REPARAÇÃO DE VIGAS DE LAMELADO COLADO
Avaliação experimental e dimensionamento
Ricardo Cardoso Henriques da Silva
Dissertação para obtenção do Grau Mestre em
Engenharia Civil
Orientador: Prof. João Paulo Janeiro Gomes Ferreira
Orientador: Doutora Helena Maria Pires Cruz
Júri
Presidente:
Prof.ª Ana Paula Patrício Teixeira Ferreira Pinto França de Santana
Orientador: Doutora Helena Maria Pires Cruz
Vogal: Prof. Luís Manuel Coelho Guerreiro
i
Agradecimentos
Quero agradecer a todas as pessoas que me ajudaram e tornaram possível o meu sucesso académico.
Em primeiro lugar aos meus pais e ao meu irmão por todo o apoio e compreensão que me foram dados, sempre acreditando em mim e no meu sucesso. Também quero agradecer aos meus amigos por toda a ajuda que me deram, em especial a Maria Margarida Magos e Sara Almeida Santos pelo apoio informático que me ajudou bastante na realização desta dissertação bem como a amizade ao longo da minha vida académica.
Agradeço também ao meu orientador Professor João Ferreira e co-orientadora Doutora Helena Cruz pela oportunidade que me foi dada, bem como o seu apoio e disponibilidade que me ajudaram a realizar esta dissertação.
Por fim, gostaria de agradecer ao LNEC e a todos os seus funcionário que me ajudaram na realização dos ensaios e calibração dos dados. Agradeço ainda às empresas “Rothoblaas” e “Bernardino e Mendes” o apoio prestado.
iii
Resumo
Esta dissertação tem como objetivo dimensionar e avaliar a viabilidade de um método de reparação em vigas de madeira lamelada colada.
Inicia-se esta dissertação com uma breve explicação sobre o presente estado da construção em madeira, focando a utilização de vigas de madeira lamelada colada, bem como a sua produção. Em seguida é abordado um dos principais problemas neste tipo de vigas: a delaminação. É de seguida detalhado o seu efeito nas vigas, os métodos de reparação existentes e a forma como se realiza o seu dimensionamento.
É descrita e detalhada depois o fabrico das vigas utilizadas na dissertação, verificando-se a qualidade e integridade da colagem através de ensaios de delaminação e ao corte.
Posteriormente, apresenta-se o trabalho experimental realizado com a utilização de parafusos auto perfurantes e placas de contraplacado para a reparação de vigas retas delaminadas, previamente levadas à rotura por flexão. O programa de ensaios envolveu 21 vigas com 3,090m x 0,175m x 0,095m, apresentando diversos tipos de delaminação. As vigas foram ensaiadas em flexão até à rotura, sendo posteriormente reparadas com recurso a parafusos auto perfurantes e placas de contraplacado, e ensaiadas de novo à flexão.
Os resultados obtidos indicam que a reparação efetuada foi tanto mais eficaz quanto menos danificada tivesse ficado a viga após o primeiro ensaio, e que a utilização de parafusos auto perfurantes aumentou a ductilidade das vigas.
v
Abstract
This dissertation aims to design and evaluate the viability of a repair method in glued laminated timber beams.
This dissertation starts with short explanation about the present status of timber construction, focusing on the use of glued laminated timber and its production. Next it is approached on the main problems in this type of beams: delamination. Then it is detailed the effect of delamination in the beams, the existing repair methods and their design.
After that, it is described the fabric of the beams used in this dissertation, verifying the glue line quality and integrity through shear block testing and delamination test.
Later, it is presented the experimental work done using self-tapping screws and plywood plates in the repair of straight delaminated beams, previously tested to failure. The experimental program involved a total of 21 industrial produced beams with 3,090m x 0,175m x 0,095m, presenting various kinds of delamination. The beams were submitted to a bending test until failure, being then repaired using the self-tapping screws and the plywood plates and submitted again to a bending test until failure.
The obtained results indicate that the chosen repair was more effective as the less damage the beams sustained after the first bending test, and that the self-tapping screws increased the ductility of the beams.
vii
Índice
Agradecimentos ... i
Resumo ... iii
Abstract ...v
1. INTRODUÇÃO ...1
1.1.
Enquadramento ...1
1.2.
Objetivos ...1
1.3.
Metodologias...2
1.1.
Organização do documento ...2
2. CONSTRUÇÃO COM LAMELADOS COLADOS – ESTADO-DA-ARTE...3
2.1.
Generalidades...3
2.1.
Materiais ... 5
2.1.1. Madeira ... 5
2.1.2. Colas... 6
2.2.
Processo de fabrico industrial ...9
2.1.3. Descrição ... 9
2.1.4. Requisitos de desempenho e produção ... 9
3. REPARAÇÃO DE VIGAS DE LAMELADOS COLADOS – ESTADO-DA-ARTE ... 13
3.1.
Anomalias em elementos de MLC com implicações na resistência mecânica... 13
3.2.
Métodos de reparação/reforço in-situ de vigas de MLC com delaminação... 14
3.2.1. Colas... 14
3.2.2. Conectores mecânicos ... 15
3.2.3. Painéis... 17
3.3.
Métodos de dimensionamento de soluções de reparação/reforço de vigas de MLC com
delaminação ... 17
4. FABRICO E CARATERIZAÇÃO DAS VIGAS DE ENSAIO ... 23
4.1.
Vigas ensaiadas ... 23
4.1.1. Fabrico das Vigas ... 24
4.1.2. Simulação de delaminação nas vigas ... 27
4.2.
Ensaios de Delaminação ... 27
4.2.1. Objetivos e materiais... 27
4.2.2. Programa de ensaios ... 29
4.2.3. Resultados e análise crítica ... 31
viii
4.3.1. Objetivos e materiais... 34
4.3.2. Programa de ensaios ... 35
4.3.3. Resultados e análise crítica ... 37
5. ENSAIOS EXPERIMENTAIS DE FLEXÃO DE VIGAS DE LAMELADOS COLADOS ... 43
5.1.
Arranjo experimental ... 43
5.2.
Procedimento de Ensaio ... 44
5.2.1. Cálculo da força resistente máxima das vigas e da flecha correspondente ... 45
5.2.2. Realização dos Ensaios... 46
5.3.
Ensaios experimentais em vigas de referência e delaminadas ... 47
5.3.1. Vigas de Referência “A” ... 49
5.3.2. Vigas “B”... 51
5.3.3. Vigas “C” ... 53
5.3.4. Vigas “D” ... 56
5.4.
Reparação das vigas após rotura ... 61
5.4.1. Reparação à rotura por corte ... 64
5.4.2. Reparação à rotura por flexão... 67
5.4.3. Execução da reparação... 73
5.5.
Ensaios Experimentais em vigas delaminadas e reparadas após rotura ... 75
5.5.1. Vigas de Referência “A” ... 76
5.5.2. Vigas “B”... 81
5.5.3. Vigas “C” ... 85
5.5.4. Vigas “D” ... 90
5.6.
Análise de resultados experimentais ... 94
6. CONCLUSÕES E PERSPETIVAS DE DESENVOLVIMENTO FUTURO... 97
6.1.
Conclusões ... 97
6.2.
