ARTHUR MICHEL SCARDUELLI PRUDÊNCIO GABRIEL DE PAULA SANTOS GONÇALVES
APRESENTAÇÃO DO USO DE FIBRAS DE CARBONO PARA REFORÇO ESTRUTURAL EM UMA OBRA HOSPITALAR NA CIDADE DE SÃO PAULO
Tubarão 2019
ARTHUR MICHEL SCARDUELLI PRUDÊNCIO GABRIEL DE PAULA SANTOS GONÇALVES
APRESENTAÇÃO DO USO DE FIBRAS DE CARBONO PARA REFORÇO ESTRUTURAL EM UMA OBRA HOSPITALAR NA CIDADE DE SÃO PAULO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Eng. Walter Olivier Alves
Tubarão 2019
A todos os professores da faculdade, que foram essenciais em nossa trajetória acadêmica.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente а Deus que permitiu que tudo isso acontecesse, ao longo de nossas vidas, não somente nestes anos como universitários. Em todos os momentos, Deus é o maior mestre que alguém pode conhecer.
Agradecemos ao professor Eng. Walter Olivier Alves, pela orientação, apoio е confiança.
Agradecemos nossas famílias, pelo amor, incentivo е apoio incondicional.
Agradecemos ao Eng. Marcelo Scarduelli Alves pela sua atenção, por fornecer fotos e materiais para o desenvolvimento do trabalho e por todo conhecimento repassado a nós.
Agradecemos a Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL), por proporcionar a oportunidade de prestar о curso de Engenharia Civil.
E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte de nossa formação, о nosso muito obrigado.
“O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder entusiasmo.” (Winston Churchill).
RESUMO
Para ficar a par do mercado da construção civil, o profissional necessita atualizar-se constantemente, uma vez que novas tecnologias estão sendo descoberta, e métodos já existentes em constante aprimoramento. As atualizações visam desempenhar uma maior qualidade nos serviços executados, elevar a confiabilidade nas estruturas e aumentando o limite de construção, delimitado pela própria resistência dos materiais empregados. Nosso trabalho visa apresentar detalhadamente o processo de reforço estrutural por meio da aplicação de compósitos de fibra de carbono, uma tecnologia ainda pouco utilizada, porém que vem se tornando cada vez mais usual no ramo da construção civil devido a sua alta resistência, rapidez na aplicação e baixo aumento de seção da estrutura. Como exemplo prático deste processo, tem-se o reforço estrutural com a finalidade de alterar a classe de uso da edificação originalmente projetada para uso residencial e que foi incorporada às instalações de um complexo hospitalar em São Paulo para a criação de uma nova ala de atendimento. Com a necessidade de realizar um reforço para que a estrutura suportasse a alta carga aplicada pelos equipamentos hospitalares, visto que por se tratar de um hospital, havia a necessidade de inaugurar e iniciar a operação na nova edificação o mais breve possível, o método escolhido para utilização foi o da aplicação de mantas e laminados de fibra de carbono nas vigas e lajes da edificação. Com as observações feitas por meio do estudo realizado, pode-se verificar que é um método extremamente eficaz, superando a resistência de alternativas de reforços mais comummente utilizadas, atendendo o propósito da obra.
Palavras-chave: Compósito de Fibra de Carbono. Construção Civil. Engenharia. Reforço Estrutural. Sistemas Estruturais.
RÉSUMÉ
Afin de rester compétitif sur le marché de la construction, le professionnel doit constamment se tenir au courant des nouvelles technologies et des méthodes existantes qui sont en constante amélioration. Ceci, dans l’optique de fournir des services de meilleure qualité pour augmenter la fiabilité des structures et la limite de construction délimitée par la résistance même des matériaux utilisés. Cette étude vise à présenter en détail le processus de renforcement structurel par l'application de composites de fibres de carbone. Cette technologie est encore peu utilisée mais elle est de plus en plus courante dans l'industrie de la construction en raison de sa résistance élevée, de sa rapidité d'application et de la faible augmentation de volume de la structure. Nous prenons comme exemple pratique la création d’une nouvelle aile de fréquentation d’un complexe hospitalier à São Paulo. Le renforcement structurel a été fait dans le but de changer la classe d’usage du bâtiment, initialement conçu pour un usage résidentiel. Compte tenu de la nécessité de renforcer la structure pour résister à la charge élevée imposée par les équipements hospitaliers ; il était donc nécessaire de démarrer l’opération dans le nouveau bâtiment le plus rapidement possible. Donc, des couches et des stratifiés de fibre de carbone ont été appliqués sur les poutres et les dalles du bâtiment. Les observations faites au cours de l’étude permettent de vérifier que c’est une méthode extrêmement efficace, qui surpasse la résistance des variantes de renforts plus communément utilisées, en tenant compte de la finalité du travail.
Mots-clés: Composite de Fibre de Carbone, Construction, Ingénierie, Renforcement Structurel, Systèmes Structurels.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Rolo de compósito de fibra de carbono... 21
Figura 2 – Compósito de fibra de carbono comercializado em pequenas quantidades ... 22
Figura 3 – Determinação do estado inicial de deformação ... 25
Figura 4 – Forças atuantes na seção transversal resistente ... 27
Figura 5 – Distribuição das tensões de aderência da fibra de carbono ... 30
Figura 6 – Configurações possíveis para o reforço ao cisalhamento ... 31
Figura 7 - Largura e espaçamento do cfc colado em uma viga ... 33
Figura 8 - Comprimento df ... 35
Figura 9 - Corte de concreto - profundidade da remoção ... 37
Figura 10 - Escarificação de viga de concreto armado ... 39
Figura 11 - Aplicação de primer em peça de concreto ... 40
Figura 12 - Folha flexível de fibra de carbono executada ... 41
Figura 13 - Reforço com perfis metálicos ... 43
Figura 14 - Viga com armadura preparada para reforço com concreto ... 44
Figura 15 - Representação de reforço com protensão externa... 45
Figura 16 - Inibição de deformação por aplicação de protensão exterior ... 45
Figura 17 - Substituição de um pilar danificado, com a consequente redistribuição de esforços, através de protensão exterior ... 46
Figura 18 - Reforço contra flexão por meio de protensão exterior ... 46
Figura 19 - Projeto de reforço estrutural, laje do sétimo pavimento ... 51
Figura 20 - Projeto de detalhamento das novas vigas, uma cubeta ... 51
Figura 21 - Projeto de detalhamento das novas vigas, duas cubetas ... 52
Figura 22 - Viga concretada no vão de cubetas ... 53
Figura 23 - Detalhe do concreto novo na viga e do antigo no maciço ... 53
Figura 24 - Frisos abertos para inserir o laminado de fibra de carbono ... 54
Figura 25 - Funcionários cortando as lâminas para reforço ... 55
Figura 26 - Aplicação das lâminas de carbono na viga ... 56
Figura 27 - Aplicação da resina epóxi mc-dur 1300 tx ... 57
Figura 28 - Funcionários colocando a camada do reforço de cfc ... 58
Figura 29 - Projeto com vista lateral e detalhamento do reforço ... 58
Figura 30 - Mantas de cfc aplicadas com espaçamento... 59
Figura 32 - Jateamento de argamassa ... 61
Figura 33 - Nova viga para a adequação de uso do edifício ... 61
Figura 34 – Preparação da superfície antes e depois, respectivamente ... 62
Figura 35 - Projeto para reforço de vigas com cfc ... 63
Figura 36 - Detalhamento para o reforço a esforços cortantes ... 64
Figura 37 - Execução de reforço estrutural de laje ... 65
Figura 38 - Viga com reforço estrutural executado sob o reforço da laje ... 66
LISTA DE GRÁFICOS
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para ∆c = 10 mm ... 37 Tabela 2 – Exigências da altura da edificação ... 60
LISTA DE ABREVEATURAS E SIGLAS
ACI – Instituto Americano do Concreto do inglês American Concrete Institute CFC – Compósitos de fibra de carbono
