Comportamento a Temperaturas Elevadas da Ligação
Laminado de CFRP/Resina/Betão
Rodrigo Cordeniz Ferreira
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores:
Prof. Doutor Fernando José Forte Garrido Branco
Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio
Júri
Presidente: Prof. Doutor José Joaquim Costa Branco de Oliveira Pedro
Orientador: Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio
Vogal: Doutor João Pedro Lage da Costa Firmo
Comportamento a Temperaturas Elevadas da Ligação
Laminado de CFRP/Resina/Betão
Rodrigo Cordeniz Ferreira
Dissertação elaborada no âmbito do Projeto CARBOFIRE- FRP
- Behaviour at Elevated Temperatures Connection CFRP laminate /
Adhesive / Concrete
i
Resumo
O comportamento dos sistemas de reforço com FRP (materiais poliméricos reforçados com fibras) a temperaturas elevadas constitui uma das principais desvantagens da sua aplicação. Quando a temperatura atinge o valor que caracteriza o fenómeno de transição vítrea da resina de colagem (resina) e/ou de impregnação (dependendo do tipo de sistema), que se situa entre os 60-82ºC e 100-140ºC respetivamente, verifica-se a passagem de um estado vítreo para um estado viscoso. A degradação das suas propriedades mecânicas são assinaláveis para temperaturas moderadamente elevadas, colocando a segurança estrutural em risco. Neste contexto, foram realizados ensaios de corte longitudinal com laminados CFRP colados com resina epóxida no betão, pela técnica EBR –
externally bonded reinforcement.
O presente trabalho teve por objetivo analisar e simular a evolução do comportamento mecânico de ligações realizadas por intermédio de uma resina epóxido comercial com a influência, em simultâneo, da temperatura e estado de tensão aplicado.
Na presente dissertação são apresentados resultados experimentais e desenvolvidos modelos analíticos (com base em informação bibliográfica) e numéricos (através do software comercial ABAQUS).
Foram realizados numa primeira fase ensaios de corte longitudinal à temperatura ambiente para estimar a carga de rotura dos provetes. Numa segunda fase realizaram-se ensaios ao corte com percentagens da carga de rotura (25%, 50% e 75%), constantes ao longo do tempo de ensaio, e submetidos a uma taxa de aquecimento de 5ºC/min.
Entre outras conclusões, observou-se que a resistência da ligação decresce, para uma mesma temperatura, com o aumento do estado de tensão aplicado.
Palavras-chave:
Colagem estrutural, laminado de CFRP, ensaio de corte longitudinal, temperaturas elevadas, modelo analítico, modelo numérico.iii
Abstract
The behaviour of systems reinforced with FRP (polymeric materials reinforced with fibers) at high temperatures is one of the main disadvantages for its application. When the temperature reaches the value that characterizes the phenomenon of glass transition of bonding resin (adhesive) and / or impregnation (depending on the type of system), which lies between 60-82ºC and 100-140ºC respectively, it appears the transition from a glass state to a viscous state. At mildly high temperatures, structural safety is at risk due to the mechanical properties degradation. In this context, tests were performed to double-lap shear tests of laminate CFRP bonded with epoxy resin in concrete. The bond technique used was the EBR (externally bonded reinforcement).
This work purpose was to perform a simulation using commercial epoxy resin to study the mechanical connections behaviour changes due to temperature and tension applied simultaneously.
In this work results obtained from the experiment, analytical models (based on bibliographic information) and numeric simulation (via the commercial software ABAQUS) are presented.
Initially the failure load of specimens with double-lap shear tests was found at room temperature. A second step was performed to double-lap shear tests with failure load of percentages (25%, 50% and 75%), constant over time assay and subjected to a heating rate of 5°C/min.
Among other findings, it was observed that the bond strength decrease for a same temperature, with increasing the applied load state.
Keywords:
Structural bonding, CFRP laminate, double shear tests, elevated temperature, analytical model, numerical model.iv
“A persistência é o menor caminho do êxito”
v
Dedicatória:
Ao meu avô José Machado Cordeniz (in memoriam), que esteve, está e estará sempre no meu coração. Com todos os seus ensinamentos e exemplos contruibui para me dar alento e motivação para terminar a dissertação.
vi
Agradecimentos
Esta dissertação constitui o produto final de sacríficio, dedicação e empenho. A realização da presente dissertação apenas foi possível devido à resinaboração de várias individualidades em diversas etapas do trabalho, às quais presto expresso o meu profundo agradecimento.
Em primeiro lugar, à minha mãe, Manuela Cordeniz, por toda a ajuda, por todo o seu esforço, dedicação e cooperação para que este objetivo e trabalho tenham sido possíveis e que nos momentos mais difíceis sempre me motivou e esteve sempre ao meu lado, tendo sido fundamental para a minha formação pessoal e profissional. Também à minha irmã e aos meus avós que nunca deixaram de me apoiar e motivar para que conseguisse cumprir este objetivo, e ao resto da minha família que esteve sempre comigo e sempre me apoiou.
À Fundação para a Ciência e Tecnologia o apoio a este trabalho de investigação através do financiamento do projeto PTDC/ECM/118271/2010, CarboFire - Proteção ao Fogo de Elementos Estruturais de Betão Armado Reforçados com Sistemas Compósitos de CFRP, sem o qual não seria possível a realização deste trabalho de investigação.
De forma especial aos meus coordenadores, Professor Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio, orientador científico desta dissertação, no âmbito do projeto Carbofire (em execução no IST), e Professor Doutor Fernando José Forte Garrido Branco,co-orientador da dissertação, que com as suas orientações, motivações, críticas construtivas e todo o apoio prestado, apesar da distância física que nos separou ao longo do desenvolvimento da dissertação.
Ao Doutor João Pedro Firmo por todo o apoio prestado na orientação e resinaboração laboratorial, acompanhamento e pelo companheirismo ao longo de todo o desenvolvimento da dissertação. Ao engenheiro Diogo Pitta pela cooperação laboratorial e companheirismo no decorrer da dissertação.
O apoio prestado pelo pessoal técnico do LERM, ao Fernando Alves e Fernando Costa. À empresa Unibetão, o fornecimento do betão pronto.
À empresa S&P Clever Reinforcement Ibérica, o fornecimento dos materiais de reforço.
A todos os meus amigos, em especial o Marco Seabra, Gonçalo André, Ricardo Lourenço, André Nogueira, Daniel Silva, Ricardo Nogueira, Filipa Chaves e à Joana Martins pela amizade, companheirismo e apoio transmitidos ao longo dos últimos anos.
