FLUÊNCIA EM ESTRUTURAS MISTAS GFRP-BETÃO ESTUDO EXPERIMENTAL E PREVISÕES ANALÍTICAS PROTÓTIPO DE PONTE PEDONAL PONTALUMIS

(1)

1/44

F

LUÊNCIA

EM

E

STRUTURAS

M

ISTAS

GFRP-B

ETÃO

E

STUDO

E

XPERIMENTAL

E

P

REVISÕES

A

NALÍTICAS

P

ROTÓTIPO

DE

P

ONTE

P

EDONAL

PONTALUMIS

1

º

E

NCONTRO

L

USO

-B

RASILEIRO DE

E

NGENHARIA DE

C

OMPÓSITOS

José Almeida Gonilha, João Ramôa Correia, Joana Sousa

e Fernando Branco

(2)

2/44

1. INTRODUÇÃO

2. O PROJECTO PONTALUMIS

2.1. OBJECTIVOS

2.2. MATERIAIS

2.3. CONCEITO ESTRUTURAL

3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA

3.1. CARACTERÍSTICAS E CONSTRUÇÃO

3.2. COMPORTAMENTO EM FLUÊNCIA

3.3. COMPORTAMENTO DINÂMICO

3.4. COMPORTAMENTO NA ROTURA

4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL

4.1. CARACTERÍSTICAS

4.2. ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

5. CONCLUSÕES

Í

NDICE

(3)

3/44

1. INTRODUÇÃO

(4)

4/44

Perfis de primeira geração

Secções transversais de

parede fina,

copiando a construção metálica

• Elevada

deformabilidade

• Susceptibilidade a

fenómenos

de instabilidade

em compressão

Perfis de primeira geração

P

ERFIS

P

ULTRUDIDOS

GFRP –

G

EOMETRIA

Fiberline

Utilização limitada do

potencial do material

(5)

5/44

1. INTRODUÇÃO

• Ligação painel-painel:

colagem ou encaixe (snap-fit)

• Ligação painel-viga:

aparafusamento/colagem



Leveza



Rapidez instalação



Durabilidade



Reduzida manutenção

Perfis de nova geração

Painéis multi-celulares para

construção nova e reabilitação

(6)

6/44

1. INTRODUÇÃO

• Reforço com fibras

- Rovings

- mechas de fibras

contínuas longitudinais

- Mantas

- (não-)tecidas, fibras curtas

ou contínua, em várias direcções

- Véu de superfície

com fibras curtas

aleatoriamente distribuídas

• Matriz polimérica:

- Resina (poliéster, viniléster, epóxi)

- Fillers

- Aditivos

Arquitectura de fibras de laminado

Véu Rovings

Manta

P

ERFIS

P

ULTRUDIDOS

GFRP –

C

ONSTITUIÇÃO

(7)

7/44 1. INTRODUÇÃO

Manta

Rovings

Imagem microscópica de um laminado de um banzo

(8)

8/44

1. INTRODUÇÃO



Comportamento

elástico-linear

até à rotura (sem ductilidade!)



Elevada

resistência axial

(semelhante ao aço)



Reduzidos módulos de

elasticidade

(10-20% do aço) e

corte



Susceptibilidade a fenómenos de instabilidade



Reduzida

densidade

(20-25% do aço)

Propriedade

Longitudinal

Transversal

Resistência tracção/compressão [MPa]

200 - 400

50 - 60

Resistência ao corte [MPa]

20 - 30

Módulo de elasticidade [GPa]

20 - 40

5 - 9

Módulo de distorção [GPa]

3 - 4

Densidade [g/cm

3

_]

_{1.8 - 1.9}

Teor em fibras [%]

50 - 70

(9)

9/44

1. INTRODUÇÃO

Eyecatcher building (5 pisos),

Basel, Switzerland

Kolding Bridge,

Denmark

Construção nova

(10)

10/44

1. INTRODUÇÃO

Substituição de tabuleiros de pontes

Reabilitação de pisos de madeira

Reabilitação

(11)

