Sistemas de Ancoragem para Laminados CFRP em elementos de Betão Armado

Sistemas de Ancoragem para Laminados CFRP

em elementos de Betão Armado

Rui Veloso

Mendes

SilvaCosta

António da

RESUMO

O reforço de estruturas de betão armado com recurso a laminados de fibras de carbono (CFRP) realiza-se actualmente no nosso país, segundo as recomendações presentes no documento normativo europeu fib bulletin 14 [1], que prevê a limitação da exploração da capacidade resistente dos laminados, com a finalidade de assegurar um nível de tensões reduzido entre o substrato de betão, a resina de ligação e os laminados e evitar deste modo a ocorrência de modos de rotura prematura, caracterizados por uma rotura frágil e com origem na ligação betão/laminado.

Devido à concentração de tensões tangenciais e normais na extremidade do compósito, a zona de amarração dos laminados é particularmente propensa à ocorrência de modos de rotura prematura. O presente artigo é referente ao estudo de três sistemas de reforço de ancoragem de laminados, desenvolvidos e ensaiados com vista a possibilitar uma melhor rentabilização do reforço. Estes três sistemas de reforço de ancoragem testados foram previstos ser de aplicação simples, consistindo na utilização de chapas de aço quinadas em forma de “U” fixas na espessura de recobrimento do betão, na utilização de chapas de aço fixas ao betão através de buchas metálicas, e num sistema compósito realizado por duas camadas de mantas unidireccionais cruzadas executado sobre o laminado.

PALAVRAS-CHAVE

Reforço; Laminado; Destacamento da extremidade; Sistemas de ancoragem

1 _{Mestre em Estruturas, Instituto Superior Técnico, rui.velosomendes@gmail.com} 2 _{Prof. Auxiliar, Instituto Superior Técnico, acosta@civil.ist.utl.pt}

2 1. INTRODUÇÃO

O reforço de elementos de betão armado à flexão ou à tracção com recurso à colagem de fibras na superfície do betão é uma técnica que conhece actualmente uma crescente utilização, tanto em obras-de-arte como nas estruturas de edifícios.

Contudo, e particularizando para o caso dos laminados de fibra de carbono (CFRP), na actual utilização destes elementos de reforço, os documentos normativos conduzem a uma exploração relativamente reduzida da capacidade resistente dos laminados, devendo-se este procedimento à possibilidade de ocorrência de modos de rotura prematura com origem na ligação betão/laminado. Um destes modos de rotura caracteriza-se por ocorrer na extremidade dos laminados, por aí se desenvolvem tensões elevadas, tangenciais e normais ao laminado, e que provoca o destaque do laminado. Na língua inglesa, este tipo de rotura é designado por debonding.

Tendo em vista o dimensionamento da ancoragem dos laminados, o modelo apresentado no fib

bulletin 14 [1] tem por base que a transferência de tensões se realiza ao longo de um comprimento,

crescente com a força a transferir (Fig. 1), até ser atingido um valor máximo (lb,max) a partir do qual o

aumento do comprimento deixa de levar ao aumento da força do laminado transmitida ao betão.

Figura 1. Evolução da capacidade resistente da ancoragem / comprimento de ancoragem

Neste modelo, o comprimento de aderência efectiva lb,max e a resistência de aderência correspondente

Nfa,max, são calculados usando as Eqs (1) e (2).

[

]

[ ]

Nestas expressões, os valores de EFRP, correspondem respectivamente ao Módulo de Elasticdade (em

MPa) e os valores tFRP e bFRP às espessura e largura do laminado (em mm). O valor de fctm correponde

à tensão média de rotura à tracção do betão (em MPa).

Os coeficientes c1 e c2 são factores de correcção, calibrados experimentalmente, e que para laminados

CFRP tomam, respectivamente os valores de 0.64 e 2.0.

α é um factor de redução da resistência do reforço, que tem por finalidade a consideração da existência de fendas inclinadas na superfície do betão. Para situações correntes de reforço é recomendado o valor de 0.90, podendo ser tomado o valor de 1.0 no caso de vigas com armadura de esforço transverso interior e exterior, suficiente para evitar o desenvolvimento das fendas, e no caso de lajes.

O coeficiente kc depende do grau de compactação do betão na proximidade da face a reforçar com

laminados. Deste modo, para betões com baixa compacidade ou faces que não foram betonadas directamente contra a cofragem, kc=0.67. Nas restantes situações é recomendado o valor 1.0.

kb é um factor geométrico, obtido através da Eq (3), na qual bFRP e b são respectivamente as larguras

do laminado e da viga, cumprindo a relação bFRP /b ≥0,33.

