Varões compósitos híbridos fibra - aço

Francisco José Alves Oliveira

Varões Compósitos Híbridos Fibra/Aço

Fr

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es Oliv eir a V arões Com pósitos Híbr idos F ibra/Aço

Tese de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Civil

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Raul Fangueiro

Francisco José Alves Oliveira

AGRADECIMENTOS

Foram vários aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho. A todos agradeço o apoio e disponibilidade dispensados.

A todos os departamentos nos quais desenvolvi trabalho, agradeço os meios colocados a minha disposição.

Ao Professor Raul Fangueiro, sob cuja orientação decorreu realização deste trabalho, quero expressar o meu profundo agradecimento pelo seu apoio, conselhos, orientações, revisão critica e incentivos permanentes.

Ao Engenheiro e Investigador Sérgio Patinha, o meu maior obrigado, apesar de ser do benfica, pela ajuda, disponibilidade, compreensão, alertas, porque sem ele não era possível desenvolver grandemente o meu o trabalho.

Quero manifestar também o meu bem haja ao grupo dos solteirões, por todos os momentos de distração e lazer proporcionados durante o período de realização deste trabalho.

Aos meus pais, que independentemente das circunstâncias, nunca demostraram nada menos que o amor e orgulho no seu filho. A eles agradeço do fundo do meu coração por serem os meus modelos, por toda a força que estão constantemente a dar-me e toda a confiança que em mim sempre foi depositada.

À minha irmã Enfermeira Isabel, por estar sempre presente quando precisei, por ser a minha melhor amiga, por ser a pessoa que é capaz de levantar a alma a um morto. Agradeço-lhe a contínua paciência e amor sempre demostrou.

Um especial e carinhoso obrigado e para a minha Tia Lurdes, por ter rezado por mim e me ter incentivado para a conclusão deste trabalho.

A todos os meus colegas de Engenharia Civil da Universidade do Minho que têm vindo a acompanhar-me ao longo destes anos e, tal como eu, aqui culminam mais uma etapa da sua vida.

E por último, mas não menos importante, um enorme obrigado a Filipa Mendes pelo o amor e constante compressão, todos os momentos de inspiração.

RESUMO

Os materiais compósitos resultam da combinação de dois ou mais materiais distintos. Devido às suas vantagens, como o baixo peso associado a ótimas prestações mecânicas, e excelente resistência a ambientes agressivos, entre muitas outras. Existe um grande leque de aplicação destes materiais em diversos sectores industriais tais como: aeroespacial, automóvel, construção civil, medicina, etc.

No sector da construção, as estruturas de betão estão expostas a diversos agentes agressivos, químicos e físicos, que diminuem a capacidade mecânica, a durabilidade e o seu período de vida útil. Um dos fenómenos que tem maior importância é a corrosão da armadura em aço que se encontra no interior do betão.

Assim, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de varões compósitos híbridos fibra/aço para utilização na substituição do aço no reforço do betão. Os varões compósitos que incorporam apenas fibras de reforço apresentam um rotura frágil, isto é, não apresentam deformação plástica, tendo-se verificado ao longo deste trabalho que os varões compósitos híbridos fibra/aço apresentam um comportamento dúctil.

O trabalho desenvolvido iniciou-se com a adaptação do processo produtivo de entrançamento, que é utilizado na indústria têxtil para a produção de cordas e cordões. Esta adaptação permitiu a produção de vários tipos de varões compósitos com a incorporação de fibras de vidro e de aço no núcleo e fibras poliéster na camada exterior, impregnadas com uma resina do tipo Vinylester.

Os varões produzidos foram ensaiados relativamente às suas propriedades físicas e mecânicas, seguindo as metodologias e técnicas de ensaio usadas por outros autores ou adaptando estas, nos casos em que tal não foi possível, devido às caraterísticas do material desenvolvido. Os resultados obtidos demonstram que os varões monofibra têm um comportamento linear-elástico com rotura frágil, enquanto que os varões com incorporação de aço no núcleo, a curva tensão-extensão do material é composta por dois tramos distintos separados por uma zona de transição.

ABSTRACT

Composite materials results in a combination of the two or more different materials. With advantages like the low weight associated a great mechanical performance, excellent resistance to aggressive environments and other many advantages. For all this reasons, exist a great applications of this materials in various industrials sectors such as aerospace, automotive, construction, medicine, among many others.

In the construction industry, concrete structures are exposed to various aggressive agents, chemical and physical, which decrease the mechanical capability , durability and the life of product . One of the most important phenomenon is the importance the corrosion of the steel reinforcement which are within the concrete.

Thus the main objective of this work is the development and study of hybrid fiber composite rods/steel. The composite rods which incorporate only fibers exhibit a brittle fracture, that is, there is no transfer of material, by contrast with the composite rods and steel fibers have a ductile fracture.

The work start with adapting the production process of braiding, which is used in the textile industry for the production of ropes and cords. These changes have enabled the production of various types of rods incorporating glass fibers and the steel wire core and the outer layer polyester impregnated with a resin type Vinylester.

The rods produced were tested their physical and mechanical properties following various methodologies and testing techniques that were used by other authors and making adaptation to a new essay form.

ÍNDICE Agradecimentos ... III Resumo ... V Abstract ... VII Índice ... IX Índice de Figuras ... XI Índice de Quadros ... XIV

1 Introdução ... 1 1.1 Considerações Gerais ... 1 1.2 Motivação ... 1 1.3 Objetivos ... 2 1.4 Organização da Dissertação ... 3 2 Estado de arte ... 5 2.1 Corrosão ... 5

2.2 Medidas Preventivas de Corrosão ... 7

2.3 Materiais Compósitos ... 8

2.3.1 Fibras (Reforço) ... 10

2.3.2 Matrizes ... 15

2.4 Varões Compósitos ... 19

2.4.1 Varões FRP com Mistura de Diferentes Tipos de Fibras ... 23

2.4.2 Varões FRP com Adição de Aço ... 26

3 Metodologia ... 31 3.1 Planeamento de Experiências ... 31 3.2 Materiais Utilizados ... 32 3.2.1 Fibras ... 32 3.2.2 Aço ... 32 3.2.3 Resina ... 34

3.2.4 Fibra utilizada na Estrutura Entrançada ... 34

3.3 Métodos de Ensaio dos Varões Compósitos Híbridos Fibra/Aço. ... 34

3.3.1 Propriedades Físicas ... 34

3.3.2 Propriedades Mecânicas ... 35

4 Trabalho Experimental ... 43

4.1 Produção de Varões Compósitos Híbridos Fibra/Aço ... 43

4.1.1 Processo Existente ... 43

4.1.2 Alteração do Processo ... 46

4.1.3 Novo Processo de Produção ... 51

4.2 Determinação das Propriedades Mecânicas ... 63

4.2.1 Ensaios de Tração Segundo o Regulamento American Concrete Institute (ACI) 63 4.2.2 Metodologia de Ensaio de Tração Desenvolvida ... 68

4.3 Determinação das Propriedades Físicas ... 71

4.3.1 Microscopia ... 71

4.3.2 Determinação da Fração Mássica ... 72

5.1 Composição ... 75

5.2 Propriedades mecânicas ... 80

5.2.1 Comportamento à tração – varões Tipo 1 ... 80

5.2.2 Comportamento à tração – varões Tipo 2 ... 81

5.2.3 Comportamento à tração – varões Tipo 3 ... 83

5.2.4 Comportamento à tração – varões Tipo 4 ... 84

5.2.5 Comparação entre os 4 Tipos de varões ... 86

5.2.6 Comparação entre o modelo teórico e os resultados obtidos ... 87

6 Conclusão e perspectivas futuras ... 90

6.1 Conclusão ... 90

6.2 Perspetivas Futuras ... 92

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Corrosão das armaduras [9] ... 6