CFRP – Carbonfiber–reinforcedpolymer cm - Centímetros GPa – Gigapascal kN - Quilonewton m3 – Metros cúbicos mm – Milímetros Mpa – Megapascal NBR – Norma Brasileira
TFC – Tecidos de fibra de carbono PAN – Poliacrilonitril
PITCH – Alcatrão derivado do petróleo ou do carvão ºC – Graus Celcius
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Deformação máxima permissível na fibra de carbono ... 25
Equação 2 - Posição da linha neutra ... 26
Equação 3 - Forças internas atuantes na seção transversal ... 26
Equação 4 - Do equilíbrio de momento com relação à armadura tracionada ... 27
Equação 5 - Momento interno resistente da seção transversal ... 27
Equação 6 - Momento interno com relação ao eixo resultante de compressão no concreto .... 28
Equação 7 - Momento interno resistente da seção transversal ... 28
Equação 8 - Área necessária para o compósito ... 28
Equação 9 - Tensão na fibra de carbono... 29
Equação 10 - Fator de redução para a resistência do aço ... 29
Equação 11 - Nível de tensão no sistema de fibra de carbono ... 29
Equação 12 - Cálculo da fluência ... 30
Equação 13 - Força absorbida pela fibra de carbono... 30
Equação 14 - Determinação do comprimento de ancoragem ... 31
Equação 15 - Determinação do valor extra de resistência ao esforço cortante ... 32
Equação 16 - Área da seção transversal do sistema CFC ... 32
Equação 17 - Sistema CFC colado na vertical ... 33
Equação 18 - Tensão atuante ... 34
Equação 19 - Tensão atuante no sistema CFC ... 34
Equação 20 - Cálculo do fator de redução ... 34
Equação 21 - Cálculo do fator de redução para vigas com seção totalmente envelopada ... 34
Equação 22 - Comprimento aderido da fibra de carbono, caso 1 ... 35
Equação 23 - Comprimento aderido da fibra de carbono, caso 2 ... 35
Equação 24 - Comprimento efetivo de aderência da fibra de carbono ... 36
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 18 1.1 JUSTIFICATIVA ... 18 1.2 OBJETIVO ... 19 1.2.1 Objetivo geral ... 19 1.2.2 Objetivos específicos ... 19 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 21 2.1 FIBRAS DE CARBONO ... 21 2.1.1 PROCESSO DE PRODUÇÃO ... 22
2.1.2 Vantagens da utilização de compósitos de fibra de carbono ... 23
2.1.3 Desvantagens da fibra de carbono ... 23
2.2 DIMENSIONAMENTO PARA REFORÇO A FLEXÃO ... 24
2.2.1 Cálculo do Reforço ... 26
2.2.2 Verificação da ductilidade ... 29
2.2.3 Ruptura por fluência e fadiga ... 29
2.2.4 Comprimento de ancoragem por aderência ... 30
2.3 DIMENSIONAMENTO PARA REFORÇO AO CISALHAMENTO ... 31
2.4 MANIFESTAÇÕES PATOLÓGICAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO ... 36
2.5 CONCEITO DE RETROFIT ... 38
2.6 PROCESSOS PARA APLICAÇÃO DE MANTA DE FIBRA DE CARBONO ... 38
2.6.1 Preparação da estrutura ... 39
2.6.2 Esmerilagem da superfície ... 40
2.6.3 Aplicação do Primário e da Resina de Colagem ... 40
2.6.4 Aplicação do Compósito de Fibra de Carbono ... 41
2.6.5 Última Camada de Resina e Camadas Adicionais ... 42
2.7 MÉTODOS DE REFORÇO ESTRUTURAL ALTERNATIVOS A APLICAÇÃO DE MANTAS DE FIBRA DE CARBONO ... 42
2.7.1 Reforço com Chapas ou Perfis Metálicos ... 43
2.7.2 Reforço com Concreto ... 43
2.7.3 Reforço com Protensão Externa ... 44
3 METODOLOGIA ... 47
3.2 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS ... 48
3.3 O PROCESSO ... 48
4 RESULTADOS E DISCUSÕES ... 49
4.1 IDENTIFICAR E DESCREVER PORQUE É NECESSÁRIA UMA ADEQUAÇÃO PARA O NOVO USO DO EDIFÍCIO ... 49
4.1.1 Descrição da obra analisada ... 49
4.2 MÉTODO UTILIZADO PARA O REFORÇO COM A CONSTRUÇÃO DE NOVAS VIGAS ... 50
4.3 PROCEDIMENTO DE REFORÇO ESTRUTURAL APLICADO AS VIGAS JÁ EXISTENTES ... 62
4.4 MÉTODO UTILIZADO PARA O REFORÇO EM LAJES ... 64
5 CONCLUSÃO ... 67
REFERÊNCIAS ... 69
APÊNDICES ... 71
APÊNDICE A – PRIMEIRO QUESTIONÁRIO DO ESTUDO DE CASO ... 71
APÊNDICE B – SEGUNDO QUESTIONÁRIO DO ESTUDO DE CASO ... 73
ANEXOS ... 75
ANEXO A – PROJETO DE REFORÇO PRIMEIRO PAVIMENTO ... 75
ANEXO B – PROJETO DE REFORÇO SEGUNDO PAVIMENTO ... 76
1 INTRODUÇÃO
Ao projetar uma estrutura de concreto armado é de suma importância atender as finalidades no qual foram concebidas, com fatores que influenciam diretamente na qualidade e segurança desta estrutura, em todas as etapas: concepção, projeto, utilização e execução.
Apesar de a estrutura de concreto armado ter uma vida útil delimitada, é de responsabilidade do engenheiro quaisquer acontecimentos que ocorram em virtude de um mal dimensionamento ou alguma falha de projeto durante este período, dando assim o devido senso de importância de tal projeção, já que o mesmo responderá criminalmente caso tais fatos ocorram. Entretanto, mesmo com um dimensionamento realizado em conformidade com todas as normas e em compatibilidade com o uso para a qual foi projetada, a estrutura também pode sofrer influência de agentes imprevistos, como um eventual acidente, alguma catástrofe natural ou até a utilização indevida do usuário, comprometendo assim a sua eficiência e vida útil,
Uma vez que uma patologia se manifesta em uma estrutura, cabe ao usuário solicitar uma sondagem e investigação da mesma para descobrir sua origem, sua gravidade e grau de comprometimento da estrutura, podendo assim calcular e propor uma solução adequada para o problema investigado. A necessidade de reparar ou reforçar uma determinada estrutura, tem se tornado uma prática cada vez mais comum atualmente. Seja ela por maior utilização de peças mais esbeltas, aumento da carga aplicada à estrutura, mau dimensionamento, dentre outros.
O reforço estrutural trata-se de uma readequação estrutural, onde busca reabilitar a estrutura para sua utilização, recondicionando suas características conforme solicitada pelo seu método de uso. Existem vários métodos para reforçar uma estrutura, entre eles o mais utilizado e solicitado pelos projetistas que é o encamisamento de viga, além deste, tem a implantação com perfis metálicos, a colagem com chapas metálicas e a menos usual, porém que vem conquistando espaço no mercado nos últimos anos que é a recuperação por meio da aplicação de mantas de fibra de carbono.
Neste contexto, este projeto tem o objetivo de apresentar e descrever o método de aplicação de compósitos de fibra de carbono nos processos de reforço estrutural realizado em um edifício localizado na cidade de São Paulo.
1.1 JUSTIFICATIVA
Com o passar dos anos, muito se desenvolveu a partir de estudos e pesquisas em relação aos métodos de reforços e recuperações estruturais. Muitas técnicas, são atualizações
das instruções normativas, de inovações tecnológicas e emprego de novas ferramentas para realizar este serviço.
Contudo, nem sempre os processos são seguidos de acordo com as instruções normativas. A comodidade acaba afetando a qualidade do serviço e até colocando em risco a segurança das pessoas ali envolvidas, muitas vezes por própria negligência de quem comanda a obra, seja pelo excesso de confiança em seus conhecimentos e vícios adquiridos com o passar dos anos exercendo esta função. Mas, em muitos casos, é pela falta de interesse em estar sempre se atualizando em função das novas tecnologias e métodos desenvolvidos justamente para facilitar todo o processo de reforço estrutural.
Visando esta preocupação, tem-se o seguinte problema de pesquisa a ser abordado: Por meio de um acompanhamento de uma adequação da classe de uso de um edifício localizado na cidade de São Paulo, apresentar e descrever o método de aplicação de compósitos de fibra de carbono nos processos de reforço estrutural, em estudo realizado no ano de 2019 na cidade de Tubarão/SC.
1.2 OBJETIVO
1.2.1 Objetivo geral
Apresentar a metodologia do processo de reforço estrutural por meio do uso de compósitos de fibra de carbono, para adequação de classe estrutural de uma edificação.
