i
AGRADECIMENTOS
Na realização da presente tese de mestrado foram surgindo vários obstáculos que foram ultrapassados devido, indubitavelmente, a várias pessoas a quem não posso de deixar de expressar o meu reconhecimento:
Ao Professor Sena Cruz pela paciência, disponibilidade, orientação e pelos conhecimentos transmitidos em todas as fases;
Ao Sr. Gil por todo o apoio prestado no decorrer dos trabalhos in situ;
Ao Eng.º Francisco Fernandes pelo seu trabalho desenvolvido, sem o qual seria difícil completar este documento;
Entre vários amigos que me apoiaram, um agradecimento especial à Ivone Maciel pelos elementos fornecidos e por todos os conselhos e incentivo;
À minha família pelo facto de tornarem possível esta oportunidade e, sobretudo, à pessoa mais especial de todas pela sua ajuda, paciência e incentivo nos momentos mais difíceis.
iii
RESUMO
Uma das técnicas mais disseminadas na indústria da construção a nível mundial é, sem dúvida, a construção com o recurso ao betão armado.
Tendo sido inventado este material no século XIX, existe um extenso parque edificado o qual, na sua maioria, apresentará patologias devido ao mau conhecimento da altura dos mecanismos de degradação do betão, de má concepção, execução, da agressividade do meio e da sua utilização.
Torna-se, então, necessário o estudo de técnicas de reparação e reforço que possibilitem a reabilitação daquelas estruturas, eliminando a necessidade onerosa da sua demolição e posterior construção.
O presente trabalho ambiciona reunir as técnicas mais importantes e de aplicação mais generalizada, traduzindo-se num contributo importante para a bibliografia nesta área, reduzindo o tempo de pesquisa necessário para determinada solução. Está dividido por tipo de elemento e por tipo de esforço ao qual se pretende reforçar.
No decorrer da elaboração desta tese, o Arquivo Distrital de Braga foi alvo de uma análise estrutural. Assim, neste trabalho, este caso prático serviu para complementar a parte teórica com uma componente prática que, na maior parte das vezes, se encontra em falta na bibliografia do género. Assim, pode-se observar como se procedeu à análise e resolução de determinado problema e, posteriormente, à implementação prática da solução de reparação e/ou reforço.
iv
ABSTRACT
The construction with reinforced concrete is one of the most widespread techniques.
Since this material was invented in the 19th century, a large number of constructions exist which will have pathologies, related to the poor knowledge at that time of the concrete degradation mechanisms, bad design, construction, aggressive environment and its utilization.
The study of repair and strengthening techniques which conduct to the rehabilitation of these structures reveals to be necessary, eliminating the expensive need to demolish and rebuilding.
The present work intends to collect the most important techniques which have a more practical application, revealing itself as an important asset to relevant bibliography, eliminating the research time needed to achieve certain solution. This collection is divided by element and stress typologies considered in the strengthening technique.
During the development of this thesis, a structural analysis was performed in the District Archive of Braga. This case study was used to complement the theoretical part with a practical component which, in the most cases, does not exist in the relevant bibliography. With this example, it’s possible to observe how a particular problem was analyzed and solved and how was implemented the repair and/or strengthening solution.
v
ÍNDICE
Agradecimentos... i Resumo ... iii Abstract ... iv Índice ... v Índice de figuras ... ix Índice de tabelas ... xv CAPÍTULO 1 – Introdução ... 11.1 Breve história do betão armado ... 1
1.2 O betão armado em portugal ... 10
1.3 Objectivos ... 12
1.4 Organização do trabalho ... 13
CAPÍTULO 2 – Considerações gerais e tipos de reforço ... 15
2.1 Introdução ... 15
2.2 Projecto de reabilitação de estruturas de betão armado ... 15
2.2.1 Etapas de um projecto de reabilitação ... 16
2.2.2 Principal regulamentação / documentação aplicável ... 18
2.2.3 Verificação da segurança de estruturas existentes ... 19
2.2.4 Caracterização do tipo de intervenção ... 24
2.2.5 Bases para o dimensionamento de reforços ... 24
2.3 Considerações gerais sobre técnicas de reforço ... 27
2.4 Tipos de reforço ... 30
2.4.1 Reparação ou reforço por encamisamento com betão armado ... 31
2.4.2 Encamisamento ou reparação com betão projectado ... 35
2.4.3 Reparação ou reforço com resinas epoxy e elementos metálicos ... 38
2.4.4 Reparação ou reforço com polímeros reforçados com fibras ... 43
CAPÍTULO 3 – Reparação e reforço de nós de pórticos de betão armado ... 59
3.1 Introdução ... 59
3.2 Princípios mecânicos ... 59
3.3 Parâmetros de dimensionamento ... 62
3.3.1 Volume do nó ... 62
3.3.2 Resistência da ligação por aderência ... 63
3.3.3 Esforço axial do pilar ... 63
3.3.4 Armaduras no nó ... 63
3.3.5 Razão de resistência à flexão viga-pilar ... 64
vi
3.3.7 Vigas transversais ... 65
3.4 Disposições regulamentares ... 65
3.4.1 Dissipação de energia e classes de ductilidade ... 66
3.4.2 Dimensionamento de nós de pórticos para estruturas da classe DCM (ductilidade média) ... 67
3.4.3 Dimensionamento de nós de pórticos para estruturas da classe DCH (ductilidade elevada)... 73
3.5 Técnicas de reparação e reforço de nós de pórticos em betão armado ... 77
3.5.1 Remoção e reposição ... 78
3.5.2 Encamisamento de betão ... 79
3.5.3 Elementos exteriores de aço ... 82
3.5.4 Polímeros reforçados com fibras ... 86
3.5.5 Conclusões relativamente às técnicas de reparação e reforço de nós de pórticos de betão armado ... 93
CAPÍTULO 4 – Reparação e reforço de pilares de betão armado ... 95
4.1 Introdução ... 95
4.2 Reforço de pilares por encamisamento de betão armado ... 96
4.3 Reforço de pilares com adição de elementos metálicos ... 101
4.4 Reforço de pilares com polímeros reforçados com fibras (FRP) ... 109
CAPÍTULO 5 – Reparação e reforço de vigas de betão armado ... 115
5.1 Introdução ... 115
5.2 Reforço de vigas por encamisamento de betão armado ... 116
5.2.1 Reforço à flexão ... 116
5.2.2 Reforço ao corte ... 121
5.3 Reforço de vigas por adição de elementos metálicos ... 124
5.3.1 Reforço à flexão ... 125
5.3.2 Reforço ao corte ... 128
5.4 Reforço de vigas com polímeros reforçados com fibras (FRP) ... 131
5.4.1 Reforço à flexão ... 131
5.4.2 Reforço ao corte ... 134
CAPÍTULO 6 – Estudo de estabilidade da Sala das inquirições do Arquivo Distrital de Braga ... 139 6.1 Introdução ... 139 6.2 Recolha de informação ... 139 6.2.1 Documentação ... 140 6.2.2 Visitas ... 140 6.3 Descrição do edifício ... 141
vii
6.3.1 Resumo histórico ... 141
6.3.2 Tipologia ... 147
6.4 Estudo da sala das inquirições ... 150
6.4.1 Caracterização geométrica ... 150
6.4.2 Detecção das armaduras ... 153
6.4.3 Análise comparativa ... 155
6.4.4 Caracterização dos materiais estruturais ... 160
6.4.4.1 Caracterização mecânica do betão ... 160
6.4.4.2 Caracterização mecânica das armaduras ... 161
6.5 Cálculos de estabilidade ... 162
6.5.1 Quantificação das acções ... 162
6.5.1.1 Sobrecarga para a situação actual ... 162
6.5.1.2 Sobrecarga regulamentar ... 166
6.5.2 Verificação da segurança da laje ... 166
6.5.2.1 Determinação dos esforços ... 166
6.5.2.2 Verificação da segurança aos esforços de flexão ... 175
6.5.2.3 Verificação da segurança ao esforço transverso ... 176
6.5.3 Verificação da segurança das nervuras ... 177
6.5.3.1 Determinação dos esforços ... 177
6.5.3.2 Verificação da segurança aos esforços de flexão ... 178
6.5.3.3 Verificação da segurança aos esforços de corte ... 180