viii
Índice geral
Resumo……….…i Abstract………...iii Agradecimentos……….vi Índice geral………viiiÍndice de figuras ... xii
Índice de tabelas ... xvi
Simbologia ... xvii 1 Introdução ... 1 1.1 Enquadramento geral ... 1 1.2 Objetivos e metodologia ... 2 1.3 Organização da dissertação ... 3 2 Estado de arte ... 5
2.1 Utilização de FRP no reforço de estruturas de betão armado ... 5
2.2 Características gerais dos polímeros reforçados com fibras (FRP)... 5
2.2.1 Fibras ... 6
2.2.2 Matriz polimérica... 6
2.3 Reforço por colagem de compósitos CFRP ... 7
2.3.1 CFRP como material estrutural ... 7
2.3.2 Propriedades dos compósitos CFRP ... 7
2.3.3 Sistemas de reforço com compósitos de CFRP ... 8
2.3.4 Vantagens e desvantagens de compósito de CFRP... 9
2.3.5 Metodologia de aplicação de sistemas CFRP ... 9
2.4 Aderência betão - CFRP (ligação entre o compósito, o resina e o betão) ... 10
2.4.1 Aderência da ligação ... 10
2.4.2 Influência da resina na ligação ... 11
2.5 Importância da temperatura ... 12
2.5.1 Influência da temperatura no laminado de CFRP ... 13
2.5.2 Influência da temperatura no betão ... 15
ix
2.5.4 Necessidade de proteção térmica ... 17
2.6 Estudo do comportamento da ligação entre FRP - resina - betão ... 18
2.6.1 Ensaios de corte ... 18
2.6.2 Ensaios ao corte à temperatura ambiente ... 19
2.7 Parâmetros importantes na modelação de uma ligação colada ... 22
2.7.1 Modelo coesivo ... 22
2.7.2 Rigidez da interface resina-betão ... 24
2.7.3 Tensão de corte máxima ... 24
2.7.4 Energia de fratura ... 25
2.7.5 Ensaios a temperatura elevada ... 25
3 Estudo experimental do comportamento a temperaturas elevadas de ligações CFRP-resina-betão ... 30
3.1 Programa experimental ... 30
3.2 Esquema de ensaio utilizado ... 31
3.3 Definição e caracterização dos materiais ... 33
3.3.1 Betão ... 33
3.3.2 Aço em varão ... 33
3.3.3 Laminados de CFRP ... 34
3.3.4 Resina ... 35
3.4 Preparação dos provetes ... 36
3.4.1 Betão ... 37
3.4.2 Laminado de CFRP ... 38
3.4.3 Resina ... 39
3.5 Instrumentação ... 41
3.5.1 Colocação dos termopares ... 41
3.5.2 Colocação dos extensómetros ... 42
3.6 Realização dos ensaios ... 43
3.6.1 Máquinas de ensaio universais ... 43
3.6.2 Forno ... 43
3.6.3 Aparelho de registo de dados ... 43
3.7 Ensaio ao corte longitudinal à temperatura ambiente ... 44
x
3.7.2 Modos de rotura... 45
3.8 Ensaio ao corte longitudinal a temperaturas elevadas ... 46
3.8.1 Resultados dos ensaios a temperaturas elevadas... 48
3.8.2 Modos de rotura... 48
3.8.3 Curvas temperatura–deslocamento da máquina de ensaio ... 50
3.8.4 Evolução da temperatura na resina epóxída ... 53
4 Simulação analítica e numérica dos ensaios ao corte longitudinal realizados ... 55
4.1 Descrição dos materiais ... 55
4.1.1 Betão ... 55
4.1.2 Laminado de CFRP ... 56
4.2 Modelo bond-slip ... 58
4.3 Modelação numérica de ensaios de corte longitudinal ... 60
4.3.1 Descrição do modelo base ... 61
4.3.2 Modelação dos ensaios à temperatura ambiente ... 63
4.3.3 Calibração do modelo em estudo a temperaturas elevadas ... 68
4.3.4 Estimativa do traçado bond-slip na ligação colada a temperaturas elevadas ... 68
4.3.5 Análise dos traçados obtidos para a relação bond-slip ... 73
4.4 Modelação numérica dos ensaios de corte a temperaturas elevadas ... 73
4.4.1 Modelação da superfície de contato entre o betão e o laminado de CFRP ... 73
4.4.2 Distribuição das tensões de corte entre o betão e o laminado de CFRP - Comparação do modelo analítico com o modelo ... 76
4.4.3 Comparação das extensões no modelo analítico,numérico e resultados experimentais a temperaturas elevadas ... 77
5 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros ... 86
5.1 Conclusões do trabalho realizado ... 86
5.2 Perspectivas de desenvolvimento futuros ... 89
ANEXOS ... 99
Anexo A– Ensaio de caracterização do betão utilizado nos provetes ... 100
Anexo B– Valores característicos do aço A400 NR ... 102
Anexo C– Estimativa do módulo de elasticidade do laminado de CFRP à temperatura ambiente .... 103
Anexo D– Evolução da temperatura no forno ... 105
xi Anexo F– Gráficos comparativos de extensões. Ensaios experimentais e modelos desenvolvidos .. 109
xii
Índice de figuras
FIGURA 1 - Classificação das fibras segundo o JCI [20]. ... 6
FIGURA 2 - Comportamento à tração de fibras e metais segundo o ACI [5]. ... 6
FIGURA 3 - Fios de CFRP (Juvandes [8]). ... 8
FIGURA 4 - Sistema de mantas flexíveis (juvandes [1]). ... 8
FIGURA 5 - Diferentes interfaces para a rotura por perda de aderência [29]. ... 11
FIGURA 6 - Determinação da temperatura de transição vítrea de acordo com a norma ASTM E1640-99 [39]. ... 13
FIGURA 7 - Influência da temperatura na resistência à tracção das fibras de vidro, carbono e aramida [39]. ... 14
FIGURA 8 - Influência da temperatura na resistência à tracção das fibras de vidro, carbono e aramida (adaptado de [30]). ... 14
FIGURA 9 - Variação da resistência à tracção residual de um laminado CFRP unidireccional (adaptado de [13]). 15 FIGURA 10 - Influência da temperatura no módulo de elasticidade do betão [39]. ... 16
FIGURA 11 – Influência da temperatura na resistência à tracção da resina epóxida, retirado de [39] ( à esquerda); influência da temperatura no módulo de elasticidade da resina epóxida, retirado de [39] (à direita). ... 17
FIGURA 12 - Proteção adicional ao fogo por revestimento direto dos laminados de CFRP com placas de gesso referido em [1]. ... 18
FIGURA 13 - Modos de rotura observados em ensaios de corte (Pham & Al-Mahaidi) [54]. ... 19
FIGURA 14 - Tensão de corte no estagio i em que assume-se que a interface de colagem tem um comportamento elástico linear (Oller et al. [55])... 20
FIGURA 15 - Tensões de corte no estágio ii, caracterizado pelo desenvolvimento de micro-fendas na interface de colagem (Oller et al. [55]). ... 20
FIGURA 16 - Tipica função teórica da relação aderência-escorregamento numa junta colada (adaptado de Oller et al. [55]). ... 21
FIGURA 17 - Simplificação da função de aderência-escorregamento segundo uma função bilinear (adaptado de Oller et al. [55]). ... 21
FIGURA 18 - Uma camada de resina com espessura inicial t, tensão coesiva (σ,τ) com deslocamento relativo conjugado (w,ѵ) e leis coesivas, tração pura (modo i) e corte puro (modo ii), ilustrados com a respetiva deformação [65]. ... 23
FIGURA 19 - Traçado aderência-escorregamento previsto com aumento da temperatura no modelo (adaptado de Dai et al. [70]). ... 26
FIGURA 20 - Traçado aderência-escorregamento previsto através de alguns ensaios, com aumento da temperatura (adaptado de Leone et al. [71]). ... 26
FIGURA 21 - Esquema de ensaio à temperatura ambiente. ... 31
xiii FIGURA 23 - Esquema de ensaio ao corte longitudinal dos provetes (à esquerda). secção transversal do provete
(à direita). ... 32
FIGURA 24 – Aspecto geral do rolo de laminados de CFRP da S&P utilizado (à esquerda). aspecto individual de laminado de CFRP utilizado (à direita). ... 34
FIGURA 25 - Localização dos extensómetros ɛ1 e ɛ2 no provete. ... 35
FIGURA 26 - Componente A (à esquerda) e componente B (à direita). ... 36
FIGURA 27 - Moldes metálicos com armaduras colocadas (à esquerda). moldes metálicos betonados (à direita). ... 37
FIGURA 28 - Bloco de betão após preparação de superfície. ... 38
FIGURA 29 - Delimitação da zona colada com fita adesiva. ... 39