Perspetivas de desenvolvimento ... 97
Referências ... 99
Anexos ...a
Anexo A – Ficha técnica da cola KOMARTEX M... c
Anexo B – resultados individuais parciais da campanha de ensaios de corte ... e
A1-A e A1-B ... g
A1-C e A1-D ... h
A2-D i
A3-A e A3-B ... j
A3-C e A3-D ... k
ix
D1-A e D1-B... l
D2-A e D2-B...m
D3-A e D3-B... n
D4-A e D4-B... o
D5-A e D5-B... p
D6-A e D6-B... q
Índice de figuras
Figura 1. Deformações dos elementos de madeira ...3
Figura 2. Linhas de colagem na secção transversal do elemento: a) lamelas coladas na horizontal; b)
lamelas coladas na vertical [37] ... 10
Figura 3. Orientação das lamelas [37]... 11
Figura 4. Parafuso de porca [30] ... 16
Figura 5. Parafuso de rosca [30] ... 16
Figura 6. Parafuso auto perfurante [30]... 16
Figura 7. Tipos de rotura associados a ligações com conectores mecânicos. a, b, c, d ,e, f – 1 plano de
rotura; g ,h, j, k – 2 planos de rotura [9] ... 20
Figura 8. Tipos de rotura associados a ligações aço-madeira com chapas de metal (utilizando
conectores mecânicos para fixar as chapas) [9]... 20
Figura 9. Dimensões das vigas... 23
Figura 10. Esquema de delaminação das vigas "B" e “C” (delaminações a risco espesso) ... 24
Figura 11. Esquema de delaminação das vigas "D" (delaminações a risco espesso) ... 24
Figura 12. Ilustração de vários defeitos das lamelas removidos... 25
Figura 13. Ilustração de outros defeitos removidos das lamelas ... 25
Figura 14. Máquina utilizada em fábrica na criação dos finger-joints ... 25
Figura 15. Aspeto final do elemento de madeira após a criação de uma extremidade do tipo
finger-joint ... 25
Figura 16. Aplicação de pressão nas lamelas para o fabricar as vigas ... 26
Figura 17. Ilustração da colocação de fita-cola entre lamelas (Viga D6) ... 27
Figura 18. Provetes utilizados nos ensaios de delaminação... 27
Figura 19. Obtenção dos provetes das pontas cortadas (blocos d: Provetes para ensaio de
delaminação; blocos c: provetes para ensaios de corte) ... 28
Figura 20. Equipamento para ensaios de delaminação ... 28
Figura 21. Conduta de secagem utilizada nos ensaios... 28
Figura 22. Marcação da delaminação nos provetes D1, D2 e D3 ... 29
Figura 23. Linhas de colagem no lado esquerdo do provete A1 ... 31
Figura 24. Provetes utilizados nos ensaios de delaminação... 35
Figura 25. Colocação do provete para ensaio ... 35
x
Figura 27. Ensaio de Resistência ao Corte não-válido (setas indicam os planos de corte pretendidos)
... 36
Figura 28. Esquema do Ensaio de Corte ... 36
Figura 29. Imagem e esquema de ensaio [17] ... 43
Figura 30. Esquema da posição dos defletómetros no ensaio... 44
Figura 31. Pormenor de um ponto de aplicação de carga ... 44
Figura 32. Distância entre elementos da viga ... 45
Figura 33. Aplicação da carga resistente máxima no programa Ftool ... 46
Figura 34. Distribuição elástica de tensões provocadas pelo momento fletor M... 47
Figura 35. Gráficos Força-Deslocamento das vigas de referência "A" ... 49
Figura 36. Rotura da viga A1 (vista do apoio esquerdo até zona central)... 50
Figura 37. Rotura da viga A2 (zona central)... 50
Figura 38. Cedência da viga A3 (ponto de aplicação de carga esquerdo ... 50
Figura 39. Gráficos Força-Deslocamento das vigas "B"... 51
Figura 40. Rotura da viga B1 (vista do apoio esquerdo até zona central)... 52
Figura 41. Rotura da Viga B3 (vista do apoio direito até ao centro da viga) ... 52
Figura 42. Rotura da Viga B6 (vista do apoio direito até ao centro da viga) ... 52
Figura 43. Gráficos Força-Deslocamento das vigas "C"... 54
Figura 44.Rotura da Viga C1 (vista do apoio direito até ao centro da viga) ... 54
Figura 45. Rotura da Viga C2 (vista do apoio esquerdo até proximidade do ponto de aplicação de
carga)... 55
Figura 46. Rotura da viga C3 (vista do apoio esquerdo) ... 55
Figura 47. Rotura da viga C3 (vista da proximidade do apoio esquerdo até ao ponto de aplicação da
carga, face oposta)... 55
Figura 48. Gráficos Força-Deslocamento das vigas D1, D2 e D3 ... 57
Figura 49. Gráficos Força-Deslocamento das vigas D4, D5 e D6 ... 57
Figura 50. Rotura da Viga D1 (apoio esquerdo) ... 58
Figura 51. Rotura da Viga D1 (viga pousada no laboratório após ensaio, lado esquerdo) ... 58
Figura 52. Viga D2 no momento da rotura (vista do apoio esquerdo até à zona central) ... 58
Figura 53. Viga D2 no momento após rotura (vista do apoio esquerdo até à zona central) ... 59
Figura 54. Rotura da Viga D3 (vista do apoio esquerdo até ponto de aplicação da carga do lad o
esquerdo)... 59
Figura 55. Rotura da viga D4 (vista do ponto de aplicação de carga do lado esquerdo até zona central)
... 59
Figura 56. Rotura da viga D5 (ponto de aplicação de carga esquerdo) ... 60
Figura 57. Rotura da viga D5 (secção transversal)... 60
Figura 58. Rotura da voga D6 (zona central)... 61
Figura 59. Roturas obtidas nas vigas “A”... 62
Figura 60. Roturas obtidas nas vigas “B” ... 62
Figura 61. Roturas obtidas nas vigas “C” ... 63
Figura 62. Roturas obtidas nas vigas “D”... 63
Figura 63. Diagrama de Momentos Fletores ... 64
Figura 64. Diagrama de Esforço Transverso ... 64
Figura 65. Esquema do afastamento entre parafusos (em planta) ... 66
xi
Figura 67. Posição dos contraplacados nas vigas “B” ... 68
Figura 68. Posição dos contraplacados nas vigas “C” ... 68
Figura 69. Posição dos contraplacados nas vigas “D” ... 69
Figura 70. Espaçamentos e distâncias ao topo e ao bordo da viga ... 70
Figura 71. Esquemas de reparação das vigas C1 e A1 (vista longitudinal) ... 71
Figura 72. Esquemas de reparação das vigas C1 e A1 (vista em planta)... 71
Figura 73. Utilização da guia ... 73
Figura 74. Marcação do posicionamento dos parafusos... 73
Figura 75. Pré furação da viga A3 ... 74
Figura 76. Colocação dos parafusos na viga B3... 74
Figura 77. Viga A2 completamente reforçada ... 75
Figura 78. Blocos provenientes dos cortes dos contraplacados ... 75
Figura 79. Distribuição de tensões nas vigas reparadas... 76
Figura 80. Gráficos Força-Deslocamento das vigas de referência "A" reparadas ... 77
Figura 81. Gráficos Força-Deslocamento da viga A1 antes (original) e após reparação... 77
Figura 82. Gráficos Força-Deslocamento da viga A2 antes (original) e após reparação... 78
Figura 83. Gráficos Força-Deslocamento da viga A3 antes (original) e após reparação... 78
Figura 84. Rotura da viga A1 após reparação (zona central) ... 79
Figura 85. Rotura da viga A2 (zona central)... 79
Figura 86. Rotura da viga A2 após ser retirada do ensaio (zona central)... 80
Figura 87. Rotura da viga A3 (zona entre a secção central e o ponto de aplicação de carga direito)... 80
Figura 88. Gráficos Força-Deslocamento das vigas "B" reparadas ... 81
Figura 89. Gráficos Força-Deslocamento da viga B1 antes (original) e após reparação ... 82
Figura 90. Gráficos Força-Deslocamento da viga B3 antes (original) e após reparação ... 82
Figura 91. Gráficos Força-Deslocamento da viga B6 antes (original) e após reparação ... 83
Figura 92. Rotura da viga B1 após reparação (zona entre o ponto de aplicação de carga esquerdo e a
secção centra) ... 83
Figura 93. Rotura da viga B3 após reparação (face oposta, zona central) ... 84
Figura 94. Rotura da viga B3 após reparação (zona central) ... 84