6.5.4 Verificação da segurança das vigas ... 182
6.5.4.1 Determinação dos esforços ... 182
6.5.4.2 Verificação da segurança aos esforços de flexão ... 185
6.5.4.3 Verificação da segurança ao esforço transverso ... 188
6.5.5 Verificação da segurança dos pilares ... 190
6.6 Conclusões ... 192
6.7 Soluções de reforço ... 193
6.7.1 Reforço da laje à flexão... 193
6.7.1.1 Quantificação de acções e obtenção de esforços ... 195
6.7.1.2 Determinação da armadura resistente ao momento flector positivo .. 196
6.7.1.3 Determinação da armadura resistente ao momento flector negativo . 197 6.7.2 Reforço das vigas ao corte ... 199
6.7.2.1 Quantificação de acções e obtenção de esforços ... 199
6.7.2.2 Determinação da armadura de esforço transverso ... 200
6.7.3 Reforço da armadura transversal dos pilares ... 201
6.7.3.1 Determinação da armadura transversal regulamentar ... 202
6.7.3.2 Solução de reforço ... 202
viii
CAPÍTULO 7 – Considerações finais ... 205
7.1 Conclusões ... 205
7.2 Desenvolvimentos futuros ... 207
Referências ... 209
Anexo I – DGEMEN: Medições / memória descritiva ... 213
Anexo II – ADB: Plantas de arquitectura ... 227
Anexo III – Detecção de armaduras por georadar ... 231
Anexo IV – Caracterização mecânica do betão ... 239
Anexo V – Caracterização mecânica das armaduras ... 241
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 – (a) Joseph Monier (Structurae, 2001); (b) vasos de jardim construídos por Monier (Barbisan & Guardini, 2003); (c) J. L. Lambot (Structurae, 2002); (d) pequeno barco em betão
armado construído por Joseph-Louis Lambot (Bosc et al., 2001). ... 2
Figura 1.2 – Sistema de betão armado de W. Wilkinson. ... 3
Figura 1.3 – Sistema de betão armado de Monier (1881). ... 3
Figura 1.4 – W. E. Ward, o primeiro edifício em betão armado dos Estados Unidos (1871 - 1875), Port Chester, Nova York. ... 4
Figura 1.5 – Sistema Hennebique de betão armado. ... 5
Figura 1.6 – Jahrhunderthalle de Breslau (1913). ... 6
Figura 1.7 – Ponte Salginatobel, R. Maillart. ... 7
Figura 1.8 – E. Freyssinet, Hangar de Orly (1920). ... 7
Figura 1.9 – (a) Igreja Notre Dame du Haut, França (1954) (Demel, 1997) (b) Sistema Dom-ino (1914). ... 8
Figura 1.10 – Frank Lloyd Wright, casa Kaufman (1936). ... 9
Figura 1.11 – Torre CN em Toronto, Canadá (555 metros). ... 9
Figura 1.12 – Ponte da Arrábida, Edgar Cardoso, 1963. ... 11
Figura 2.1 – Sistema de reforço activo. ... 28
Figura 2.2 – Sistema de reforço passivo. ... 28
Figura 2.3 – Fissuração do material de reforço durante o seu processo de cura. ... 29
Figura 2.4 – Injecção de epoxy em fendas não estabilizadas. ... 30
Figura 2.5 – Betão projectado por via seca. ... 35
Figura 2.6 – Betão projectado por via húmida. ... 36
Figura 2.7 – Betão projectado: utilização de cofragens. ... 38
Figura 2.8 – Características das resinas epoxy. ... 39
Figura 2.9 – Comportamento à tracção de fibras e metais. ... 45
Figura 2.10 – Comportamento à tracção de vários sistemas de FRP e aço. ... 49
Figura 2.11 – Martelo de agulhas (LeadVane Industrial Co., Ltd., 2008). ... 53
Figura 2.12 - Aplicação de laminados pré-fabricados. ... 53
Figura 2.13 - Aplicação de mantas flexíveis. ... 54
Figura 2.14 – Ensaio de arrancamento por tracção (“pull-off”) (Barros, 2006). ... 57
Figura 3.1 – Estrutura porticada carregada lateralmente. a) Momentos devido às cargas horizontais; b) Gradientes de momentos flectores e esforços transversos ao longo de um nó interior. ... 60
Figura 3.2 – Acções actuantes em um nó interior (adaptado de CEB, 1996). ... 61
Figura 3.3 - Nó interior. ... 67
Figura 3.4 - Secção transversal de pilares. ... 68
Figura 3.5 - Regiões críticas em pilares principais. ... 68
Figura 3.6 – Confinamento do núcleo de betão. ... 71
Figura 3.7 – Disposições típicas de armaduras dos nós de estruturas correntes de betão armado. ... 78
Figura 3.8 – Encamisamento de nós com betão (planta). ... 80
x
Figura 3.10 – Reforço com elementos exteriores de aço (alçado). ... 83
Figura 3.11 – Reforço com elementos exteriores de aço (cortes). ... 83
Figura 3.12 – Reforço com elementos exteriores de aço. ... 84
Figura 3.13 – Características da chapa de aço corrugada. ... 85
Figura 3.14 – Encamisamento com chapas de aço corrugadas (antes da aplicação). ... 85
Figura 3.15 – Encamisamento com chapas de aço corrugadas (após aplicação). ... 85
Figura 3.16 – Reforço com mantas e/ou laminados de CFRP (alçados)... 87
Figura 3.17 – Reforço com mantas e/ou laminados de CFRP (corte). ... 88
Figura 3.18 – Várias tipologias de reforço com GFRP ensaiadas. ... 89
Figura 3.19 – Reforço com GFRP (tipologia TR1). ... 90
Figura 3.20 – Reforço com GFRP (tipologia TR2). ... 91
Figura 3.21 – Reforço com CFRP. ... 92
Figura 4.1 - Encamisamento de pilares com betão armado (escarificação) (Matos, 2000). ... 97
Figura 4.2 - Encamisamento de pilares com betão armado moldado in-situ (Matos, 2000). ... 97
Figura 4.3 - Encamisamento de pilares com betão armado moldado in-situ (enchimento pela laje) (Matos, 2000). ... 98
Figura 4.4 - Encamisamento de pilares com betão armado moldado in-situ (enchimento pela lateral) (Matos, 2000). ... 98
Figura 4.5 - Encamisamento de pilares com betão projectado (Matos, 2000). ... 99
Figura 4.6 - Reforço de pilares por encamisamento de betão armado (Costa & Matos, 2000). ... 100
Figura 4.7 - Reforço de pilares por encamisamento de betão armado (reforço localizado). .... 101
Figura 4.8 - Reforço de pilares com adição de elementos metálicos: a) simples, b) com encamisamento de betão armado. ... 102
Figura 4.9 - Reforço de pilares com cantoneiras metálicas. ... 103
Figura 4.10 - Reforços de pilares - pormenores de ligação. ... 104
Figura 4.11 - Reforço de pilares (aplicação com parafusos) (Matos, 2000). ... 104
Figura 4.12 - Cintas pré-aquecidas e soldadas (Matos, 2000). ... 105
Figura 4.13 – Cintas em espiral soldadas. ... 105
Figura 4.14 - Chapas de aço coladas com resina epoxy (Matos, 2000). ... 106
Figura 4.15 - Chapas de aço aquecidas, soldadas e coladas com resina epoxy (Matos, 2000). ... 106
Figura 4.16 - Reforço da armadura transversal através de chapas metálicas (Matos, 2000). . 107
Figura 4.17 - Pormenores de ligação das armaduras de reforço de um pilar num nó. ... 108
Figura 4.18 - Ligação das armaduras de reforço à fundação. ... 109
Figura 4.19 - Reforço de pilares com mantas de CFRP: (a) sistema contínuo, (b) sistema por faixas. ... 110
Figura 4.20 - Aspecto do pilar antes da reparação (Appleton J. , 2007). ... 111
Figura 4.21 - Solução proposta: (a) estado actual; (b) secção reparada (Appleton J. , 2007). 112 Figura 4.22 - Aspecto final do pilar reparado (Appleton J. , 2007). ... 112
Figura 4.23 - Reforço de pilares com laminados de fibras de carbono. ... 113
Figura 5.1 – Reforço de vigas e lajes por encamisamento com betão armado. ... 117
Figura 5.2 - Reforço de vigas por escarificação parcial - colocação de armaduras (Matos, 2000). ... 118