FIGURA 30 - Zona de colagem global numa das faces do provete. ... 39
FIGURA 31 - Recipiente com resina epóxida, luvas e pesos utilizados. ... 40
FIGURA 32 - Espátula e chapa metálica de molde utilizada. ... 40
FIGURA 33 - Superficie com excesso de resina. ... 40
FIGURA 34 - Aspecto final do reforço após remoção da resina em excesso. ... 40
FIGURA 35 - Preparação do posicionamento dos termopares. ... 41
FIGURA 36 - Termopar na posição final. ... 41
FIGURA 37 - Planta com a posição dos extensómetros colados no laminado de CFRP. ... 42
FIGURA 38 - Pormenor da posição dos extensómetros ɛ2 ao ɛ10 colados no laminado de CFRP e localização dos transdutores de deslocamentos. ... 42
FIGURA 39 - Relação força-deslocamento para os três ensaios ao corte realizados à temperatura ambiente. .... 44
FIGURA 40 - Rotura por arrancamento do betão. ... 46
FIGURA 41 - Rotura pela interface laminado de CFRP-resina epóxido-betão. ... 46
FIGURA 42 - Sistema de ancoragem aplicado no provete na metade não instrumentada (à esquerda). lã mineral aplicada na metade do provete não instrumentada (à direita). (as fotografias expostas foram obtidas após realização do ensaio). ... 47
FIGURA 43 - Provete tipo instrumentado e posicionado para o início do ensaio. ... 47
FIGURA 44, 45, 46 e 49 - Rotura na resina. ... 49
FIGURA 47 e 48- Rotura mista. ... 49
FIGURA 50 - Diagrama temperatura-deslocamento para os provetes as 25% carga... 51
FIGURA 51 - Diagrama temperatura-deslocamento para os provetes as 50% carga... 51
FIGURA 52 - Diagrama temperatura-deslocamento para os provetes as 75% carga... 51
FIGURA 63 - Evolução de temperaturas no zona de colagem. ... 54
FIGURA 64 - Evolução de temperaturas na zona de colagem. ... 54
FIGURA 65 - Evolução de temperatura na zona de colagem. ... 54
FIGURA 66 - Evolução do módulo de elasticidade do laminado de CFRP com a temperatura. ... 56
FIGURA 67 - Esquema do modelo em 2D para os provetes submetidos aos ensaios de corte longitudinal. ... 61
xiv
FIGURA 69 - Modelo 3D tipo utilizado no programa ABAQUS. ... 62
FIGURA 70 - Malha de elementos finitos dos provetes perpectiva 3D. ... 62
FIGURA 71 - Elemento sólido 3D-8 nós. ... 63
FIGURA 72 - Da esquerda para a direita: mapas da tensão de corte na camada supericifal do betão a 25%, 50%, 75% e 100% da carga. ... 64
FIGURA 73 - Da esquerda para a direita: mapas da tensão de corte no betão a 25%, 50%, 75% e 100% do carregamento. ... 65
FIGURA 74 - Da esquerda para a direita: mapas das tensões normais na camada superficial do betão a 25%. 50%. 75% e 100% a carga. ... 66
FIGURA 75- Extensões obtidas ao longo do laminado cfrp para 25% e 50% da carga, à temperatura ambiente. 67 FIGURA 76- Extensões obidas ao longo do laminado cfrp para 75% e 100% da carga, à temperatura ambiente. 67 FIGURA 77 - Variação da energia de fratura com a temperatura. ... 68
FIGURA 78 - Variação do índice de forma com a temperatura. ... 68
FIGURA 79 - Gráficos com os valores para 25% da carga. ... 70
FIGURA 80 - Gráficos com os valores para 50% da carga. ... 71
FIGURA 81 - Gráficos com os valores para 75% da carga. ... 72
FIGURA 82 - Da esquerda para a direita: mapas da tensão de corte na resina a 45ºc. 55ºc. 61ºc e 73ºc. para 25% da carga. ... 74
FIGURA 83 - Da esquerda para a direita: mapas da tensão de corte na resina a 45ºc. 55ºc. 61ºc e 65ºc, para 50% da carga. ... 75
FIGURA 84 - Da esquerda para a direita: mapas da tensão de corte na resina a 40ºc, 45ºc, 55ºc e 57ºc para 75% da carga. ... 76
FIGURA 85 - Tensões de corte na interface do modelo analítico (à esquerda) e do modelo numérico (à direita) para 25% da carga. ... 76
FIGURA 86 - Tensões de corte na interface do modelo analítico (à esquerda) e do modelo numérico (à direita) para 50% da carga. ... 77
FIGURA 87 - Tensões de corte na interface do modelo analítico (à esquerda) e do modelo numérico (à direita) para 75% da carga. ... 77
FIGURA 88 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 24.2ºc e 30ºc. ... 78
FIGURA 89 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 50ºc e 55ºc. ... 78
FIGURA 90 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 75ºc. extensões obtidas experimentalmente e no modelo analítico a 80ºc. ... 79
FIGURA 91 - Extensões obtidas experimentalmente para as temperaturas de 100ºc e 116ºc. ... 79
FIGURA 92 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 24.2ºc e 40ºc. ... 80
xv FIGURA 93 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 55ºc
e 59ºc. ... 80
FIGURA 94 - Extensões obtidas experimentalmente, modelo analitico e numérico para as temperaturas de 65ºc. extensões obtidas experimentalmente e no modelo analítico a 70ºc. ... 81
FIGURA 95 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 24.2ºc e 45ºc. ... 81
FIGURA 96 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 50ºc e 55ºc. ... 82
FIGURA 97 - Extensões obtidas experimentalmente e no modelo analitico para as temperaturas de 59ºc e 61ºc. ... 82
FIGURA 98 - Deslocamento da máquina a 25% da carga (resultados experimentais e modelo numérico). ... 83
FIGURA 99 - Deslocamento da máquina a 50% da carga (resultados experimentais e modelo numérico). ... 83
FIGURA 100 - Deslocamento da máquina a 75% da carga (resultados experimentais e modelo numérico). ... 83
FIGURA 101 - Deslocamentos lidos nos transdutores de deslocamentos no transdutor inferior (à esquerda) e no transdutor superior (à direita) do laminado de CFRP para 25% da carga.. ... 84
FIGURA 102 - Deslocamentos lidos nos transdutores de deslocamentos no transdutor inferior (à esquerda) e no transdutor superior (à direita) do laminado de CFRP para 50% da carga.. ... 84
FIGURA 103 - Deslocamentos lidos nos transdutores de deslocamentos no transdutor inferior (à esquerda) e no transdutor superior (à direita) do laminado de CFRP para 75% da carga.. ... 85
FIGURA 104 - Leitura do extensómetro na zona não colada do 1ºprovete. ... 103
FIGURA 105 - Leitura do extensómetro na zona não colada do 2ºprovete. ... 103
FIGURA 106 - Leitura do extensómetro na zona não colada do 3ºprovete. ... 103
FIGURA 107, 108 e 109 - Evolução de temperaturas - 200ºc. ... 105
FIGURA 110 - Evolução de temperaturas no zona de colagem para 25% da carga. ... 107
FIGURA 111 - Evolução de temperaturas na zona de colagem para 50% da carga. ... 107
FIGURA 112 - Evolução de temperatura na zona de colagem para 75% da carga. ... 108
FIGURA 113 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 40ºc e 45ºc. ... 109
FIGURA 114 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 59ºc e 65ºc. ... 109
FIGURA 115 - Extensões obtidas experimentalmente e no modelo analitico para a temperatura de extensões obtidas experimentalmente para 90ºc... 110
FIGURA 116 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 40ºc e 45ºc. ... 110
FIGURA 117 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 59ºc e 65ºc. ... 111
FIGURA 118 - Extensões obtidas experimentalmente. no modelo analitico e numérico para as temperaturas de 40ºc e 45ºc. ... 111
xvi
Índice de tabelas
TABELA 1 - Propriedades de resinas utilizadas em materiais compósitos [23]. ... 7
TABELA 2 - Propriedades fisicas e mecânicas dos resinas epóxidas [33]. ... 11
TABELA 3 - Resumo dos parâmetros das relações bilineares propostos pelos referidos autores. ... 22