Figura 2 Períodos de propagação da corrosão [8] ... 6

Figura 3 Corrosão provocada por ataque de cloretos [9] ... 7

Figura 4 Curvas de tensão-extensão das fibras, matriz e FRP [15] ... 9

Figura 5 Classificação quanto à origem das fibras [17] ... 11

Figura 6 Propriedades mecânicas de várias fibras e do aço [16] ... 14

Figura 7 Forma de Apresentação das fibras de reforço [11] ... 15

Figura 8 Reação exotérmica de cura ... 17

Figura 9 Varão Isorod produzido por pultrusão [26] ... 20

Figura 10 Exemplo de varões CFCC™ [27] ... 20

Figura 11 Exemplo de varões Leadline™, [26] ... 20

Figura 12 Exemplo de varões Fibra™ e cabo [20] ... 21

Figura 13 Exemplo de varões Technora™, [26] ... 21

Figura 14 Exemplo de curva tensão-defromação GFRP, [28]. ... 22

Figura 15 Imagem da estrutura entrançada de um varão [31]. ... 23

Figura 16 Curvas tensão-deformação de entrançado de aramida com reforço no núcleo de carbono [31]. ... 23

Figura 17 Esquema de produção do processo “braitrusion” [33]. ... 24

Figura 18 Gráfico da tensão-extensão [32]. ... 25

Figura 19 Comportamento idealizada da tensão-deformação de compósitos híbridos [35] . 26 Figura 20 Imagem da estrutura do varão com adição de aço [36]. ... 26

Figura 21 Gráfico curva tensão-extensão [36]. ... 27

Figura 22 Exemplo de varão híbrido [37] ... 27

Figura 23 Curva tensão- deformação do varão hibrido [29] ... 28

Figura 24 Disposição dos vários constituintes do varão, [29] ... 28

Figura 25 Comparação da resistência, rigidez e custos dos diversos varões: em aço, fibra de vidro e híbridos [29]. ... 29

Figura 26 Configuração dos produtos SFCB [38] ... 30

Figura 27 Mecanismo de Produção SFCB [38] ... 30

Figura 28 Gráfico tensão- extensão dos diferentes aços utilizados na construção. ... 33

Figura 29 Sistemas de fixação tradicionais utilizados para ensaio de tração [40] ... 36

Figura 30 Sistemas de ancoragem utilizados para ensaio de tração de barras de FRP [40] . 37 Figura 31 Tampas perfuradas de PVC utilizados para o alinhamento [45] ... 38

Figura 32 Gráfico da pressão em função do diâmetro [42] ... 38

Figura 33 Mecanismo de ancoragem ... 39

Figura 34 Máquina universal para ensaios de tração [41] ... 39

Figura 35 Posição das fixações no equipamento de ensaios [40] ... 39

Figura 36 Detalhes da ancoragem [44] ... 40

Figura 37 Exemplo de ancoragem para várias máquinas de teste [45] ... 41

Figura 39 Deslocamento do varão do interior do tubo de aço [45] ... 42

Figura 40 Processo de produção do entrançado compósito [6] ... 43

Figura 41 Equipamento utilizado no grupo de investigação FMRG para a produção de varões…….. ... 44

Figura 42 Impregnação das fibras pelas resina ... 44

Figura 43 Sistema de impregnação projetado e construído para a máquina de entrançamento pelo grupo FMRG ... 45

Figura 44 Mecanismo de Puxagem ... 45

Figura 45 Construção da câmara de cura ... 47

Figura 46 Aspeto final da câmara de cura ... 47

Figura 47 Aspeto final do cavalete em aço com o sistema de puxagem incorporado ... 48

Figura 48 Módulo de aproveitamento da resina ... 49

Figura 49 Pormenor do esquadro com olhais cerâmicos para a condução das fibras ... 50

Figura 50 Sistema de colocação e condução das fibras e do aço ... 50

Figura 51 Sistema de impregnação preparado para receber o aço ... 50

Figura 52 Fotografia do equipamento utilizado para a determinação do tempo de gel e cura da resina….. ... 55

Figura 53 Curvas de reação exotérmica de cura com diferentes percentagem de acelaradores.. ... ……….55

Figura 54 Bobinadeira Trenz-Export modelo PR/810 ... 57

Figura 55 Foto da colocação das bobines ... 57

Figura 56 Condução das fibras de vidro e aço ... 58

Figura 57 Amarração das fibras de vidro e poliéster ... 58

Figura 58 Programação do variador de velocidade de puxagem, variador de velocidade de entrançamento e do controlador de temperatura ... 59

Figura 59 Balseiro pronto a receber resina ... 59

Figura 60 Preparação da resina ... 60

Figura 61 Aspeto final da matriz de resina ... 60

Figura 62 Processo de produção idializado ... 61

Figura 63 Entrada da fibras e do aço na entrançadeira ... 61

Figura 64 Entrançamento do fio poliéster ... 62

Figura 65 Uniformização da superficies do varão ... 62

Figura 66 Remoção do revestimento superficial ... 64

Figura 67 Fotografia da curvatura dos varões produzidos ... 66

Figura 68 Preparação de provete para ensaio ... 66

Figura 69 Estrutura de preparação das amostra para ensaio de tração ... 67

Figura 70 Molde utilizado para a preparação dos provetes ... 68

Figura 71 Aspeto final do paralelepípedo de resinas com fibras numa extremidade da amostra…… ... 69

Figura 72 Desenho das placas de aço ... 70

Figura 73 Desenho do funcionamento do ensaio de tração ... 70

Figura 75 Exemplo da micropia da área total do Varão, área do Núcleo e área dos

filamentos de aço ... 71

Figura 76 Equipamento de corte de alta precisão ... 72

Figura 77 Cadinhos no interior do excicador ... 73

Figura 78 Estufa ... 73

Figura 79 Aspeto final da secção transversal do varão Tipo1, Tipo 2, Tipo 3 e Tipo 4 ... 75

Figura 80 Gráfico tensão-extensão Tipo 1 ... 81

Figura 81 Gráfico tensão-extensão Tipo 2 ... 82

Figura 82 Gráfico tensão-extensão Tipo 3 ... 84

Figura 83 Curva tensão-extensão Tipo 4 ... 85

Figura 84 Curva tensão-extensão dos 4 Tipos de varão ... 86

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1 Propriedades mecânicas das fibras (12) ... 13

Quadro 2 Propriedades das resinas termoendurecíveis, [4]. ... 16

Quadro 2 Propriedades das resinas termoplásticas [4] ... 19

Quadro 3 Combinação do material do varão híbrido [29] ... 29

Quadro 4 Planeamento das experiências ... 31

Quadro 5 Características da fibra de vidro ... 32

Quadro 6 Características do Aço A500 EL utilizado neste trabalho ... 33

Quadro 7 Características da resina SWANCOR 901 ... 34

Quadro 8 Determinação de comprimento total de cada tipo de varão ... 52

Quadro 9 Velocidade de tiragem ... 53

Quadro 10 Velocidade de entrançamento ... 53

Quadro 11 Ângulo de entrançamento ... 54

Quadro 12 Temperatura de gel, tempo de gel e temperatura do pico exotérmico ... 56

Quadro 13 Contabilização da matriz da resina ... 60

Quadro 14 Características dos tubos de aço série média ... 65

Quadro 15 Característica e consumo de resina MC-DUR 1209 [49] ... 65

Quadro 16 Área e diâmetro equivalente das amostras ... 76

Quadro 17 Fração mássica do núcleo dos varões ... 77

Quadro 18 Dados da determinação da fração mássica total ... 78

Quadro 19 Volume e massa de cada constituinte dos quatro tipos de amostras. ... 80

Quadro 20 Propriedades da amostra Tipo 1 ... 80

Quadro 21 ropriedades da amostra Tipo 2 ... 82

Quadro 22 Propriedades da amostra Tipo 3 ... 84

Quadro 23 Propriedades da amostra Tipo 4 ... 85

Quadro 24 Resumo das características mecânicas dos varões ... 86

Quadro 25 Previsão teórica das propriedades mecânicas ... 88

1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações Gerais

Na construção civil, o betão armado é largamente utilizado na parte estrutural de qualquer edificação ou construção, por ser um material de construção que envolve materiais simples, que, uma vez conjugados, criam uma grande resistência. No entanto, apresenta várias fragilidades e patologias que aparecem ao longo do seu ciclo de vida [1].