11/44

2. O PROJECTO PONTALUMIS

(12)

12/44

O

BJECTIVOS

• Estudar comportamento de estruturas mistas GFRP-SFRSCC

– Comportamento estático

– Comportamento dinâmico

– Comportamento visco-elástico

• Protótipo à escala reduzida

– Monitorização da construção

– Ensaios dinâmicos

– Ensaios de fluência

– Ensaio até ao colapso

• Protótipo final

– Ponte pedonal para instalar no campus da UM em Guimarães

(13)

13/44

Perfis pultrudidos em GFRP

Vantagens:

• Leveza

• Resistência

• Rapidez de montagem

• Durabilidade

• Reduzida manutenção

SFRSCC (Steel Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete)

Vantagens

• Resistência à tracção

• Ductilidade em tracção

• Durabilidade

Dificuldades:

• Custos iniciais

• Composições específicas

para cada aplicação

M

ATERIAIS

Dificuldades:

• Custos iniciais

• Elevada deformabilidade

• Rotura frágil

• Tendência para instabilizar

• Fluência

(14)

14/44

Difficulties:

Simplesmente apoiado

Momentos positivos

Secção dos

protótipos

• Laje sem varões de reforço

• Direcção longitudinal: laje em compressão e perfis em tracção

• Ligação: adesivo epoxídico e conectores mecânicos

Vantagens:

• Diminui deformabilidade instantânea

• Reduz fenómenos de instabilidade

• GFRP em

tracção

: menos

fluência

Problemas:

• Apoios interiores

• Momentos negativos

2. O PROJECTO PONTALUMIS

(15)

15/44

3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA

3.1. CARACTERÍSTICAS E CONSTRUÇÃO

(16)

16/44

• Vão simplesmente apoiado de

5.50 m

3. PROTÓTIPO ESCALA REDUZIDA - CARACTERISTICAS/CONSTRUÇÃO

(17)

17/44

• Preparação dos elementos da estrutura

Preparação da superfície da laje Furação dos perfis _{Instalação dos parafusos}

C

ONSTRUÇÃO

(18)

18/44

• Montagem

Movimentação das lajes Aplicação do adesivo epoxídico

Posicionamento final das lajes Aspecto final do protótipo

Enchimento de negativos

C

ONSTRUÇÃO

(19)

19/44

3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA

3.2. COMPORTAMENTO EM FLUÊNCIA

(20)

20/44

• Modelos de fluência para o

GFRP

– Propostos por

Bank

para a flexão

– Propostos pelo

EuroComp

para FRPs uni- e

multi-direccionais

em tracção e corte

– Propostos pela

Norma Italiana

𝐸 𝑡 =

𝐸

0

1 + 𝐸

0

𝐸

_𝑡

𝑡

𝑛

𝐺 𝑡 =

𝐺

0

1 + 𝐺

0

𝐺

_𝑡

𝑡

𝑛

t [anos]

E(t) [×E

₀

]

G(t) [×G

₀

]

1

0.794

0.637

5

0.704

0.505

10

0.667

0.448

30

0.625

0.362

50

0.602

0.324

3.2. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA – COMPORTAMENTO FLUÊNCIA

(21)

21/44

• Comparação entre os modelos anteriores

F

LUÊNCIA

DO

MATERIAL

– M

ODELOS

PARA

O

GFRP

(22)

22/44

• Comportamento

em serviço

–

SFRSCC não fendilhado

– As fibras ainda não estão a funcionar

– Comportamento similar ao do betão tradicional

• Modelo do

Eurocódigo 2

com coeficiente de Trevino

– Coeficiente de fluência

:

(depende da humidade relativa, superfície exposta às condições

ambientais, resistência à compressão e idade no carregamento)

– Coeficiente de envelhecimento

de Trevino:

• Temperatura

considerada indirectamente:

𝑬

_𝒄

𝒕, 𝒕

_𝟎

=

𝑬

𝒄,𝟐𝟖

𝟏 + 𝝌 𝒕, 𝒕

_𝟎

∙ 𝝋 𝒕, 𝒕

_𝟎

𝜒 𝑡, 𝑡

₀

≅ 𝜒 𝑡

₀

=

𝑡

0 3

1 + 𝑡

3 ₀

𝜑 𝑡, 𝑡

₀

= 𝜑

₀

∙ 𝛽

_𝑐

𝑡, 𝑡

₀

𝑡

_𝑇

= 𝑒

−(4000 273+𝑇 ∆𝑡𝑖 −13.65) 𝑛 𝑖=1

∙ ∆𝑡

_𝑖

F

LUÊNCIA

DO

MATERIAL

– M

ODELO

PARA

O

SFRSCC

(23)

23/44

Teste

Periodo

Duração

Carga

Temp méd

HR méd

t

0

[horas]

[kN/m

2

_]

_[ºC]

_[%]

_[dias]

1(a)

1 de Junho a

20 de Set. 2012

2590

5.59 23.0 ± 1.4

60 ± 9

562 2(b)

29 de Julho a

25 de Out. 2011

2114

3.28 23.3 ± 0.8

60

1

₂₅₄

3(c)

8 de Nov 2012

a 26 Fev. 2013

2642

5.59 11.3 ± 1.3

73 ± 15

722 • Características ambientais e do carregamento

1_Estimado

Verão

Inverno

Elevado

Baixo

Elevado

(24)

24/44

• Deformações

por corte

não são desprezáveis

• Teoria de vigas de

Timoshenko

𝜹

_{𝒎𝒊𝒅−𝒔𝒑𝒂𝒏}

=

𝑪

𝟏

𝑬𝑰

+

𝑪

_𝟐

𝑮 ∙ 𝒌𝑨

𝐶

₁

= 𝑞

𝑎

3

_𝑏

6 +

𝑎

2

𝑏

2

4 +

5𝑎𝑏

3

48 +

5𝑏

4

384 𝐶

2

= 𝑞

𝑎𝑏

2 +

𝑏

2

8

(25)

25/44

• Determinar a posição da linha neutra

– LN na laje de betão

– SFRSCC

essencialmente em

compressão

– GFRP

em

tracção

• Modelos de Fluência do GFRP

(de acordo com a distribuição de tensões)

– EuroComp em tracção

para

o módulo de elasticidade

– Corte em flexão de Bank

para o

módulo de distorção

𝐸(𝑡) = 𝐸

₀

(𝑧 −

𝑻

_𝑻

𝟎

𝑤 ∙ ln 𝑡)

𝐺 𝑡 =

𝐺

0

1 + 𝐺

0

𝐺

_𝑡

𝑡

𝑛(𝑻 𝑻 )𝟎

(26)

26/44

• Deformações a curto prazo (ensaios)

(27)

27/44

• Previsões a longo prazo

(28)

28/44

• As

condições

ambientais (temperatura e HR) são muito

importantes no comportamento em fluência de estruturas

mistas GFRP-betão

• As regressões efectuadas com a

lei de potência de Findley

podem não ser adequadas a estruturas mistas

• Os

modelos de fluência

do material GFRP devem ter em

consideração:

– O

estado de tensão

do material GFRP

– As

condições ambientais

(nomeadamente a temperatura)

• Estes resultados mostram que as

soluções mistas

podem

conduzir a soluções

menos deformáveis

por fluência quando

comparadas com soluções totalmente em FRP.