xi Figura 5.3 - Reforço de vigas por escarificação parcial - ancoragem da armadura longitudinal inferior (Matos, 2000). ... 118 Figura 5.4 - Reforço de vigas à flexão através de estribos de posicionamento ancorados na viga (Matos, 2000). ... 119 Figura 5.5 - Reforço de vigas à flexão através de estribos de posicionamento ancorados na viga - betonagem (Matos, 2000). ... 119 Figura 5.6 - Reforço de vigas à flexão e ao corte por encamisamento de betão armado (Matos, 2000). ... 120 Figura 5.7 - Reforço de vigas à flexão e ao corte por encamisamento de betão armado ou argamassas especiais (Matos, 2000). ... 120 Figura 5.8 - Reforço de vigas por encamisamento de betão projectado (Matos, 2000). ... 121 Figura 5.9 - Reforço ao corte: disposições construtivas (Bezelga & Azevedo, 2001). ... 121 Figura 5.10 - Reforço ao corte: localização dos estribos de reforço (Bezelga & Azevedo, 2001). ... 122 Figura 5.11 - Detector de armaduras (Proceq SA, 2008). ... 122 Figura 5.12 - Reforço ao corte: escarificação das zonas onde será colocada a nova armadura (Matos, 2000). ... 123 Figura 5.13 - Reforço ao corte: colocação da nova armadura (Matos, 2000). ... 123 Figura 5.14 - Reforço ao corte: selagem com argamassa de epoxy dos novos estribos (Matos, 2000). ... 123 Figura 5.15 - Reforço ao corte através de varões inclinados (adaptado de Emmons, 1994). . 124 Figura 5.16 - Reforço à flexão com chapas metálicas. Dimensões recomendadas (Costa & Matos, 2000). ... 125 Figura 5.17 - Reforço à flexão com chapas e buchas metálicas. Dimensões recomendadas (Costa & Matos, 2000). ... 126 Figura 5.18 - Pormenores de ligação das chapas de reforço: (a) nas extremidades de vigas; (b) num nó de pórtico. ... 127 Figura 5.19 - Reforço à flexão com chapas metálicas. Vista lateral (Matos, 2000). ... 127 Figura 5.20 - Reforço à flexão com chapas metálicas. Pormenor (Matos, 2000). ... 128 Figura 5.21 - Reforço ao corte com chapas metálicas. Dimensões recomendadas (Costa & Matos, 2000). ... 128 Figura 5.22 - Reforço ao corte com chapas e buchas metálicas. Dimensões recomendadas (Costa & Matos, 2000). ... 129 Figura 5.23 - Reforço ao corte com chapas e buchas metálicas. Chapa contínua (Costa & Matos, 2000). ... 129 Figura 5.24 - Reforço ao corte com chapas e buchas metálicas. Chapas descontínuas (Costa & Matos, 2000). ... 129 Figura 5.25 - Reforço ao corte com chapas metálicas envolvendo a viga (Costa & Matos, 2000) ... 130 Figura 5.26 - Reforço ao corte com chapas e buchas metálicas (Matos, 2000). ... 130 Figura 5.27 - Reforço ao corte com chapas e buchas metálicas. Pormenor (Matos, 2000). .... 131 Figura 5.28 - Reforço à flexão com manta flexível unidireccional e laminados de CFRP (Dias et al., 2002). ... 132 Figura 5.29 - Reforço à flexão com mantas e presilhas flexíveis (Dias et al., 2002). ... 132 Figura 5.30 - Presilhas executadas com mantas de CFRP (Dias et al., 2002). ... 133 Figura 5.31 - Reforço à flexão com laminados de CFRP (Dias & Barros, Reforço ao Corte de Vigas T de Betão Armado por Inserção de Laminados de CFRP, 2005). ... 134 Figura 5.32 - Reforço de vigas ao corte através de mantas flexíveis de CFRP. ... 135
xii
Figura 5.33 - Reforço ao corte por laminados de CFRP verticais. ... 136
Figura 5.34 - Reforço ao corte por laminados de CFRP inclinados. ... 136
Figura 6.1 - Desenho do “Alçado F” existente antes do restauro do edifício (desenho não datado) [Desenho extraído da base de dados da DGEMN]. ... 143
Figura 6.2 - Desenho do “Alçado F” utilizado para a realização do restauro (desenho não datado) [Desenho extraído da base de dados da DGEMN]. ... 143
Figura 6.3 - Desenho do “Alçado 6” existente antes do restauro do edifício (desenho não datado) [Desenho extraído da base de dados da DGEMN]. ... 144
Figura 6.4 - Desenho do “Alçado 6” utilizado para a realização do restauro (desenho não datado) [Desenho extraído da base de dados da DGEMN]. ... 144
Figura 6.5 - Aspecto do edifício antes (a) e após a conclusão das obras de 1934 (b) [Fotos extraídas da base de dados da DGEMN]. ... 145
Figura 6.6 - Aspecto do Paço antes da supressão do muro gradeado [Foto extraída da base de dados da DGEMN]. ... 146
Figura 6.7 - Localização do Arquivo Distrital de Braga. ... 148
Figura 6.8 - Planta do Piso 1 (desenho facultado pelos STec em suporte digital). ... 148
Figura 6.9 - Planta do Piso Intermédio (desenho facultado pelos STec em suporte digital). ... 149
Figura 6.10 - Planta do Piso 2 (desenho facultado pelos STec em suporte digital). ... 149
Figura 6.11 - Identificação dos elementos estruturais. ... 151
Figura 6.12 - Levantamento geométrico efectuado: (a) geometria das nervuras, vigas e pilares; (b) geometria em planta da laje de piso da Sala das Inquirições. ... 152
Figura 6.13 - Utilização do georadar para detecção das armaduras transversais (a) e as armaduras longitudinais (b) no pilar P2. ... 154
Figura 6.14 - Armaduras longitudinais visíveis no pilar P2. ... 154
Figura 6.15 - (a) Armadura longitudinal inferior e estribos da viga V3; (b) Armadura longitudinal inferior com disposição em duas camadas na nervura N1. ... 155
Figura 6.16 - Armadura da laje de piso da Sala das Inquirições. Nesta figura é também visível a armadura de momentos negativos da viga V3. ... 155
Figura 6.17 - Extracção da carote de betão do pilar P2. ... 160
Figura 6.18 - Vista geral da Sala das Inquirições. ... 163
Figura 6.19 - Distribuição das estantes na Sala das Inquirições. ... 164
Figura 6.20 - Pesagem das pastas existentes nas estantes da Sala das Inquirições. ... 165
Figura 6.21 - Aspecto geral das estantes. ... 166
Figura 6.22 - Geometria adoptada para os painéis no estudo da laje. Nota: as dimensões indicadas na figura encontram se em metros. ... 168
Figura 6.23 - Malha de elementos finitos utilizada no estudo da laje. ... 169
Figura 6.24 - Malha de elementos finitos utilizada no estudo da laje. ... 171
Figura 6.25 - Deformada da laje para a combinação 1: situação actual... 172
Figura 6.26 - Deformada da laje para a combinação 2: situação regulamentar com sobrecarga nos painéis ímpar. ... 172
Figura 6.27 - Deformada da laje para a combinação 3: situação regulamentar com sobrecarga nos painéis par. ... 173
Figura 6.28 - Deformada da laje para a combinação 4: situação regulamentar com sobrecarga nos painéis 1 a 7 e 15 a 21. ... 173
Figura 6.29 - Deformada da laje para a combinação 5: situação regulamentar com sobrecarga nos painéis 8 a 14 e 22 a 28. ... 174
xiii Figura 6.30 - Deformada da laje para a combinação 6: situação regulamentar com sobrecarga
em todos os painéis. ... 174
Figura 6.31 - Esquema estrutural adoptado no cálculo dos esforços das nervuras. ... 177
Figura 6.32 - Secção transversal das nervuras. ... 179
Figura 6.33 - Esquema estrutural adoptado no cálculo dos esforços das vigas principais. ... 182
Figura 6.34 - Combinação 1: diagrama de esforços transversos. Nota: unidades em [kN]. .... 184
Figura 6.35 - Combinação 1: diagrama de momentos flectores. Nota: unidades em [kN•m]. .. 184
Figura 6.36 - Combinação 2: diagrama de esforços transversos. Nota: unidades em [kN]. .... 184
Figura 6.37 - Combinação 2: diagrama de momentos flectores. Nota: unidades em [kN•m]. .. 184
Figura 6.38 - Combinação 3: diagrama de esforços transversos. Nota: unidades em [kN]. .... 185
Figura 6.39 - Combinação 3: diagrama de momentos flectores. Nota: unidades em [kN•m]. .. 185
Figura 6.40 - Combinação 4: diagrama de esforços transversos. Nota: unidades em [kN]. .... 185
Figura 6.41 - Combinação 4: diagrama de momentos flectores. Nota: unidades em [kN•m]. .. 185
Figura 6.42 - Secção transversal das vigas principais para a determinação da capacidade resistente. ... 186
Figura 6.43 - Combinação 1: diagrama de esforços transversos após redistribuição de esforços. Nota: unidades em [kN]. ... 187
Figura 6.44 - Combinação 1: diagrama de momentos flectores após redistribuição de esforços. Nota: unidades em [kN•m]. ... 187
Figura 6.45 - Secção transversal do pilar P2. Nota: unidades em [m]. ... 191
Figura 6.46 - Reforço da laje à flexão. ... 194
Figura 6.47 - Reforço das vigas ao corte. ... 199
xv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 - Metodologia a seguir num projecto de reabilitação. ... 16
Tabela 2.2 - Regulamentação portuguesa aplicável ao projecto de reabilitação. ... 18
Tabela 2.3 - Normas europeias aplicáveis ao projecto de reabilitação. ... 18
Tabela 2.4 - Documentos técnicos de apoio ao projecto de reabilitação. ... 18
Tabela 2.5 - Sequência de cálculo do valor dos esforços actuantes na verificação de segurança aos E.L.U. em estruturas existentes. ... 20