Existem inúmeras causas responsáveis pelas patologias em estruturas do betão armado. Mesmo quando a estrutura é bem executada e a função para a qual foi projetada não foi alterada, tendo ainda uma boa conservação da estrutura, o meio ambiente que a rodeia age sobre ela, causando-lhe diversos tipos de patologias. A maior causa de patologias em estruturas de betão armado é a corrosão das armaduras de aço, mas existem outras que afetam diretamente o betão, como a incorreta seleção dos materiais [1].

A nível mundial, tem-se observado uma degradação inesperada das estruturas de betão armado. Por exemplo, nos Estados Unidos da América metade das 575 000 pontes existentes encontram-se degradadas devido à corrosão do aço, sendo que, 40% dessas se encontram com graves problemas a nível estrutural. Ao nível dos custos de reparação prevê-se que estes ascendam a 50 biliões de dólares [2].

Desta forma, têm sido utilizadas algumas técnicas para a resolução deste problema, sendo a principal técnica a substituição de varões de aço por polímeros reforçados com fibras para evitar a corrosão do mesmo [3].

1.2 Motivação

O custo elevado da manutenção de estruturas de betão armado, alvo de corrosão da armadura, conduziu a que nos últimos anos tenham sido desenvolvidas investigações em varões com vista ao desenvolvimento de materiais compósitos de reforço fibroso, muitas vezes conhecidos por FRP – Fiber Reinforced Polymers. Existem já por todo mundo empresas que produzem varões FRP, existindo também códigos/normas para o dimensionamento das estruturas que incorporam este tipo de materiais [4].

Os varões FRP que são constituídos por um único tipo de fibra apresentam bom comportamento linear até à rotura, isto é, não tem aviso do colapso, logo são necessários maiores coeficientes de segurança a fim de evitar roturas frágeis [4].

Existe também uma alternativa aos varões de FRP padrão, os varões FRP híbridos compostos por vários tipos de fibras, que apresentam extensões diferentes com o objetivo de introduzir um comportamento elástico-plástico, apresentando ainda assim alguns inconvenientes para a sua utilização em estruturas de betão armado [5].

Um dos pontos fracos dos FRP é a sua rigidez relativamente baixa comparativamente ao aço. Para melhorar a rigidez podem ser incorporadas fibras de alto desempenho, como o carbono, que para além de serem raras, tornam os varões economicamente menos competitivos.

A produção de FRP através da técnica de entrançamento tem como vantagem a produção a baixo custo, permitindo uma orientação multiaxial das fibras, produção com nervuras na face exterior para melhorar a aderência ao betão, apresentando ainda uma camada exterior que protege o núcleo com o objetivo de aumentar a durabilidade da estrutura [6].

1.3 Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um varão compósito híbrido fibra/aço utilizando, para sua produção, a tecnologia de entrançamento.

Este varão será composto por um núcleo, que confere as propriedades ao varão e uma camada de entrançado exterior, com o objetivo de proteger o varão contra agentes agressivos exteriores.

Pretende-se utilizar a tecnologia de entrançamento para produzir os varões, pois o entrançamento é uma técnica simples utilizada para a produção de cordas e cordões, não estando, como tal, adaptada à produção de materiais compósitos. Assim sendo, um dos objetivos prende-se com o estudo e adaptação do equipamento existente para otimizar e tornar mais eficiente o processo de fabrico.

A combinação de vários tipos de fibras e do aço, no núcleo, pretende melhorar o comportamento mecânico e o custo, quando se tomam por referência os varões FRP conhecidos e comercializados no mundo da construção.

Espera-se que o uso do aço permita aumentar a rigidez, introduzir ductilidade nos varões compósitos, e aumentar a tensão de rotura do varão. A camada exterior não terá qualquer influência nas propriedades mecânicas, pois apenas terá a função de proteção do núcleo.

A principal finalidade deste trabalho é desenvolver um varão económico, com as propriedades adequadas, durável e em que todas as matérias-primas estejam a ser utilizadas em pleno de uma forma eficiente.

1.4 Organização da Dissertação

A presente dissertação está organizada em seis capítulos. No primeiro capítulo pretende-se fazer uma introdução do tema abordado na dispretende-sertação e explicar a sua importância no domínio da Engenharia Civil.

No segundo capítulo abordam-se o tema da corrosão e analisam-se as medidas a serem tomadas para prevenir a corrosão. Para além disso, descrevem-se os constituintes dos materiais compósitos, tipo de materiais que se podem utilizar e as vantagens e desvantagens desses materiais. É ainda realizada uma análise crítica do trabalho efectuado por outros autores na área dos varões compósitos, apresentando diversos resultados e conclusões.

No terceiro capítulo descreve-se o processo de fabrico existente idealizado por outros autores e um levantamento das limitações deste processo. De seguida, é realizada uma previsão teórica das propriedades geométricas e físicas, tendo por base os materiais escolhidos para a produção dos varões. Para finalizar o capítulo, discutem-se as principais metodologias e ensaios para a caraterização das propriedades dos varões produzidos. No quarto capítulo são descritos o procedimento e os materiais utilizados na alteração do processo produtivo, assim como se descreve o funcionamento do equipamento. Para além disso, descrevem-se as metodologias de avaliação das propriedades físicas e geométricas. No quinto capítulo é feita a apresentação e discussão dos resultados experimentais obtidos, procurando enquadrá-los nos trabalhos realizados por outros autores.

2 ESTADO DE ARTE 2.1 Corrosão

O aço utilizado nas armaduras é protegido pelo betão devido ao seu recobrimento por parte deste, separando a armadura do meio ambiente, e pela formação de uma película fina de óxido de ferro na superfície do aço, devido à elevada alcalinidade do hidróxido de cálcio (pH cerca de 13) designada por camada de passivação [7].

Numa situação normal, o aço embebido no betão está protegido contra a corrosão. A camada de passivação impede a dissolução do ferro, mesmo que garantidas todas as outras condições para que a corrosão ocorra, nomeadamente a presença de humidade e oxigénio, garantindo assim que as propriedades físico-químicas não se alterem devido a ações exteriores.

No caso da ausência de oxigénio, o aço oxidará muito lentamente sem causar problemas, o que acontece apenas quando as estruturas estão submersas.

A corrosão da armadura no betão é um processo eletroquímico, que consiste na oxidação destrutiva do aço pelo meio que envolve, isto é, o processo pelo qual o aço tende a regressar ao seu estado natural (óxido de ferro).

A corrosão eletroquímica do aço no betão pode ser originária da utilização de diferentes tipos de aço, das variações significativas das características superficiais do aço e das diferentes concentrações de iões dissolvidos na vizinhança do aço [8].

Como o betão é exposto a condições ambientais agressivas, dependendo da zona e do tipo de envolvente em que está inserido, as condições de serviço modificam-se e o betão também se altera, permitindo a penetração de substâncias agressivas.

Desta forma, acontece a degradação da película protetora do aço, que o envolve, devido ao elevado pH do betão, originando várias consequências, tais como (Figura 1) [9]:

k O aço diminui a sua seção ou ainda o aço converte-se na totalidade em óxido;

k O volume de óxido produzido pela corrosão é cerca de 8 vezes o volume do metal, exercendo pressões que provocam a fendilhação, o destacamento e a delaminação do betão;

k A aderência armadura/betão diminui ou desaparece, reduzindo assim a capacidade de carga.

Figura 1 Corrosão das armaduras [9]

Assim, a corrosão da armadura no betão leva a que a estrutura diminua o seu desempenho, a durabilidade e, consequentemente, a sua vida útil de serviço ou projeto. Nas armaduras, a corrosão pode ser devido à carbonatação, devido a ação de cloretos, ou também devido à redução da alcalinidade provocado pela lixiviação do hidróxido de cálcio pela água. Existem dois períodos na ocorrência da corrosão das armaduras: um período de iniciação e outro de propagação (Figura 2), que depende do tipo de agente agressivo e de outros fatores [10].

Figura 2 Períodos de propagação da corrosão [8]

O período de iniciação ocorre quando as substâncias agressivas penetram a partir da superfície, levando à despassivação da armadura. A duração do período de iniciação e propagação da corrosão depende da profundidade do recobrimento do betão, da velocidade de penetração e da concentração do agente agressivo.