1.2.2 Objetivos específicos
Para atender o objetivo geral descrito, foram determinados os seguintes objetivos específicos:
a) Análise da produção e histórico dos compósitos de fibra de carbono.
b) Descrever as instruções normativas aplicadas a recuperações estruturais com fibra de carbono.
c) Descrever métodos de reforço estrutural alternativos a aplicação de mantas de fibra de carbono no Brasil e no mundo.
d) Identificar e descrever porque é necessária uma adequação para o novo uso do edifício.
e) Descrever os procedimentos de reforço estrutural com fibra de carbono para a construção de novas vigas.
f) Descrever os procedimentos de reforço estrutural com fibra de carbono aplicado nas vigas.
g) Descrever os procedimentos de reforço estrutural com fibra de carbono aplicado nas lajes.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 FIBRAS DE CARBONO
Os compósitos de fibra de carbono (CFC), em inglês carbonfiber–
reinforcedpolymer (CFRP), começaram a ser utilizados na Construção Civil no Japão. De
acordo com Andrade (2011), o país está situado em uma zona de subducção, local onde há colisão de placas tectônicas, e consequentemente possui uma elevada ocorrência de abalos sísmicos. Foi em meados da década de 80, com a finalidade de preparar as estruturas da Região de Kanto para estes terremotos e com o incentivo do governo japonês, que as fibras de carbono tiveram suas primeiras aplicações em estruturas civis (SOUZA; RIPPER 1998).
Segundo Machado (2002, p. 1), as fibras de carbono são produtos resultantes da carbonização de fibras percursoras, tais como poliacrilonitril (PAN) ou com base no alcatrão derivado do petróleo ou do carvão (PITCH) em um ambiente inerte e por meio de fibras de rayon. No Brasil, as fibras de carbono são comercializadas em rolos (Figura 1) ou peças separadas (Figura 2), que quando esticadas tem formato de manta, sendo muito comum serem chamadas popularmente como mantas de fibra de carbono.
Figura 1 – Rolo de Compósito de Fibra de Carbono
Figura 2 – Compósito de Fibra de Carbono Comercializado em Pequenas Quantidades
Fonte: Ventro, [s.d.].
2.1.1 PROCESSO DE PRODUÇÃO
Os compósitos de fibra de carbono podem ser aplicados de três formas no ramo da construção civil, como manta, parecendo um tecido, como laminado, sendo mais rígido e menos plástico e como cut-in, que são longas e finas tiras de laminados. Segundo Machado (2002, p. 1), seu processo de produção se dá com base na oxidação de tais fibras (Gráfico 1), seguido de seu processamento a temperaturas elevadas, as quais variam entre 1.000ºC a 1500ºC.
Gráfico 1 – Diagrama Tensão x Deformação das Fibras
Ainda segundo Machado (2002, p. 1), após este processo térmico, as fibras remanescentes apresentam átomos perfeitamente alinhados ao longo de sua linha percursora, concedendo assim a resistência mecânica calculada ao produto. A diferença na temperatura em que se realiza todo o processo industrial de fabricação das fibras é que determina qual o tamanho do módulo de elasticidade do produto resultante do processo. Quanto maior a temperatura aplicada ao longo do processo fabricação, maior o módulo de elasticidade das fibras, variando entre 1.000Gpa a 3.000Gpa (MACHADO, 2002, p. 2).
2.1.2 Vantagens da utilização de compósitos de fibra de carbono
Os compósitos de fibra de carbono possuem algumas características que os diferem dos demais métodos de reforço e recuperação estrutural, tais como sua baixa densidade e espessura muito fina (entre 0,15 e 2,8mm), o que não agrega peso à obra. Possui um coeficiente de dilatação extremamente baixo e uma rigidez muito alta, com uma forte resistência a ataques químicos, o que a inibe da corrosão, pois o carbono é inerte. Além disso, aguenta cargas cíclicas e tem bom comportamento sob deformações impostas. A solução também se destaca pela leveza (peso específico da ordem de 18 KN/m3, o que também explica a rapidez de aplicação) e estabilidade térmica.
Segundo Paulo Murgel, diretor da S&P Reinforcement, a redução do tempo de realização de uma obra chega a ser entre 60% e 70% com o emprego de fibra de carbono, chegando a 100% da sua resistência em 7 dias, sendo que o concreto precisa de 28 dias, aumentando assim consideravelmente o tempo da obra.
A aplicação das mantas de fibra de carbono também é mais prática, pois sua aderência junto ao elemento estrutural é feita por meio de resina epoxídica, resultando na diminuição no tempo de aplicação do material, viabilizando seu acabamento a partir de 24 horas após instalado.
2.1.3 Desvantagens da fibra de carbono
Como pontos que inviabilizam a aplicação de compósitos de fibra de carbono no processo de reforço e recuperação estrutural, destaca-se sua complexidade para se adequar à superfície em que será aplicada. A fibra de carbono exige um alto nível de cuidado quanto a limpeza da peça em que será aplicada, pois quaisquer impurezas podem comprometer sua eficiência.
Além disso, pode se considerar como ponto negativo a sua restrição de aplicação em alguns ambientes específicos, como por exemplo ambientes com teor de umidade superior a 4%, que é o caso típico de fundações e obras marítimas. Assim, como a alta umidade é um empecilho para sua aplicação, locais com incidência de incêndio ou temperaturas superiores a 60ºC também devem ser evitados para não comprometer as propriedades do reforço, pois o material possui baixa resistência ao fogo e à incidência de raios ultravioletas.
A fibra de carbono é um material de alta qualidade, consequentemente seu preço é elevado. Apesar de nos últimos cinco anos seu valor ter diminuído significativamente, a demanda não aumentou o suficiente para aumentar substancialmente o seu fornecimento, resultando uma estagnação do valor atual.
2.2 DIMENSIONAMENTO PARA REFORÇO A FLEXÃO
A aplicação do reforço a flexão com fibra de carbono se dá relativamente rápido, e para dimensionar a peça a ser recuperada, os métodos de cálculo utilizados são os mesmos aplicados nas estruturas de concreto armado.
Segundo Machado (2002) as normas mais comumente adotadas neste cálculo são as do Instituto Americano de Concreto (ACI, do inglês American Concrete Institute), pois as normas brasileiras atuais ainda são defasadas em relação as americanas.
As normas adotadas são ACI 440.2R-02 e ACI 318-14, partindo do princípio de que algumas considerações devem ser levadas em conta nos cálculos para a obtenção da resistência a flexão da peça reforçada.
Para Machado (2002) deve-se realizar o cálculo, considerando como referência as dimensões das seções da estrutura e a distribuição das armaduras de aço das mesmas, já pressupondo que não se deve esquecer das características e propriedades mecânicas dos materiais que compõem o concreto armado.
Sendo assim, toma-se como critério as premissas de Bernoulli, onde as seções planas se mantêm planas, após a aplicação dos carregamentos tendo suas deformações linearmente proporcionais à distância da linha neutra.
Ainda segundo Machado (2002) nesta etapa faz-se necessário desprezar a resistência à tração do concreto, bem como deve se estipular como limite o valor de 3,5‰ para sua deformação específica, seguindo com rigor o que rege a Norma Brasileira Regulamentadora NBR 6118/2014 e o limite de 3,0‰ segundo as recomendações da ACI.
Machado (2002) delibera a deformação do concreto uma grandeza linear, sem oscilações, desde o momento da aplicação do carregamento até o rompimento da estrutura em seu Estado Limite Último, considerando perfeita a aderência entre a fibra de carbono e o substrato de concreto para elaboração dos cálculos.
Há de se considerar que a estrutura que será reforçada já sofreu deformações ao longo de sua vida útil até o momento, portanto é necessário conhecer o nível de tensão que a mesma oferecerá ao reforço, utilizando da seguinte equação para determinar a deformação máxima permissível na fibra de carbono.
𝜀𝑓𝑐 = (𝜀𝑏− 𝜀𝑏𝑖) ≤ 𝜀𝑓𝑢 (1)
Onde:
𝜀
𝑓𝑐-Deformação final da fibra de carbono;𝜀
𝑏- Deformação na fibra considerada no reforço para o carregamento máximo;𝜀
𝑏𝑖- Deformação inicial, pré-existente quando da instalação do reforço de fibra de carbono;𝜀
𝑓𝑢- Deformação máxima admissível do sistema CFC.Por meio da análise elástica dos carregamentos existentes, anteriormente a aplicação do CFC, é possível determinar o valor de
𝜀
𝑏𝑖,
conforme a apresenta a figura 3. Para o modelo de cálculo de acordo com Machado (2002), considera-se que a viga esteja no domínio 3.Figura 3 – Determinação do estado inicial de deformação
2.2.1 Cálculo do Reforço
Machado (2002) diz que a viga deve ser projetada para no momento que atingir seu Estado Limite Último, ela esteja no domínio 3.