Figura 95. Rotura da viga B6 (zona entre o ponto de aplicação de carga direito e a secção central) ... 85
Figura 96. Gráficos Força-Deslocamento das vigas "C" reparadas ... 86
Figura 97. Gráficos Força-Deslocamento da viga C1 antes (original) e após reparação ... 87
Figura 98. Gráficos Força-Deslocamento da viga C2 antes (original) e após reparação ... 87
Figura 99. Gráficos Força-Deslocamento da viga C3 antes (original) e após reparação ... 88
Figura 100. Rotura da viga C1 (zona do ponto de aplicação da carga esquerdo) ... 88
Figura 101. Rotura da viga C2 (zona entre o ponto de aplicação direito e o apoio direito) ... 89
Figura 102. Rotura da viga C3 (zona entre o ponto de aplicação direito) ... 89
Figura 103. Gráficos Força-Deslocamento das vigas "D" reparadas... 90
Figura 104. Gráficos Força-Deslocamento da viga D1 antes (original) e após reparação... 91
Figura 105. Gráficos Força-Deslocamento da viga D2 antes (original) e após reparação... 91
Figura 106. Gráficos Força-Deslocamento da viga D3 antes (original) e após reparação... 92
Figura 107. Rotura da viga D1 após reparação (zona central) ... 92
Figura 108. Rotura da viga D2 após reparação (zona entre o apoio esquerdo e o ponto de aplicação
de carga esquerdo) ... 93
xiii
Índice de tabelas
Tabela 1.Valores caraterísticos das propriedades de resistência e de rigidez em N/mm
2, e de massa
volúmica em kg/m
3(para madeira lamelada colada homogénea) [3]...4
Tabela 2. Valores caraterísticos das propriedades de resistência e de rigidez em N/mm
2, e de massa
volúmica em kg/m
3(para madeira lamelada colada combinada) [3] ...5
Tabela 3. Classes de resistência da madeira – Valores caraterísticos [5] ...6
Tabela 4. Tipos de colas a se utilizar em diferentes condições climáticas [10] ...7
Tabela 5. Resistência média de rotura por corte mínima para juntas de contacto e em faia, em
N/mm² [10] ...8
Tabela 6. Requisitos mínimos de resistência à delaminação em % [10] ...8
Tabela 7. Espessura máxima (t) e área da secção transversão máxima (A) das lamelas usadas em
estruturas usadas nas classes de serviço 1, 2 e 3 [37] ... 10
Tabela 8 Valores recomendados de pressão de aperto, para madeiras resinosas [37] ... 11
Tabela 9. Valores dos coeficientes parciais γM recomendados para as propriedades e resistência dos
materiais [9] ... 18
Tabela 10. Valores de kmod para alguns materiais[9] ... 19
Tabela 11. Valores de kdef para madeira e materiais de madeira [9]... 19
Tabela 12. Mistura da cola utilizada no fabrico das vigas ("mistura F") ... 25
Tabela 13. Valores máximos para as percentagens totais de delaminação [37] ... 30
Tabela 14. Resultados obtidos no primeiro ciclo ... 32
Tabela 15. Resultados obtidos no segundo ciclo... 32
Tabela 16. Resultados obtidos no terceiro ciclo ... 33
Tabela 17. Resultados da percentagem máxima de delaminação ... 34
Tabela 18. Tensões resistentes ao corte obtidas nos ensaios ... 38
Tabela 19. Valores mínimos de percentagem de rotura pela madeira (WFP), relativa à resistência ao
corte fv. Para valores intermédios, dever-se-á utilizar interpolação linear [37] ... 39
Tabela 20. Percentagens de rotura pela madeira das superfícies de colagem e mínimas
correspondentes... 40
Tabela 21. Pesos e teor em água dos provetes... 41
Tabela 22. Caraterísticas da madeira de classe de resistência GL28 (MLC homogénea) [3]... 45
Tabela 23. Resultados obtidos nos ensaios das vigas de referência "A" ... 49
Tabela 24. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "B" ... 51
Tabela 25. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "C" ... 53
Tabela 26. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "D1 a D3" ... 56
Tabela 27. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "D4 a D6" ... 56
Tabela 28. Caraterísticas dos parafusos HBS10160 [30] ... 64
Tabela 29. Distâncias mínimas calculadas segundo o Eurocódigo 5 [9] ... 69
Tabela 30. Distâncias utilizadas na colocação de parafusos na reparação das vigas ... 70
Tabela 31. Resultados obtidos nos ensaios das vigas de referência "A" reparadas... 76
Tabela 32. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "B" reparadas ... 81
Tabela 33. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "C" reparadas... 85
Tabela 34. Resultados obtidos nos ensaios das vigas "D" reparadas ... 90
Tabela 35. Valores médios obtidos nos ensaios iniciais ... 94
xiv
Tabela 37. Valores médios obtidos nos ensaios após reparação ... 95
Tabela 38. Coeficiente de variação obtido nos ensaios após reparação ... 95
Tabela 39. Percentagens de recuperação - valores médios ... 96
1
1. INTRODUÇÃO
1.1.
Enquadramento
A madeira lamelada colada define-se por ser um material constituído por vários elementos de madeira (as lamelas) colados entre si face a face formando um material maciço e mais homogeneizado pelo facto de se removerem e redistribuírem os defeitos naturais da madeira. A sua elevada resistência mecânica e a capacidade de formar elementos mais estéticos e com maiores vãos permitiu à madeira recuperar impacto na construção, criando estruturas de madeira que eram realizadas antes recorrendo ao betão ou aço.
A criação de juntas de colagem e as ligações em cada lamela são zonas suscetíveis de desenvolver patologias interferindo com a durabilidade dos elementos de MLC. Deficiências de fabrico, associadas por exemplo à preparação das superfícies ou a utilização de colas inadequadas face às condições de serviço podem originar descontinuidades ou falhas nas zonas de colagem dos elementos. O problema mais corrente associado a essas fendas é a entrada de água na madeira resultando na progressiva degradação do elemento, sendo a influência das fendas e delaminações um aspeto que suscita grande preocupação. A delaminação de vigas de MLC pode também afetar propriedades mecânicas das vigas, reduzindo a sua capacidade de resistente e a sua rigidez.
Este trabalho envolveu uma série de ensaios realizados no Laboratório Nacional de Engenharia Civil no âmbito do estudo da influência da delaminação no comportamento de elementos de MLC, da avaliação da eficácia de técnicas de reforço e reparação de elementos delaminados. Este tema é da maior atualidade face à investigação em curso, a nível europeu, sobre os valores de segurança a utilizar no dimensionamento de estruturas de madeira e sobre os efeitos das fendas e delaminação.
O trabalho desenvolvido abordou, por um lado, a avaliação dos efeitos da delaminação em elementos retos de madeira lamelada colada na resistência mecânica desses elementos , sendo a possibilidade de reforço (preventivo) de vigas delaminadas abordada em outro trabalho. Por outro lado, atendendo à possibilidade de eventuais anomalias serem detetadas apenas após a ocorrência de rotura estrutural, pretendeu-se avaliar a possibilidade de reparação desses elementos recorrendo a um método simples, compatível com uma intervenção “in situ”, trabalho esse que se apresenta seguidamente.
1.2.
Objetivos
Esta dissertação tem como objetivo avaliar a viabilidade de uma reparação rápida e expedita (sem utilização de colagens) de vigas de MLC com delaminação, previamente levadas até à rotura por flexão. Essa reparação é baseada na utilização de parafusos auto perfurantes e de placas de contraplacado.
2
1.3.