Os cloretos podem estar presentes na mistura cimentícia, nos agregados e na própria água da amassadura, mas principalmente por penetração no betão vindos de uma fonte exterior, como por exemplo, em ambientes marítimos [1].

A corrosão por cloretos é localizada com ataques limitados a certas zonas (covas) rodeadas por áreas não corroídas (corrosão por picadas) – apenas para enormes concentrações de cloretos a camada de passivação poderá ser destruída em toda a sua extensão.

O ataque por cloretos é mais comum em zonas marítimas, tal como se pode observar na Figura 3, onde se visualiza a armadura exposta e a redução da seção do pilar.

Figura 3 Corrosão provocada por ataque de cloretos [9]

Em ambiente húmido o dióxido de carbono presente no ar forma uma solução ácida aquosa que pode reagir com os compostos hidratados da pasta de cimento, neutralizando a alcalinidade do betão e destruindo a camada protetora da armadura [1].

A carbonatação em si não danifica o betão, contudo pode provocar alguma retração – no caso de betão com CEM I, pode até reduzir a porosidade e, numa primeira fase, aumentar a resistência, mas, no entanto, a armadura ativa a corrosão com a queda do pH do betão para valores que se aproximam da neutralidade. O ataque químico por carbonatação, ao contrário dos cloretos, dissolve a camada passivante na generalidade e não por pontos.

2.2 Medidas Preventivas de Corrosão

Tal como referido anteriormente, a corrosão da armadura é muito prejudicial para qualquer estrutura de betão armado, sendo que, em algumas situações, quando a corrosão da armadura não está num estado muito avançado, é possível reparar, mas com custos muito elevados.

Assim, para a resolução deste problema existem medidas preventivas que devem ser tomadas aquando da elaboração do projeto.

No que diz respeito à estrutura no projeto, deve-se ter em conta as propriedades do betão, a espessura do recobrimento, alguns pormenores do desenho e o posicionamento e a distribuição da armadura [2].

Em relação à seleção de materiais, podem ser usados materiais para proteção superficial, impedindo assim a penetração de agentes agressivos, como por exemplo hidrófugantes, bloqueadores, películas de revestimento e membranas.

Para atenuar as reações eletroquímicas são utlizados produtos químicos de prevenção catódica e inibidores de corrosão na amassadura.

A substituição da armadura convencional por outro tipo de armadura, como, por exemplo, varões em aço inox ou galvanizados, a aplicação de revestimentos na armadura ou utilização de uma armadura não metálica, previnem a corrosão da armadura [8].

A utilização de armaduras que não sejam metálicas têm sido cada fez mais uma solução adotada para combater a corrosão, como é o caso dos materiais compósitos, designados por Polímeros Reforçados com Fibras (FRP - Fiber Reinforced Polymer).

2.3 Materiais Compósitos

A combinação de dois ou mais materiais distintos originam materiais compósitos. Desde os primórdios, o homem tenta obter materiais inovadores e com melhores características e desempenho [11].

Um dos primeiros exemplos são os tijolos de argila reforçados com fibras de palha, sendo que atualmente se utiliza um material compósito em grande escala, que é o betão armado. A combinação da resistência a compressão do betão e resistência à tração do aço, leva a que seja conseguida uma peça com um elevado desempenho [12].

Os materiais compósitos podem classificar-se segundo vários critérios, sendo utilizado o tipo de matriz como um dos critérios mais relevantes. Pode-se, portanto, agrupar este tipo de materiais em compósitos de matriz cimentícia, polimérica, metálica e cerâmica. A facilidade de processamento e a baixa densidade dos polímeros, fazem com que os compósitos de matriz polimérica sejam os mais importantes em termos de desempenho e campos de aplicação [12].

Os materiais compósitos designados por Polímeros Reforçados com Fibras (FRP - Fiber Reinforced Polymer), foram desenvolvidos nos anos 50, inicialmente para a indústria aeroespacial, sendo obtidos pela combinação de dois elementos, um elemento resistente (fibras) e outro que envolve as fibras numa matriz polimérica que as protege de eventuais degradações [13].

A combinação destes dois materiais, ou mais, cria um novo material com elevada performance, traduzindo-se num material com grandes vantagens, tais como: alta resistência, excelente comportamento à fadiga, resistência longitudinal à tração, resistência à corrosão, leveza, baixa condutibilidade elétrica e térmica e neutralidade magnética [14].

O comportamento à tração isolado das fibras e da matriz é diferente do comportamento à tração do compósito. Na Figura 4 pode-se constatar que as fibras apresentam uma resistência elevada à tração quando comparadas com a matriz. Contudo, esta última apresenta uma extensão claramente mais elevada do que a exibida pelas fibras. Relativamente ao FRP, este apresenta uma resistência inferior à das fibras, como seria de esperar, e uma extensão igual à exibida por estas, evidenciando, tal como as fibras, um comportamento linear elástico até à rotura.

Figura 4 Curvas de tensão-extensão das fibras, matriz e FRP [15]

As características individuais de cada constituinte do material compósito é essencial para o resultado final, e a forma como as fibras e a matriz interagem é essencial para o bom desempenho do FRP. A orientação das fibras influencia, em grande medida, as propriedades mecânicas do compósito, visto que, as fibras apresentam melhores propriedades na direção do seu comprimento.

Os FRP`s quando carregados, as cargas são transferidas e distribuídas pela fibra através da matriz. Por isso, o desempenho do material depende de fatores como a adesão da matriz, compatibilidade física e química das fibras e da matriz, entre muitos outros fatores.

Outra das grandes vantagens dos materiais FRP é a grande panóplia de formas que podem adquirir, devido à grande variedades técnicas e métodos de produção.

Uma das técnicas para a produção de compósitos mais popular, é a moldação. Esta pode ser por contato, por vácuo, por compressão, por injeção, por injeção a baixa pressão e por transferência, por autoclave e por centrifugação. Para além desta, a produção de materiais pode ser feita por pultrusão e enrolamento filamentar [12].

Desta forma é possível produzir peças com as variadas formas e de variados campos de aplicação, como grades, placas, chapas, peças para indústria automóvel, entre muitos outros [16].

2.3.1 Fibras (Reforço)

Independentemente da sua natureza, as fibras podem afetar significativamente as propriedades finais do material compósito consoante a sua orientação, comprimento, formas comerciais e origem [17].

A orientação das fibras influencia as propriedades mecânicas do FRP, dado que elas apresentam melhores propriedades na direção do seu comprimento. Assim, as propriedades mecânicas são melhores na direção em que as fibras se encontram alinhadas relativamente às outras direções.

Em relação ao comprimento, podem ser classificadas como descontínuas ou contínuas, muitas vezes divididas ainda em fibras longas e curtas. As fibras longas são aquelas que apresentam comprimento igual ou superior a 6mm, sendo que, muitas vezes, a escolha entre as fibras longas ou curtas depende do produto final que se pretende obter ou da tecnologia de fabrico. No que diz respeito às fibras contínuas, estas apresentam um comprimento bastante elevado, apresentando maior anisotropia de propriedades.

As fibras, apresentam normalmente uma secção transversal circular, embora os diversos estudos científicos levados a cabo, tenham vindo a revelar que a utilização de outras formas pode ser vantajosa nas condições de aderência entre as fibras e a matriz [4].

A classificação das fibras pode ser feita em duas grandes classes, fibras naturais ou não naturais. Dentro do último grupo, encontram-se as artificiais, as sintéticas e as inorgânicas. As fibras naturais existem, tal como são, na natureza e podem ser de origem animal, vegetal e mineral (Figura 5).

Figura 5 Classificação quanto à origem das fibras [17]

Apesar de existir uma grande variedade de fibras, com múltiplas e diferentes características, as mais usuais em materiais compósitos são as fibras de carbono, vidro, aramida e, mais recentemente, as fibras de basalto [11].

Enquanto as fibras de vidro são o reforço mais utilizado, ou seja, tem a sua aplicação mais generalizada, as fibras de carbono e aramida são utilizadas para obter produtos para aplicações com um grau de exigência das propriedades mecânicas superiores, envolvendo maiores custos.

