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FIBRA DE CARBONO: REFORÇO ESTRUTURAL EM ESTRUTURA
DE CONCRETO ARMADO
RESUMO
As estruturas de concreto armado apresentarem algum tipo de degradação
ao longo da sua vida útil, tais falhas decorrente por má execução ou vícios
construtivo, e sendo assim necessário de reforço. No mercado existem vários tipos
de reforços, todos com a finalidade de reabilitar a estrutura. Este artigo teve como
objetivo demonstrar a fibra de carbono como um reforço em estrutura de concreto
armado. A fibra de carbono é um compósito que possui alta resistência, rápida
execução e na parte estética do local de aplicação do reforço. É importante que a
aplicação seja realizada por mão de obra qualificada e respeitando as
recomendações técnicas dos produtos utilizados para que possa ter um resultado
satisfatório. O trabalho permitiu esclarecer que embora a utilização da fibra de
carbono requeira mão-de-obra especializada e apresente um alto custo da fibra, o
uso da técnica apresenta uma maior vantagem perante as outras tradicionais, sendo
assim sendo um material viável.
Palavras-chave: Compósito. Reforço. Fibra Carbono.
____________________
¹ Graduado em Engenharia Civil – Centro Universitário Fametro. marcus.serra1@outlook.com² Graduado em Engenharia Civil – Centro Universitário Fametro. thiagohenriquelira1@gmail.com
Marcus Vinícius Cardoso Serra¹
Thiago Henrique Lira da Silva²
CARBON FIBER: STRUCTURAL REINFORCEMENT IN REINFORCED
CONCRETE STRUCTURE
ABSTRACT
The reinforced concrete structures are experiencing some kind of
degradation in the course of his life, such a failure due to a bad run unless there is a
hidden good, and it will be necessary to strengthen it. In the market there are several
different types of ribs, all with the goal of rehabilitating the structure. This article is
aimed to show the carbon fiber as a reinforcement in a reinforced concrete structure.
The carbon fiber is a composite material which has a high strength, fast execution,
and on the aesthetics of the location of the reinforcement. It is important that the
application is performed by qualified labor and respecting the technical
recommendations of the products used in order to have a satisfactory result. The
work made it possible to clarify that although the use of carbon fiber requires
specialized labor and has a high cost of fiber, the use of the technique has a greater
advantage over other traditional ones, making it a viable material.
Keywords: Composite. Reinforcement. Carbon Fiber.
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INTRODUÇÃO
A vida útil de uma estrutura de concreto armado é limitada, onde apresenta
falhas ao passar do tempo, sendo assim é necessário de intervenção para aumentar
a sua capacidade de sua resistência, antes de alcançar o seu estado-limite. Após
alcançar o estado-limite a solução é o reforço estrutural para garantir a segurança da
edificação. Segundo Helene (1988) a necessidade de reparar ou reforçar uma
determinada estrutura, restaurando sua segurança e aumentando sua durabilidade,
tem sido cada vez mais comum por uma série de razões: estruturas mais esbeltas,
solicitações mais intensas, ambientes mais agressivos e consciência dos
responsáveis pela construção. De acordo com Gibson (1993) os materiais
estruturais podem ser divididos em quatro grupos: metálicos, cerâmicos, poliméricos
e compósitos.
Segundo Souza e Ripper (1998) a utilização de compósitos reforçados com
fibras de carbono em elementos de concreto, como alternativa ao aço, começou em
meados do século passado. A utilização da fibra de carbono vem crescendo cada
vez mais para o reforço de estruturas e substituição dos métodos tradicionais, uma
vez que apresenta uma maior resistência e também menor massa específica do aço.
A utilização de fibra de carbono na construção civil teve seu início no distrito
de Kobe, Japão, em 1995, após sismos demandarem uma rápida execução de
reforços estruturais em construções da região (SOUZA & RIPPER, 2009). Este
trabalho tem como objetivo mostrar o compósito de fibra de carbono como um
reforço estrutural em estrutura de concreto armado.
2 FIBRAS DE CARBONO
De acordo com Machado (2002), com relação a sua composição, o CFC é
constituído por uma matriz polimérica que mantém as fibras internamente coesas,
favorecendo a transferência das tensões de cisalhamento entre o elemento
estrutural concreto e a fibra de carbono.
O material inicialmente foi utilizado por anos por indústrias, porém é também
bastante utilizado em elemento estruturais, onde sofrem com ataques químicos. As
indústrias aeroespacial e automobilística usaram a fibra de carbono durante muitos
3
anos, porém nos últimos tempo vem sendo usado em elemento estruturais,
elementos que sofrem com ataques químicos do ambiente.
As fibras de carbono são produzidas através de um componente básico
chamado de PAN (Poliacrilonitrila). É possível fabricar as fibras de carbono de
várias formas de resistência e de modulo de elasticidade. O CFC mostra varias
vantagens quando comparamos com os materiais usados para reforço, pode-se
citar: a facilidade e a rapidez de instalação, possui uma grande resistência quando
sofre em corrosão e agentes químicos, elevada resistência à fadiga.