Metodologias
Esta dissertação aborda um método experimental para a verificação da viabilidade da reparação. Foram utilizadas neste trabalho experimental 21 vigas de fabrico industrial, com 3,090m x 0,175m x 0,095m, apresentando intencionalmente diversos tipos de delaminação: i) 3 vigas sem delaminação; ii) 12 vigas com delaminação abrangendo toda a secção transversal e todas as linhas de colagem, apenas nas extremidades das vigas em dois comprimentos distintos; iii) 6 vigas com delaminação em todas as linhas de colagem e em todo o seu comprimento afetando (de forma simétrica) apenas 2/3 da largura das lamelas. As vigas foram ensaiadas à flexão, depois reparadas e ensaiadas de novo.
Foram calculados e realizados dois tipos de reparação: reparação à rotura por corte, e reparação à rotura por flexão. Os cálculos das capacidades resistentes das ligações são baseados numa análise plástica através da Teoria de Johansen, e a força atuante de corte e de tração das fibras anteriores foram calculadas através de modelos plásticos da Resistência de Materiais, utilizando como alvo uma força próxima da força média de rotura das vigas de referência.
1.1.
Organização do documento
A dissertação é constituída por seis capítulos. No primeiro capítulo é realizada a introdução da dissertação, explicando seu enquadramento, os objetivos pretendido e as metodologias utilizadas para atingir esses objetivos.
No segundo capítulo descreve-se a atualidade da construção com madeira lamelada colada, fazendo-se um breve resumo de generalidades sobre os lamelados colados e identificando o fazendo-seu processo de fabrico.
No terceiro capítulo aborda-se a reparação de vigas de MLC com delaminação. São explicadas aqui as principais anomalias dos elementos de MLC, os métodos de reparação bem como o seu dimensionamento.
As vigas utilizadas na dissertação são introduzidas no capítulo 4, descrevendo-se e seu fabrico em ambiente industrial e efetuando uma verificação da qualidade da colagem através de ensaios de delaminação de corte a provetes provenientes do fabrico das vigas.
No quinto capítulo descrevem-se os ensaios de flexão das vigas fabricadas. Em primeiro lugar é descrito o procedimento de ensaio em laboratório, seguindo-se a apresentação de resultados bem como o dimensionamento das reparações efetuadas, realizando-se no final do capítulo uma análise crítica aos resultados.
No sexto e último capítulo apresentam-se as conclusões da dissertação e são referidas novas perspetivas de desenvolviment o futuro a se realizar.
3
2. CONSTRUÇÃO COM LAMELADOS COLADOS – ESTADO-DA-ARTE
2.1.
Generalidades
A madeira desde sempre foi um elemento chave na construção. A sua utilização tem sido realizada em grande escala na construção de pontes, infraestruturas de caminhos de ferro, armazéns de pequeno porte e edificação residencial (utilização mais antiga) [ 1, 2]. Com a revolução industrial e a disseminação das estruturas em ferro a utilização de madeira começou a ser mais rara na construção, e mais tarde com a introdução do betão e do aço a madeira perdeu o seu protagonismo. Com o aparecimento de novas tecnologias criou-se um novo material – os elementos de madeira lamelada colada. Isto permitiu criar elementos de madeira com o comportamento de madeira maciça reconstituída, substituindo os defeitos da madeira por zonas de ligação (normalmente fabricadas pelo processo de “finger-joint”), funcionando este processo como homogeneização da madeira. O fabrico de elementos de MLC de grande vão veio permitir o uso da madeira de forma competitiva para a construção de novas indústrias e outras estruturas de grande vão tipicamente construídas em aço, sendo em alguns casos vantajoso utilizar os elementos de MLC devido à sua resistência ao fogo, o seu peso inferior do que os outros materiais de construção, e também devido ao seu bom comportamento em ambientes agressivos (quando comparado com o betão armado e o aço).
Relativamente à madeira maciça, as principais vantagens dos elementos de MLC são as seguintes: Possibilidade de se reduzir ou redistribuir defeitos naturais da madeira (nós, bolsas de resina,
fio inclinado, fendas);
Menores deformações devidas ao empeno por variação do teor em água nos elementos de madeira, como ilustrado na figura 1;
Concepção de elementos com grande vão e grande secção transversal e/ou formas curvas.
Figura 1. Deformações dos elementos de madeira
As desvantagens dos elementos de MLC são a criação de juntas de colagem entre lamelas que podem levar à delaminação dos elementos ao longo do tempo; e a criação dos “finger-joints” que poderão ser pontos de menor resistência do elemento. Se o efeito do defeito for menor que o do finger-joint, é preferível deixar o defeito na madeira.
A avaliação das peças a se colocarem na lamela é feita em fábrica, onde é importante ter uma viga com poucos defeitos, mas também sem excesso de finger-joints, cabendo aos fabricantes ter uma
4
boa capacidade crítica no compromisso entre estes 2 aspetos. Os “finger-joints” são a ligação mais eficiente possível entre duas réguas de madeira e usam-se para realizar as emendas entre os troços que compõem cada lamela, usando-se também quando as réguas são cortadas para remover defeitos de grandes dimensões. Apesar de serem uma desvantagem dos elementos de MLC, es ta é a opção mais fiável a se utilizar.
Os elementos de MLC podem ser homogéneos (todas as lamelas são de madeira da mesma espécie e classe de qualidade) ou lamelados combinados (lamelas provenientes de madeiras de espécies ou classes de qualidade diferentes). No segundo caso, as lamelas de menor resistência são colocadas no interior, e as lamelas de maior resistência nas faces superior e inferior da viga. Os valores de resistência e rigidez dos elementos de MLC são indicados na norma EN 1194:1999 [3], conforme apresentado nas tabelas 1 e 2.
Tabela 1.Valores caraterísticos das propriedades de resistência e de rigidez em N/mm2, e de massa volúmica em kg/m3
(para madeira lamelada colada homogénea) [3]
Classe de resistência da madeira lamelada colada GL 24h GL 28h GL 32h GL 36h
Resistência à flexão fm,g,k 24 28 32 36 Resistência à tração ft,0,g,k 16,5 19,5 22,5 26 ft,90,g,k 0,4 0,45 0,5 0,6 Resistência à compressão fc,0,g,k 24 26,5 29 31 fc,90,g,k 2,7 3,0 3,3 3,6 Resistência ao Corte fv ,g,k 2,7 3,2 3,8 4,3
Módulo de Elasticidade E0,g,mean 11600 12600 13700 14700
E0,g,05 9400 10200 11100 11900
E90,g,mean 390 420 460 490
Módulo de Torção Gg,mean 720 780 850 910
5
Tabela 2. Valores caraterísticos das propriedades de resistência e de rigidez em N/mm2, e de massa volúmica em kg/m3
(para madeira lamelada colada combinada) [3]
Classe de resistência da madeira lamelada colada GL 24c GL 28c GL 32c GL 36c
Resistência à flexão fm,g,k 24 28 32 36 Resistência à tração ft,0,g,k 14 16,5 19,5 22,5 ft,90,g,k 0,35 0,4 0,45 0,5 Resistência à compressão fc,0,g,k 21 24 26,5 29 fc,90,g,k 2,4 2,7 3,0 3,3 Resistência ao Corte fv ,g,k 2,2 2,7 3,2 3,8
Módulo de Elasticidade E0,g,mean 11600 12600 13700 14700
E0,g,05 9400 10200 11100 11900
E90,g,mean 320 390 420 460
Módulo de Torção Gg,mean 590 720 780 850
Massa volúmica ρg,k 350 380 410 430
Significando os índices o seguinte: g – propriedade de MLC; k – valor caraterístico; 0 – paralelo ao fio da madeira; 90 – perpendicular ao fio da madeira; mean – valor médio; 05 – percentil de 5%.
2.1. Materiais
2.1.1. Madeira
A madeira utiliza-se na construção civil pelo facto de ser um material natural, bastante leve e fácil de trabalhar e ligar, possuindo uma boa resistência. A madeira também é caraterizada por ser um material higroscópico, isto é, absorve ou liberta água para o meio ambiente e as suas caraterísticas mecânicas variam consoante o teor em água presente na madeira; fortemente anisotrópico por ter propriedades mecânicas distintas em direções distintas: Longitudinal – paralela ao fio da madeira, e perpendicular ao fio da madeira; e por ser susceptível a degradação por ataque de agentes biológicos.