TABELA 4 – Valores médios caracteristicos do betão aos 28 dias. ... 33
TABELA 5 - Propriedades mecânicas dos laminados de CFRP à temperatura ambiente de acordo com a empresa fornecedora [73]. ... 34
TABELA 6 - Resumo das propriedades em tração dos provetes de resina segundo Firmo [39]. ... 36
TABELA 7- Resultados dos ensaios de corte à temperatura ambiente. ... 45
TABELA 8 - Esquema dos ensaios realizados e número de provetes utilizados. ... 48
TABELA 9 - Resultados obtidos na iminência da rotura para 25% carga. ... 52
TABELA 10 - Resultados obtidos na iminência da rotura para 50% carga. ... 52
TABELA 11 - Resultados obtidos na iminência da rotura para 75% carga. ... 53
TABELA 12 - Síntese dos parâmetros utilizados para betão no programa ABAQUS. ... 55
TABELA 13 - Parâmetros utilizados para o laminado de CFRP à temperatura ambiente... 56
TABELA 14 - Temperaturas de transição vítrea obtidas pelas diferentes curvas e para cada taxa de aquecimento [39]. ... 57
TABELA 15 – Propriedades consideradas para cada material... 58
TABELA 16 - Parâmetros estimados para o ensaio ao corte longitudinal à temperatura ambiente. ... 58
TABELA 17 - Parâmetros de cálculo à temperatura ambiente. ... 59
TABELA 18 - Força máxima de rotura. ... 60
TABELA 19 - Dados referentes à estimativa da simetria das cargas nos provetes. ... 60
TABELA 20 - Valores obtidos para o 25% da carga. ... 70
TABELA 21 - Valores obtidos para o 50% da carga. ... 71
TABELA 22 - Valores obtidos para o 75% da carga. ... 72
TABELA23 - Resultados dos ensaios de resistência à compressão aos 28 dias em cubos. ... 100
TABELA 24 - Resultados dos ensaios de resistência à tração aos 28 dias por compressão diametral. ... 101
TABELA 25 - Propriedades mecânicas do aço e respetiva legenda... 102
TABELA 26 - Estimativa do módulo de elasticidade do laminado de CFRP através dos ensaios experimentais. . 104
xvii
Simbologia
Notações romanas
Símbolo
𝐴
Descrição
Máxima extensão atingida no laminado de FRP
𝐴𝑓 Área de laminado
𝑏𝑐 Largura da secção de betão
𝑏𝑓 Largura do laminado
𝐵 Índice de fragilidade 𝐸′ Módulo de armazenamento 𝐸′′ Módulo de perda
𝐸𝑐 Módulo de elasticidade secante do betão 𝐸𝑓 Módulo de elasticidade do laminado 𝐸𝑠 Módulo de elasticidade das armaduras 𝐸𝑡 Módulo de elasticidade à tracção da resina
𝐹 Força aplicada nos provetes através da máquina de ensaio 𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 Resistência característica do betão à compressão em cilindros 𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Resistência característica do betão à compressão em cubos
𝑓𝑐𝑚,28𝑑𝑖𝑎𝑠 Resistência característica do betão à compressão em cubos aos 28 dias 𝑓𝑐𝑚,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Resistência média do betão à compressão em cubos
𝑓𝑐𝑡 Resistência à tracção do betão à compressão diametral 𝑓𝑐𝑡𝑚2,8 𝑑𝑖𝑎𝑠 Resistência média do betão à tracção aos 28 dias 𝑓𝑠 Tensão de tração nas armaduras
𝐹𝑡𝑢 Força de rotura à tração da resina
𝑓𝑦𝑑 Tensão de cedência de cálculo das armaduras 𝑓𝑦𝑘 Tensão de cedência característica das armaduras 𝑓𝑦𝑚 Tensão de cedência média das armaduras 𝐺𝑎 Módulo de distorção da resina
xviii
𝐺𝐹 Energia de fratura
𝐺𝐹𝐼 Energia de fratura em modo de tração 𝐺𝐹𝐼𝐼 Energia de fratura em modo de corte 𝐾𝑎 Rigidez elástica da resina
𝐾𝑐 Rigidez elástica do betão 𝐾𝑛 Rigidez elástica de tração 𝐾𝑠 Rigidez elástica de corte
𝐿 Comprimento de colagem do laminado de FRP
𝑃 Carga aplicada no laminado de CFRP em modo de tração 𝑃𝑢𝑇 Carga última aplicada à ligação
𝑡 Tempo em segundos
𝑇1 Temperatura lida no termopar colocado na resina de colagem sem proteção térmica 𝑇2 Temperatura lida no termopar colocado no forno
𝑡𝑎 Espessura da resina
𝑡𝑓 Espessura do laminado
𝑇𝑔 Temperatura de transição vítrea
𝑇𝑔,𝑎 Temperatura de transição vítrea da resina de colagem 𝑇𝑔,𝑝 Temperatura de transição vítrea do laminado de FRP 𝑡𝑟𝑒𝑓 Espessura do betão influente na tensão de corte 𝑊 Deformação em tração da camada de resina ѵ Deformação em corte da camada de resina
Notações gregas
Símbolo
Descrição
𝛼 Relação da rigidez entre o laminado de FRP e o betão 𝛼𝑐 Coeficiente de expansão térmica do laminado do betão 𝛼𝑓 Coeficiente de expansão térmica do laminado de CFRP
xix 𝐵𝑤 Parâmetro que relaciona o efeito da largura do reforço sobre a camada de betão 𝛿0 Escorregamento inicial
𝛿𝑓 Escorregamento final
𝜀 Extensão no laminado
𝜀𝑡𝑢 Extensão de rotura à tração da resina 𝜀𝑓𝑢 Extensão última de cálculo do laminado 𝜎𝑓𝑢 Tensão última de cálculo do laminado 𝜎𝑡𝑢 Tensão de rotura à tração da resina
𝜎𝑦𝑦 Tensão normal ao plano de colagem na direção Y 𝜏𝑧𝑥 Tensão de corte no plano ZX
𝜏𝑚á𝑥 Tensão máxima de corte
Ѵ Coeficiente de poisson
∆𝑇 Variação da temperatura
Siglas
Símbolo
Descrição
ACI American Concrete Institute
AFRP Polímero reforçado com fibras de aramida ( do termo inglês aramid fibre reinforced
polymer)
ASTM American Society for Testing and Materials
CFRP Polímero reforçado com fibras de carbono ( do termo inglês carbon fibre reinforced
polymer)
CZM Cohesive zone models
DMA Análise mecânica dinâmica ( do termo inglês Dynamic mechanical analysis)
DSC Calometria diferencial de varrimento ( do termo inglês differential scanning
calorimetry)
EBR Externally bonded reinforcement
EC2 Eurocódigo 2
Fib Fédération Internacionale du béton
FRP Polímero reforçado com fibras ( do termo inglês fibre reinforced polymer)
xx
polymer)
HM Rigidez elevada ( do termo inglês high modulos) HS Rigidez elevada ( do termo inglês high strength) ISO International Standards Organization
IST Instituto Superior Técnico JSCE Japan Society of Civil Engineers
LERM Laboratório de Estruturas e Resistência de materiais LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil
NSM Near surfasse mounted
1
1
Introdução
1.1
Enquadramento geral
Ao longo da história da construção civil, observou-se uma evolução na inovação dos materiais e técnicas de construção de estruturas. A introdução de novos materiais tais como o aço (séculos XVIII e XIX) e principalmente do betão armado a partir da primeira metade do século XX, foi essencial para os maiores avanços da engenharia estrutural.
Com o decorrer do tempo, os materiais tradicionais, sejam metálicos ou de betão, revelaram apresentar problemas de deterioração através de manifestações patológicas. Como consequência, os custos de manutenção e reparação das estruturas construídas tem vindo a aumentar e a integridade e durabilidade das mesmas tem vindo a ser posta em causa. Deste modo, surge a necessidade de desenvolver materiais com melhores características em termos de desempenho mecânico e durabilidade, bem como técnicas de reforço cuja aplicação seja rápida e simples, com pouca interferência arquitectónica e com recurso a pequenas quantidades de reforço [1].
De entre esses novos materiais, constam os polímeros reforçados com fibras (do termo inglês “Fiber
Reinforced Polymer” – FRP). Apresentam-se como um dos materiais mais promissores na área de
recuperação e reforço estrutural, desenvolvidos ao longo do século XX com o objetivo de colmatar as lacunas verificadas na utilização dos materiais tradicionais. Para tal contribui o facto de serem materiais leves, com uma elevada relação rigidez/peso, imunes a fenómenos de corrosão, de fácil e rápida aplicação e com pouca interferência arquitectónica [2].