Dadas estas informações, os dados a serem tomados como base para iniciar os cálculos são a deformação no aço (
𝜀
𝑠𝑑) igual a 1% e a deformação no concreto (𝜀
𝑐) igual a 0,35%, para concreto de até 50 Mpa conforme rege ABNT (2014).Pela semelhança de triângulos (Figura 3), obtém-se a posição da linha neutra:
𝜀𝑐 𝑥 =
𝜀𝑠𝑑
𝑑 − 𝑥 (2)
Após ser determinada a primeira posição da linha neutra, a mesma tem de ser conferida para que seja a que define o equilíbrio interno. Para tal conferência, são calculadas as forças internas que atuam na seção transversal:
𝐹𝑐 = 0,85. 𝑓𝑐𝑑. 0,8. 𝑏𝑤𝑥 𝐹𝑠′= 𝑓 𝑦𝑑.
𝐴
𝑠′
𝐹𝑠 = 𝑓𝑦𝑑.𝐴
𝑠 (3) Sendo:Fc – Força resultante na seção de concreto comprimido; Fs’ – Força resultante na armadura comprimida;
Fs – Força resultante na armadura tracionada.
Figura 4 – Forças atuantes na seção transversal resistente
Fonte: Machado, 2002.
Após calculadas as forças internas, é calculada a força que atua diretamente na fibra de carbono, partindo do equilíbrio dos momentos interno e externo (Mdref) em dois pontos da peça, sendo um no eixo da armadura tracionada e outro no eixo da direção resultante da força de compressão do concreto.
Do equilíbrio de momento com relação à armadura tracionada tem-se:
𝑀𝑖 = 𝑀𝑐 + 𝑀𝑠′+ 𝑀𝑠+ 𝑀𝑓𝑐 𝑀𝑐 = 𝐹𝑐. (𝑑 − 0,4. 𝑥) 𝑀𝑠′ = 𝐹 𝑠′. (𝑑 − 𝑑”) 𝑀𝑠 = 𝐹𝑠. 0 = 0 𝑀𝑐𝑓𝑐= 𝐹𝑐𝑓𝑐. 𝑑′ (4) Sendo:
Mi – Momento interno resistente da seção transversal;
Mc – Momento devido à força resultante do concreto;
Ms’ – Momento devido à armadura de compressão;
Ms – Momento devido à armadura de tração;
Mcfc – Momento devido ao compósito (CFC).
No equilíbrio, tem-se:
Obtidos estes resultados, conseguimos chegar a força que atua diretamente na fibra de carbono. Caso a peça esteja em equilíbrio, Machado (2002) diz que o momento em qualquer ponto da seção será igual. Portanto, para garantir que a peça esteja em equilíbrio, deve-se calcular o momento em outro ponto. Assim, o momento interno com relação ao eixo da resultante de compressão no concreto vale:
𝑀𝑖 = 𝑀𝑐 + 𝑀𝑠′+ 𝑀𝑠+ 𝑀𝑓𝑐 𝑀𝑐 = 𝐹𝑐. 0 = 0 𝑀𝑠′ = 𝐹 𝑠′. (0,4. 𝑥 − 𝑑”) 𝑀𝑠′ = 𝐹𝑠′. (𝑑 − 0,4. 𝑥) = 0 𝑀𝑓𝑐 = 𝐹𝑓𝑐. (ℎ − 0,4. 𝑥) (6) No equilíbrio, tem-se: 𝑀𝑖 = 𝑀𝑑𝑟𝑒𝑓 (7)
Dessa forma, obtém-se uma nova força que atua na fibra de carbono. Se as duas forças calculadas apresentarem resultados distintos, é necessário realizar uma análise em relação a posição das linhas neutras, de modo a aumentar ou diminuir a força de compressão do concreto. Após a alteração da posição da linha neutra, deve-se calcular as forças novamente até que os dois valores estejam, dentro de uma tolerância especificada. Por fim, a área necessária para o compósito é avaliada por:
𝐴𝑓𝑐 =
𝐹𝑓𝑐
𝜎𝑓𝑐
(8)
Segundo Machado (2002), os sistemas de fibra de carbono caracterizam-se pela ausência de patamar de escoamento, diferentemente do aço. Isto significa que a sua resistência aumenta com o aumento da deformação (comportamento elástico-linear) até a ruptura. Por isso, para determinar a tensão resistente da fibra de carbono (ffc) deve-se observar o gráfico tensão x deformação ou o módulo de elasticidade (Ecfc) fornecido pelo fabricante e escolher o compósito que melhor resolve o problema de reforço (qualidade e custos). Portanto, a tensão no compósito de fibra de carbono é determinada por:
𝑓𝑐𝑓𝑐= 𝜉ℎ. 𝐸𝑐𝑓𝑐 (9)
Desta maneira, pode-se determinar a área de reforço a ser utilizada como definida na equação que resulta a 𝐴𝑓𝑐.
2.2.2 Verificação da ductilidade
Com a aplicação do reforço, a peça pode apresentar uma redução na ductibilidade de sua seção transversal, porém deve-se possuir tal característica, mesmo que em escala reduzida,
A adição do reforço à estrutura pode causar uma redução da ductilidade da seção transversal. No entanto, é desejável que a peça ainda tenha um comportamento dúctil, o que garantiria uma grande deformação antes do colapso. Para isso, deve-se garantir um nível mínimo de deformação do aço no estado limite último.
De acordo com o ACI 318 (ACI, 2014), a deformação que se deseja para o aço quando o concreto ou o CFC entra na ruptura, é de no mínimo 0,5%. Para atender a esses critérios, o ACI 318 determina um fator de redução para a resistência do aço:
𝜙 = 0,90 para𝜀𝑠 > 0,005
𝜙 = 0,70 +0,20.(𝜀𝑠−𝜀𝑠𝑦)
0,005−𝜀𝑠𝑦 para 𝜀𝑠𝑦 < 𝜀𝑠 < 0,005
𝜙 = 0,70 para 𝜀𝑠 < 𝜀𝑠𝑦
(10)
2.2.3 Ruptura por fluência e fadiga
Na maioria das ocasiões as fibras de carbono são pouco suscetíveis à ruptura por fluência. Segundo Machado (2002), os resultados experimentais indicam que existe uma relação linear entre a resistência à ruptura por fluência e o logaritmo do tempo, em todos os níveis de carregamento. No entanto, para evitar rupturas por fadiga e fluência, o ACI 440.2R (ACI, 2002) recomenda que o nível de tensão no sistema compósito CFC seja avaliado por:
𝜎𝑐𝑓𝑐 𝑠 = 𝜎𝑠,𝑠. ( 𝛦𝑐𝑓𝑐 𝛦𝑠 ) .ℎ − 𝜇𝑑 𝑑 − 𝜇𝑑 − 𝜀𝑏𝑖. 𝛦𝑐𝑓𝑐 (11)
A norma ACI 440.2R recomenda que a tensão no sistema CFC, para evitar a ruína por fluência, seja limitada em:
𝐹𝑐𝑓𝑐,𝑠 ≤ 0,55𝜎𝑐𝑓𝑐𝑢 (12)
2.2.4 Comprimento de ancoragem por aderência
Para calcular o comprimento de ancoragem do sistema de fibra de carbono, Machado (2002) diz que o comprimento mínimo de aderência tem que ser considerado para efeito de cálculo como a área de transferência dos esforços suportados pelo compósito para a peça de concreto. A distribuição da tensão ao longo do comprimento de ancoragem é admitida em forma de triângulo, conforme mostrado na figura 5.
Figura 5 – Distribuição das tensões de aderência da fibra de carbono
Fonte: Machado, 2002.
Considerando que a força absorvida pelo compósito seja distribuída ao longo do comprimento de ancoragem por aderência do CFC à peça a ser reforçada, tem-se:
𝑙𝑑𝑓 𝑛 = 2. 𝑓𝑓𝑢. 𝑡𝑓 𝑓𝑐𝑡 (13) Sendo:
tf – Espessura da fibra de carbono em cada camada.
Fct – Resistência do concreto a tração.
ldf – Comprimento de ancoragem.
ffu – Resistência última a tração do compósito.