1 ) 400 / b 1 ( ) b / b 2 ( 06 , 1 k FRP FRP b ≥ + − = ₍₃₎

No caso de se considerarem comprimentos de amarração inferiores a lb, max, a capacidade resistente de

cálculo da amarração deve ser determinada através da Eq (4), e que conduz à curva representada na Fig.1. Como referido anteriormente, caso se considerem amarrações com comprimento superior a

lb,max, a força máxima a transmitir através da ligação é de Nfa,max obtida através da Eq (1).

        − = max b, b max b, b max , fa fa l l 2 l l N N (4)

O sistema de amarração correspondente a estas expressões consiste na colagem por meio de resinas de epóxido, dos laminados CFRP à superfície de betão após os respectivos trabalhos de preparação e limpeza de superfícies.

Com vista a melhorar esta ligação, foram desenvolvidos e ensaiados os três sistemas de reforço de ancoragem [2] descritos em seguida, assim como os resultados obtidos no programa experimental. 2. SISTEMAS DE REFORÇO DESENVOLVIDOS

Os sistemas de reforço de ancoragem desenvolvidos correspondem à utilização de chapas de aço quinadas em forma de “U” fixas em cortes realizados para o efeito na espessura de recobrimento do betão, à colagem de chapas de aço sobre os laminados sendo as mesmas fixas com buchas metálicas, e a um sistema compósito realizado por duas camadas de mantas de fibras de carbono unidireccionais cruzadas sobre o laminado.

Comuns à colagem dos laminados e à aplicação dos sistemas de reforço de ancoragem desenvolvidos, são necessários trabalhos preparatórios sendo os mesmos resumidos em seguida.

De modo a eliminar a camada superficial de leitada e se obter uma camada de betão com características adequadas à colagem de laminados, as superfícies de betão devem ser preparadas e tornadas rugosas, por fresagem, aplicação de jacto de água a alta pressão, de jacto de água com areia, etc. Previamente à colagem dos laminados deverão ainda ter lugar operações de limpeza, para a remoção de pó ou elementos soltos da superfície de betão e aplicação de um solvente na superfície do laminado para remover as substâncias prejudiciais à adesão das resinas.

No programa experimental realizado no âmbito do presente trabalho as superfícies de betão foram preparadas com jacto de água com areia e a limpeza foi realizada jacto de ar comprimido, seguida por aspiração e concluída com a aplicação de acetona, que foi igualmente utilizada na limpeza dos laminados e dos sistemas de reforço de ancoragem.

2.1 Chapas de aço em forma de “U” (U)

Este sistema de ancoragem vem na sequência do apresentado no fib bulletin 14 [1], no qual é proposta a colagem de duas cantoneiras na extremidade do laminado, com uma das abas sobre o laminado e outra fixa na espessura do recobrimento. No presente sistema foi prevista, no lugar das duas cantoneiras, uma chapa metálica em forma de “U” para ser colada sobre o laminado já colocado e de

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modo que os bordos laterais da chapa fiquem selados no interior do betão, na espessura correspondente ao recobrimento das armaduras.

No sistema testado (ver Fig. 2) foram utilizadas chapas com 3 mm de espessura, com 200mm de comprimento, 150 mm de largura e bordos laterais com 25 mm. De modo a melhorar a ligação entre a chapa de aço e a resina, a superfície interior da chapa foi decapada com projecção de granalha de aço.

Figura 2. Esquema de ensaio dos provetes reforçados com chapas em forma de U

De modo a possibilitar um posterior envolvimento das abas das chapas com cerca de 2mm de resina de cada lado, os cortes executados no betão foram realizados com uma largura de aproximadamente 10mm, tendo sido os mesmos realizados com recurso a rebarbadora.

A colagem das chapas foi realizada com a mesma resina utilizada nos laminados, tendo a mesma sido colocada sobre a superfície de betão de modo a preencher por completo os cortes. De modo a permitir a expulsão do ar durante a aplicação, foram dadas pendentes às camadas de resina. A colocação da chapa realizou-se por aplicação de pressão até a espessura de resina sobre o laminado ser de ~2 mm. Na Fig. 3 é apresentado o aspecto final deste sistema de reforço.