As técnicas de reforço com FRP têm sido propostas desde meados dos anos 80, pelo que a sua utilização no reforço de estruturas de betão tem aumentado consideravelmente desde os primeiros trabalhos de reforço estrutural [1]. Até aquela data, estes materiais eram utilizados com grande sucesso na indústria naval, aeroespacial e do automóvel. O crescimento na indústria da construção civil deve-se muito à competitividade da relação custo/benefício e ao desenvolvimento gradual de regulamentação normalizada (ver [1] e [3]).
Os materiais compósitos de FRP são constituídos, essencialmente, por fibras de carbono, vidro ou aramida embebidas numa matriz polimérica, em geral de poliéster, vinil éster ou de epóxido. Destas várias composições, as fibras de carbono embebidas em resina epóxida, produto denominado de polímero reforçado com fibras de carbono (do termo inglês, “Carbon Fiber Reinforced Polymers” - CFRP) são os que apresentam melhores características às situações de reforço na construção civil. Tal deve-se, em parte, ao elevado módulo de elasticidade e tensão de rotura bem como a um bom comportamento aos agentes ambientais [1].
2
A técnica de aplicação de CFRP no reforço e na recuperação estrutural é efetuada, correntemente, com o recurso à colagem exterior (EBR – externally bonded reinforcement) através de uma resina normalmente de composição epoxídica, que funciona como o resina do sistema [4].
Apesar de todas as vantagens evidenciadas, alguns aspetos específicos do seu comportamento impedem que sejam uma alternativa incontestável às técnicas e materiais tradicionais. O CFRP apresenta uma relação constitutiva linear até à rotura e deste modo tem uma rotura frágil [1] e [5]. Os mecanismos de rotura prematura são diversos, impedindo a exploração total da sua capacidade resistente. A durabilidade destas aplicações é um dos aspetos que mais carece de investigação, em especial o efeito das elevadas temperaturas no sistema CFRP, especialmente quando se utilizam resinas epóxidos (ver [6], [7] e [8]).
Quando a temperatura atinge o valor que caracteriza o fenómeno de transição vítrea do material (segundo o ACI [9], define-se como o ponto médio da temperatura para o qual um material transita de um estado amorfo para um estado plástico), estas resinas epóxidas degradam-se drasticamente para temperaturas relativamente baixas (tipicamente entre 60ºC–82ºC, de acordo com o ACI [10]). Alguns autores [11] mencionam que o fenómeno de transição situa-se entre os 50ºC-150ºC, o que, em situação de incêndio, é atingido em pouco segundos. Este fenómeno traduz-se numa degradação das propriedades mecânicas do material e consequente redução da resistência do sistema de reforço, pondo em risco a segurança estrutural.
O desenvolvimento de novos estudos é fundamental, a fim de se produzirem recomendações de projeto, principalmente no que respeita à resistência estrutural sob efeito de temperaturas elevadas, nomeadamente a acção do fogo. A existência de dados sobre a eficiência da colagem dos sistemas laminados CFRP em estruturas de betão armado, submetidas a variação de tensão e temperaturas, é reduzida mas necessária para qualificar a segurança da estrutura reforçada. Esta susceptibilidade dos sistemas CFRP constitui uma das principais causas pelo qual estes sistemas não apresentam maior expressão no reforço de estruturas de edifícios.
1.2
Objetivos e metodologia
O estudo descrito na presente dissertação teve por objetivo analisar o comportamento da ligação entre o reforço com laminado de CFRP, o resina epóxido e o elemento de betão, submetida a esforços de corte longitudinal e a um aumento de temperatura com taxa de aquecimento pré-definida, tendo-se considerado diferentes estados de tensão.
Conforme referido anteriormente, o efeito das elevadas temperaturas tem sido frequentemente negligenciado no comportamento das resinas. Este tema carece de investigações conclusivas e metodologias que permitam melhorar o seu desempenho. Vários autores investigaram a resposta ao fogo de estruturas de betão armado reforçadas com sistemas compósitos colados externamente. No
3 entanto, os parâmetros intervenientes nos mecanismos que ocorrem na zona de colagem não são conclusivos e suficientemente claros para o estabelecimento de uma lei de comportamento e de critérios de resistências da aderência para a interface de ligação. Deste modo, é indispensável a realização de ensaios experimentais de aderência, para se entender melhor os parâmetros intervenientes no mecanismo de transferência de esforços entre os materiais envolvidos no reforço. No âmbito da presente dissertação, foi efetuada uma abordagem experimental, numa primeira fase, ao longo da qual se realizou um número significativo de ensaios em laboratório. A evolução dos deslocamentos relativos, das extensões no laminado de CFRP, da temperatura na superfície da ligação e dos modos de rotura são alguns dos parâmetros estudados, com vista à melhor percepção do comportamtento da ligação.
Numa segunda fase, recorreu-se à utilização de um modelo analítico existente na bibliografia, em paralelo com um modelo numérico, para auxiliar a análise dos resultados obtidos experimentalmente e estimar o comportamento da ligação ao longo do tempo, através de uma relação aderência – escorregamento relativo que simula o comportamento da ligação colada.
Os modelos referidos foram precedidos de um estudo bibliográfico, em que se analisaram as características dos FRP’s, resina epóxido, ensaios ao corte e formulações desenvolvidas por alguns autores, nomeadamente, Dai et al. [12] para a estimativa do comportamento da ligação através de parâmetros tais como: energia de fratura, rigidez e tensão de pico, determinantes para a compreensão e interpretação dos resultados obtidos nos ensaios realizados no âmbito da presente dissertação.
1.3
Organização da dissertação
A dissertação está organizada em seis capítulos. No presente capítulo faz-se o enquadramento do tema abordado, apresentam-se os objetivos do trabalho realizado e indica-se a metodologia utilizada para alcançar esses objetivos.
No segundo capítulo são apresentadas as principais características dos FRP’s, em geral, e dos CFRPs, em particular, descrevendo de uma forma sucinta a evolução histórica, as propriedades dos materiais constituintes, as formas estruturais, as principais propriedades físicas e mecânicas, as vantagens e desvantagens e a metodologia de aplicação. Neste capítulo é ainda abordada a aderência da ligação FRP–resina-betão, a influência da temperatura nos materiais intervenientes na ligação e o estudo do comportamento da ligação em ensaios ao corte longitudinal a temperatura ambiente e a temperaturas elevadas.
4
O terceiro capítulo refere-se ao estudo experimental realizado no âmbito deste trabalho, onde se descreve a preparação dos provetes, a sua instrumentação, os ensaios realizados, os modos de rotura observados, os resultados obtidos e a sua discussão.
O quarto capítulo aborda os parâmetros constitutivos da ligação e a respetiva calibração. Foram desenvolvidos modelos analíticos e numéricos que pretendem simular, de uma forma aproximada, os resultados experimentais evidenciados nos ensaios. Foram estimados parâmetros que simulam o comportamento da ligação para diferentes níveis de carregamento sob efeito de uma taxa de aquecimento.
No quinto capítulo apresentam-se as conclusões decorrentes do estudo experimental, analítico e numérico, bem como aspetos passíveis de serem melhorados e abordados em estudos futuros e que permitirão aprofundar o conhecimento sobre o comportamento deste tipo de ligações CFRP–resina-betão, sob o efeito da temperatura.
5
2
Estado de arte
2.1
Utilização de FRP no reforço de estruturas de betão armado
O FRP é um compósito que, por definição, resulta da combinação de dois ou mais materiais, formando um novo que tira partido das melhores propriedades de cada um (Bisby et al. referido em [1] e [13]). Este princípio não é novo na história da humanidade, pois cedo o homem aprendeu a juntar diferentes materiais entre si, recorrendo a outros para concretizar a ligação (propriedade adesiva) como por exemplo a argila, o barro, as resinas vegetais, a clara do ovo e muitos outros. Os egípcios, por exemplo, utilizavam a palha misturada à argila para a fabricação de tijolos com o objetivo de melhorar o seu desempenho estrutural [14].
O conceito de materiais compósitos existe há vários séculos, mas a incorporação de fibras de reforço numa matriz polimérica é uma tecnologia relativamente recente, que só se tornou possível com o desenvolvimento da indústria dos plásticos a partir do início do século XX [15].