O teor em fibras de um compósito tem um papel determinante nas propriedades mecânicas finais que o material apresenta. Quanto maior for a percentagem de fibras no material compósito resultantes, visto terem propriedades mecânicas superiores às da matriz, maior será, à partida, a resistência mecânica do compósito aumenta.

Acetato CA Alginato ALG Cupro CUP Elastodieno ED Naturais Fibras Não-naturais Inorgânica Orgânicas Artíficiais Sintéticas Acrílico PAN Aramida AR Poliéster PES Polietileno PE Carbono CF Cerâmica CEF Vidro GF Metal MTF

2.3.1.1 Fibras de Vidro (G)

As fibras de vidro são as fibras de reforço mais utilizadas em materiais compósitos, devido às suas excelentes características de alta resistência, elevado módulo de elasticidade e baixo custo.

Existem vários tipos, incluindo vidro-E, vidro-S e vidro-AR (resistente aos álcalis), sendo as fibras do tipo vidro-E, mais económicas que as fibras do tipo vidro-S. As fibras de vidro-AR sendo resistentes aos álcalis ajudam a prevenir a corrosão [11].

As fibras de vidro são consideradas um excelente material de reforço, não só pelo o baixo custo, mas pelas suas propriedades mecânicas, apresentando um módulo de elasticidade superior a 70 GPa e uma deformação na rotura de cerca 2% [16].

Para além disso, ainda apresentam um baixo coeficiente de dilatação térmica, boa estabilidade dimensional, boa resistência química, sendo compatíveis com maior parte das matrizes [18]. No entanto, as fibras de vidro apresentam uma baixa rigidez quando comparadas com as fibras de carbono, têm uma massa volúmica superior às de carbono e aramida, e, por fim, são bastante sensíveis a água [4].

2.3.1.2 Fibra de Carbono (C)

As fibras de carbono apresentam elevadas resistência e rigidez, mantendo estas caraterísticas mesmo com o aumento da temperatura. São muito resistentes em ambientes agressivos e têm um comportamento linear até à rotura, no entanto, apresentam como desvantagem o custo elevado [11].

Existem três tipos de fibras de carbono, tendo em conta o percursor utilizado: viscose, alcatrão e poliacrilonitrilo. A fibra de carbono Rayon (viscose) é produzida a partir de fibras de celulose, sendo assim um material produzido através de um recurso renovável, assumindo um rótulo de material sustentável do futuro.

Em relação às fibras do tipo alcatrão, são produzidas a partir de resíduos da indústria petrolífera e siderurgia. As fibras de carbono do tipo PAN (poliacrilonitrilo) são obtidas a partir da carbonização do monómero acrilonitrilo.

As fibras de carbono, como se apresenta no Quadro 1Quadro 1, têm uma massa volúmica inferior e propriedades mecânicas superiores às fibras de vidro, tais como módulo de

elasticidade, resistência à temperatura e estabilidade dimensional. No entanto, o custo elevado continua a ser um impedimento ao uso deste tipo de fibra.

Quadro 1 Propriedades mecânicas das fibras (12)

Fibra Massa volúmica (g/cm3) Módulo de Elasticidade (GPa) Tensão de rotura (MPa) Extensão-última (%)

Fibras de aço (A36) 7,8 200 400 20

HM fibra de carbono 1,76 903 2700 0,3 IM fibra de carbono 1,76 647 2911 0,45 SM fibra de carbono 1,76 230 3530 1,5 Vidro-E 2,56 73 3330 4,4 Vidro-S 2,54 87 4300 4,9 Aramida 49 1,45 125 2800 - 3600 2,2 - 2,8 Aramida 29 1,44 69 2900 4,4 Aramida 1,39 74 3000 - 3300 4,2 - 4,6

2.3.1.3 Fibras de Aramida (A)

As fibras de aramida apresentam elevada ductilidade quando sujeitas à compressão, tendo a capacidade de absorver energia, o que lhes confere uma boa resistência ao impacto, exibindo também elevada plasticidade em compressão quando sujeitas à flexão. São ainda resistentes à fadiga e exibem reduzida fluência [4].

Contudo, a resistência e o módulo de elasticidade diminuem linearmente com o aumento da temperatura e, para uma elevada percentagem de humidade, as fibras de aramida tendem a fendilhar internamente. Estas fibras absorvem alguma água, são sensíveis à radiação UV e, apesar de resistentes a muitos químicos, podem degradar-se sob a ação de alguns ácidos e alcalis [4].

2.3.1.4 Fibras de Basalto (B)

As fibras de basalto são produzidas por fusão de material de basalto, apresentando melhores características físicas e mecânicas que as fibras de vidro. Estas são mais económicas que as fibras de carbono.

Apresentam como principais vantagens a boa resistência ao fogo, significativa capacidade de isolamento acústico e de vibrações e resistência a ambientes quimicamente ativos e agressivos.

A Figura 6 apresenta o comportamento mecânico comparativo de fibras e do aço num gráfico tensão-extensão,

Figura 6 Propriedades mecânicas de várias fibras e do aço [16] 2.3.1.5 Estruturas Fibrosas

As fibras podem ser apresentadas de várias formas: roving, tecidos ou mantas. O roving é uma mecha de filamentos contínuos de fibras enrolados sem torção numa bobine [12]

O número e o diâmetro de filamentos que constitui uma mecha roving é rigorosamente controlada de modo a definir o seu peso linear. A unidade que é mais usual, que compreende o peso linear é o TEX, isto é, o peso da mecha em gramas por quilómetro de comprimento. Os rovings podem ser processados em teares dando a origem a tecidos. Estes tecidos, como têm fibras orientadas em duas ou mais direções, apresentam um comportamento mecânico mais homogéneo que os rovings [16] .

Em relação às mantas, são produtos onde as fibras são distribuídas aleatoriamente e agregadas através de emulsão em pó. Existem três tipos de mantas: as mantas com fios descontínuos, as mantas com fios contínuos e as mantas de superfície

Normalmente, os tecidos e as mantas são caraterizados comercialmente pela sua massa por unidade de superfície, isto é, o peso em gramas por metro quadrado de área.

Figura 7 Forma de Apresentação das fibras de reforço [11]

2.3.2 Matrizes

Para além das fibras, os materiais compósitos de matriz polimérica incorporam uma matriz constituída por um plástico. A matriz tem como funções manter as fibras unidas e na posição pretendida, repartir as cargas do material pelas fibras, proteger a sua superfície durante o fabrico, manuseamento e vida de serviço do compósito, e protegê-las dos ataques ambientais e abrasão mecânica [19].

Existe uma grande variedade de matrizes, que, de uma forma geral, se classificam por termoendurecíveis e termoplásticas. A escolha da matriz para a produção do material compósito deve ter em consideração, não só a tecnologia de produção, mas também a sua aplicação.

2.3.2.1 Matrizes Termoendurecíveis

As matrizes termoendurecíveis são as mais utilizadas para a aplicação em materiais compósitos. Estas resinas são matrizes de polímeros irreversivelmente formados, que não podem ser dissolvidas nem fundidas depois de curadas.

Normalmente, as matrizes termoendurecíveis são processados a partir da mistura de 3 componentes: a resina, o acelerador e o iniciador. Depois de realizada a mistura com a

proporção adequada de cada elemento, inicia-se o processo de cura, que corresponde ao período de polimerização do polímero de base [19].

Estas resinas têm uma viscosidade inicial baixa, boa estabilidade dimensional, baixo coeficiente de dilatação térmica e elevada resistência aos solventes. Apresentam como desvantagens: não permitem um elevado período de armazenamento, processo de fabrico demorado e têm uma baixa extensão de rotura, traduzindo-se numa menor resistência ao impacto.

Existem vários tipos de resinas termoendurecíveis, sendo as mais usadas a epóxida, poliéster e viniléster, tal como se apresenta na Quadro 2.

Quadro 2 Propriedades das resinas termoendurecíveis, [4].