Outro método para a determinação do comprimento de ancoragem, proposto por Rostásy (Rostásy, 1983 apud MACHADO, 2002), resulta em:
𝑙𝑡,𝑚𝑎𝑥 = 0,7. √𝛦𝑐𝑓𝑐. 𝑡𝑓𝑐 𝑓𝑐𝑡,𝑚
𝑓𝑐𝑡,𝑚 = 0,3.0,7. √𝑓3 𝑐𝑘
(14)
Sendo:
lt,max – Comprimento de ancoragem necessário (mm).
Tfc – Espessura do compósito de fibra de carbono (mm)
Ecfc – Módulo de elasticidade à tração do compósito de fibra de carbono (Mpa)
fct,m – Resistência média à tração do concreto (Mpa)
2.3 DIMENSIONAMENTO PARA REFORÇO AO CISALHAMENTO
Para o dimensionamento do reforço ao cisalhamento ou esforços cortantes considera-se o a aplicação da fibra de carbono no entorno do elemento estrutural, de forma perpendicular ao comprimento da peça. Neste caso o reforço se assemelharia aos estribos em uma armadura de aço.
De acordo com Machado (2002) a disposição do compósito, para o reforço ao cisalhamento, pode ser feita de três formas, dependendo das limitações físicas da peça. A Figura 6 apresenta as possíveis configurações.
Figura 6 – Configurações possíveis para o reforço ao cisalhamento
A configuração (a) envolve a viga como um todo, e é empregada quando não há nenhuma laje se apoiando na viga. Para os casos com laje aplica-se a fibra na face inferior e nas laterais, em forma de “U”, já que para aplicar na face superior teriam de ser feitos rasgos na laje concretada, que na maioria dos casos não é viável economicamente. A terceira forma de aplicação (c) ocorre em momentos em que não há a possibilidade de envolver a parte inferior, sendo menos eficiente.
O cálculo do reforço do sistema CFC tem como objetivo alcançar as variáveis de projeto, que são a largura da lâmina ou manta aplicada e o espaçamento entre elas. Para alcançar a fórmula dessa variável parte-se da equação do valor de resistência ao cisalhamento que a fibra adiciona a estrutura.
𝑉𝑓 =𝐴𝑓. 𝑓𝑓. (𝑠𝑖𝑛 𝛽 + 𝑐𝑜𝑠 𝛽). 𝑑𝑓
𝑆𝑓 ≤ 0,332. √𝑓𝑐𝑑. 𝑏𝑤. 𝑑
(15)
Onde, Af é a área da seção transversal do sistema de fibra de carbono, sendo diretamente proporcional ao valor de resistência atribuída. Em contrapartida o espaçamento entre os compósitos, Sf, é inversamente proporcional a resistência acrescentada. A área de contribuição do sistema CFC é definida pela fórmula:
𝐴𝑓= 2. 𝑛. 𝑡𝑓. 𝑤𝑓 (16)
Sendo,
n – Número de camadas de fibras de carbono; tf – Espessura de uma camada;
wf – Largura do compósito de fibra de carbono;
ff – Tensão limite de ruptura do material;
β – Ângulo, em graus, entre o compósito aplicado e a face longitudinal do elemento estrutural;
df – Profundidade do sistema CFC para os esforços cortantes;
Na maioria dos casos as lâminas ou mantas de carbono são aplicadas de forma perpendicular aos eixos longitudinais têm-se que β=90°, logo a equação pode ser reescrita da seguinte forma:
𝑉𝑓 =𝐴𝑓. 𝑓𝑓. 𝑑𝑓
𝑆𝑓 ≤ 0,332. √𝑓𝑐𝑑. 𝑏𝑤. 𝑑
(17)
Introduzindo a equação da área de contribuição da fibra de carbono configura-se da forma abaixo:
𝑉𝑓= 2. 𝑛. 𝑡𝑓. 𝑤𝑓. 𝑓𝑓. 𝑑𝑓 𝑆𝑓
Isolando a largura da fibra de carbono e o espaçamento entre elas a fórmula fica em sua maneira mais utilizada, segundo Machado (2002):
𝑉𝑓
2. 𝑛. 𝑡𝑓. 𝑓𝑓. 𝑑𝑓 = 𝑤𝑓
𝑆𝑓
𝑤𝑓
𝑠𝑓 < 1, não é necessário aplicar o compósito em todo comprimento da peça, assim podem ser aplicadas tiras de fibras de carbono, que deveram ficar espaçadas entre si, como na Figura 7;
𝑤𝑓
𝑠𝑓 = 1, neste resultado o espaçamento e a largura do material seriam equivalentes, intercalando-se;
𝑤𝑓
𝑠𝑓 > 1, somente uma camada não seria o suficiente para contribuir com a resistência solicitada, neste caso deve-se executar camadas adicionais.
A figura 7 apresenta a disposição do espaçamento e da fibra de carbono em um elemento estrutural.
Figura 7 - Largura e espaçamento do CFC colado em uma viga
Uma vez que 𝑉𝑓 =𝐴𝑓.𝑓𝑓.𝑑𝑓
𝑆𝑓 ≤ 0,332. √𝑓𝑐𝑑. 𝑏𝑤. 𝑑 tem-se que:
𝑉𝑐+ 𝑉𝑠 ≤ 0,664. √𝑓𝑐𝑑. 𝑏𝑤. 𝑑 (18)
A tensão para o limite de ruptura do material no sistema CFC deve ser delimitada aplicando o fator de redução da resistência última do mesmo (R).
𝑓𝑓= 𝑅. 𝑓𝑓𝑢 (19)
O fator R é definido pela sentença:
𝑅 = 𝐾1. 𝐾2. 𝐿𝑒 11900. 𝜀𝑓𝑢 ≤
0,005 𝜀𝑓𝑢
(20)
Uma vez que 𝐿𝑒 é o comprimento efetivo da aderência do CFC e 𝜀𝑓𝑢 é a deformação última deste material, que pode ser considerado 0,017 segundo Machado (2002). O valor limite da equação é dado para se equivaler a perda de coesão interna dos agregados. Caso a fibra de carbono esteja posicionada em toda a seção transversal da viga, como na figura 6(a), o fator de redução de resistência última da fibra (R) deverá ser o limite. Logo a equação ficaria resumida em: 𝑅 =0,005 𝜀𝑓𝑢 (21) 𝐾1 = ( 𝑓𝑐𝑑 27) 2
3 é o fator de multiplicação do comprimento efetivo de aderência estabelecido em função da resistência do concreto. Sendo que o 𝑓𝑐𝑑, resistência de cálculo do concreto, é utilizado em MPa.
𝐾2 = (𝑑𝑓𝑒
𝑑𝑓) 2
3 fator de multiplicação do comprimento efetivo de aderência estabelecido em função da configuração adotada para o reforço de cisalhamento. O valor de dfe é dado pelo comprimento efetivamente aderido da fibra de carbono e df é o comprimento deste material, como pode ser visto na figura 8. O valor de df pode ser considerado igual a subtração de hf por d.
Figura 8 - Comprimento df
Fonte: Machado, 2002.
No caso de já existir uma fissura de cisalhamento somente a parte da fibra aplicada acima da manifestação patológica contribuirá com o reforço aos esforços cortantes. Logo a eficiência do reforço será menor. Uma exceção a essa regra é quando a fibra de carbono é aplicada envolvendo toda a seção, como mostrado na figura 7(a). Já para os casos (b) e (c) da mesma figura deve-se calcular o comprimento efetivamente aderido da fibra de carbono.
Para os modelos com a fibra de carbono dispostas em “U” na seção da peça, como na figura 7(c), a fórmula é definida através de:
𝑑𝑓𝑒 = 𝑑𝑓− 𝐿𝑒 (22)
E quando as fibras estiveram aplicadas somente nas laterais das vigas utiliza-se a equação abaixo.
𝑑𝑓𝑒= 𝑑𝑓− 2. 𝐿𝑒 (23)
A variável Le representa o comprimento efetivo de aderência do material e pode ser
𝐿𝑒 = 1
√𝑛. 𝐿0 (24)
O valor de n é dado pela quantidade de camadas aplicadas no elemento estrutural e
L0 é o comprimento efetivo de colagem da fibra de carbono. Quanto mais camadas de CFC
maior será a resistência do reforço como um todo, mas a eficiência de cada fibra individualmente será menor, uma vez que o comprimento efetivo de aderência diminuirá conforme a inclusão de mais camadas.
𝐿0 = 2500 (𝑡𝑓. 𝐸𝑓)0,58
(25)
Sendo:
tf - a espessura, medida em polegadas (in).
Ef - o módulo de elasticidade, em libras por polegadas (psi).