Figura 3. Aspecto final do sistema de reforço de chapas em forma de “U” 2.2 Chapas de aço com buchas (B)

Este sistema de reforço consiste na colagem de uma chapa de aço sobre o laminado, fixa ao betão através de buchas químicas. Nos provetes ensaiados foram para o efeito utilizadas chapas de dimensões 200 mm x180 mm x5 mm, fixas com buchas HAS-E(5.8)-M12 da HILTY (Fig. 4).

Tal como no sistema de reforço das chapas em forma de “U”, também nesta solução, a superfície das chapas a ficar em contacto com a resina foi decapada por projecção de granalha de aço.

À semelhança do caso anterior, a colagem das chapas deste sistema de reforço foi igualmente realizada com a mesma resina utilizada nos laminados. De modo a permitir a expulsão do ar durante a

aplicação, foram dadas pendentes às camadas de resina. A colocação da chapa realizou-se por aplicação de pressão até a espessura de resina sobre o laminado ser de ~2 mm. O controlo desta espessura foi realizado através do aperto dado às porcas de fixação das buchas químicas.

Figura 4. Esquema de ensaio dos provetes reforçados com chapas de aço com buchas

Apresenta-se na Fig. 5 o aspecto final deste sistema de reforço.

Figura 5. Aspecto final do sistema de reforço de chapas fixas com buchas 2.3 Mantas cruzadas na extremidade do laminado (M)

Este sistema de reforço de ancoragem compreende a realização de um compósito, através de mantas unidireccionais cruzadas, sobre o laminado.

Nos sistemas testados, foram utilizadas duas camadas de mantas em cada direcção. O compósito foi executado utilizando tiras de mantas com 150x400mm2 _{coladas desde a extremidade do laminado, e}

de modo a fazerem com este um ângulo sensivelmente de 17º, conforme se observa na Fig. 6.

Devido às dimensões dos provetes de ensaio deste tipo de reforço, não permitirem a colagem total das pontas das mantas na face inferior, as mesmas foram dobradas para as faces laterais, criando um pequeno envolvimento inferior dos provetes. De modo a evitar a concentração de tensões no compósito de reforço, as arestas dos provetes deste sistema de reforço foram boleadas com um raio de cerca de 15mm.

Com o propósito de evitar o desenvolvimento de forças de desvio no compósito de reforço na zona de colagem sobre os laminados, originadas pela espessura da ordem dos 3,5~4 mm correspondente à resina e aos laminados, nos provetes deste sistema de reforço foi realizada uma camada de forma entre a face superior dos laminados e a superfície de betão junto às arestas boleadas. Antes da execução do compósito de reforço, a superfície desta camada de forma foi tratada por fresagem, de modo a ganhar rugosidade e promover assim uma melhor a ligação entre o compósito e o betão.

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Figura 6. Esquema de ensaio dos provetes reforçados com mantas unidireccionais

O aspecto final deste sistema de reforço é o apresentado na Fig. 7.

Figura 7. Aspecto final do sistema de reforço de chapas fixas com buchas 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL

3.1 Descrição do Programa Experimental

A avaliação da resistência dos sistemas de reforço de ancoragem desenvolvidos foi realizada numa campanha de ensaios experimentais, nos quais cada sistema de reforço foi ensaiado com três secções transversais diferentes de laminado (50x1,2 mm2_{, 50x1,4 mm}2 _{e 80x1,4 mm}2_{). De modo a aferir a}

melhoria conferida por cada um dos sistemas de reforço de ancoragem, cada tipo de laminado foi ainda ensaiado isoladamente em provetes de referência (R), tendo sido realizados dois ensaios destes por cada secção transversal de laminado. No total foram realizados 33 de modelos experimentais de corte directo.

Os ensaios foram realizados em prismas de betão armado com dimensões adoptadas em função do tipo de sistema de ancoragem a ensaiar. Nos ensaios realizados aos sistemas de ancoragem com mantas foram utilizados os prismas com 650x200x200 mm3_{, tendo sido utilizados prismas com}

500x300x200 mm3 _{para ensaiar os restantes sistemas de ancoragem.}

Cada tipo de sistema de reforço foi ensaiado em duas faces que estiveram em contacto com a cofragem durante a betonagem, e na face superior, correspondente àquela por onde os prismas foram betonados. Os provetes de referência foram igualmente testados em cada uma das faces referidas. O comprimento de colagem dos laminados ao betão foi definido tendo em conta o conceito de comprimento de ancoragem já referido para a ligação laminado/betão, que para os laminados utilizados varia entre lb,max,FRPbetão = 180.1~194.5mm. Utilizando o mesmo conceito para a ligação

laminado/aço, com base nos trabalhos de Xia [3] obteve-se para os laminados utilizados valores de

lb,max,FRPaço entre 112.6~121.7mm.