Propriedades Resina

Poliéster Epóxida Viniléster

Massa volúmica (kg/m3_{) 1200-1400 1200-1400 1150-1350}

Resistência à tração (MPa) 34,5-104 55-130 73-81

Módulo de elasticidade (GPa) 2,1-3,45 2,75-4,10 3,0-3,5

Coeficiente de Poisson 0,35-0,39 0,38-0,40 0,36-0,39

Coeficiente de dilatação térmica 55-100 45-65 50-75

Taxa de absorção de humidade (%) 0,15-0,60 0,08-0,15 0,14-0,30

A resina epóxida é a mais utilizada para produção de FRP para reforço estrutural, exigindo assim elevadas propriedades mecânicas, baixa retração durante a cura, boa adesão a uma grande variedade de fibras, elevada resistência à corrosão, sendo menos afetada pela água e pelo calor do que as outras matrizes poliméricas. As principais desvantagens prendem-se com o custo elevado e o longo período de cura [20].

A resina de poliéster (não saturado) é principalmente utilizada para a produção de materiais compósitos industriais e comerciais, como, por exemplo, perfis, por ter um baixo custo e ser facilmente trabalhável [21]. Apresenta baixa viscosidade e pode ser produzida de forma a apresentar elevada resistência aos raios ultravioleta. Caracteriza-se ainda como sendo um bom isolante elétrico e pode alcançar uma maior resistência à corrosão das fibras adicionando determinados produtos [12].

A resina viniléster apresenta maior resistência do que a resina de poliéster, exibindo boa adesão às fibras de vidro e uma elevada resistência aos ácidos e à carbonatação. Esta resina possui algumas das características benéficas das resinas epóxidas, como a resistência química e a resistência à tração, a viscosidade e a velocidade de cura.

2.3.2.2 Cura

A reação química promovida por um iniciador é designada por cura, reação esta que é exotérmica e irreversível, produzindo um material sólido. A Figura 8 mostra o tempo de gel e de cura característico de uma matriz termoendurecível.

Figura 8 Reação exotérmica de cura

Ao longo da reação, a temperatura aumenta progressivamente atingindo um pico exotérmico quando termina a reação, isto é, quando é atingida a temperatura máxima. O tempo que decorre desde o início da reação até ser atingido o pico de temperatura designa-se por tempo de cura. O tempo de gel corresponde ao tempo desde o início da reação até o momento que corresponde à primeira alteração do declive.

O final do tempo de gel pode ser observado durante a utilização e manuseamento da resina, quando a resina apresenta um comportamento gelatinoso, isto é, existe um aumento da viscosidade e, consequentemente, a resina deixa de fluir.

Existe a possibilidade de alterar o comportamento da resina com introdução de outros componentes aumentando a velocidade de cura ou retardando.

2.3.2.3 Iniciador

O componente que permite iniciar a reação da cura é denominado iniciador. Este permite baixar a energia de ativação para que ocorra reação. Em ambiente industrial são muitas vezes denominados por catalisadores [12].

2.3.2.4 Aceleradores

Os aceleradores são substâncias usadas para diminuir o tempo de cura e consequente aumento da velocidade de cura. A aglomeração da resina, iniciador e acelerador usado para iniciar a cura de uma matriz termoendurecível é denominada por sistema catalítico.

Se não existir variação de temperatura e humidade, o pico exotérmico e os tempos de cura e de gel dependem diretamente do sistema catalítico. Para a produção da matriz, deve-se sempre misturar primeiramente o acelerador, e só depois disso o iniciador [21].

2.3.2.5 Inibidores

Ao contrário dos aceleradores, os inibidores aumentam o tempo de cura, o que permite mais tempo de trabalho.

2.3.2.6 Matrizes termoplásticas

As matrizes termoplásticas são resinas que, contrariamente às matrizes termoendurecíveis, fundem-se e endurecem sem qualquer alteração química. Este tipo de resinas apresenta elevada viscosidade durante o processo de impregnação, daí ser necessário especial cuidado para assegurar o contacto entre as fibras e a resina. Geralmente estas resinas são mais rígidas, dúcteis e apresentam maior resistência ao impacto do que as resinas termoendurecíveis [13]. A PEEK (poli-éter-éter-cetona) é a resina termoplástica mais comum para aplicações de elevado desempenho, uma vez que apresenta elevada dureza, o que é importante para a tolerância ao dano do compósito. Esta resina apresenta, ainda, reduzida absorção de água. A PPS (Polyphenylene Sulphyde) é uma resina com elevada resistência química enquanto a PSUL (Polysulfone) é uma resina com elevada extensão na rotura e excelente estabilidade sob condições secas e molhadas. O Quadro 2 apresenta os valores típicos das propriedades das resinas acima descritas.

Quadro 2 Propriedades das resinas termoplásticas [4]

Propriedades

Resina

PEEK PPS PSUL

Massa volúmica (kg/m3) 1320 1360 1240

Resistência à tração (MPa) 100 82,70 70,30

Módulo de elasticidade (GPa) 3,24 3,30 2,48

Extensão (%) 50 5 75

Coeficiente de Poisson 0,40 0,37 0,37

2.4 Varões Compósitos

Nos anos 60, a corrosão das armaduras começou a ser um problema visível nas grandes estruturas, mas só nos anos 70 e 80 é que o estudo de varões FRP começou a ser desenvolvido como alternativa aos varões de aço. Os FRP tiveram um grande desenvolvimento nos finais dos anos 80, por se mostrarem uma alternativa fiável à armadura comum, a fim de resolver os problemas relacionados com a corrosão.

Os primeiros produtos compósitos sob a forma de varões de FRP foram utilizados em 1986 na Alemanha, para a construção de uma ponte com varões pré-esforçados [22].

Os primeiros varões foram produzidos pela técnica de pultrusão, com utilização da fibra de vidro e as resinas, como poliéster e viniléster. Uma das propriedades que deve ter qualquer armadura que incorpora o betão é a aderência, e para isso foram aplicadas várias técnicas como, o revestimento superficial do FRP por grãos de areia, com nervuras moldadas na resina final de recobrimento, varões com a superfície coberta de areia e varões com enrolamento helicoidal da fibra [23].

A fibra de carbono foi introduzida nos varões FRP na década de 90, e, por conseguinte, muitas pesquisas foram feitas sobre o comportamento deste material no interior do betão armado, nomeadamente nos Estado Unidos, Japão e Europa [24].

No final dos anos 90, a produção e comercialização dos varões de FRP tinha crescido, existindo um grande número de soluções, tais como:

k Varão Isorod (Figura 9): é produzida pelo processo de pultrusão, composto por fibra de vidro e resina de poliéster. Quando sai da produção apresenta uma superfície lisa, mas para melhorar a aderência ao betão apresenta enrolamento helicoidal de fibra de vidro em torno do varão, e também um revestimento superficial de grão de areia com uma granulometria e uma distribuição específicas [25];

Figura 9 Varão Isorod produzido por pultrusão [26]

k CFCC™ (Figura 10) é um cabo entrançado produzido pela Tokyo Rope, sendo composto por 7, 19 ou 37 fibras de carbono entrançado, é destinado a tensionamento quer seja pós ou pré [26];

Figura 10 Exemplo de varões CFCC™ [27]

k Leadline™ (Figura 11), é um cabo de carbono também destinado a tensionamento, em diâmetros inferiores apresenta um superfície lisa, mas em diâmetros superiores apresenta nervuras interiores [26];

Figura 11 Exemplo de varões Leadline™, [26]

k Fibra™ (Figura 12) é varão produzido pelo o processo de entrançamento e constituído por fibras de aramida impregnadas com resina epóxida. Com o processo de entrançamento é possível produzir uma grande variedade de diâmetros. Está disponível no mercado em varões rígidos ou sob a forma de cabo flexível [20];

Figura 12 Exemplo de varões Fibra™ e cabo [20]

k Technora™ (Figura 13) é um varão FRP fabricado por pultrusão pelas empresas Sumitomo Construction e Teijin, com fibras de aramida e resina viniléster, com fio em espiral na parte exterior para aumentar aderência ao betão [26].