Tabela 2.6 - Coeficiente υR para danos provocados por sismos (CEB, 1983). ... 22
Tabela 2.7 - Coeficiente υR para danos provocados por incêndios (CEB, 1983). ... 22
Tabela 2.8 - Coeficiente υR para danos provocados pela corrosão (CEB, 1983). ... 23
Tabela 2.9 - Relação entre coeficientes de capacidade e o grau de intervenção (CEB, 1983). 24 Tabela 2.10 - Valores de γc' para betão cofrado em obra (CEB, 1983). ... 25
Tabela 2.11 - Valores de γc' para betão projectado (CEB, 1983). ... 25
Tabela 2.12 - Valores de γs' para o aço (CEB, 1983). ... 25
Tabela 2.13 – Características mecânicas típicas de argamassas de resinas epoxy. ... 34
Tabela 2.14 – Principais características das tecnologias de aplicação do betão projectado. .... 36
Tabela 2.15 – Propriedades mecânicas e físicas de vários tipos de fibras (Barros, 2006). ... 45
Tabela 2.16 – Mantas e tecidos empregues nos sistemas FRP curados in situ (Juvandes, 1999). ... 48
Tabela 2.17 – Propriedades mecânicas e físicas de algumas resinas puras (Barros, 2006). .... 52
Tabela 6.1 - Análise comparativa entre o projecto original, levantamento geométrico e inspecção visual e resultados obtidos através do georadar. ... 158
Tabela 6.2 - Peso em kilogramas força das pastas das estantes tipo... 164
Tabela 6.3 - Combinações de acções usadas no estudo da laje. ... 170
Tabela 6.4 - Necessidades de armadura em [cm2/m] para as diferentes combinações. ... 176
Tabela 6.5 - Valores de cálculo do esforço transverso actuante para as diferentes combinações em [kN/m]. ... 177
Tabela 6.6 - Resultados obtidos: valores máximos dos momento flectores (unidades em kN.m/m) ... 195
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 BREVE HISTÓRIA DO BETÃO ARMADO
Foi desde a invenção do betão armado no século XIX, usualmente atribuída a Joseph-Louis Lambot e Joseph Monier, que a construção civil sofreu um grande impulso. A combinação das tensões resistentes à compressão do betão e à tracção do aço num mesmo material, revolucionou uma indústria assente em antigas técnicas construtivas onde imperavam a pedra e a madeira.
A forma mais antiga de betão que se conhece remonta ao antigo Egipto, onde este foi utilizado na construção das pirâmides. Estas técnicas foram aperfeiçoadas pelos gregos e pelos romanos tendo, estes últimos, utilizado betão com pozolana (uma areia especial proveniente de Pozzuoli, perto do vulcão Vesúvio, Itália) na construção de edifícios importantes, tais como o Panteão e o Coliseu de Roma.
Durante a Idade Média a qualidade do betão diminui, tendo deixado de se utilizar pozolanas. Estas foram reintroduzidas nos séculos XIII e XIV.
Até ao século XIX o betão passou por várias fases de aperfeiçoamento, nomeadamente no que se refere aos materiais cimentícios que possibilitam o endurecimento deste compósito.
Em 1848 no sul da França, J. L. Lambot construiu um barco em betão (que mais tarde reforçou com barras de ferro e malhas de arame) e em 1890, o italiano C. Gabellini também começou a construir barcos de betão, como se ilustra na Figura 1.1(c) e 1.1(d).
Mais tarde, em 1850, Joseph Monier (um jardineiro francês), desenvolveu vasos em betão armado. Em 1867 patenteou banheiras de jardim em betão armado e mais tarde, vigas de betão armado (ver Figura 1.1(a) e 1.1(b)).
2 Capítulo 1
(a) (b)
(c) (d) Figura 1.1 – (a) Joseph Monier (Structurae, 2001); (b) vasos de jardim construídos por Monier (Barbisan & Guardini, 2003); (c) J. L. Lambot (Structurae, 2002); (d) pequeno barco em betão armado construído por Joseph-Louis Lambot (Bosc et al., 2001).
Contudo, foi W. Wilkinson de Newcastle que introduziu o betão armado na construção de casas. Em 1854 registou uma patente intitulada “construção de habitações, armazéns e outros edifícios e partes equiparáveis, resistentes ao fogo”. Foi então que erigiu uma pequena habitação de dois pisos, reforçando a laje do piso e da cobertura com barras de ferro e corda. Construiu diversos edifícios desta forma e acredita-se que foi o primeiro a construir edifícios em betão armado (ver Figura 1.2).
Introdução 3
Figura 1.2 – Sistema de betão armado de W. Wilkinson.
O construtor francês F. Coignet construiu várias casas de betão de grandes dimensões no Reino Unido e em França, entre 1850 a 1880. Utilizou varões de ferro nos pisos para evitar que as paredes abrissem mas, mais tarde, utilizou os mesmos varões como elementos resistentes à flexão.
Figura 1.3 – Sistema de betão armado de Monier (1881).
O primeiro edifício de betão armado construído nos Estados Unidos foi efectuado por W. E. Ward, entre 1871 e 1875. Trata-se de uma casa em Port Chester, Nova York (ver Figura 1.4). Ward utilizou a palavra francesa para betão, “beton” e em 1883 entregou à Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos um panfleto descrevendo a casa intitulado “Beton em combinação com ferro como um novo material de construção.”
4 Capítulo 1
Figura 1.4 – W. E. Ward, o primeiro edifício em betão armado dos Estados Unidos (1871 - 1875), Port Chester, Nova York.
Em 1879, G. A. Wayss, um construtor alemão, comprou os direitos da patente do então denominado sistema Monier e foi o pioneiro na construção de edifícios em betão armado na Alemanha e Áustria, promovendo o sistema Wayss – Monier bem como estudos científicos nos Estados Unidos. Além disso, era o director de uma empresa de sucesso que produzia blocos de betão em São Francisco (1870). Utilizou betão armado pela primeira vez em 1877 e, em 1884, patenteou o sistema.
Dez anos mais tarde, em 1894, A. de Baudot construiu a Igreja de S. Jean de Montmartre em Paris, com pilares e arcos esbeltos de betão, envoltos em paredes de espessura reduzida de betão armado.
T. A. Edison trabalhou, igualmente, na indústria do betão. Em 1899 fundou a Companhia Edison de Cimento Portland, em Nova Jersey. Promoveu a construção com betão e fez um enorme número de propostas para uma utilização inovadora do betão. Além disso, concebeu uma série de cofragens em ferro para a construção de habitações em betão (incluindo paredes, pisos e escadas).
A primeira ponte de betão armado foi construída em 1889 enquanto que o primeiro edifício em altura foi construído em Cincinnati, Estados Unidos, entre 1902 e 1904, utilizando uma variante do sistema Ransome. Concebido por Elzner e Henderson, foi o primeiro “arranha-céus” de betão.
Introdução 5
F. Hennebique, um construtor francês, começou a construir habitações de betão armado em 1870. Registou patentes relacionadas com o sistema de betão Hennebique na França, Bélgica, Itália, América do Sul entre outros, estabelecendo, ao mesmo tempo, um império de franchise que envolvia inúmeros países (ver Figura 1.5). Hennebique promoveu o betão armado através de conferências e do desenvolvimento de standards de construção, mas foi A. Perret que contribuiu para a sua disseminação como material arquitectónico.
Figura 1.5 – Sistema Hennebique de betão armado.
Perret, em 1903, concebeu e construiu um edifício em Paris de vários pisos utilizando betão armado. A sua estrutura influenciou a arquitectura e as construções em betão durante décadas, uma vez que foi erigido sem o recurso a paredes resistentes, as quais foram substituídas por pilares, vigas e lajes. Perret também construiu museus, igrejas, garagens e teatros, tal como o Theatre Champs Elysées.
Notre Dame du Raincy, construída em 1922, foi um avanço importante na utilização do betão armado (especialmente comparada com os edifícios em betão anteriores) e é tida como uma obra-prima de design arquitectónico: o
6 Capítulo 1
tecto elevado em arco e os pilares esbeltos demarcam as qualidades excepcionais deste novo material de construção.