Com base nestes resultados, foi adoptado um comprimento de colagem de 250 mm na ligação laminado/betão em todos os provetes. Nos provetes com chapas metálicas em forma de U e fixas com buchas, tendo em conta algumas incertezas na ligação, os comprimentos de colagem foram de 200 mm e 180 mm respectivamente. por .No caso do sistema de reforço com mantas, foi adoptado o comprimento de 250 mm.

3.2 Características dos materiais

O betão empregue foi caracterizado de acordo com a NP-EN-12390-3, resumindo-se no Quadro 1 os valores obtidos.

Quadro 1. Caracteristicas do betão

Idade (dias) fck,cil [MPa] Ecm [GPa] fctm [MPa] fctk [MPa] 28 20,67 28,85 2,53 1,77 346 26,80 31,98 2,96 2,07

Os laminados e mantas utilizados foram respectivamente os CFK 150/2000 e as C-Sheet 240 (300) da S&P. Estas mantas apresentam uma densidade de fibras de 300 g/m2, a que corresponde uma espessura média de fibra de 0,167mm. Por serem produzidos por processos controlados, apresentam as características [4] resumidas no Quadro 2.

Quadro 2. Caracteristicas dos laminados e das mantas

Ecm [GPa] σult [MPa] εult [‰] Laminados 160 2500 15,60 Mantas 240 3800 15,50

As resinas empregues foram as S&P Resin 220 e a S&P Resin 50, respectivamente para a colagem dos laminados e para a realização do compósito do sistema de reforço com mantas. A resina S&P Resin 220 foi ainda empregue na colagem das chapas de aço e na realização das camadas de forma nos sistemas de ancoragens com mantas descritas anteriormente.

O aço das chapas metálicas utilizadas nos sistemas de ancoragem foi o S235, tendo sido decapadas com granalha de aço todas superfícies que iriam ficar em contacto com a resina.

3.3 Sistema de ensaio

O sistema de ensaio desenvolvido teve como objectivo a aplicação da força de tracção nos laminados, instalando um estado de corte na ligação laminado-betão. Para o efeito foi utilizado um pórtico de reacção e uma estrutura metálica, em gaiola, para garantir a imobilização do provete de betão. O sistema de ensaio utilizado encontra-se representado na Fig. 8.

Os dados adquiridos nos ensaios foram a força última, medida através de um sistema de aquisição de dados ligado à célula de carga da Fig. 8, tendo ainda, para cada uma das secções transversais de laminados, sido lidos os valores das extensões no interior de cada um dos sistemas de reforço de ancoragem. Esta medição realizou-se por meio da instrumentação dos laminados com extensómetros em três posições do interior dos sistemas de reforço.

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Figura 8. Esquema do sistema de ensaio utilizado 3. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS

Na campanha de ensaios realizada observou-se que o modo de colapso dos sistemas de ancoragem foi, na generalidade, brusco e sem indícios prévios, correspondendo deste modo a roturas frágeis. Este aspecto é particularmente relevante para o dimensionamento dos sistemas de reforço de ancoragem, revelando a sensibilidade do comportamento deste tipo de elementos e a importância da adopção de coeficientes de segurança adequados.

Os modos de rotura observados ocorreram por deslizamento do laminado ou por destaque do sistema de ancoragem. Nos provetes com laminados com 50mm de largura, os modos de rotura ocorridos foram na generalidade por deslizamento do laminado, mobilizando uma espessura de ~2mm no interior do betão na ligação laminado/betão e pelo interior da resina na ligação laminado/sistema de ancoragem. Para os laminados de 80mm verificaram-se algumas roturas por destaque, total ou parcial, do sistema de reforço.

Da leitura das extensões ao longo das ancoragens (Fig 9), observa-se que com o aumento de carga, as extensões que inicialmente se desenvolvem junto à extremidade traccionada, tendem a aumentar e a evoluir para o interior da ancoragem. Este efeito é descrito por diversos autores e é mais notório nos provetes em que foram utilizados sistemas de reforço de ancoragem.

Figura 9. Evolução das extensões na amarração nos Provetes 514R1EX e 514B3EX

Em termos de valores de forças últimas apresentadas no Quadro 3, dos resultados obtidos observa-se que para cada sistema de ancoragem testado, a força de colapso cresce com o aumento da secção transversal dos laminados.