(29)

29/44

3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA

3.3. COMPORTAMENTO DINÂMICO

(30)

30/44

Acelerações verticais:

A1 a A18

Aplicação de força:

S1 e S2

3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA – COMPORTAMENTO DINÂMICO

(31)

31/44

Identificação dos

primeiros 4 modos

de vibração

Modo Forma Frequência

Ensaios Modelos analíticos MEF

Euler-Bernoulli Timoshenko Torção

Hz Hz Δ Hz Δ Hz Δ Hz Δ

1 Flexão 8.18 ± 0.04 8.56 +4.64% 8.00 -2.22% - - 7.89 -3.50% 2 Torção 12.44 ± 0.03 - - - - 11.74 5.66% 13.98 12.37% 3 Flexão 29.21 ± 0.24 34.24 +17.21% 27.24 -6.75% - - 27.01 -7.52% 4 Torção 33.81 ± 0.37 - - - - 36.68 8.48% 33.19 -1.84%

E

NSAIOS

I

DENTIFICAÇÃO

M

ODAL

- R

ESULTADOS

(32)

32/44

(33)

33/44

Ensaios com um peão

Ensaios com vários peões

(34)

34/44

Acelerações para

um peão a andar

rápido no caminho

centrado

Acelerações máximas para um peão a andar no caminho centrado:

(i) devagar; (ii) normalmente e; (iii) rápido.

(35)

35/44

Limites de aceleração expectável (RMS) para vários períodos de exposição em

pontes pedonais (ISO 10137)

• 0.67 peões / m

2

• Acelerações verticais a meio vão

• Acelerações horizontais a meio e quarto de vão

(36)

36/44

3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA

3.4. COMPORTAMENTO ATÉ À ROTURA

(37)

37/44

Comportamento

elástico-linear

até à rotura

Rotura por

corte

na ligação

banzo- alma

3.3. PROTÓTIPO À ESCALA REDUZIDA – COMPORTAMENTO ROTURA

(38)

38/44

(39)

39/44

• Vão simplesmente apoiado de

10.50 m

4. PROTÓTIPO À ESCALA REAL

(40)

40/44

• Aspecto final (em fábrica)

(41)

41/44

Ensaios com um peão

Ensaios com vários peões

Ensaios de identificação modal

C

ARACTERÍSTICAS

(42)

42/44

• Ensaios Dinâmicos: Resultados

Ensaios com um peão

Ensaios com vários peões (ISO 10137)

Ensaios de identificação modal

Modo

Frequência (Hz)

Forma

Média Desv. Pad

1

6.60

0.04 Flexão simétrica

2

8.35

0.07 Torção simétrica

3

21.70

0.10 Flexão anti-simétrica

4

24.10

0.07 Torção anti-simétrica

(43)

43/44

Comportamento elástico-linear

• Ensaios Estáticos: Resultados

(44)

44/44

OBRIGADO

AGRADECIMENTOS



ICIST, FCT

(bolsa de doutoramento SFRH/BD/70041/2010)

e

ADI

(

projecto No. 2009/003456) pelo apoio financeiro.



ALTO

e

Universidade do Minho

pela parceria no projecto.

(45)

45/44

OUTROS PROJECTOS EM

CURSO NO IST

(46)

46/44 1_{Matos et al. (2012), Composite Structures}

OUTROS PROJECTOS EM CURSO NO IST

1. S

TRUCTURAL

B

EHAVIOUR

OF

GFRP-RC B

EAMS

1 Flexural tests on 2-span beams

R

–

reference beam

(steel reinforced);

Rb-1

– GFRP reinforced beam with

concrete

confinement

in critical cross-sections

Load vs. deflection curves

(47)

47/44 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 Fa ilu re load [kN ] Temperature [°C] 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 Fa ilu re load [ kN ] Temperature [°C]

EBR specimen NSM specimen

2. F

IRE

B

EHAVIOUR

OF

CFRP-S

TRENGTHENED

RC

2,3

CFRP-concrete bond tests at elevated temperature

EBR – externally bonded reinforcement

NSM – near surface mounted

2 _{Firmo et al. (2012), Composites Part B: Engineering} 3 _{López et al. (2013), Construction and Building Materials}

EBR specimens

NSM specimens

(48)

48/44

3. F

IRE

B

EHAVIOUR

OF

CFRP-S

TRENGTHENED

RC

2,3

2 _{Firmo et al. (2012), Composites Part B: Engineering} 3 _{López et al. (2013), Construction and Building Materials}