Figura 13 Exemplo de varões Technora™, [26]

Para a regulamentação da utilização de FRP em estruturas de betão, foram criados vários códigos e regulamento em diferentes países, tais como [27]:

k American Concrete Institute (ACI) - 440.3R-04: Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures (Estados Unidos da América) [22];

k American Concrete Institute (ACI) - 440.1R-06: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars (Estados Unidos da América) [22];

k Federation Internationale de Beton (Fib) - fib bulletin no40: FRP Reinforcement in RC Structures (versão provisória) (Europa) [4];

k Intelligent Sensing for Innovative Structures (ISIS) - ISIS Design Manual No. 3: Reinforcing Concrete Structures with Fiber Reinforced Polymers (Canadá);

k Italian National Research Council (CNR) - CNR-DT 203/2006: Guide for the Design and Construction of Concrete Structures Reinforced with Fibre-Reinforced Polymer Bars (Itália);

k Japan Society of Civil Engineers (JSCE) - Recommendation for Design and Construction of Concrete Structures Using Continuous Fiber Reinforcing Materials (Japão) .

Relativamente aos varões FRP que são constituídos por um único tipo de fibra, apresentam um comportamento linear até à rotura, isto é, não apresentam aviso do colapso [4].

Figura 14 Exemplo de curva tensão-defromação GFRP, [28].

Assim, os códigos/regulamentos que foram criados para regulamentar o uso de FRP obriga a maiores coeficientes de segurança, a fim de evitar roturas frágeis. Esta rotura também pode surgir por esmagamento do betão na parte comprimida da peça, o que faz com que a resistência dos varões FRP não seja aproveitada de forma eficiente e eficaz [4].

Para além disso, os varões FRP apresentam um valor do módulo de elasticidade na direção das fibras inferior ao do aço, logo são materiais menos rígidos [29]. Assim, nos últimos anos, verificou-se uma elevada quantidade de investigação com o objetivo de eliminar ou minorar os aspetos negativos dos varões de FRP.

Essa investigação tem sido focada em várias estratégias, incluindo:

k Desenvolvimento de comportamento dúctil em varões de FRP através de aglomeração de vários tipos de fibra, com a finalidade de se obter o limite elástico-plástico da deformação, para permitir a deteção precoce da rotura, ou seja, para não existir uma rotura frágil [5];

k Elaborar um método alternativo que permite detetar antecipadamente o colapso da estrutura, sem recorrer à ductilidade, monitorizando as estruturas de betão [30];

k Melhoria do comportamento e do custo dos varões de FRP com a incorporação do aço; k Utilização de outros tipos de fibras que vão sendo descobertas e aprofundadas ao

longo dos anos.

2.4.1 Varões FRP com Mistura de Diferentes Tipos de Fibras

Em meados dos anos 90, para melhorar as propriedades e características do varão FRP, foi desenvolvida uma solução: uma estrutura entrançada composta por fios de fibras de aramida com um núcleo cilíndrico, conforme a Figura 15 [31].

Figura 15 Imagem da estrutura entrançada de um varão [31].

O núcleo cilíndrico tinha como objetivo, numa primeira fase, ter um comportamento elástico , após o pico ter um comportamento dúctil. Assim, o autor pretendia que quando o varão estivesse sujeito a cargas de tração, o núcleo estivesse comprimido e as fibras entrançadas exteriores fossem capazes de girar e dar uma maior deformação para uma determinada carga [31].

Figura 16 Curvas tensão-deformação de entrançado de aramida com reforço no núcleo de

Para atingir este comportamento foram estudadas várias misturas de fibras com a resina, tais como, fibra de aramida entrançada com o núcleo de fibra carbono, fibra de vidro entrançada com o núcleo de fibra vidro e fibra de aramida com o núcleo de fibra de vidro. Os melhores resultados foram obtidos pelas misturas das fibras de aramida, numa camada entrançada com o grau de orientação das fibras de 30º, e as fibras de carbono colocadas no núcleo impregnado com resina, apresentando um módulo de elasticidade de 140 GPa e uma extensão de rotura situada entre 1,5% a 2,5% (Figura 16), [31].

O autor conclui que é possível aumentar a ductilidade do varão FRP, no entanto, a rigidez da estrutura diminui, o que tem implicações a nível estrutural.

Após este trabalho, nos finais dos anos 90, surgiu um grupo de pesquisa da Universidade de Drexel, EUA, desenvolvendo uma técnica mais aprofundada de uma estrutura entrançada, produzida por uma técnica inovadora denominada por “braidtrusion" [32].

Esta nova técnica foi desenvolvida para resolver as desvantagens que estão associadas aos varões FRP: a falta de ductilidade, falta de aderência ao betão e a baixa rigidez.

O objetivo final era o desenvolvimento de um material capaz de substituir o aço, por materiais em FRP, mas com todas as vantagens que lhe estão associadas: a elevada resistência, baixo peso e elevada resistência à corrosão.

O processo de “braidtrusion” (Figura 17), consiste numa máquina de entrançar que transporta 24 fios, formando uma estrutura tubular entrançada, permitindo uma utilização de diferentes tipos de fibras na camada entrançada e no núcleo [32].

Figura 17 Esquema de produção do processo “braitrusion” [33].

O processo de entrançamento das fibras ocorre num anel de conformação e após realizar o entrançamento, a estrutura tubular passa numa zona, que, através da infusão da resina, são impregnadas as fibras, passando, por fim, numa estufa para curar a resina.

Com este processo de produção 3-D, associado a uma escolha acertada dos materiais, como a fibra e a resina e ainda a arquitetura da camada entrançada, é possível controlar e prever a curva tensão-extensão. Neste caso as fibras de aramida foram colocadas na estrutura entrançada, com o objetivo de obter comportamento elástico-plástico e para melhorar a rigidez as fibras de carbono encontram-se no núcleo. Além disso, esta estrutura ainda permite a criação de uma nervura para melhorar a aderência entre a armadura e o betão [32].

Para avaliar os modelos idealizados pelo autor foram produzidas amostras de 3, 5 e 10mm de diâmetro, sendo constituídos por carbono de elevado módulo de elasticidade no núcleo e fibras de aramida no entrançado. Os ensaios de tração realizados mostraram que o seu limite de elasticidade era de 275 MPa, tendo uma resistência à rotura de 406 MPa e um módulo de elasticidade de 78,6 GPa, isto considerando toda a seção. Mas foram ainda realizados ensaios considerando apenas a área do núcleo e o módulo de elasticidade ficou muito próximo de aço 202 Gap (Figura 18).

Figura 18 Gráfico da tensão-extensão [32].

Vários estudos foram realizados durante os anos 90, com o intuito de desenvolver um varão híbrido de FRP composto por fibras de vidro e carbono, com objetivo de obter um comportamento elástico-plástico [50].

Posteriormente, surgiu a ideia de utilizar as propriedades de resistividade das fibras de carbono, para monitorização ou auto-monitorização das estruturas onde estão inseridos os varões FRP. Este sistema é capaz de monitorizar a estrutura, dando o aviso no caso de existir alguma falha, evitando assim alguma falha catástrofe.

A produção deste material compósito foi feito por pultrusão, sendo composto por vidro, aramida, carbono e fibras de nylon impregnado com resina poliéster ou viniléster. As fibras de carbono podem ser colocas no núcleo do varão ou na superfície exterior [34].

Um dos trabalhos mais completos concluídos nesta área, considera que para obter um comportamento elástico-plástico com a utilização de materiais híbridos, é necessário conseguir uma rotura gradual do material e esse material deve ser composto por três tipos de fibra com diferentes funções: módulo de elasticidade elevado, resistência e ductilidade [35].

Figura 19 Comportamento idealizada da tensão-deformação de compósitos híbridos [35]

2.4.2 Varões FRP com Adição de Aço

Um dos primeiros autores que tentou melhorar as propriedades mecânicas dos varões de FRP foi Nanni [20]. Numa primeira fase, fez um estudo sobre as propriedades dos varões compósitos entrançados com influência na aderência da camada superficial ao betão. Assim, o autor usou fibras de vidro, aramida e PVA para a produção de varões entrançados impregnados com resina epóxida (Figura 20).

Após este primeiro estudo, nasceu a ideia revolucionária e inovadora da incorporação do aço nos varões compósitos. O aço localiza-se no núcleo da estrutura entrançada, ficando assim protegido contra a corrosão que é provocada pela ação de cloretos e a carbonatação [36].