O tipo de madeira mais utilizado na produção de elementos de MLC é de espécies Resinosas. Isto deve-se ao facto de as madeiras resinosas serem mais abundantes e mais baratas, e também por serem mais fáceis de trabalhar e colar do que a generalidade das folhosas. As espécies com maior disponibilidade na europa são o Espruce (Picea abies L.), a Casquinha (Pinus sylvestris L.), a Pseudotsuga (Pseudotsuga Menziesii Mirb.) e o Pinho (Pinus pinaster Ait.).
6
A madeira para estruturas pode ser classificada por métodos visuais ou mecânicos conforme a norma EN 14081:2005 [4]. A classificação visual procura limitar o número e o tamanho dos defeitos nos elementos, enquanto a classificação mecânica avalia o módulo de elasticidade do elemento, com base no qual se estima a sua tensão de rotura, com base em correlações existentes ent re estas duas propriedades. Esta classificação tem como finalidade obter lotes de madeira com propriedades mecânicas conhecidas.
Através da classificação visual ou mecânica a madeira para estruturas é selecionada em classes de qualidade. As classes de resistência estabelecidas na norma EN 338:2009 [5] e os seus respetivos valores de resistência estão expostos na tabela 3.
Tabela 3. Classes de resistência da madeira – Valores caraterísticos [5]
A norma EN 1912 [6] permite atribuir a cada classe de resistência da EN 338 [5] grupos de espécies/classes de qualidade definidas por normas de classificação visual.
2.1.2. Colas
As colas têm uma importância muito significativa na produção dos elementos de MLC, na medida em que a qualidade de colagem entre lamelas afeta a classe de resistência e durabilidade dos elementos. No início da produção dos elementos de MLC as colas utilizadas no fabrico de elementos lamelados colados eram de 2 tipos: colas de utilização em interiores ou secas (cola de caseína), e colas de utilização em exteriores ou locais húmidos (normalmente colas com base de Fenol -Resorcinol, base de -Resorcinol, ou base de Melamina) [7]. Este segundo grupo de colas tornou-se ao
C14 C16 C18 C20 C22 C24 C27 C30 C35 C40 C45 C50 D18 D24 D30 D35 D40 D50 D60 D70 Flexão ƒm,k 14 16 18 20 22 24 27 30 35 40 45 50 18 24 30 35 40 50 60 70 Tensão paralela ƒt,0,k 8 10 11 12 13 14 16 18 21 24 27 30 11 14 18 21 24 30 36 42 Tensão perpendicular ƒt,90,k 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 Compressão paralela ƒc,0,k 16 17 18 19 20 21 22 23 25 26 27 29 18 21 23 25 26 29 32 34 Compressão perpendicular ƒc,90,k 2,0 2,2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,1 3,2 7,5 7,8 8,0 8,1 8,3 9,3 10,5 13,5 Corte ƒv ,k 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3,4 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,5 5,0 E0,mean 7 8 9 9,5 10 11 12 12 13 14 15 16 9,5 10 11 12 13 14 17 20 E0,05 4,7 5,4 6,0 6,4 6,7 7,4 7,7 8,0 8,7 9,4 10,0 10,7 8,0 8,5 9,2 10,1 10,9 11,8 14,3 16,8 E90,mean0,23 0,27 0,30 0,32 0,33 0,37 0,38 0,40 0,43 0,47 0,50 0,53 0,63 0,67 0,73 0,80 0,86 0,93 1,13 1,33
Módulo de torsão Gmean 0,44 0,50 0,56 0,59 0,63 0,69 0,72 0,75 0,81 0,88 0,94 1,00 0,59 0,62 0,69 0,75 0,81 0,88 1,06 1,25
Densidade ρk 290 310 320 330 340 350 370 380 400 420 440 460 475 485 530 540 550 620 700 900
Densidade média ρmean 350 370 370 390 410 420 450 460 480 500 520 550 570 580 640 650 660 750 840 1080
Módulo de elasticidade paralelo - quantil 5% Módulo de elasticidade perpendicular - médio
Densidade (em kg/m3)
Espécie Resinosa Espécie Folhosa
Resistência (em N/mm2)
Rigidez (em kN/mm2)
Módulo de elasticidade paralelo - média
7
longo do tempo o mais utilizado, sendo no presente o tipo de cola mais requisitado para a produção de elementos de lamelado colado [8].
As seguintes colas estruturais são as mais utilizadas na produção dos elementos lamelados colados: [8]:
Resorcinol Fenol-Formaldeído (RFF); Resorcinol Formaldeído (RF);
Melamina Formaldeído (MF);
Melamina Ureia-Formaldeído / Melamina Ureia Resorcinol Formaldeído (MUF)/(MURF); Conforme descrito no Eurocódigo 5 [9], as colas estruturais são classificadas consoante as condições de utilização da estrutura. Devem ser utilizadas colas do tipo I (temperatura e/ou humidade relativa elevada) ou do tipo II (em condições menos exigentes). O tipo de cola a se utilizar é decidido conforme as condições descritas na norma EN 301:1992 [10],apresentadas na tabela 4.
Tabela 4. Tipos de colas a se utilizar em diferentes condições climáticas [10] Tipo de
Cola
Temperatura Equivalente às condições climáticas:
Exemplos Classes de serviço equivalentes na EN
1995-1-1: I >50 °C Não especificado Exposição prolongada a altas
temperaturas 1, 2, 3
I ≤ 50 °C >85% r.h. a 20°C Exposição total ao clima 1, 2, 3 II ≤ 50 °C ≤85% r.h. a 20°C Construção aquecida e ventilada.
Exterior protegido do clima. Pequenos períodos de exposição ao clima
1, 2
Conforme presente na tabela 4 o Eurocódigo 5 [9] considera três classes de serviço a serem atribuídas às estruturas, em função do ambiente a que são expostas. Estas classes definem os coeficientes que afetam as caraterísticas da madeira. As classes de serviço indicadas no Eurocódigo 5 [9] são as seguintes:
Classe de serviço 1 é caraterizada por os materiais terem um valor de teor em água correspondente a uma temperatura de 20°C e humidade relativa do ar envolvente ultrapassando os 65% em algumas semanas por ano;
Classe de serviço 2 é caraterizada por os materiais terem um valor de teor em água correspondente a uma temperatura de 20°C e humidade relativa do ar envolvente ultrapassando os 85% em algumas semanas por ano;
Classe de serviço 3 é caraterizada por condições climáticas que resultem em valores de teor em água mais altos do que os da classe de serviço 2.
8
O fabrico de colas estruturais é controlado pelos seguintes métodos de ensaio descritos nas normas EN 302 partes 1 a 4 [11-14]:
Resistência ao corte – EN 302-1 [11]; Resistência à delaminação – EN 302-2 [12];
Determinação do efeito da degradação ácida nas fibras da madeira – EN 302-3 [13]; Determinação do efeito da retração da madeira – EN 302-4 [14].