Laminado/Sistem a Ancoragem Fanc,ult [kN] ε[‰] anc,ult τanc-betão [MPa] τanc-sist ref [MPa] 512-R 26,56 2,77 2,84 - 512-U 66,55 6,93 7,12 7,10 512-B 86,60 9,02 9,26 10,66 512-M 67,03 6,98 7,17 7,19 514-R 31,59 2,82 3,13 - 514-U 78,86 7,04 7,81 7,77 514-B 89,83 8,02 8,89 9,57 514M 75,82 6,77 7,51 7,27 814-R 45,36 2,53 2,81 - 814-U 107,29 5,99 6,64 6,36 814-B 129,80 7,24 8,03 8,67 814-M 106,66 5,95 6,60 6,30

Nos provetes em que foram utilizados laminados com secção transversal 50x1,2mm2, a introdução dos sistemas de reforço de ancoragem conduziu a aumentos entre 150,6% e 226,0% relativamente à força última transmitida para a ancoragem de referência. Para os restantes laminados, estes aumentos foram de entre 136,8% e 184,4% nos laminados com secção transversal 50x1,4mm2 _{e entre 135,1% e}

186,1% para os laminados com secção transversal 80x1,4mm2_.

Em termos de tensões de aderência nas ligações ancoragem/betão e ancoragem/sistema, observa-se que nos sistemas das chapas em U e das mantas, os valores das tensões de aderência introduzidas pelos sistemas de reforço são idênticas. Esta constatação permite supor que o compósito realizado com mantas cruzadas com ângulos iguais aos utilizados nos presentes provetes apresente um comportamento de uma superfície rígida idêntico ao obtido com uma chapa metálica, podendo, para efeitos de estimativa da capacidade de ancoragem deste sistema de reforço, ser utilizado o modelo de Xia [4].

De modo a compreender o melhor desempenho do sistema de reforço das chapas fixas com buchas, os sistemas de ancoragem foram analisados qualitativamente, através dos modelos de escoras e tirantes apresentados na Fig.10. Nestes modelos, considerou-se que a transferência de cargas entre os laminados e o betão, e entre os laminados e os reforços de ancoragem, se realiza por meio de bielas inclinadas que, por equilíbrio de forças, dão por sua vez origem a tracções nas direcções normal e transversal.

Estes modelos ajudaram ainda a compreender o melhor desempenho observado no sistema de ancoragem das chapas com buchas relativamente aos restantes, uma vez que neste tipo de reforço, o tirante na direcção normal aos laminados, para além de ser equilibrado pela resistência à tracção da resina, foi ainda resistido pela secção de aço dos pernos das buchas. Desta forma, a resina pode ter um melhor desempenho que nos restantes sistemas de reforço.

Por fim, salienta-se ainda que os modelos de escoras e tirantes ajudam também a compreender os modos de rotura ocorridos. Nos sistemas de reforço de referência, com chapas em “U” e com as mantas cruzadas, o deslizamento foi acompanhado pela separação dos laminados relativamente ao betão. Este modo de rotura compreende-se pelo facto de as forças nas direcções normal e tangencial deixarem de estar equilibradas no instante em que ocorre a rotura. No reforço com chapas fixas com buchas verificou-se apenas o deslizamento do laminado, que ocorreu com o raspar da chapa na superfície de betão. Este modo de rotura justifica-se pelo facto de, no instante da rotura, se verificar apenas o desequilíbrio de forças na direcção tangencial.

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Figura 10. Modelos de escoras e tirantes do funcionamento dos sistemas ancoragem

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à S&P o amável fornecimento dos laminados, mantas e resinas, assim como o apoio técnico por parte da S.T.A.P e, à Teixeira Duarte, o fornecimento do betão. Agradecem ainda a toda a equipa do Laboratório de Resistência dos Materiais do IST pelo apoio na realização dos ensaios.

REFERÊNCIAS

[1] fib bulletin 14 - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures. Lausanne, Switzerland, 2001. ISBN 2-88394-054-1

[2] VELOSO MENDES, R. – Sistemas de Ancoragem para Laminados CFRP em elementos de Betão Armado. Lisboa. Instituto Superior Técnico, universidade Técnica de Lispoa, 2008. 145p. Tese de Mestrado.

[4] XIA, S.H.; TENG, J.G. - Behaviour of FRP-to-steel bonded joints: Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures. Hong Kong, Chen and Teng (eds), 2005. ISBN: 962-367-506-2. 411-418

[5] S&P CLEVER REINFORCEMENT COMPANY - Design Guide Line for S&P systems, Brunnen, Switzerland, 2006