na viga X4, destaca-se a boa aderência do reforço, já que não houve o descolamento deste, suportando a carga até o concreto atingir sua deformação máxima. Na viga X5 observou-se que o reforço não se descolou da peça, porém os parafusos geraram um campo de tensão que fez com que as fissuras surgissem em torno do local onde estavam.

Os reforços feitos nas séries X e J apresentaram alterações positivas em relação às suas respectivas amostras referenciais, porém o reforço da série J não se mostrou tão eficiente quanto o reforço da série X. A reabilitações feitas nas vigas da série J apresentaram pouco acréscimo de resistência característica, chegando à 12% na viga J4, e não mostraram boa aderência, descolando-se em todas as amostras. Já os reforços da série X, além de apresentarem boa aderência, apresentaram aumentos significativos em sua resistência característica, chegando a 22% na viga X4.

CONCLUSÃO

Em relação à série J, conclui-se que a reabilitação das vigas se mostrou pouco eficiente, visto

que, embora a quantidade de fissuras na região de flexão pura tenha

sido bastante reduzida e que todas as vigas reabilitadas tenham rompido com carga superior à viga de referência, apenas uma delas apresentou acréscimo superior a 10%. Ressalta-se que todas as amostras reabilitadas tiveram suas fissuras intensificadas após o descolamento do reforço e romperam devido à

ação do descolamento das chapas.

Em relação à série X, conclui-se que o reforço se apresentou eficiente. Quando comparados os resultados das vigas é possível perceber que a viga X4, que foi reforçada com uma chapa de comprimento menor e somente colada, se mostrou a mais eficiente quanto à resistência e quanto à aderência, pois suportou uma carga superior que a carga da viga de referência e demais vigas. Com relação aos parafusos através dos resultados foi possível concluir que é uma boa forma de ancoragem para esse tipo de reforço só que a posição na qual ele for colocado tem que ser levada em consideração, pois ele gera uma sobreposição de tensões podendo levar a uma ruptura frágil por compressão diagonal.

Diante dos dados apresentados e a análise do comportamento das vigas confeccionadas, conclui-se que o reforço com chapas de aço coladas com adesivo de base epóxi e aparafusadas se mostrou mais eficiente, tanto em aumento na resistência característica quanto na aderência ao substrato, em relação ao reforço com chapas de aço coladas e ancoradas por chapas de aço laterais. AGRADECIMENTOS

À Universidade Estadual Vale do Acaraú e ao Grupo de Estruturas e Materiais pelo apoio no desenvolvimento desta pesquisa.

REFERÊNCIAS

Silva, E. A. da. Técnicas de Recuperação e Reforço de Estruturas de Concreto Armado. Universidade Anhembi Morumbi. São Paulo. 2006. 84p.

Souza, V. C. M; Ripper, T. Patologia, Recuperação e Reforço de Estruturas de Concreto. 1º Edição. Editora Pini. São Paulo, 1998. 256 p.

Ximenes, M. M. Estudo Teórico-Experimental de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com Chapas de Aço Coladas por Meio de Adesivo Epóxi e Parafusadas. Monografia apresentada como requisito parcial à Universidade Estatual Vale do Acaraú. Sobral. CE. 2016. 94p.

Rodrigues, J.O. Estudo Teórico-Experimental de Vigas Reforçadas com Chapas de Aço Coladas. Monografia apresentada como requisito parcial à Universidade Estatual Vale do Acaraú. Sobral.CE. 2015. 124p.

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