2.4 MANIFESTAÇÕES PATOLÓGICAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO
Além de ser usado para reforço em estruturas de concreto armado, a fibra de carbono também pode ser utilizada nos processos de recuperação estrutural. A recuperação se faz necessária quando uma edificação apresenta manifestações patológicas, que podem ocorrer tanto em estruturas terminadas quanto em obras ainda em andamento.
Para Souza e Ripper (1998, p. 131), uma estrutura pode apresentar uma manifestação patológica em diversos graus e quando tal fato tem sua ocorrência, faz-se necessário intervir para garantir sua integridade.
Os reparos podem ser classificados em reparos rasos ou superficiais, semiprofundos e profundos, sendo que a classificação dos reparos rasos se dá com a análise do tamanho da área que será reparada, caso seja grande ou pequena. Os reparos rasos ou superficiais são aqueles cuja profundidade é menor que 2,0 cm, e as áreas de aplicação são consideradas pequenas áreas, caso possuam até 15 m² e grandes as que superam tal medida (SOUZA; RIPPER, 1998, p. 131).
Os reparos rasos não atingem a armadura, pois não superam o menor valor possível de cobrimento, conforme descrito na tabela 1. A tabela 1 relaciona os valores de cobrimento nominal para as peças de estruturas de concreto armado.
Tabela 1 - Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para ∆c = 10 mm Tipo de estrutura Componente ou elemento
Classe de agressividade ambiental
I II III IV c Cobrimento nominal mm Concreto armado Laje b 20 25 35 45 Viga e Pilar 25 30 40 50 Elementos em contato com o solo d
30 30 40 50
Concreto protendido a
Laje 25 30 40 50
Viga e Pilar 30 35 45 55
Fonte: NBR 6118 Projeto de estruturas de concreto - Procedimento (2014, p.20).
Os reparos semiprofundos são classificados por Souza e Ripper (1998, p. 131), como aqueles cuja profundidade está entre 2,0 e 5,0 cm, avançando pela camada de cobrimento, normalmente atingindo as armaduras da peça (figura 9). Neste caso, faz-se necessária uma limpeza de 2,0 a 3,0 cm de profundidade.
Figura 9 - Corte de concreto - profundidade da remoção
Fonte: Souza e Ripper (1998, p. 131).
Com manifestações patológicas deste tipo, a armadura fica sujeita as ações climáticas e a agentes corrosivos. Isso afeta a vida útil da estrutura, possibilitando que, em determinado momento, o aço da peça não contribua mais com a resistência solicitada no dimensionamento.
2.5 CONCEITO DE RETROFIT
O conceito de Retrofit de estruturas de concreto armado tem cada vez mais se popularizado no mercado da construção civil. O termo Retrofit deriva das palavras “retro”, que em latim significa movimentar-se para trás e “fit” que em inglês significa adequar, ajustar. Este termo começou a ser utilizado no final do século XX nos Estados Unidos e na Europa, referindo-se inicialmente a atualização tecnológica das aeronaves de acordo com o avanço do mercado, e após alguns anos foi também incorporado na construção civil, porém com outro significado.
Segundo Barrientos (2004) o termo técnico Retrofit na construção civil, começou a ser empregado com o intuito de denominar os processos de atualização das edificações antigas a fim de aumentar seu valor de mercado aplicando materiais de última geração à sua estrutura, prolongando sua vida útil.
Conforme Barrientos (2004) outro motivo pelo qual utiliza-se o Retrofit é de que por conta das atualizações dos planos diretores dos municípios, muitos dos limites de área construída foram reduzidos, e isto acarreta uma desvantagem comercial para novos empreendimentos, por não poderem aproveitar o terreno da mesma forma que era feita anteriormente. Com isso começou a ser empregada a técnica do Retrofit, onde por meio de uma intervenção são realizados reforços estruturais na edificação já existente, a fim de suportar as cargas que serão aplicadas de acordo com seu novo perfil de utilização e garantir maior longevidade à estrutura, mudanças em sua aparência para adequá-la ao visual moderno atual e eventuais reparos à patologias decorrentes da ação do tempo e do uso da estrutura desde sua construção.
2.6 PROCESSOS PARA APLICAÇÃO DE MANTA DE FIBRA DE CARBONO
Com o passar dos anos, após as primeiras aplicações no Japão, tornou-se mais viável a utilização do método de recuperação e reforço estrutural por meio da aplicação de mantas de fibra de carbono. Este tipo de reforço atribui uma maior resistência à estrutura, utilizando-a como reforço quando a peça não suporta a carga atuante. De acordo com Santos (2008), o CFC possui uma resistência à tração em torno de dez vezes a resistência do aço.
Para a sua correta aplicação em um processo de recuperação, Souza e Ripper (1998) solicitam que a superfície esteja livre de defeitos geométricos, neste sentido se houver a ruptura
do concreto e exposição da armadura deve-se restaurar a camada de concreto perdida. Na utilização deste processo existem determinadas etapas a serem seguidas.
2.6.1 Preparação da estrutura
Quando se trabalha com recuperação de estruturas de concreto armado existem casos em que a peça apresentará algum tipo de irregularidade, seja uma fissura ou uma perda da seção de concreto. Para que o compósito de fibra de carbono trabalhe adequadamente estas irregularidades precisam ser corrigidas.
Souza e Ripper (1998), apontam que em muitas situações de recuperação, há uma demolição parcial com a finalidade de retirar a camada de concreto comprometida, geralmente utilizando-se de martelos demolidores pesados. O funcionário, utilizando o rompedor, retira a área em que houve a manifestação patológica no concreto e uma pequena área adicional em seu entorno. Este processo chama-se escarificação (figura 10).
Figura 10 - Escarificação de Viga de Concreto Armado
Fonte: Escritório técnico da universidade – UFRJ (2018, p.1).
A escarificação também serve para deixar a área áspera, a fim de proporcionar uma melhor aderência entre o concreto antigo e o concreto novo, que será empregado para repor o volume retirado. Visando obter uma aderência ainda melhor Souza e Ripper (1998), descrevem que deve-se retirar o excesso de poeira, gerado no processo e umedecer o local com água.
Com toda a área limpa e umedecida, pode-se dar início a complementação do volume da peça. A complementação pode ser feita com graute ou argamassa polimérica, dependendo de quão fundo foi a manifestação patológica.
2.6.2 Esmerilagem da superfície
Após o término dos processos de regularização da parte afetada, faz-se a esmerilagem da estrutura. De acordo com Souza e Ripper (1998), o polimento remove as sujeiras e a fina camada de nata de cimento, que não contribui para a resistência da peça. Esta etapa proporciona uma melhor aderência para o primário que será aplicado. Caso não haja esse tratamento técnico, a área externa da estrutura não fornecerá uma fixação adequada às fibras de carbono, o que poderá inutilizar a sua aplicação.
2.6.3 Aplicação do Primário e da Resina de Colagem
O primário, popularmente conhecido como primer, após ser aplicado na superfície, garante a completa adesão do CFC, conforme descrito por Souza e Ripper (1998). Ele é aplicado com um simples rolo de mão e pode ser feito logo após a esmerilagem (figura 11).
Figura 11 - Aplicação de Primer em Peça de Concreto
Fonte: PREDIOTEC HOMETTEC, 2013.
A aplicação do primer é simples, porém não deixa se ser uma etapa de grande importância, uma vez não feita pode comprometer a eficiência da recuperação por via da folha flexível de fibra de carbono. Souza e Ripper (1998), determinam que deve-se esperar aproximadamente uma hora, contadas a partir da aplicação do primário, para que seja
empregada a camada de resina de colagem. Esta resina pode ser encontrada no mercado como resina epóxi.
A resina tem como principal função fazer a ligação entre a superfície de contato, concreto com primer e o compósito de fibra de carbono. Ela deve ser empregada em toda a área de contato, não devendo haver pontos sem ela. Sua aplicação segue o mesmo modelo do primário, utilizando-se de rolos.
2.6.4 Aplicação do Compósito de Fibra de Carbono
A folha flexível de fibra de carbono, como já visto anteriormente, é vendida em rolos quando compradas em grandes quantidades. Para a sua aplicação ela pode ser cortada com tesouras, desde que seja meticulosamente cortada ao tamanho do reforço onde será aplicado (SOUZA; RIPPER, 1998). A folha flexível de CFC é aplicada manualmente, devendo ser pressionada de forma a garantir que toda sua superfície está em contato com a resina de colagem. Na figura 12 pode-se ver o CFC devidamente aplicado.