A estrutura mais interessante no que respeita ao desenvolvimento do betão armado é a Jahrhunderthalle de Breslau, na Polónia (1913) (ver Figura 1.6). Este edifício foi erigido para comemorar o aniversário da derrota de Napoleão em 1813, perto de Breslau. Foi concebido por M. Berg e calculado pelos engenheiros do Departamento de Edifícios da Cidade de Breslau.
Figura 1.6 – Jahrhunderthalle de Breslau (1913).
Em 1951, a fábrica Fiat-Lingotto Auto foi construída em Turim (Itália) por M. Trucco, usando betão armado. O edifício possui uma pista de testes na cobertura.
Contudo, nem sempre se utilizou o betão de uma forma sustentável. Por exemplo, as pontes em arco de betão armado de R. Maillart deterioraram a paisagem original dos Alpes suíços (ver Figura 1.7).
Introdução 7
Figura 1.7 – Ponte Salginatobel, R. Maillart.
Em 1920 concluíram-se os hangares parabólicos do aeroporto de Orly, em Paris (ver Figura 1.8). E em 1930, E. Torroja, um engenheiro espanhol, concebeu uma abóbada abatida para o mercado de Algeciras, usando cabos de aço para um anel de tensão. Torroja foi também encarregue da missão de dimensionar a cobertura em consola do estádio Hippodrome de Madrid, em 1935. Ao mesmo tempo, o italiano Pier Luigi Nervi começou a construir os seus famosos hangares em Orbetello. As obras de Orbetello incluem o Pavilhão de Exposições de Turim e dois estádios cobertos em Roma.
8 Capítulo 1
O especialista em cascas de betão foi Felix Candela, que concebeu o Laboratório Cosmic Ray, na Cidade do México, com uma cobertura esbelta em casca de betão armado. A hipérbole tornou-se na sua imagem de marca, tendo construído muitas fábricas e igrejas em torno da Cidade do México utilizando esta forma.
Os trabalhos em betão armado mais reconhecidos de Le Corbusier são a Villa Savoye (1931), os blocos de habitação em Nantes e Marselha (1940), a Igreja Notre Dame du Haut (1954), o Mosteiro de La Tourette (1959) e os edifícios do governo em Chandigarh, Índia (1961).
(a) (b) Figura 1.9 – (a) Igreja Notre Dame du Haut, França (1954) (Demel, 1997) (b) Sistema
Dom-ino (1914).
Frank Lloyd Wright foi o primeiro a tirar partido da consola como uma característica arquitectónica, graças à natureza contínua do betão armado. A casa Kaufman (1936) é um exemplo deste conceito (ver Figura 1.10).
Introdução 9
Figura 1.10 – Frank Lloyd Wright, casa Kaufman (1936).
Em 1970, foi construído o primeiro edifício de betão reforçado com fibras e em 1975 foi construído o mais alto edifício do mundo em betão armado, a Torre CN em Toronto, no Canadá (555 metros) (Barbisan & Guardini, 2003).
10 Capítulo 1
1.2 O BETÃO ARMADO EM PORTUGAL
No nosso país, a indústria do cimento inicia-se em 1894 com a fábrica de cimento Tejo em Alhandra.
Em 1906 são publicadas as primeiras instruções francesas (Regulamento), traduzidas e publicadas em 1907 pela Revista de Obras Públicas e Minas da Associação Portuguesa dos Engenheiros Civis, com o título “As Instruções Francesas para o Formigão Armado”.
No nosso país, utilizando o sistema Hennebique, foram erigidas algumas construções que merecem especial referência: o edifício de moagem de trigo do Caramujo (Cova da Piedade) realizado em 1898 e onde depois funcionou uma moagem da Sociedade Industrial Aliança, e a Ponte Luiz Bandeira de Sejães na EN333-3 sobre o rio Vouga. Esta ponte em arco de 44 m de vão foi realizada em 3 meses e 4 dias, em formigão de cimento armado.
Em 1911 são entretanto criadas as Universidades de Lisboa e Porto, e em 1918 aprovado o primeiro Regulamento Português no domínio do betão armado “Instruções Regulamentares para o Emprego do Beton Armado”, realizadas com base nas normas francesas de 1906 e nos desenvolvimentos posteriores, Dec. 4036 de 3/4/1918.
A primeira disciplina de Cimento Armado foi criada em 1922 na Faculdade Técnica da Universidade do Porto (o Eng.º Theotonio Rodrigues foi o seu primeiro professor) e em 1935 é publicado o “Regulamento do Betão Armado” dec. 25948 de 1935 que sintetiza o estado do conhecimento neste domínio. O primeiro Congresso Internacional do Betão e do Betão Armado foi realizado em 1930.
Na primeira metade do século XX muitas são as realizações em betão armado em Portugal. Destacam-se o Canal do Tejo (executado de 1932 a 1940 e que envolveu a realização de túneis, pontes canal e tubagens de 2.5 m de diâmetro, tendo sido utilizada a vibração mecânica pela primeira vez no nosso país), numerosas pontes de que se salienta o Viaduto Duarte Pacheco em Lisboa (concluído em 1944 com um desenvolvimento total de 505 m tendo o arco central um vão de 91,97 m) e edifícios de que se salienta o conjunto dos edifícios do IST (1936). Deve no entanto referir-se que neste período era ainda
Introdução 11
usual realizar a estrutura dos edifícios com paredes de alvenaria e o betão armado era aplicado na estrutura dos pisos em alternativa a soluções de estrutura de madeira.
No domínio das pontes, é de referência obrigatória a execução em arco da Ponte da Arrábida (ver Figura 1.12), projectada pelo Prof. Edgar Cardoso com 270 m de corda (1963).
Figura 1.12 – Ponte da Arrábida, Edgar Cardoso, 1963.
No domínio das barragens, inicia-se em Portugal um período de execução de grandes barragens de abóbada de que a Barragem do Cabril no Rio Zêzere é o primeiro exemplo (1953).
Outras estruturas que justificam referência são as coberturas onduladas das Pedras Rubras (Correia de Araújo, 1950), o Monumento das Descobertas em Lisboa com 50 m de altura (Edgar Cardoso, 1958), o Monumento do Cristo Rei com 76 m de altura a que acresce a estátua com 28 m de altura e 16 m de envergadura (Brazão Farinha, 1959).
Foi igualmente criado o LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil de que se destaca neste domínio o contributo do Eng.º Júlio Ferry Borges. Na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto é realizada, em 1944, a
12 Capítulo 1
primeira tese de doutoramento em betão armado e pré-esforçado pelas mãos do Prof. Joaquim Sarmento.
Em 1958 é publicado o Regulamento de Segurança das Construções contra os Sismos (Decs. 41658 de 31/05/1958) que estabelece a diferenciação do risco sísmico no país, quantificando de forma simplificada as respectivas solicitações. Este regulamento é praticamente revogado com a publicação em 1961 do Regulamento de Solicitação de Edifícios e Pontes.
Em 1967 é publicado novo regulamento no domínio do betão armado, REBA, o qual integra já a moderna filosofia de verificação da segurança em relação aos estados limites.
No domínio do betão pré-esforçado, a primeira construção portuguesa é a cobertura de vários armazéns para algodão na Avenida Meneses em Matosinhos, com um vão de 32,4 m e vigas simplesmente apoiadas de altura variável e de betão armado pós-tensionado (1951).
A primeira ponte em betão armado pré-esforçado em Portugal é a Ponte de Vala Nova, em Benavente, na EN118 ao km 43.45, realizada em 1954 e que apresenta 3 vãos simplesmente apoiados de 36 m (Appleton P. J., 2005).
1.3 OBJECTIVOS
Como se pode depreender da sua já extensa história, a aplicação do betão armado foi alargada a quase todos os campos da engenharia civil, desde a produção de tubos armados para obras hidráulicas, a pavimentos rodoviários rígidos, passando por barragens, edifícios, obras geotécnicas e obras de arte.
Mas é nos edifícios que a aplicação do betão armado revela as suas vantagens, nomeadamente na rapidez de execução e uma maior versatilidade arquitectónica. Desta forma, deu-se a proliferação de construções realizadas em betão armado as quais, com o passar do tempo, começam a apresentar patologias.
Hoje em dia, algum do parque edificado que necessita de intervenção ao nível do reforço estrutural encontra-se em crescimento, destacando-se as estruturas de betão armado que, devido às características intrínsecas do
Introdução 13
próprio material, estarão sempre sujeitas a patologias, enquanto não se descobrirem soluções eficazes que travem os mecanismos que as provocam.