Os resultados destes ensaios são depois comparados com os requisitos mínimos descritos na norma EN 301:1992 [10] para cada tipo de cola (I e II). Para os ensaios principais, de corte e de delaminação, esses requisitos são os seguintes:
1) Os valores obtidos nos ensaios de corte conforme a norma EN 302-1 [11] não devem ser menores que os valores da tabela 5;
Tabela 5. Resistência média de rotura por corte mínima para juntas de contacto e em faia, em N/mm² [10]
Tratamento Resistência ao corte mínima em N/mm2
Junta de 0,1 mm Junta de 1,0 mm
Tipo I Tipo II Tipo I Tipo II
A1 10,0 10,0 8,0 8,0
A2 6,0 6,0 4,0 4,0
A3 8,0 8,0 6,4 6,4
A4 6,0 Não Requerido 4,0 Não Requerido
A5 8,0 Não Requerido 6,4 Não Requerido
2) Os valores de delaminação obtidos nos ensaios descritos na norma EN 302-2 [12] não devem ultrapassar os valores da tabela 6;
Tabela 6. Requisitos mínimos de resistência à delaminação em % [10]
Tipo de tratamento Tipo de cola Delaminação máxima em cada provete (%)
Tratamento de alta temperatura I 5,0 Tratamento de baixa temperatura II 10,0
Os ensaios segundo a norma EN 302-1 [11] e EN 302-2 [12] são também usados para o controlo de fabrico da madeira lamelada colada.
9
2.2.
Processo de fabrico industrial
2.1.3. Descrição
Os elementos de MLC são obtidos através da colagem de lamelas de madeira, mantendo entre elas a mesma orientação das fibras, com o objetivo de criar um elemento resistente e que possa tomar o formato desejado.
O fabrico dos elementos de MLC é regulado pelas normas EN 14080 [15] e EN 386 [37]. A norma EN 14080 [15] apresenta os requisitos de fabrico dos elementos de MLC para estruturas e enquadra a sua marcação CE (de acordo com a Diretiva 93/68/EC).
De acordo com a norma EN 14080:2005 [15] os requisitos de desempenho dos elementos de MLC devem cumprir os valores da norma EN 386 [37]. A norma também refere os ensaios necessários para determinar as caraterísticas dos elementos, a que serão incluídas numa das classes de resistência de MLC indicadas na norma EN 1194:1999 [3]. A classificação de “finger-joits” de grande dimensão deve ser realizada de acordo com a norma EN 387:2001 [16], sendo a resistência destes elementos tomada como a sua resistência à flexão em ensaios de acordo com a norma EN 408:2004 [17]. Também é descrito que deve ser executado um controlo interno contínuo na produção destes elementos através de inspecções, testes dos materiais no processo de fabrico dos elementos de MLC e dos produtos acabados, utilizando os resultados desses testes para se controlar o equipamento.
2.1.4. Requisitos de desempenho e produção
Os requisitos de desempenho e produção dos elementos de MLC são descritos na norma EN 386 [37]. O objetivo destes requisitos é assegurar uma ligação duradoura de confiança entre lamelas, de modo a que os elementos de MLC mantenham a sua resistência e integridade durante o tempo de vida da estrutura. Esta norma refere para a produção dos elementos de MLC os seguintes requisitos: o pessoal deve ter a capacidade de produção e classificação dos elementos; a produção dos elementos deve ser executada com uma temperatura maior que 15°C; durante a produção, a humidade relativa do ar deve situar-se entre 40%-75% (durante a cura, 30% é aceitável); e quando a cola e o endurecedor são misturados manualmente deve existir uma divisão para a preparação da mistura com área de limpeza do equipamento utilizado na produção das colas.
Relativamente à madeira, a norma EN 386:2001 [37] refere que o teor em água em cada lamela utilizada deve estar entre os 8% e os 15% em madeira não tratada, não devendo o teor em água nas diferentes lamelas variar mais que 4%; para madeira tratada o teor em agua deve estar entre 11% e 18%, sendo a variação de teor em água entre lamelas limitada também a 4%.
A norma EN 386:2001 [37] aplica-se a elementos de MLC em que as posições das linhas de colagem na secção transversal estejam de acordo com a figura 2.
10
a) b)
Figura 2. Linhas de colagem na secção transversal do elemento: a) lamelas coladas na horizontal; b) lamelas coladas na vertical [37]
De acordo com a EN 386:2001 [37] a máxima espessura para as lamelas é de 45mm, no entanto, existem dois parâmetros que podem reduzir esse valor: a classe de serviço, e a curvatura da peça. A tabela 7 indica a espessura máxima das lamelas de acordo com a sua classe de serviço descrita no Eurocódigo 5 [9].
Tabela 7. Espessura máxima (t) e área da secção transversão máxima (A) das lamelas usadas em estruturas usadas nas classes de serviço 1, 2 e 3 [37]
Espécie da madeira:
Classe de serviço 1 Classe de serviço 2 Classe de serviço 3
t A t A t A
mm mm2 mm mm2 mm mm2
Resinosa 45 12000 45 12000 35 10000
Folhosa 40 7500 40 7500 35 6000
Relativamente à curvatura dos elementos de MLC, o valor máximo da espessura das lamelas é calculado tendo em conta do raio de curvatura da peça através da equação (1).
t ≤ r
250× (1 + fm,dc,k
80 ) (1)
Onde:
t – espessura máxima da lamela, em mm;
r – raio de curvatura do elemento de lamelados colados, em mm;
fm,dc,k – valor declarado de resistência caraterística à flexão da madeira, em N/mm2.
De acordo com a norma, as lamelas devem todas ter a mesma orientação excepto no caso de elementos de MLC de classe de serviço 3 em que as lamelas nos extremos deverão ter a medula ou a parte mais central do cerne virada para o exterior da viga, conforme ilustrado na figura 3.
11
a) Orientação Geral b) Orientação para estruturas usadas na classe de serviço 3
Figura 3. Orientação das lamelas [37]
Relativamente ao aperto das lamelas durante a cura da cola, a pressão a aplicar deve ser uniforme ao longo das linhas de colagem, com os valores indicados nas fichas técnicas das colas utilizadas. Os valores recomendados encontram-se na tabela 8. Para elementos em curva deve dar-se uma pressão de aperto mais elevada, permitindo que as lamelas deslizem umas sobre as outras na direção das fibras, mas garantindo o ajustamento entre lamelas nas linhas de colagem.
Tabela 8 Valores recomendados de pressão de aperto, para madeiras resinosas [37]
Espessura das lamelas t, em mm t ≤ 35 35 < t ≤ 45
Pressão, em N/mm2 0,6 0,8 com ranhuras
1,0 sem ranhuras Segundo a norma EN 386:2001 [37] a cura deve ser realizada de acordo com as instruções da ficha técnica da cola utilizada. Grande parte da cura deve ser realizada num local com temperatura mínima de 20°C, para madeira com temperatura inicial superior a 18°C, e temperatura superior a 25°C para madeira com temperatura inicial de 15°C, controlando a humidade relativa do ar que não deve ser menor que 30%. O intervalo de tempo entre o aperto inicial das lamelas e o início da cura (aumento de temperatura da madeira) não deverá ultrapassar 8 horas. Até a cura estar completa os elementos de MLC não suportar cargas nem serem expostos a temperaturas inferiores a 15°C.
Relativamente aos requisitos de desempenho a norma EN 386:2001 [37] refere que as ligações finger-joints devem ser testadas de acordo com o ensaio de flexão descrito na norma EN 385:2001 [18], cujos resultados devem cumprir pelo menos uma das seguintes condições: a) nas últimas 100 ligações testadas os valores de resistência à flexão fm de cada ligação devem relacionar-se com o
valor caraterístico fm,dc,k do modo a que no máximo 5 valores fiquem abaixo desse valor e nenhum dos
resultados fique abaixo de 90% do valor caraterístico; b) o valor caraterístico de resistência à flexão das 15 últimas ligações “finger-joint” fm,15,k é maior ou igual do que o valor caraterístico da resistência
12
Para a verificação da integridade das linhas de colagem de faces entre lamelas deverão ser realizados e documentados os ensaios de delaminação e de rotura por corte conforme descrito nas normas EN 391:2001 [39] e EN 392:1995 [40] respetivamente. Os ensaios e requisitos destas normas serão descritos mais à frente, no capítulo 4.
13
3. REPARAÇÃO DE VIGAS DE LAMELADOS COLADOS –
ESTADO-DA-ARTE
3.1.