A aplicação destes materiais com funções estruturais iniciou-se na indústria militar, aeroespacial e automobilística desde os anos 40. A sua aplicação na engenharia civil é relativamente recente, por volta dos anos 80 [10]. Para tal, contribui a competitividade da relação custo/benefício face a outros materiais para além das suas propriedades características nos reforço estrutural que são: elevada resistência à tração e à fadiga, imunidade à corrosão, o baixo peso específico e a facilidade de aplicação (ver [11] e [16]).
2.2
Características gerais dos polímeros reforçados com fibras
(FRP)
De acordo com Juvandes et al. [1], os compósitos FRP resultam, sobretudo, da conjugação de fibras orgânicas ou inorgânicas, com a resina da matriz polimérica e com cargas de enchimento designadas por “fillers”. Como constituintes adicionais, constam os aditivos, agentes catalisadores ou os aceleradores. O comportamento do FRP depende do tipo, da disposição das fibras principais e da interação entre os materiais constituintes. Os fatores intervenientes tais como a orientação, o comprimento, a forma, a composição das fibras, as propriedades mecânicas da resina da matriz, assim como a adesão ou ligação entre as fibras e a matriz definem o comportamento do reforço FRP. Segundo Callister [17] e Garcez [18], o módulo de elasticidade do material compósito é obtido pela soma dos módulos de elasticidade da matriz e da fibra multiplicados pelas respetivas percentagens em volume de cada material. Segundo Garcez [18], o FRP é tipicamente composto por 30% de matriz e 70% de fibras.
6
2.2.1 Fibras
As fibras são o elemento estrutural que confere ao compósito as suas características mecânicas: rigidez e resistência. Estas características variam em função do tipo, tamanho, concentração e disposição das fibras na matriz.
Conforme referido no ponto 1.1, as fibras mais correntes nos FRP para aplicação em engenharia civil são de vidro, de carbono e de aramida, sendo os respectivos compósitos denominados internacionalmente, respetivamente, por GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer), CFRP (Carbon
Fiber Reinforced Polymer) e AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymer) [19]. Nas Figuras 1 e 2,
pode-se obpode-servar, respetivamente, a classificação destas três fibras com a nomenclatura associada a elevada resistência ou elevado módulo de elasticidade bem como o gráfico com o valor característico das tensões-deformação em estado de tensão tracionado.
Figura 1 - Classificação das fibras segundo o JCI [20].
Figura 2 - Comportamento à tração de fibras e
metais segundo o ACI [5].
Segundo Burgoyne [21] as fibras de carbono possuem elevada potencialidade devido às seguintes razões: maior resistência à tração que conduz a um maior acréscimo na resistência, maior módulo de elasticidade que é vantajoso para o aumento de rigidez de elemento, conseguindo proporcionar as duas características em simultâneo.
2.2.2 Matriz polimérica
A matriz é a segunda componente dos materiais compósitos de FRP, sendo constituída essencialmente por resina, à qual podem ser adicionados os materiais de enchimento e os aditivos. Tem como função garantir que as fibras funcionem em conjunto, protegendo-as das agressões
7 ambientais, dos danos mecânicos e dos fenómenos de instabilidade. As propriedades da matriz influenciam a resistência ao corte interlaminar e no plano do FRP e a escolha da matriz influencia diretamente o fabrico e o custo final do FRP (ver [1], [19] e [22]). As resinas podem ser de natureza termoendurecíveis ou termoplásticas (mais informação pode ser consultada em [1] e [22]).
Segundo Carolin [23], a escolha para a matriz tem recaído em resinas termoendurecíveis, do tipo epóxidas, devido às excelentes propriedades em termos de aderência à maior parte dos materiais, resistência quer mecânica quer à agressividade do meio ambiente e, ainda, pelo facto de não absorverem água. Na Tabela 1 apresentam-se algumas das propriedades de dois tipos de resinas frequentemente utilizadas nos materiais compósitos de FRP: as de poliester e as epóxidas.
Tabela 1 - Propriedades de resinas utilizadas em materiais compósitos [23]. Resina Módulo de elasticidade à
tração [GPa] Resistência à tração [MPa] Extensão na rotura [%] Densidade [Kg/m3] Poliester 2.1 - 4.1 20 – 100 1.0 - 6.5 1000 - 1450 Epóxida 2.5 - 4.1 55 – 130 1.5 - 9.0 1100 - 1300
2.3
Reforço por colagem de compósitos CFRP
2.3.1 CFRP como material estrutural
Segundo Meier [24] os sistemas de polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) são os mais adequados para soluções por colagem em construção civil. Este autor realça o melhor desempenho mecânico quando comparado a outras fibras, o que pode ser evidenciado através das maiores resistências à tração, à compressão, o próprio valor do seu módulo de elasticidade longitudinal, próximo ao do aço, e o bom comportamento à fadiga e à alcalinidade.
2.3.2 Propriedades dos compósitos CFRP
De acordo com Soares e Martins [8] uma das características mais relevantes dos compósitos de CFRP consiste no facto de estes se comportarem de um modo elástico linear, pelo que não possuem uma tensão de cedência, mas apenas uma tensão de rotura. Este facto faz com que em muitos casos não se tire um maior partido da capacidade de resistência dos CFRP devido à diferença de comportamentos entre o aço do betão armado e o CFRP.
As propriedades destes materiais são convenientemente ajustadas às estruturas de betão, através da garantia de uma adequada ligação ao betão, pela compatibilidade de deformações e da cuidada
8
conjugação química entre eles. No caso dos laminados de CFRP, a aplicação de pré-esforço sobre os mesmos permite explorar uma maior eficiência por parte dos laminados, embora implique um acréscimo ao nível da complexidade e dos custos associados à operação (Gemert et al. referido em [25]).
2.3.3 Sistemas de reforço com compósitos de CFRP
Existem no mercado diferentes geometrias de CFRP para reforço e reabilitação de estruturas. A escolha de materiais para diferentes tipos de sistemas de reforço por vezes não é fácil, visto que todos os sistemas são únicos. A eficácia de um sistema irá depender do tipo de estrutura a ser reforçada. Segundo Rodrigues [26], por serem rígidos, os laminados pré-fabricados são mais adequados para a aplicação em superfícies planas. As mantas e tecidos são flexíveis, moldando-se com facilidade, sobretudo no caso de superfícies curvas. O confinamento de colunas é uma das aplicações usuais das mantas e tecidos. Na Figura 3 apresentam-se os fios constituintes dos sistemas de CFRP e na Figura 4 um sistema de mantas flexíveis.
Figura 3 - Fios de CFRP (Juvandes [8]). Figura 4 - Sistema de mantas flexíveis (Juvandes [1]).
Na indústria da construção civil, em termos gerais, os sistemas de CFRP do tipo laminado (pré-fabricado) e do tipo manta ou tecidos flexíveis (com resina pré-impregnada) são os mais estudados e aconselháveis para as técnicas de reforço por colagem exterior ao longo da superfície dos elementos de betão mais tracionados (Juvandes [1]).
9 2.3.4 Vantagens e desvantagens de compósito de CFRP
As vantagens da utilização de materiais CFRP no reforço de elementos de betão resumem-se, segundo a Fib (Fédération Internacionale du Béton [27]), às seguintes características:
Elevada resistência à tração; Baixo peso específico;
Facilidade no transporte e manuseamento;
Dimensões quase ilimitadas em termos de comprimento; Grande capacidade de deformação;
Imunidade à corrosão;
Geometria e dimensões ilimitadas;
Elevada resistência à fadiga e ao impacto; Elevada durabilidade.
Por outro lado, estes sistemas também apresentam algumas desvantagens segundo o mesmo documento (Fib [27]), tais como:
Comportamento elástico linear até à rotura;
Coeficiente de expansão térmica diferente do do betão;
Degradação prematura e consequente rotura quando submetidos a elevadas temperaturas, como no caso de um incêndio, por parte da resina e da matriz polimérica;
Uma colagem defeituosa diminui o aproveitamento máximo das suas potencialidades; Reduzida informação acerca de regulamentação específica para orientação e
execução do reforço através de CFRP; Baixa resistência aos raios ultravioleta;
Custo elevado comparativamente a outros sistemas de reforço.