Estas patologias quando não são reparadas e/ou quando os factores que as causaram não são eliminados, agravam-se, podendo, em várias situações, comprometer a integridade estrutural do elemento afectado e, consequentemente, a estabilidade global da estrutura. De notar que estas patologias podem ser devidas a inúmeras causas, sejam elas relacionadas com o ambiente onde a estrutura está inserida (caso da presença de cloretos), aos próprios materiais constituintes (reacções químicas que ocorrem com os constituintes dos agregados do betão), a erros de projecto e/ou de execução, ou a usos indevidos da estrutura, onde se ultrapassam as cargas de utilização previstas no projecto inicial.
É no âmbito da reparação e reforço deste tipo de estruturas que se insere este trabalho, seja no caso de reparação de elementos danificados, seja no caso de reforço de estruturas onde, por exemplo, se pretendem alterar as cargas de utilização.
Assim, o presente trabalho tem como principal objectivo, a partir da inúmera bibliografia existente, a colecta das soluções mais adequadas para a reparação e reforço de estruturas de betão armado obtendo-se, desta forma, uma visão geral do presente estado do conhecimento nesta área.
Como complemento, serão aplicados estes conhecimentos a um caso real denotando-se a mais-valia que daí advém para este trabalho.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Além do capítulo introdutório, onde se pretende enquadrar o tema da dissertação e apresentar o seu objectivo e motivação, o presente trabalho é composto pelos seguintes capítulos:
Capítulo 2 – com a apresentação de uma visão geral dos tipos de reforço, materiais e considerações a ter em especial;
Capítulo 3 – onde é abrangida a reparação e reforço de nós de pórticos de betão armado;
14 Capítulo 1
Capítulo 4 – aborda as soluções de reparação e reforço de pilares de betão armado;
Capítulo 5 – idem para vigas em betão armado;
Capítulo 6 – onde se apresenta o caso prático, abrangendo todas as considerações tomadas e posteriores soluções de reforço;
Capítulo 7 – contém as conclusões mais importantes retiradas ao longo da elaboração da dissertação;
A listagem das referências utilizadas no decorrer do estudo; Anexos.
15
CAPÍTULO 2
CONSIDERAÇÕES GERAIS E TIPOS DE REFORÇO
2.1 INTRODUÇÃO
Existem hoje várias técnicas de reparação e reforço de estruturas de betão armado, umas com mais aplicação que outras, mas que partilham o objectivo comum de aumentar a durabilidade deste tipo de construção.
Todas estas técnicas necessitam de seguir um determinado conjunto de considerações que visam, de uma forma geral, atingir um funcionamento óptimo do reforço considerado, através de uma correcta execução do mesmo. Desta forma, torna-se necessário conhecer as características dos materiais empregues bem como todos os cuidados a ter para que a sua aplicação seja a mais correcta.
No presente capítulo, reúnem-se as considerações mais importantes a ter em conta na execução das técnicas de reforço mais comuns.
2.2 PROJECTO DE REABILITAÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO
Existe actualmente, um conjunto de procedimentos elaborados por várias entidades a nível mundial, os quais, ainda que muito genéricos, poderão servir de base para a elaboração de um projecto de reabilitação a levar a cabo nas intervenções em estruturas de betão armado.
Assim, torna-se necessário definir alguns conceitos relacionados com a reabilitação de estruturas, os quais pretendem classificar o tipo de intervenção a realizar.
Entende-se por reparação todas as acções que visam repor os níveis de desempenho da estrutura para os padrões inicialmente previstos ou que visam corrigir e prevenir os efeitos da degradação da estrutura.
Uma intervenção de reforço define-se como uma acção que incide sobre o comportamento da estrutura, visando o aumento da resistência e/ou ductilidade dos seus elementos, melhorando assim o desempenho da estrutura relativamente ao seu estado inicial (Rodrigues, 2005).
16 Capítulo 2
O conceito de reabilitação abrange as situações em geral, envolvendo acções de reparação, reforço ou uma combinação das duas. Desta forma, pode ser entendida como a acção necessária para habilitar novamente a estrutura para cumprir as suas funções iniciais ou mesmo responder às novas exigências de desempenho e segurança.
O projecto de reabilitação de uma estrutura existente requer uma abordagem substancialmente diferente do projecto de uma estrutura nova, sobretudo ao nível da sequência das etapas a cumprir, a qual é discutível e difícil de sistematizar, uma vez que cada projecto apresenta especificidades e condicionantes próprias que o tornam único. Refira-se ainda que a falta de regulamentação (excepto para alguns tipos de intervenção) relacionada com o projecto de reforço, a inexistência de documentação que aborde de forma integrada o projecto e execução das acções de reabilitação e a consequente falta de informação no meio técnico, introduzem dificuldades em todo o processo.
2.2.1 ETAPAS DE UM PROJECTO DE REABILITAÇÃO
Como já referido, embora seja difícil propor uma sequência de etapas aplicável a todos os casos de projectos de reabilitação, sugere-se a abordagem a seguir apresentada (ACI Committee 364, 1999).
Tabela 2.1 - Metodologia a seguir num projecto de reabilitação.
FASE A – AVALIAÇÃO DO ESTADO DA ESTRUTURA A1. Recolha de informação
A1.1. Elementos de projecto i. Peças desenhadas
ii. Peças escritas
A1.2. Elementos de obra i. Telas finais
ii. Registos da fiscalização iii. Livro de obra
A1.3. História da estrutura i. Registo de alterações de uso da
estrutura
ii. Registo de anteriores intervenções de reparação / reforço
A1.4. Levantamento da geometria da estrutura actual
i. Recolha da dimensão real dos elementos estruturais
Considerações gerais e tipos de reforço 17
ii. Verificação da introdução / supressão de elementos estruturais
iii. Verificação da conformidade do sistema estrutural do projecto / obra
A2. Inspecção da estrutura
A2.1. Abordagem nível 1 Registo, visualização, análise e eventual
quantificação de defeitos visíveis e potenciais nos elementos estruturais (fendilhação, deformação, deterioração do betão, deterioração do aço, etc.)
A2.2. Abordagem nível 2 i. Quantificação das propriedades
mecânicas do betão e do aço através de ensaios in-situ ou em laboratório
ii. Quantificação das anomalias
registadas na abordagem nível 1 através de ensaios in-situ ou em laboratório
FASE B – AVALIAÇÃO DA SEGURANÇA DA ESTRUTURA
B1.1. Verificação da segurança da estrutura face às condições iniciais de projecto.
i. Verificação aos estados limites últimos
ii. Verificação aos estados limites de utilização
B1.2. Verificação da segurança da estrutura face às novas exigências de utilização.
i. Verificação aos estados limites últimos
ii. Verificação aos estados limites de utilização
FASE C – CARACTERIZAÇÃO DO TIPO E OBJECTIVOS DA INTERVENÇÃO
Face aos resultados das fases A e B, deverá adoptar-se uma das seguintes estratégias:
i. Não intervir;
ii. Reparar em pequena escala; iii. Reparar e eventualmente reforçar; iv. Reforçar;
v. Demolir.
18 Capítulo 2
2.2.2 PRINCIPAL REGULAMENTAÇÃO / DOCUMENTAÇÃO APLICÁVEL
À semelhança do projecto de uma estrutura nova, o projecto de reabilitação de estruturas de betão existentes deve ter em consideração os regulamentos nacionais actuais bem como os códigos europeus em vigor.
Na falta de regulamentação aplicável a determinados casos, dever-se-á recorrer a documentos técnicos de referência, emitidos por entidades reconhecidas para o efeito.
Na Tabela 2.2 à Tabela 2.4, indicam-se os principais documentos aplicáveis no projecto de reabilitação de estruturas de betão armado.
Tabela 2.2 - Regulamentação portuguesa aplicável ao projecto de reabilitação.
REGULAMENTOS PORTUGUESES
Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA, 1983)
Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado (REBAP, 1983)
Tabela 2.3 - Normas europeias aplicáveis ao projecto de reabilitação.
NORMAS EUROPEIAS
Eurocódigo 1 – Bases de Projecto e Acções em Estruturas (CEN, 2002) Eurocódigo 2 – Projecto de Estruturas de Betão (CEN, 2004)
Eurocódigo 7 - Projecto Geotécnico (CEN, 2004)
Eurocódigo 8 – Parte 1-4: Reforço e Recuperação de Edifícios (CEN, 2004)
EN1504 – Produtos e Sistemas para a Protecção e Reparação de Estruturas de Betão (IPQ, 2006)
Tabela 2.4 - Documentos técnicos de apoio ao projecto de reabilitação.
DOCUMENTOS TÉCNICOS
Boletim de Informação n.º 162 – “Assessment of Concrete Structures and Design Procedures for Upgrading (Redesign)”. – Federação Internacional do Betão (FIB), 1983.