Anomalias em elementos de MLC com implicações na
resistência mecânica
As estruturas constituídas por elementos de madeira, são susceptíveis à ocorrência de patologias devido à natureza da madeira e a sua variabilidade de caraterísticas entres várias espécies e numa mesma espécie. Problemas como mau projeto das estruturas (cargas ou classe de serviço da estrutura), deficiente fabrico dos elementos (má aplicação das colas, cola de fraca qualidade, madeira com defeitos excessivos) ou falta de manutenção (falta de inspecção, intervenções inadequadas) originam patologias com consequências na resistência mecânica e durabilidade dos elementos estruturais.
As patologias das estruturas de madeira que afetam a resistência mecânica mais ocorrentes são as seguintes:
Delaminação – esta patologia é definida por fendas que penetram o elemento de MLC seguindo geralmente as linhas de colagem na direção longitudinal do elemento, iniciando-se nas extremidades dos elementos. Causada geralmente pela colagem inadequada das lamelas dos elementos e exposição a mudança cíclica de humidade do ar (provocando alterações de volume da madeira);
Fendas: de secagem – definem-se por acompanhar normalmente a direção das fibras. Estas fendas são causadas pela secagem da madeira no seu fabrico; mecânicas – estas fendas definem-se por se iniciarem em zonas com defeitos e seguirem uma direção irregular. São causadas pela aplicação de cargas excessivas nos elementos, sendo as zonas dos apoios mais susceptíveis à formação destas fendas devido à combinação dos esforços transversais e de flexão originando tracções com um ângulo α relativamente à direção das fibras podendo exceder a resistência de tração projectada [19], [20]. O efeito na resistência mecânica da estrutura desta patologia é aumentado com o comprimento da fenda, e dependendo da sua localização vertical nos elementos pode aumentar ou diminuir [21];
Perdas de secção transversal – é retirada uma parte da madeira dos elementos estruturais por esta se encontrar deteriorada, evitando também a transmissão dessa deterioração para outros elementos. Estas perdas de secção são causadas por ataques de insectos ou fungos de podridão a madeira exposta ao ambiente (mudança do t eor em água da madeira).
Estas patologias provocam alterações no comportamento da estrutura criando tensões menos uniformes nos elementos que afetam. Este facto leva à necessidade de se intervir nos elementos da estrutura através de duas opões: substituição dos elementos e reparação/reforço da estrutura.
A remoção e substituição de estruturas de madeira por betão ou aço é uma solução com custos elevados e elevado tempo de execução, tal como a substituição dos elementos de madeira afetados por outros elementos de madeira. Este facto leva a que a reparação e reforço das estruturas de
14
madeira se torne numa solução importante, obtendo-se a recuperação da resistência mecânica das estruturas e prolongando o tempo de vida útil das estruturas [22].
A reparação e reforço das estruturas de madeira in-situ tem sido uma solução cada vez mais investigada pela engenharia civil, descobrindo e aplicando-se mais e novos materiais com a evolução da tecnologia, com o objetivo de tornar esta solução mais rápida e eficaz reduzindo os custos da sua execução e materiais necessários, protegendo a segurança estrutural e decorativa não removendo os elementos deteriorados.
3.2.
Métodos de reparação/reforço in-situ de vigas de MLC com
delaminação
A principal patologia a ser estudada (estudo da sua reparação) nesta dissertação é a delaminação dos elementos de MLC, especificamente delaminação junto aos topos da viga, devido ao facto de ser bastante corrente nas estruturas de madeira em serviço e ter impactos significativos na resistência e durabilidade dos elementos de MLC. Os efeitos da delaminação em vigas de MLC variam conforme a sua posição: delaminação nos topos da viga cria pontos de entrada de humidade levando a alterações do teor em água na madeira resultando a variações das tensões na viga; delaminação assimétrica na secção transversal provoca maiores deformações na viga devido à distribuição de tenções não uniforme ao longo da secção transversal.
A reparação e reforço in-situ dos elementos de MLC afetados por este tipo de patologia têm sido alvo de grande investigação, sempre com objetivo de se criarem técnicas mais rápidas e expeditas de execução, e mais baratas utilizando vários tipos de materiais e combinações de métodos. São utilizados geralmente três tipos de matérias: colas, conectores mecânicos, e painéis. Estes três materiais podem ser usados singularmente ou combinados, obtendo-se em cada caso vantagens e desvantagens da sua utilização, bem como resultados únicos para cada combinação. Adicionalm ente também têm sido recentemente estudados os efeitos de faixas (wraps) em vigas de madeira, podendo-se desenvolver o seu uso na reparação e reforço de vigas.
3.2.1. Colas
O uso de colas em prol da reparação e reforço de vigas de MLC tem um grande potencial devido à sua capacidade de distribuir as forças aplicadas pelas zonas de colagem criando distribuições de tensões mais uniformes sem a necessidade de reduzir a secção transversal (não é necessário furação como conectores mecânicos) [23]. As colas têm como finalidade unir as partes elementos estruturais através da sua injeção em fendas ou delaminações, sendo portanto importante a viscosidade e rigidez da cola para preencher as zonas (fissuras ou fendas) onde é injetada.
15
A aplicação de colas em vigas de MLC permite uma reparação pouco intrusiva de rápida execução. A sua eficácia e durabilidade dependem de vários fatores na sua execução: preparação da superfície, aplicação da cola e tempo de cura; e devido a esse facto a ex ecução da reparação ou reforço com colas deve ser executado por operadores especializados e certificados segundo um Programa de
Garantia de Qualidade de modo a garantir uma boa resistência e durabilidade do elemento reparado
ou reforçado [23].
Os tipos de colas mais utilizados são a cola epoxídica, a cola acrílica e a resina epoxídica. Em termos de reparação de vigas, a cola epoxídica é o tipo de cola que obtém melhores resultados para a recuperação de resistência e rigidez das vigas [24], sendo por este motivo o tipo de cola mais utilizada em reparações e investigações. Contudo, a reparação de vigas aplicando apenas cola não é a melhor opção, obtendo-se resultados bastante mais desejáveis de resistência à flexão das vigas utilizando as colas combinadas com conectores mecânicos [25, 26]. A utilização de colas resulta na recuperação de rigidez das vigas pelo facto de conseguir penetrar em pequenas fissuras, sendo portanto o seu rendimento importante quando combinadas com conectores mecânicos, sendo esta combinação de materiais uma solução muito investigada e desenvolvida pela tecnologia.
3.2.2. Conectores mecânicos
Os conectores mecânicos são uma solução que nos últimos anos tem sido muito desenvolvida e utilizada na reparação e reforço de vigas de MLC, sendo também o método mais fácil de quantificar a recuperação pretendida. Esta solução é usada principalmente para a reparação e reforço das vigas a esforços de flexão bem como fixar novos elementos nas vigas.
Os conectores mecânicos dividem-se em vários tipos: pregos, agrafos, cavilhas, e parafusos. Os conectores mecânicos do tipo pregos são utilizados no reforço de vigas com chapas metálicas mas a sua utilização nos últimos anos perdeu impacto para outros conectores, nomeadamente os parafusos, por estes apresentarem melhor recuperação da resistência mecânica da viga.
Os agrafos, assim como os pregos, também perderam impacto na sua utilização pelo facto de os parafusos e as cavilhas serem mais fáceis de se colocarem nas estruturas (reparação in-situ).
As cavilhas são um tipo de conector mecânico em que se tem desenvolvido vários estudos por ser um tipo de conector que permite uma execução rápida, uma intervenção pouco intrusiva no aspeto original das vigas reparadas [27], e que obtém resultados satisfatórios. Este tipo de conector mecânico, contudo, não é desejável aplicado singularmente sendo aplicado em conjunto com colas para aderir e transmitir esforços da viga. A cola normalmente utilizada em combinação com este tipo de conector é a cola epoxídica e o material das cavilhas é geralmente o aço, realizando-se estudos e ensaios nos últimos anos testando cavilhas constituídas por fibras de vidro (Glass fiber-reinforced polymers – GFRP) [26] ou carbono (Carbon fiber-reinforced polymers – CFRP) com o objetivo de baixar o custo das cavilhas aplicadas.