2.3.5 Metodologia de aplicação de sistemas CFRP
De acordo com Taerwe et al. [28], os principais requisitos que podem contribuir para o planeamento de um projeto de reforço são:
Seleção do tipo de sistema compósito de CFRP a aplicar na estrutura (deverá ter em conta a adequabilidade ao formato do elemento estrutural e simplicidade na aplicação);
10
Na fase de execução, devem seguir-se os seguintes passos:
Inspeção do betão superficial e preparação da superfície (o betão deve apresentar-se seco e sem poeiras, devendo ser removida a leitada superficial, regularização da superfície e arredondamento de arestas);
Avaliação da aderência ao betão do sistema de reforço e aplicação da armadura de reforço (colagem do CFRP, comprimindo-o contra o betão para eliminar os vazios e retirando o resina em excesso).
Para obter um controlo e garantia de qualidade da aplicação do reforço, deve assegurar-se na totalidade do processo os seguintes aspetos:
Certificação dos materiais de reforço; Qualificação das empresas;
Controlo de procedimentos de aplicação; Inspeção em serviço e manutenção.
2.4
Aderência betão - CFRP (ligação entre o compósito, o resina e o
betão)
O comportamento geral da interface da ligação compósito–resina-betão é fundamental na prevenção dos modos indesejados de roturas prematuras. Segundo Soares e Martins [8], esse comportamento é condicionado pela capacidade mecânica dos três materiais envolvidos: a camada superficial do betão, o resina e o compósito.
2.4.1 Aderência da ligação
Nas interfaces compósito–resina-betão o problema surge ao nível da comparação dos valores das resistências ao corte e à tração na camada superficial do betão, da resistência coesiva da resina e da resistência interlaminar do compósito. Dos três casos, o condicionante será o que apresentar menor valor, adiantando-se que nos casos correntes observados por vários investigadores, o betão tem sido o principal responsável (ver [29], [30] e [31]).
A localização da rotura da ligação pode situar-se nas interfaces betão-resina ou resina-FRP (falha de adesão), na resina (falha adesiva) e no interior do CFRP (rotura interlaminar por corte) [29]. Na Figura 5 apresenta-se o tipo e localização das roturas referidas.
11 Figura 5 - Diferentes interfaces para a rotura por perda de aderência [29].
2.4.2 Influência da resina na ligação
O resina possui um papel essencial na eficácia de um reforço exterior. De acordo com Klamer et al. [32] as suas principais funções são a impregnação do grupo de fibras, para garantir a polimerização do conjunto do compósito, e a criação da ligação entre o betão e o compósito, transformando o conjunto numa estrutura compósita. Após o endurecimento “in situ” da colagem compósito-betão, desenvolvem-se as propriedades de aderência na ligação desejada, estando concluído o sistema de reforço estrutural.
Segundo Juvandes [33], a escolha da resina depende do tipo de desempenho desejado, do tipo de superfície, das condições do ambiente e de aplicação do compósito na execução. Devido às suas propriedades, os resinas epóxidos são os mais aplicados na Europa para a colagem de sistemas CFRP. Na Tabela 2 apresentam-se algumas propriedades físicas e mecânicas dos resinas epóxidos.
Tabela 2 - Propriedades fisicas e mecânicas dos resinas epóxidos [33].
Propriedade
Intervalo de valores
Resistência à tração 9.0 - 55.0 MPaResistência à compressão 55.0 -120.0 MPa Resistência ao corte 10.0 - 30.0 MPa Tensão de aderência ao betão 2.0 - 8.0 MPa Módulo de elasticidade 0.5 - 20.0 GPa Módulo de distorção 0.2 - 8.0 GPa Coeficiente de Poisson 0.3
Extensão na rotura 0.5 - 5.0 %
Massa volúmica 1.1 - 1.7 g/cm3
12
Segundo Juvandes [33], podemos destacar as seguintes como as principais vantagens dos resinas epóxidos:
Trabalhabilidade variável (ajustável consoante a formulação); Adesão elevada a uma variedade de superfícies;
Elevada rigidez em situação de pós-cura; Baixa retração durante a cura;
Boas propriedades térmicas e elétricas; Resistência química elevada;
Eficaz transmissão de cargas.
A temperatura tem um efeito negativo nos reforços e especialmente nos resinas de origem polimérica. Segundo vários autores, tais como Marques [34], Branco e Tadeu [35] e Klamer [36], quando o gradiente térmico incidente ultrapassa uma certa temperatura, designada por temperatura de transição vítrea (𝑇𝑔) ocorre a passagem de um estado vítreo da resina para um estado dúctil, correspondendo a uma relaxação à qual está associada uma diminuição significativa das propriedades mecânicas dos materiais, como a resistência e a rigidez.
2.5
Importância da temperatura
De acordo com o referido no ponto anterior, existe uma temperatura acima da qual a resistência do sistema de reforço diminui acentuadamente, especialmente devido à fragilidade térmica da resina da ligação. Uma vez ultrapassada esta temperatura limite, as cadeias da resina podem mover-se e ficar mais flexíveis e, consequentemente, as propriedades mecânicas do polímero, tal como a resistência, o módulo de elasticidade e a rigidez, diminuem bruscamente.
A temperatura de transição vítrea (Tg) dos laminados de CFRP e da resina de colagem podem ser determinadas através de ensaios de análise mecânica dinâmica (DMA), nos quais os provetes são sujeitos a uma força oscilatória sinusoidal com frequência fixa e, enquanto a temperatura aumenta com uma taxa de aquecimento constante, as amplitudes dos ciclos de carregamento e da deformação e o ângulo entre esses ciclos são registados. Devido à resposta viscoelástica do material, as curvas tensão-tempo (σ-t) e extensão-tempo (𝜀-t) exibem um desfasamento, causado por um atraso na deformação. Quando as duas curvas são sobrepostas, as áreas comuns representam a rigidez da material, ou módulo de armazenamento, E’, que se relaciona com a energia armazenada em cada ciclo de carregamento. As áreas que não se sobrepõem representam a contribuição viscosa da deformação, ou módulo de perda, E’’, que reflecte a energia dissipada em cada ciclo, normalmente sob a forma de calor [37], [38] e referido em [39]. A determinação da temperatura de transição vítrea através do ensaio de DMA é possível devido ao facto de os módulos de armazenamento e de perda e o factor de perda sofrerem alterações significativas com a temperatura. Quando a temperatura atinge
13 valores próximos da temperatura de transição vítrea, o valor do módulo de armazenamento regista uma forte diminuição, enquanto que o módulo de perda e o factor de perda apresentam consideráveis aumentos. Normalmente, estas variações não ocorrem exactamente à mesma temperatura, sendo que a partir do factor de perda se obtém um majorante da temperatura de transição vítrea, do módulo de armazenamento um minorante e do módulo de perda uma estimativa intermédia [39]. Segundo Firmo [39], uma das normas existentes, nomeadamente a norma ASTM E1640, especifica de uma forma conservativa que a temperatura de transição vítrea deve ser obtida a partir da curva que descreve a variação do módulo de armazenamento com a temperatura, tal como se indica na Figura 6.
Figura 6 - Determinação da temperatura de transição vítrea de acordo com a norma ASTM E1640-99 [39]. A temperatura de transição vítrea determinada pelo ensaio de DMA depende, de entre outros parâmetros, da taxa de aquecimento e da frequência oscilatória. Quanto maiores forem os valores destas suas grandezas maior será o valor estimado de 𝑇𝑔. Destaca-se ainda que a temperatura também depende do tipo de esforço introduzido nos provetes (tracção, compressão, corte, flexão ou torção), uma vez que a resposta do material é bastante diferenciada para cada tipo de reforço, sobretudo no caso de polímeros com fibras unidireccionais [39].