Boletim de Informação n.º 14 – “Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures”. Technical Report, October 2001. – Federação Internacional do Betão (FIB), 2001.
Boletim de Informação n.º 18 – “Management, Maintenance and Strengthening of Concrete Structures”. Technical Report, April 2001 – Federação Internacional do Betão (FIB), 2001.
“Guidelines for the Design and Construction of Externally FRP Systems for Strengthening Concrete Structures”, ACI Comité 440, Sub-Comité 440F – American Concrete Institute, 2000.
Considerações gerais e tipos de reforço 19
Manual n.º 4 – “Strengthening Reinforced Concrete Structures with Externally-Bonded Fibre Reinforced Polymers (FRP)” – Intelligent Sensing for Innovative Structures Canada Research Network, Canada.
CAN/CSA-S806-02 (R2007) F – “Design and Construction of Building Components with Fibre Reinforced Polymers” – Canadian Standards Association, 2002.
JCI TC952 – “Continuous Fiber Reinforced Concrete” – Japan Concrete Institute, 1998.
“Practical Guide for Investigation, Repair and Strengthening of Cracked Concrete Structures” - Japan Concrete Institute, 2003.
“Design Guidelines of FRP Reinforced Concrete Building Structures”, Building Research Institute – Japan, 1993.
ISO13822: Bases for Design of Structures – Assessment of Existing Structures. International Organization for Standardization, 2001.
“Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures” – CNR (National Research Council): Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction – Italy, 2004.
2.2.3 VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA DE ESTRUTURAS EXISTENTES
A verificação da segurança de estruturas existentes consiste na construção de um modelo de comportamento estrutural adequado à realidade da estrutura, permitindo a verificação da segurança relativamente aos estados limite últimos e aos estados limite de utilização.
Assim, a verificação da segurança da estrutura, em relação aos estados limite últimos, consiste na verificação da seguinte equação:
(2.1)
Onde Sd, representa o valor de cálculo do esforço actuante na estrutura e
Rd’, corresponde ao valor de cálculo do esforço resistente residual do elemento.
Entende-se por esforço resistente residual, a capacidade de carga do elemento após este ter sido submetido ao historial de cargas ao longo da sua vida útil.
Este historial de cargas deverá, igualmente, ser levado em consideração na determinação do valor de cálculo dos esforços actuantes e que a estrutura existente poderá estar eventualmente danificada.
Na Tabela 2.5 resumem-se os procedimentos a executar no cálculo dos esforços actuantes para verificação da estrutura aos estados limites últimos.
20 Capítulo 2
Tabela 2.5 - Sequência de cálculo do valor dos esforços actuantes na verificação de segurança aos E.L.U. em estruturas existentes.
A) Modelação da estrutura existente
DADOS OBTENÇÃO DA INFORMAÇÃO
Materiais Propriedades Mecânicas ii. Projecto de estabilidade i. Ensaios estruturais in-situ e em laboratório
Estrutura
Disposição estrutural
i. Levantamento estrutural em obra ii. Projecto de estabilidade
Secção transversal dos
elementos estruturais
i. Levantamento estrutural em obra ii. Projecto de estabilidade
Quantificação de acções
i. Regulamentos em vigor: Regulamento de Segurança e Acções Para Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA, 1983), Eurocódigo 1 (CEN, 2002)
ii. Acções específicas
Coeficientes de majoração de acções γ′ 1.375 0.1 Estruturas danificadas 1.25 0.1 Estruturas sãs γ′ 1.65 γ Estruturas danificadas 1.5 γ Estruturas sãs
= coeficiente de majoração de acções permanentes em estruturas existentes
= coeficiente de majoração de acções variáveis em estruturas existentes
1 No caso de estruturas existentes, a incerteza
quanto à importância de uma dada acção na resposta de uma estrutura danificada é maior relativamente a uma estrutura nova (Ripper, 2005), pelo que deverão ser adoptados os coeficientes de segurança propostos no Boletim n.º 162 do CEB (CEB, 1983)
Modelos de análise
Modelo elástico linear
Modelo elástico linear com redistribuição de esforços 2
2 Modelo mais adequado tendo em conta a história de tensões e o
efeito da fendilhação do betão na distribuição dos esforços. Modelo não linear (material e/ou geométrico)
B) Cálculo
Recorrendo a um programa de cálculo automático corrente de estruturas e configurando convenientemente as hipóteses de cálculos de acordo com o descrito anteriormente, obtêm-se os valores de cálculo dos esforços actuantes, Sd.
Considerações gerais e tipos de reforço 21
A determinação dos esforços resistentes deve ter em consideração as características mecânicas residuais dos elementos existentes as quais podem ser determinadas a partir dos seguintes métodos (CEB, 1983):
i. Estimativa analítica – realiza-se uma estimativa das propriedades mecânicas dos materiais a partir de gráficos apresentados pelo (CEB, 1983) que ilustram a evolução dessas propriedades com o grau de corrosão, sismos e incêndios (Reis, 1998);
ii. Ensaios de carga – consiste na realização de ensaios de carga da estrutura, devidamente monitorizados;
iii. Estimativa empírica – consiste na multiplicação das propriedades dos materiais por coeficientes redutores que procuram ter em conta o efeito dos danos da estrutura existente.
Segundo o método expedito iii., o valor característico das propriedades mecânicas pode ser obtido a partir das seguintes expressões:
Rresidual = υR x Rinicial (2.2)
Kresidual = υK x Kinicial (2.3)
Onde:
Rinicial e Kinicial – características iniciais de resistência e de rigidez,
respectivamente;
Rresidual e Kresidual – características residuais de resistência e de rigidez,
respectivamente;
υR e υK – coeficientes de correcção da capacidade resistente e de rigidez.
Na Tabela 2.6 à Tabela 2.8, indicam-se os valores dos coeficientes υR
22 Capítulo 2
Tabela 2.6 - Coeficiente υR para danos provocados por sismos (CEB, 1983).
Tipo de Construção
NÍVEL DE DANOS
Nível A Nível B Nível C Nível D
Nova 0,95 0,75 0,45 0,15 Antiga 0,80 0,60 0,30 0
Nível A
Fissuras de flexão isoladas com larguras inferiores a 1 – 2 mm, desde que um cálculo simples demonstre que estas fissuras não são devidas a deficiência da armadura para as acções de dimensionamento, mas sim devidas a efeitos localizados (juntas de construção, restrições devidas a paredes divisórias, choques ligeiros, acções térmicas iniciais, retracções, etc.).
Nível B
Várias fissuras de flexão largas ou fissuras de corte diagonais isoladas com larguras inferiores a cerca de 0.5 mm, não existindo deslocamentos residuais.
Nível C
Fissuras de corte bi-diagonais e/ou esmagamento localizados no betão devidos a corte e compressão, não existindo deslocamentos residuais apreciáveis; ocorrência de fendilhação em nós de ligação viga / pilar.
Nível D
Rotura do núcleo de betão do elemento, encurvadura dos varões (o elemento perdeu a continuidade mas não colapsou), existindo apenas pequenos deslocamentos residuais (verticais e horizontais); ocorrência de danos severos em nós de ligação pilar / viga.
Tabela 2.7 - Coeficiente υR para danos provocados por incêndios (CEB, 1983).
Tipo de Construção
NÍVEL DE DANOS
Nível A Nível B Nível C Nível D
Nova 0,95 0,80 0,65 0,40 Antiga 0,90 0,75 0,60 0,30
Nível A Sem danos, excepto algum descasque mínimo do acabamento
e/ou do betão. Nível B
Acabamento bastante afectado, algum descasque do betão; microfissuração generalizada da superfície do betão e eventual cor rosada, o que dependerá dos agregados.
Nível C
Arranque generalizado do acabamento, descasque significativo do betão e eventual cor cinzento avermelhado / esbranquiçado; os varões ainda estão aderentes ao betão, sem que mais que um varão no caso de pilares ou até 10% da armadura principal no caso de vigas e lajes, tenha encurvado.
Considerações gerais e tipos de reforço 23
Nível D
Danos severos, descasque generalizado do betão deixando à vista praticamente toda a armadura; o betão possui uma cor amarelo acastanhado; mais do que um varão no caso de pilares ou até 50% da armadura principal no case de vigas e lajes, encurvou, podendo existir distorção dos pilares; eventuais fissuras de corte com poucos milímetros de largura nos pilares; eventuais fissuras de flexão / corte com vários milímetros de largura nas vigas e lajes e possíveis flechas apreciáveis.
Tabela 2.8 - Coeficiente υR para danos provocados pela corrosão (CEB, 1983).
Tipo de Construção
NÍVEL DE DANOS
Nível A Nível B Nível C Nível D
Nova 0,95 0,80 0,60 0,35 Antiga 0,85 0,70 0,50 0,25
Nível A Manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudinal, perda de secção de armadura < 1%.