As amostras produzidas foram testadas à tração e concluiu-se que a superfície do varão de FRP permite um aumento da capacidade de absorção da carga por parte do núcleo de aço, sendo mais visível nos varões em que a fibra de aramida é utilizada no exterior. Assim existiu um maior ganho de resistência, devido às propriedades superiores da fibra comparativamente a outras fibras, como se pode observar na Figura 21 [36].

Figura 21 Gráfico curva tensão-extensão [36].

Outra pesquisa foi realizada em 2005 usando o aço no núcleo para reforçar vigas de betão (Figura 22). O núcleo incorporava aço de 6mm e na camada exterior dez rovings de fibra de vidro produzidos de forma helicoidal impregnados com resina epóxida [37].

Figura 22 Exemplo de varão híbrido [37]

Este material apresentou um módulo de elasticidade de 101,99 GPa, sendo cerca de 50% do aço (200 GPa), sendo que a curva tensão-deformação não demostrou sinais de ductilidade como era previsto [37].

Figura 23 Curva tensão- deformação do varão hibrido [29]

Conhecendo os problemas que os varões FRP tinham no reforço interno do betão, e depois de um estudo mais aprofundado sobre o desempenho mecânico das fibras e dos custos, surgiu novamente a introdução do aço no interior do FRP.

Este novo varão pretendia resolver os problemas que estão associados aos varões compósitos: baixa rigidez e baixa ductilidade. Assim, o varão estudado é composto por um fio de carbono, fibras de carbono, aramida e vidro, com uma configuração de núcleo-invólucro.

Figura 24 Disposição dos vários constituintes do varão, [29]

Com este tipo de configuração pretendia-se melhorar os comportamentos mecânicos e químico, e proteger as fibras contra o ataque de agentes agressivos. O arranjo das fibras considera as propriedades mecânicas de cada fibra que o constituem, ficando dispersas pelo núcleo. As fibras de carbono encontram-se na parte exterior, pois, em princípio, são as primeiras a entrar em rotura, e estas criam ondas de choque, uma vez que se estivessem no núcleo poderiam danificar as outras fibras.

Quadro 3 Combinação do material do varão híbrido [29]

Tipo de Fibra Fabricante Especificações

Módulo de Elasticidade (GPa) Extensão última (%) Fração volúmica de fibras

Fibra de Carbono Zoltek Panex 33, 48 k 225 1,25 0,09

Fibra Twaron Twaron Sp-65, 2200de 102 2,05 0,07

Aço Local Ø1 mm 200 20,0 0,40

Fibra de vidro Taiwan Eletric. 1100 tex 74 2,40 0,32

Fibra époxida Taiwan Reno. MRL-A5 3,5 6,00 0,12

Para a validação da solução foram realizados ensaios que demonstram que o comportamento mecânico é equivalente ao modelo formulado pelas leis das misturas, uma vez que com o comportamento elástico-plástico, apenas a curva tensão-deformação dos ensaios apresenta uma resistência à tração inferior ao previsto. Apresenta um módulo de elasticidade de 142,11 GPa e uma resistência à tração de 628 MPa [29].

Este estudo foi ainda mais aprofundado, analisando três aspetos principais: a rigidez, a resistência e custo dos diversos varões de aço, vidro e híbridos (Figura 25).

Figura 25 Comparação da resistência, rigidez e custos dos diversos varões: em aço, fibra

de vidro e híbridos [29].

Os varões híbridos apresentam um maior custo, mas, no entanto, evidenciam um bom desempenho relativamente à resistência à rotura e rigidez, o que demonstra a potencialidade deste material.

Em 2010, outra pesquisa foi desenvolvida, sobre um varão composto por um núcleo de aço e a superfície em fibras de carbono ou basalto. A configuração final do varão teve em conta vários testes exploratórios entre os diferentes constituintes: fibras, resina e aço, chegando-se à conclusão que o aço com nervuras tem melhor desempenho no núcleo, comparativamente ao aço com a superfície lisa, isto, porque as nervuras permitem uma maior resistência na união dos constituintes do varão [38].

Figura 26 Configuração dos produtos SFCB [38]

Este tipo de varão foi produzido através de um processo de pultrusão modificado. Assim, foram utilizadas fibras para preencher as reentrâncias do varão, com objetivo de evitar eventuais efeitos negativos em pequenas flexões pontuais.

3 METODOLOGIA

3.1 Planeamento de Experiências

O planeamento de experiências foi desenvolvido com o intuito de analisar a influência de diferentes fatores nas as propriedades mecânicas dos varões híbridos em material compósitos, com a variação de diferentes percentagens volumétricas dos componentes.

A variação das quantidades e dos tipos de cada componente, permite avaliar as propriedades e o grau de importância que cada constituinte tem no comportamento mecânico final dos varões compósitos híbridos fibra/aço. Um dos objetivos deste trabalho é encontrar uma solução em que as propriedades de cada material sejam utilizadas no seu máximo, obtendo-se a uma solução mais económica e com melhor desempenho.

O Quadro 4 resume os tipos de varões compósitos que foram produzidos para o estudo das propriedades.

Quadro 4 Planeamento das experiências

Elementos

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4

Fios/ Arame V (%) Fios/ Arame V (%) Fios/ Arame V (%) Fios/ Arame V (%) Aço A500 Ø3 mm 0 0,0% 1 23,9% 2 48,5% 3 73,9% Vidro (9600 g/km) 4 50,0% 3 38,0% 2 25,7% 1 26,1% Resina - 50,0% - 38,0% - 25,7% - 13,1% ø(mm) 6,18 6,14 6,09 6,05

O diâmetro final do varão é a soma do núcleo com a camada exterior entrançada, no entanto não é possível quantificar o volume e a área ocupada pelo fio poliéster, utilizado para produção da camada exterior do entrançado. O tipo de resina, a fibra utilizada na estrutura entrançada e os parâmetros de entrançamento, como por exemplo ângulo de entrançamento, foram constantes em todos os varões.

3.2 Materiais Utilizados

Os varões compósitos híbridos fibra/aço, são compostos por um núcleo de fibras e aço e por uma matriz que os envolve.

3.2.1 Fibras

As fibras são um dos materiais que constituem o núcleo, sendo escolhida para a produção fibras de vidro. Apesar das fibras de carbono, aramida e basalto possuírem um maior custo, apresentam propriedades essenciais para o desenvolvimento de uma boa solução, pelo que deve ser minimizada a sua utilização para comprimir um dos objetivos: produção de um varão compósito com baixo custo.

Foram selecionadas as fibras de vidro, que se são comercializadas em roving (Quadro 5).

Quadro 5 Características da fibra de vidro

Características Valor

Tex (g/km) 9600

Massa volúmica (gr/cm3_{) 2,56}

Extensão última 4,4 %

Tensão de Rutura (MPa) 3330

Módulo de elasticidade (GPa) 73

3.2.2 Aço

O aço reúne simultaneamente propriedades como a elevada resistência à tração e à compressão, a enformabilidade por deformação plástica, a soldabilidade, e a capacidade de absorção de energia sem entrar em rotura.

Figura 28 Gráfico tensão- extensão dos diferentes aços utilizados na construção. No mercado nacional o aço encontra-se em forma de varões e fios. Estes apresentam uma secção aproximadamente circular, sendo fios quando o seu diâmetro é relativamente pequeno, permitindo o seu fornecimento em bobinas.

Para a produção foi escolhido um aço com baixo teor de carbono e com diâmetro compreendido entre os 3 ou 4mm, tendo em conta o diâmetro pretendido para o varão compósito final, cerca de 6mm. Assim, após o contato com diversas empresas existentes no mercado nacional para o fornecimento, verificou-se que apenas uma empresa respondeu positivamente a este tipo de material. O fornecimento pela empresa foi do aço A500 EL (Quadro 6) com o diâmetro de 3mm, sendo este aço utilizado na produção de painéis eletrossoldados, fornecido em bobine e apresentando uma superfície lisa.

Quadro 6 Características do Aço A500 EL utilizado neste trabalho

Características Valor

Massa volúmica (g/cm3) 7,85

Tensão de Rutura (MPa) 550

Módulo de elasticidade (GPa) 210

Extensão de cedência 0,02 %