Figura 12 - Folha Flexível de Fibra de Carbono Executada
Fonte: Techniques Soluções em Engenharia, [s.d.].
Segundo Souza e Ripper (1998), o CFC contribui para amplificar o desempenho das estruturas de concreto armado, sejam elas vigas, lajes ou pilares. O material proporciona um grande aumento da ductilidade dessas peças e contribui no aumento da resistência à flexão
e ao esforço transversal, quando solicitado. Por essas propriedades o CFC pode ser empregado não somente em recuperações estruturais, mas também quando se deseja aumentar a carga que uma edificação suportará.
2.6.5 Última Camada de Resina e Camadas Adicionais
Em seguida do emprego da folha flexível Souza e Ripper (1998), indicam que deve ser feita uma camada final de resina de revestimento sobre o CFC, nunca podendo haver excesso de resina, pois prejudicará a contribuição da manta. Esta camada serve como proteção e acabamento dos processos anteriores.
Para um melhor acabamento ou se quiser atribuir outras propriedades ao procedimento permite-se a execução de novas camadas, desde que se houver mais de seis camadas o modelo seja submetido a ensaios de desempenho. Uma vez que novas camadas atribuem mais peso para a estrutura. O acabamento pode ser feito provisionando resistência ao fogo, não sendo incomum cobrir o CFC com uma camada adicional de argamassa (SOUZA; RIPPER, 1998).
2.7 MÉTODOS DE REFORÇO ESTRUTURAL ALTERNATIVOS A APLICAÇÃO DE MANTAS DE FIBRA DE CARBONO
Obras de reforço estrutural sempre foram requisitadas, mas a aplicação da manta de fibra de carbono é uma tecnologia que está a pouco tempo no mercado. Anteriormente, os reforços eram feitos com a elaboração de novos elementos estruturais, como vigas e pilares. Estes processos eram muito mais trabalhosos, demandavam muitos inconvenientes para edificações já em estado de uso e demoravam a atingir a resistência esperada, em vigor da propriedade do concreto em ficar mais resistente conforme o tempo. Houveram opções utilizando peças metálicas, mas que ainda não conseguiam chegar num bom nível de otimização dos trabalhos.
O reforço com manta de fibra de carbono é a otimização de todas as técnicas existentes, já que reúne qualidades importantes como a rapidez na execução, uso mínimo de mão de obra, ausência de inconveniências e obtenção de altas resistências no período de 4 a 5 horas.
2.7.1 Reforço com Chapas ou Perfis Metálicos
Em se tratando de reforços com perfis e chapas metálicas Souza e Ripper (1998), consideram técnicas de concepção simples, mas que devesse ter minuciosidade em seu cálculo e em sua execução. Para os autores, é um reforço de rápida execução, isto possibilita que sejam utilizados como soluções emergenciais.
De acordo com Souza e Ripper (1998), as preparações à superfície para ambos os tipos de reforço (aplicação de perfis ou chapas metálicas) é a mesma, assim como o seu tratamento, tanto em termos de preparação, quanto de proteção. A principal diferença se encontra no sistema que, nos perfis, conta com a presença de chumbadores e buchas expansivas na maioria dos casos, e que somente após o torqueamento dos chumbadores, deve-se realizar a injeção da resina para o preenchimento do vazio existente entre as superfícies metálica e de concreto (figura 13).
Figura 13 - Reforço com perfis Metálicos
Fonte: Almeida Guimarães Engenharia.
2.7.2 Reforço com Concreto
Segundo Souza e Ripper (1998), o reforço com concreto convencional basicamente trata-se da substituição do concreto danificado ou defeituoso por uma nova camada de um outro concreto de boa qualidade, com a maior afinidade possível ao concreto anterior. O material a substituir o antigo concreto deve ser de consistência plástica, podendo ser concreto convencional, argamassa ou qualquer outro tipo de material de recuperação estrutural, desde que adquira a resistência igual ou superior à dimensionada originalmente, que não seja um elastômero e torne monolítico o elemento estrutural.
Ainda segundo Souza e Ripper (1998), esta técnica de recuperação é recomendada somente nos casos de preenchimentos de vazios ou ninhos de agregado nos elementos estruturais de obras recém-concluídas ou ainda em estruturas deterioradas, desde que a extensão das falhas ou danos atravessem a seção do elemento ou pelo menos se estendam além das armaduras. No caso de estruturas recém construídas, o reparo deve ser feito imediatamente após a desforma do elemento em questão, para diminuir a possibilidade de existirem grandes diferenças nas propriedades dos dois concretos (figura 14).
Todos os reparos supracitados devem ser executados com extrema cautela, compactando bem a nova camada de concreto e adotando a técnica de cura que melhor se adapte à situação do reparo.
Figura 14 - Viga com armadura preparada para reforço com concreto
Fonte: Techniques Soluções em Engenharia, [s.d.].
2.7.3 Reforço com Protensão Externa
A aplicação deste método de reforço estrutural tanto em termos de projeto quanto de execução, não é tão simples de ser implantada afim de se obter um bom resultado. Para a obtenção de tais resultados, recomenda-se uma equipe especializada, equipamento e material de, na maioria dos casos, grande sofisticação tecnológica, o que também dificulta economicamente a escolha do método na maioria dos casos. Quando falamos de recuperação e reforço por protensão externa, a técnica preferida pelos especialistas na área é a que utiliza barras ou cabos (SOUZA; RIPPER, 1998).
Suas aplicações mais comuns são ilustradas nas figuras a seguir. Costura de fendas em vigas (figura 15) sendo efetuada pela introdução de uma deformação no sentido contrário à fissura.
Figura 15 - Representação de reforço com Protensão Externa
Fonte: Souza e Ripper (1998, p. 157).
Inibição de deformação (figura 16), cujo o método de execução é semelhante ao descrito no parágrafo anterior.
Figura 16 - Inibição de deformação por aplicação de protensão exterior
Como elemento provocador da redistribuição de esforços em peças contínuas, aliviando vãos ou apoios mais críticos (figura 17), submetendo os adjacentes a estes ao seu limite com segurança diante de um possível colapso da estrutura, anteriormente previsto.
Figura 17 - Substituição de um pilar danificado, com a consequente redistribuição de esforços, através de protensão exterior
Fonte: Souza e Ripper (1998, p. 158).
Aumento da capacidade de carga de uma peça estrutural, ou seja, reforço por adição como na figura 18.
Figura 18 - Reforço contra flexão por meio de protensão exterior
3 METODOLOGIA
Pesquisar cientificamente é conceber a adoção de um planejamento rigoroso para o estudo. Observar as fontes de coleta de dados com o rigor necessário e iniciar a busca da resposta ao problema de pesquisa através de técnicas de investigação adotadas pela comunidade científica.
Ao mesmo tempo, faz-se importante lembrar que a pesquisa científica permite ao investigador um estágio de criticidade não observado na estrutura de ensino tradicional. Por meio da pesquisa, saímos da condição de “meros atores” para protagonistas dos processos científicos e sociais (DEMO, 2012).
A efetiva construção do conhecimento é realizada com o envolvimento direto dos participantes na temática definida para a investigação. Dessa forma, os pesquisadores apropriam-se da realidade que envolve o estudo dotando-se de autonomia e competência interpretativa. Na verdade, a pesquisa é a condição essencial para fornecer aos pesquisadores a adequada percepção do meio em que está inserido, reservando-lhes uma competência crítica incontestável.
3.1 TIPO DE PESQUISA
Realizou-se uma pesquisa de abordagem qualitativa com método de procedimento bibliográfico comparativo de nível exploratório.
O caráter qualitativo foi determinado em função da subjetividade presente nas bibliografias e documentos, elaborados por pessoas em suas épocas históricas. De outro lado, esse tipo de abordagem possibilita alterações no processo sempre que necessárias.
O procedimento bibliográfico e comparativo escolhido, foi definido como adequado para a resposta ao problema e alcance dos objetivos. A busca de referencial bibliográfico foi realizada em bases de dados científicas com artigos atuais e previamente analisados por especialistas. O mesmo ocorreu com livros físicos e em e-books que possuíam seus ISBN.
Exploratório foi o nível da pesquisa realizada pois, este, havia necessidade de aprofundamento dos pesquisadores na temática proposta e ao mesmo tempo, não requer manipulação de variáveis.