Nível B
Manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudinal e transversal, algum descasque do betão, perda de secção da armadura < 5%.
Nível C Manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque significativo do betão, perda de secção da armadura < 10%. Nível D
Manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque do betão em algumas zonas deixando a armadura à vista, perda de secção da armadura < 25%, eventuais deslocamentos residuais.
Os valores de cálculo das propriedades dos materiais obtêm-se a partir dos seus valores característicos pela aplicação dos coeficientes de minoração das propriedades dos materiais. De acordo com CEB (1983), estes coeficientes poderão ser inferiores aos utilizados no cálculo de estruturas novas, não sendo referido, contudo, um valor para os mesmos.
Caso não se disponha de informação precisa acerca dos materiais realmente aplicados na estrutura, aplicam-se os coeficientes de segurança de minoração das propriedades dos materiais, habituais em estruturas de betão armado.
Os estados limites de utilização deverão ser verificados tendo em consideração, do lado das acções, os esforços actuantes em combinações de serviço e, do lado da resistência, elementos estruturais com as suas características de rigidez (rigidez axial e de flexão), reduzidos de um
24 Capítulo 2
coeficiente υK correspondente a 80% dos valores indicados na Tabela 2.6 à
Tabela 2.8 (CEB, 1983).
2.2.4 CARACTERIZAÇÃO DO TIPO DE INTERVENÇÃO
Para caracterizar o tipo de intervenção a levar a efeito, define-se o
coeficiente de capacidade, Φ, dado pela expressão:
Φ (2.4)
Onde:
Rd’ – esforço residual resistente de cálculo;
Sd – esforço actuante de cálculo.
A tomada de decisão quanto à natureza da intervenção, baseia-se nos critérios indicados na Tabela 2.9.
Tabela 2.9 - Relação entre coeficientes de capacidade e o grau de intervenção (CEB, 1983).
COEFICIENTE DE CAPACIDADE, Φ ACÇÃO
Φ ≥ 1 Não reforçar
0,67 < Φ < 1 Reparar e eventualmente reforçar
0,50 < Φ < 0,67 Reforçar
Φ ≤ 0,50 Demolir
2.2.5 BASES PARA O DIMENSIONAMENTO DE REFORÇOS
O dimensionamento de elementos reforçados deve ser baseado na filosofia dos estados limite, de acordo com a regulamentação portuguesa e europeia em vigor para estruturas novas.
As acções a considerar no dimensionamento deverão ser as previstas nos regulamentos consoante o tipo de utilização da estrutura, ou outras acções
Considerações gerais e tipos de reforço 25
específicas que se apliquem ao projecto de reforço em causa. Os coeficientes de majoração das acções deverão ser os já indicados na secção 2.2.3.
Os coeficientes de segurança de minoração das propriedades dos materiais existentes ( , ) poderão ser reduzidos, caso se disponha de informação rigorosa acerca dos materiais realmente aplicados na estrutura. Caso contrário, deverão adoptar-se os coeficientes de segurança habituais em estruturas de betão armado.
Relativamente aos materiais de reforço, os coeficientes de minoração a aplicar deverão ser os adequados ao tipo de material e sistema de reforço aplicado, de forma a que se mobilizem tensões mais baixas, compatíveis com a transmissão de esforços a ser feita (Ripper, 2005). No caso dos materiais betão e aço, o CEB recomenda os valores indicados nas tabelas
Tabela 2.10 - Valores de γc' para betão cofrado em obra (CEB, 1983).
Controlo de qualidade e inspecção Espessura adicional < 100 mm > 100 mm Acessibilidade
Baixa Normal Baixa Normal Alto 1,80 1,65 1,50 1,50 Médio 1,95 1,80 1,65 1,50
Tabela 2.11 - Valores de γc' para betão projectado (CEB, 1983).
Controlo de qualidade e inspecção Acessibilidade Baixa Normal Alto 1,95 1,80 Médio 2,10 1,95
Tabela 2.12 - Valores de γs' para o aço (CEB, 1983).
Controlo de qualidade e inspecção Armaduras novas Alto 1,40 Médio
26 Capítulo 2
Quando se considera um estado limite último, deve verificar-se que Sd ≤ Rd
em que Sd traduz o valor de calculo de um esforço actuante, calculado de
acordo com o já descrito na secção 2.2.3, e Rd o valor de cálculo do esforço
resistente da estrutura reforçada.
Na determinação dos esforços resistentes da secção de betão armado reforçada, poder-se-á adoptar uma das seguintes estratégias:
i. Aplicação do chamado “Método dos coeficientes globais”, que consiste no cálculo da resistência da secção, adoptando os modelos de comportamento das secções de betão armado novas, admitindo a inexistência de danos, a ligação perfeita entre materiais e a inexistência de estados de tensão prévios (antes da aplicação do reforço). Posteriormente, aplica-se um coeficiente redutor de monolitismo, γn,R,
dependente da técnica de reforço utilizada, de forma a ter em consideração a imperfeição da ligação entre o elemento de betão armado e o reforço. Adoptando-se esta estratégia, o esforço resistente passa a ser dado por:
, (2.5)
ii. Modelação da estrutura danificada e análise das tensões iniciais. Incorporação no modelo do reforço incluindo a modelação da interface entre elementos existentes e elementos de reforço.
Com a aplicação do “Método dos coeficientes globais” admite-se um comportamento monolítico da secção, impondo desta forma um diagrama de extensões linear ao longo da secção reforçada.
Considerações gerais e tipos de reforço 27
No cálculo das secções de betão armado reforçadas, assumem-se ainda as seguintes hipóteses:
i. As secções planas mantêm-se planas após o carregamento; ii. É satisfeito o princípio de equilíbrio de forças na secção; iii. A resistência à tracção do betão é desprezada.
Para que os métodos descritos em i. e ii. sejam verosímeis, a estrutura deverá ser escorada e aliviada de todas as cargas que possam ser removidas durante a execução do reforço, garantindo desta forma níveis de tensão baixos e mobilização do reforço para as cargas de serviço (Appleton & Gomes, 1997).
Quanto aos métodos de análise estrutural, sugere-se uma análise linear com redistribuição de esforços ou uma análise não linear. A utilização deste tipo de análise justifica-se pela necessidade de consideração do carregamento prévio da estrutura, o qual conduziu a uma redistribuição de esforços, de acordo com a rigidez relativa entre elementos fissurados e não fissurados.
2.3 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE TÉCNICAS DE REFORÇO
As técnicas de reparação e reforço de estruturas de betão armado são, geralmente, consideradas activas ou passivas, dependendo de como as cargas actuam nos componentes adicionais utilizados no reforço. As soluções cuja resistência não é mobilizada até que sejam aplicadas cargas adicionais (permanentes ou variáveis) e/ou até que ocorra deformação adicional, são denominadas de passivas.
Por outro lado, existem várias situações onde deformações adicionais não são aceitáveis. Nestes casos, a capacidade resistente do reforço deve ser mobilizada de imediato classificando-se estas soluções como activas.
Os sistemas activos de reforço requerem que seja aplicado pré-esforço aos elementos a reparar, ou a remoção temporária das cargas aplicadas (tanto permanentes como variáveis) bem como uma combinação das duas situações (ver Figura 2.1).
28 Capítulo 2
Figura 2.1 – Sistema de reforço activo.
Os sistemas passivos funcionam bem quando se conseguem antecipar as cargas variáveis. Por exemplo, o reforço de uma ponte para suster cargas mais elevadas pode requerer unicamente um sistema passivo. Contudo, se um elemento da estrutura está com esforços demasiadamente elevados, a única escolha poderá ser a utilização de uma solução activa. Assim, consegue-se eliminar de imediato a situação de esforços em excesso através da mobilização da capacidade resistente dos elementos de reforço (ver Figura 2.1 e Figura 2.2).
Figura 2.2 – Sistema de reforço passivo.
Outro aspecto importante prende-se com o comportamento dos materiais quando se pretende considerar determinada solução de reparação e reforço de estruturas de betão armado. Deve-se considerar, não só, o comportamento do material no seu estado curado mas também durante o processo de aplicação e cura.
Muitas técnicas de reforço envolvem o uso de polímeros, argamassas à base de cimento e betões. Estes materiais apresentam fracas resistências durante o processo de cura. Se, por qualquer motivo, este processo é alterado,
Os varões pré-esforçados permitem que a viga resista imediatamente às cargas aplicadas (permanentes e sobrecargas).
Viga de betão reforçada com varões de aço pré-tensionados.
A chapa de aço só é solicitada quando são aplicadas as sobrecargas. À medida que a viga flecte, a capacidade resistente da placa começa a ser solicitada.