De entre as diversas ações a que uma estrutura pode ser sujeita, o fogo, pelas suas características particulares, revela-se de grande importância. Uma estrutura, cuja resistência inicial seja suficiente para suportar as cargas aplicadas, pode ver-se subitamente debilitada pela ação do fogo, podendo mesmo entrar em resinapso sem que ocorra variação das cargas aplicadas.
2.5.1 Influência da temperatura no laminado de CFRP
As fibras do compósito suportam temperaturas bem mais elevadas do que as resinas. Segundo Bisby
et al. [13], as fibras de carbono já provaram manter um bom desempenho acima dos 1000ºC, uma
vez que mantêm aproximadamente 100% da sua capacidade resistente conforme apresentado na Figura 8. Mas, de acordo com Rostásy [40], as fibras de carbono começam a perder significativa
14
rigidez a partir dos 800ºC, temperatura para a qual apresenta cerca de 93% da capacidade resistente, conforme apresentado na Figura 7. Nas Figura 7 e 8 apresentam-se os gráficos com a evolução da resistência residual das principais fibras existentes com o aumento da temperatura.
Figura 7 - Influência da temperatura na resistência à
tracção das fibras de vidro, carbono e aramida [39].
Figura 8 - Influência da temperatura na resistência
à tracção das fibras de vidro, carbono e aramida (adaptado de [30]).
O melhor desempenho mecânico a temperaturas elevadas das fibras de um FRP, quando comparado com a matriz, é importante no reforço, visto que as fibras continuam a suportar as cargas até à temperatura limite da matriz.
De acordo com Klamer et al. [41] , a resina epóxida presente na matriz do CFRP degrada-se com o aumento da temperatura, embora de uma forma menos acentuada do que a resina epóxida de colagem entre o compósito e o betão. Segundo Clarke [42] e Stratford et al. [43], a temperatura de transição vítrea da matriz do FRP pré-fabricado situa-se à volta dos 130ºC, uma vez que são curados a elevadas temperaturas e pressões. A título de exemplo, na Figura 9 apresenta-se a evolução da resistência à tracção de um laminado de CFRP unidireccional.
15 Figura 9 - Variação da resistência à tracção residual de um laminado CFRP unidireccional (adaptado de [13]). Bisby [44] apresentou, com base em vários estudos, um modelo analítico para simular a degradação do módulo de elasticidade de laminados pré-fabricados com o aumento da temperatura, dado pela equação (1): 𝐸𝑝𝑇 𝐸𝑝𝑜= ( 1 − 𝑎1 2 ) × tanh (−𝑎2× ( 𝑇 𝑇𝑔,𝑝− 𝑎3)) + ( 1 + 𝑎1 2 ) (1)
onde 𝐸𝑝𝑜 e 𝐸𝑝𝑇 são, respetivamente, os módulos de elasticidade do laminado FRP à temperatura ambiente e à temperatura pretendida T(ºC), 𝑇𝑔,𝑝 a temperatura de transição vítrea do laminado de FRP e 𝑎1= 0.729, 𝑎2= 9.856 e 𝑎3= 0.607 são fatores empíricos, definidos com base em análises de regressão dos mínimos quadrados de ensaios existentes.
2.5.2 Influência da temperatura no betão
De acordo com Neville [45] e [26], existem vários estudos relativos ao efeito das temperaturas elevadas nas propriedades do betão que conduzem, no entanto, a resultados muito variáveis e de difícil generalização. Este facto deve-se à variação das propriedades mecânicas do betão em resultado da diferença de tensões atuantes, humidade, tempo de exposição às temperaturas e, também, devido às diferentes propriedades dos agregados.
Na Figura 10 apresentam-se estimativas da evolução do módulo de elasticidade do betão com o aumento da temperatura, desenvolvidas pelos autores identificados no gráfico da figura ( [36] e [41]), assim como a fornecida pelo Eurocódigo 2 [46].
16
Figura 10 - Influência da temperatura no módulo de elasticidade do betão [39].
2.5.3 Influência da temperatura na resina
As resinas garantem o funcionamento em conjunto do sistema, quer na ligação do compósito com o betão, quer na distribuição de tensões entre fibras, ou seja, um mau funcionamento da resina implica necessariamente um mau funcionamento do reforço. A 𝑇𝑔 dos sistemas comerciais avaliados para as resinas epóxidas anda à volta dos 60 - 82 ºC, segundo o ACI [10], pelo que a exposição dos sistemas a temperaturas próximas deste intervalo de valores não é desejável para estruturas reforçadas com FRP. Na Figura 11 apresentam-se, respectivamente, a redução percentual na resistência à tracção e no módulo de elasticidade da resina epóxida com a temperatura. Segundo Firmo [39], cada diagrama foi elaborado por diferentes autores e com base em resinas epóxidas distintas, podendo-se concluir que o módulo de elasticidade apresenta uma redução mais brusca do que a resistência à tracção.
17 Figura 11 – Influência da temperatura na resistência à tracção da resina epóxida, retirado de [39] ( à esquerda);
Influência da temperatura no módulo de elasticidade da resina epóxida, retirado de [39] (à direita).
A 𝑇𝑔 pode ser considerada uma das mais importantes propriedades dos materiais poliméricos, pois a dureza, volume, resistência, alongamento percentual na rotura e módulo de elasticidade de um polímero podem ser significativamente alterados quando a sua temperatura se aproxima da 𝑇𝑔. Por outro lado, as baixas temperaturas tornam as resinas menos flexíveis e com tendência a danos por fadiga mas, geralmente, mantêm-se inalteradas a resistência e a rigidez do compósito (Juvandes [1]).
2.5.4 Necessidade de proteção térmica
Face às preocupações em relação à perda de resistência da interface FRP-resina-betão perante as ações térmicas, a utilização de revestimentos térmicos tem demonstrado ter bons desempenhos, retardando a ação do calor sobre o material compósito.
Em função do tempo desejado de resistência ao fogo, existem no mercado várias formas de proteção passiva. Esta consiste no revestimento dos elementos estruturais com materiais isolantes e incombustíveis que, em caso de exposição a temperaturas elevadas, mantêm a temperatura suficientemente baixa por um período de tempo especificado.
Segundo Lima [47], de entre os materiais mais utilizados para proporcionar proteção passiva destacam-se os seguintes:
Revestimento com argamassas projetadas; Revestimento com gesso;
Gesso acartonado (placas de gesso).
Na Figura 12 apresenta-se, a título de exemplo, um esquema representativo de laminados de CFRP colados a uma estrutura de betão e revestidos com placas de gesso.
18
Figura 12 - Proteção adicional ao fogo por revestimento direto dos laminados de CFRP com placas de gesso
referido em [1].
2.6
Estudo do comportamento da ligação entre FRP - resina - betão
2.6.1 Ensaios de corte
O comportamento da ligação entre o betão e o compósito é de extrema importância na aplicação da técnica de reforço por colagem externa. A eficiência e a durabilidade desta ligação são preponderantes para que o reforço tenha um papel efetivo na estrutura durante um período de vida útil. Neste contexto, revela-se importante o aprofundamento do estudo da resistência da colagem sob o efeito de diversos fatores que afetam a sua integridade.
Desde o início da aplicação desta técnica de reforço que o comportamento da ligação sujeita a esforços de corte tem sido alvo de estudo experimental. Diversos investigadores tais como Tadeu e Branco [35], Theillot [48], Savoia et al [49], Camata et al. [50] e Leone et al. [51] idealizaram diferentes modelos para esse estudo. Numa fase inicial, estes modelos foram concebidos e ensaiados com o objetivo de obter uma distribuição de tensões a carregamentos estáticos bem como modos de rotura a temperaturas ambiente. O estudo da influência da temperatura na ligação é um aspecto abordado mais recentemente, tendo sido no passado frequentemente negligenciado pelos investigadores. Segundo Ekenel e Myers [52] e Gamage et al. [53], são ainda reduzidos os estudos sobre o efeito da temperatura na ligação do FRP-resina-betão.
No ponto seguinte, descrevem-se alguns modelos laboratoriais concebidos para a realização de ensaios de corte à temperatura ambiente e a temperaturas elevadas, que foram desenvolvidos por diferentes autores.