3.2 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS
Os dados foram coletados através de estudo bibliográfico comparativo entre a utilização de mantas de fibra de carbono em obra civil e suas decorrências em relação aos procedimentos tradicionalmente usados. Para tanto, a obtenção dos dados deu-se por meio da observação direta de artigos e livros científicos e duas entrevistas semiestruturadas com especialista da área. A primeira entrevista serviu para o contato com a empresa e para levantar os detalhes dos métodos aplicados, porém durante a elaboração dos resultados e discussões surgiram dúvidas sobre os processos, fazendo necessária uma segunda entrevista.
A observação direta constitui-se em um dos principais instrumentos, pois coleta dados e informações não previstas nas ferramentas anteriores. Artigos e livros permitiram informações adequadas para o estudo e as entrevistas possibilitaram a descrição da percepção dos especialistas nesta área da construção civil.
Os dados sobre a obra em questão, fotos dos procedimento e projetos foram conseguidos diretamente com o engenheiro da empresa responsável pela execução dos serviços de reforço estrutural, através de ligações telefônicas e via e-mail. Ambas as entrevistas (Apêndice A e B) foram realizadas via telefone, levando aproximadamente 45 minutos cada.
3.3 O PROCESSO
A escolha da equipe de pesquisadores para o Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), vinha se desenhando desde antes da matrícula na disciplina, em função de trabalhos já realizados em conjunto anteriormente. Como um dos membros já havia trabalhado com reforço e recuperação estrutural, optou-se por escolher este assunto como temática investigativa e um orientador com experiência sobre ele.
A equipe levantou opções de obras a serem analisadas durante o trabalho e a obra de reforço estrutural das vigas e lajes de um hospital na cidade de São Paulo foi a elencada. O estudo, acerca do objeto de pesquisa, foi desenvolvido durante sistemáticos encontros dos pesquisadores, sempre com a anuência e solicitações do professor orientador do estudo.
4 RESULTADOS E DISCUSÕES
Neste tópico serão abordadas as informações obtidas e analisadas durante este estudo de caso. Descrevendo sobre os métodos construtivos de cada um dos três tipos de reforços executados para alterar a classe de uso da edificação.
4.1 IDENTIFICAR E DESCREVER PORQUE É NECESSÁRIA UMA ADEQUAÇÃO PARA O NOVO USO DO EDIFÍCIO
Para a análise in loco do método abordado foi escolhida a obra já executada de reforço estrutural nas vigas e lajes do edifício anexo ao hospital. O Hospital, inaugurado na década de 40 como uma policlínica foi considerado um grande sinal de desenvolvimento da cidade, sendo considerado até hoje modelo de qualidade no Brasil. Atende, mensalmente uma média de 90 mil pacientes para realização de mais de 40 tipos de exames, evidenciando sua importância.
O complexo conta com mais de 30 mil m² de área construída, com capacidade para mais de 300 leitos, servindo ao hospital e a maternidade. Como solicitação da empresa que forneceu os dados para a pesquisa, o nome do hospital e empresas relacionadas permanecem em sigilo, visto que a divulgação deles não terá relevância para a pesquisa. Com exceção da empresa responsável pela execução do reforço, Equilibrata Recuperação de Estruturas Ltda., que auxiliou na coleta de dados, fotos e vídeos.
4.1.1 Descrição da obra analisada
A necessidade do reforço estrutural nas vigas e lajes ocorreu por conta do processo de ampliação de uma ala do hospital para uma edificação vizinha. Devido a mudança de perfil de uso da edificação a ser utilizada, que originalmente foi projetada para uso residencial, identificou-se uma sobrecarga na estrutura após serem realizados os cálculos da carga aplicada com a instalação dos equipamentos e o tráfego intenso de pacientes e colaboradores, surgindo a necessidade de realizar uma adequação para seu novo uso.
Os reforços solicitados foram executados por uma empresa especializada em reforço e recuperação de estruturas. Esta empresa ficou responsável por três processos de reforço, envolvendo vigas e lajes.
Os processos de reforço abrangeram a construção de novas vigas, bem como a aplicação de CFC nas vigas anteriores e lajes do térreo e primeiro pavimento. Todos estes métodos foram calculados por uma segunda empresa, que possui foco em projetos estruturais.
Foram considerados produtos padrões para aplicação em todos os reforços da obra. Logo, todos os procedimentos que envolviam a lâmina de fibra de carbono referiam-se a lâminas de carbono Sika Carbodur 50 X 1,2 mm. Para os tecidos de fibra de carbono (TFC), o projetista estipulou as seguintes propriedades:
• Unidirecional; • Peso = 300gf/m²;
• Resistência a tração = 3500MPa; • Módulo de Elasticidade = 266GPa.
As dimensões de cada material aplicado variam conforme as dimensões e solicitações de cargas de cada elemento estrutural.
4.2 MÉTODO UTILIZADO PARA O REFORÇO COM A CONSTRUÇÃO DE NOVAS VIGAS
O primeiro método de reforço realizado na nova ala do hospital foi a elaboração de novas vigas para a estrutura. Devido as novas paredes e equipamentos de grande porte, foi necessária uma melhor divisão dos “panos” das lajes, nos pavimentos 2, 3, 5 e 7. Com uma maior quantidade de vigas os vãos ficam menores e as cargas mais distribuídas.
Para auxiliar nos procedimentos necessários, foi realizado um estudo da estrutura e posteriormente elaborados os projetos de reforço, que podem ser encontrados nos anexos A, B e C. Os selos dos projetos foram editados com a finalidade de retirar as informações que não tiveram autorização de serem divulgadas, tais como nome do hospital/cliente, escritório e engenheiro responsável pelo projeto, dentre outras.
Na figura 19 é possível averiguar a localidade das novas vigas (em azul), no plano da laje.
Figura 19 - Projeto de reforço estrutural, laje do sétimo pavimento
Fonte: Cedido por Equilibrata Recuperação de Estruturas Ltda. (2018, p. 1).
Para manter a correta distribuição das cargas, as vigas foram anexadas de duas formas. A primeira forma sendo ligada de pilar a pilar, distribuindo suas cargas diretamente nos mesmos, como pode ser visto na viga VN 408. E a outra forma sendo engastada em duas vigas, distribuindo as cargas sobre elas, que por sua vez distribuíam aos pilares. Essa segunda forma pode ser visualizada nas vigas VN 404 e VN 403.
A laje foi construída por meio do método construtivo de concreto armado, utilizando cubetas para redução do peso próprio da estrutura. As novas vigas foram projetadas de modo que se alinhassem com o espaço livre deixado pelas cubetas, isso porque seriam usados aqueles espaços para moldar a viga. Foram então feitas as formas e escoramento para duas larguras de viga diferentes, uma contemplando apenas uma fileira de cubetas, conforme a figura 20 e outra utilizando duas fileiras de cubetas como mostra a figura 21.
Figura 20 - Projeto de detalhamento das novas vigas, uma cubeta
Figura 21 - Projeto de detalhamento das novas vigas, duas cubetas
Fonte: Cedido por Equilibrata Recuperação de Estruturas Ltda. (2018, p. 2).
Após a montagem das formas foi feita a quebra parcial da laje, por cima das fileiras das cubetas, por onde seriam concretados os novos elementos estruturais. Como a obra foi solicitada por um reforço estrutural e não uma recuperação, não houve necessidade da troca do aço presente na laje, assim foi quebrado e retirado somente o concreto da área desejada. A parte demolida respeitou o limite das nervuras paralelas às vigas, sendo retiradas somente as partes sobre os vãos das cubetas e as nervuras perpendiculares a viga.
A parte retirada da laje teve de ser concretada novamente, em conjunto das vigas. A armadura manteve-se a mesma, mas teve-se o cuidado de conferir se nenhuma barra de aço foi comprometida na demolição. Caso alguma barra tivesse torcido ou rompido, ela era cortada nas pontas, retirada e substituída por uma nova de mesmo diâmetro. A substituição era feita perfurando a face da laje e colando a nova barra, com cola HiltiHIT-RE 500 V3, de modo que ficasse transpassada com a ponta da barra anterior.
Para a aderência do concreto novo com a peça antiga foi necessário regularizar e apicoar a superfície de contato. Após a limpeza e retirada de entulho procedeu-se a concretagem. Vale ressaltar, que as novas vigas não possuíam armadura nem aço em sua composição, este papel seria realizado pelas lâminas e mantas de fibras de carbono. As figuras 22 e 23 apresentam as novas peças, sendo possível diferenciar o concreto recém moldado e o antigo.
Figura 22 - Viga concretada no vão de cubetas
Fonte: Cedido por Equilibrata Recuperação de Estruturas Ltda. (2018, p. 1).
Figura 23 - Detalhe do concreto novo na viga e do antigo no maciço