16
Os parafusos são o conector metálico mais utilizado e desenvolvido na reparação e reforço em vigas de madeira com delaminação (e fendas). Isto deve-se à facilidade de execução da reparação e reforço com este tipo de conector metálico (in-situ), bons resultados em ensaios de flexão, e a capacidade de se puder utilizar este conector sem qualquer tipo de combinação e obter uma recuperação de resistência à flexão e rigidez significativas em vigas delaminadas. Analogamente às cavilhas, muitos dos estudos desenvolvidos sobre os parafusos nos últimos anos focaram -se em testar novos tipos de materiais, nomeadamente as fibras de carbono e as fibras de vidro. Vários testes demonstraram que com estes novos materiais é possível obter boa recuperação da resistência à flexão das vigas delaminadas ou com outro tipo de patologias [28], mas esses resultados destes novos materiais são inferiores quando comparados com aço [29]. Os parafusos utilizados na reparação e reforço de vigas delaminadas dividem-se principalmente em três grupos: parafusos de porca, parafusos de rosca e parafusos auto perfurantes, conforme ilustrados nas figuras 4, 5 e 6 respetivamente.
Figura 4. Parafuso de porca [30] Figura 5. Parafuso de rosca [30]
Figura 6. Parafuso auto perfurante [30]
Os parafusos auto perfurantes são entre os vários tipos de parafusos os mais utilizados na reparação e reforço de vigas de MLC delaminadas. Comparativamente aos outros tipos de parafusos, os parafusos auto perfurantes possibilitam uma execução in-situ mais rápida, são mais facilmente colocados na madeira, e a resistência mecânica, rigidez e ductilidade das vigas reparadas ou reforçadas com os parafusos auto perfurantes são mais elevadas do que utilizando os outros tipos de parafusos, sendo a desvantagem dos parafusos auto perfurantes o seu preço (mais caro que os parafusos de porca e de rosca) [31]. Conforme se pode verificar pela figura 6, os parafusos auto perfurantes possuem uma parte lisa que permite o deslizamento entre lamelas da madeira, evitando a criação de picos de tensões que resultam numa maior resistência à flexão.
A resistência mecânica recuperada nas vigas delaminadas utilizando parafusos de rosca ou auto perfurantes aumenta significativamente com a utilização de anilhas. A utilização de anilha s permite uma maior distribuição da força de aperto do parafuso na madeira, prevenindo a rotura das vigas por rotação dos parafusos e por fendas perpendiculares ao eixo longitudinal da madeira (splitting) no que resulta uma melhoria significativa da resistência ao corte da viga.
17
3.2.3. Painéis
A utilização de painéis em prol da reparação e reforço de vigas constituídas por MLC é uma solução que visa principalmente a recuperação da resistência à flexão das vigas e a transferência de cargas entre partes da viga. A utilização de painéis é uma solução que permite reparar vigas em que as fendas verticais são de grande dimensão não sendo aconselhado utilizar colas ou onde os parafusos precisam de ser inseridos nas vigas com um ângulo específico não-vertical resultado em uma reparação mais lenta e difícil de se executar. Contudo, a execução deste tipo de solução não depende unicamente dos painéis, sendo necessário aplicar uma cola ou conectores mecânicos para fixar os painéis nas vigas.
Os painéis são colocados nas zonas de maiores tensões de tração das vigas ou nas zonas de fendas verticais (eu vigas deterioradas). A colocação dos painéis in-situ nestas zonas das vigas pode ser problemática se estas zonas não forem facilmente acessíveis ou não estiverem expostas, sendo necessário recorrer a estruturas temporárias tornando-se esta uma operação pouco prática e demorosa [32].
Os painéis utilizados na reparação e reforço das vigas de MLC delaminadas são constituídos principalmente por três materiais: Chapas de metal (aço), placas de madeira e placas de matérias compósitos (GFRP ou CFRP). As chapas de metal conferem uma boa recuperação de resistência mecânica das vigas com espessuras muito pequenas (1mm a 3mm) sendo colocadas normalmente com o apoio de parafusos. No entanto as chapas têm a desvantagem de serem mais caras e pesadas comparativamente a outros painéis, e a sua colocação resulta numa intervenção com um aspeto muito intrusivo. As placas de madeira, comparativamente às chapas de metal, permitem uma boa recuperação de resistência mecânica das vigas a custo de uma maior espessura e comprimento (no eixo da viga). Podem ser fixadas nas vigas através de parafusos ou colas, e permitem uma intervenção rápida e pouco intrusiva nas vigas. As placas de materiais compósitos têm sid o um assunto recente de investigação e utilização na construção em madeira. A aplicação deste tipo de painéis permite recuperar a resistência mecânica das vigas sem as preocupações ambientais e provenientes da produção do aço bem como da remoção de madeira da natureza sendo também um material relativamente leve e económico. Contudo, analogamente às chapas de metal, a utilização de compósitos também tem a desvantagem de resultar numa intervenção algo intrusiva nas vigas. Os painéis de compósitos, tal como as placas de madeira, podem ser fixadas nas vigas através de parafusos ou recorrendo ao uso de colas.
3.3.
Métodos de dimensionamento de soluções de
reparação/reforço de vigas de MLC com delaminação
A reparação ou reforço de vigas de MLC é realizada conforme um dimensionamento formal com o objetivo de recuperar a resistência mecânica das vigas bem como a sua rigidez de modo a evitar deformações excessivas nas vigas.
18
O dimensionamento da reparação ou reforço de vigas é dimensionado em projeto conforme as regras descritas no Eurocódigo 5 [9]. Outras abordagens do cálculo de reparação também têm sido objeto de estudo e desenvolvimento de modo a criar novos protocolos com cálculos (determinação da resistência das vigas e de fatores que a afetam) mais simples e empíricos de projeto da reparação/reforço de vigas deterioradas [33, 34]. Estas abordagens, contudo, são apenas de cariz teórico, aplicando-se na prática a reparação ou reforço calculada e dimensionada através do Eurocódigo 5 [9].
Como referido no capítulo 2 mudanças do teor em água da madeira resulta na modificação das suas propriedades mecânicas. Este efeito no Eurocódigo 5 [9] é quantificado através da atribuição de classe de serviço à estrutura, tendo em conta as condições climatéricas a que a estrutura é exposta na sua vida útil, criando-se fatores de modificação que se aplicam nos cálculos de projeto [35]. Os valores de projeto de uma determinada propriedade mecânica da madeira Xd e a capacidade
resistente Rd calculam-se de acordo com o Eurocódigo 5 [9] através das seguintes expressões:
Xd = kmod× Xk γM (2) Rd= kmod×Rk γM (3) Em que:
Xk – valor caraterístico de uma determinada propriedade mecânica;
Rk – valor caraterístico da capacidade resistente da viga;
γM – coeficiente parcial de segurança relativo ao material;
kmod – fator de modificação tendo em conta a duração das cargas aplicadas e o teor em água.
O Eurocódigo 5 [9] recomenda os valores dos coeficientes parciais de segurança relativos ao material conforme a tabela 9, sendo que este cálculo também pode ser efetuado com os valores nos anexos nacionais de cada país. Os fatores de modificação definidos no Eurocódigo 5 [9] segundo as classes de serviço e as acções aplicadas nas estruturas encontram-me na tabela 10.
Tabela 9. Valores dos coeficientes parciais γM recomendados para as propriedades e resistência dos materiais [9]
Combinações fundamentais:
Madeira maciça 1,3
Madeira lamelada colada 1,25
LVL, Contraplacado, OSB 1,2
Conecções 1,3
Chapas de metal introduzidas com parafusos 1,25