Porém o compósito da fibra de carbono também possui desvantagens, tais
como a incompatibilidade quando houver superfícies irregulares, quando exposta ao
fogo ou a raios ultravioletas a fibra perde a resistência. Na Figura 1 mostra a relação
tensão x deformação de materiais usados como reforço.
Figura 1 – Tensão x Deformação
Fonte: Machado (2002)
Segundo Souza e Ripper (1998), os compósitos de fibras de carbono em
matrizes de resina epoxídica apresentam, em comparação com o aço de construção,
para uma mesma espessura, um quarto do peso e resistência à tração de oito a dez
vezes maior, para o mesmo modo de elasticidade, acrescenta-se ainda, que a
tensão última é da ordem de 3.500 Mpa.
De acordo com Machado (2002), com relação a sua composição, o CFC é
constituído por uma matriz polimérica que mantém as fibras internamente coesas,
favorecendo a transferência das tensões de cisalhamento entre o elemento
estrutural concreto e a fibra de carbono.
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2.1. sistemas de reforços com fibra de carbono
Existem no mercado nacional três sistemas de reforços que utilizam as
(CFRP) [Robery ; Innes, 1997 apud Beber et. al., (1999)]:
fios de fibra de carbono: colados na superfície do concreto sob tensão ou aseco.
Figura 2 – Fios de fibra de carbono
Fonte: Clip Carbono (2009)
chapas pultrudadas: podem apresentar diversos formatos onde são colados na
superfície do concreto através de adesivo, e são perfis contínuos.
Figura 3 – Chapas pultrudadas
Fonte: Clip Carbono (2009)
tecidos de fibra de carbono: são colados na superfície com uma resina epóxi e
com espessura parecida com a de uma parede.
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Figura 4 – Tecidos de fibra de carbono
Fonte: Clip Carbono (2009)
3 REFORÇO ESTRUTURAL COM FIBRA DE CARBONO
Nos anos 80 no Japão ocorriam abalos sísmicos onde ocasionava
danificações às estruturas, sendo assim mostrou a necessidade de recuperar o
mais rápido possível, sendo assim o reforço com fibra de carbono surgiu como uma
opção. Esses foram os principais aspectos considerados para utilização desse
material no confinamento de pilares (Machado, 2002).
As fibras de carbono podem ser também utilizadas para o aumento da
capacidade resistente, à flexão e ao esforço transversal de vigas e lajes, processo
que, no entanto, exige muito cuidado no desenvolvimento dos detalhes que devem
ser adotados para o sistema de amarração do compósito, assim como a mais
detalhada análise das tensões de deslizamento na interface entre o compósito e o
concreto (Ripper e Souza,1998).
A primeira vez no Brasil que foi utilizado a fibra de carbono na construção
civil como um reforço estrutural foi no viaduto Santa Tereza localizado em Belo
Horizonte no ano de 1998. A fibra foi importada dos Estados Unidos da América,
essa matéria-prima era utilizada nas indústrias aeronáutica e espacial, no viaduto
teve como função reforçar as lajes e vigas do viaduto. A escolha da fibra como
reforço estrutural foi pelo fator estético, visto que, o viaduto era tombado pelo
patrimônio histórico. Na figura 5 mostra como foi feito o reforço da estrutura do
viaduto utilizando a fibra.
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Figura 5 – Reforço estrutural do viaduto santa tereza com fibra de carbono
Fonte: Machado (2007, p.80)
Quando a estrutura não suporta mais o aumento das cargas, a fibra de
carbono é um excelente opção para o reforço, pois apresenta uma grande
resistência à tração até dez vezes maior do que o aço.
Estas propriedades variam em função do tipo, tamanho, grau de
concentração e disposição das mesmas na matriz (Araújo, 2002.a; Avilés 2002;
Nordin, 2003). Pode ser usado como reforço em várias partes da estrutura tais
como: lajes, vigas, paredes, pilares e etc.
Figura 6 – Tipos de reforços com fibra de carbono em uma estrutura
Fonte: Borges (2016)
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Para escolher qual fibra deve ser adotada depende das condições
ambientais assim como o tipo de estrutura e principalmente o esforço solicitante. O
quadro 1 mostra o comparativo das fibras.
Quadro 1 – Comparativo entre diferentes tipos de fibras
Fonte: Machado (2002)
A fibra de carbono apresenta grande capacidade mecânica, é o material
principal para reforço em vigas de concreto armado. O quadro 2 demonstra as
diferentes propriedades mecânicas das fibras.
Quadro 2 – Propriedades mecânicas das fibras
Fonte: Machado (2002)
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4 METODOLOGIA
Para elaboração deste artigo foi utilizada uma pesquisa descritiva e
bibliográfica. Para Gil (1999), o método científico é um conjunto de procedimentos
intelectuais e técnicos utilizados para atingir o conhecimento.
Para Triviños (1987, p. 110), “o estudo descritivo pretende descrever “com
exatidão” os fatos e fenômenos de determinada realidade”, de modo que o estudo
descritivo é utilizado quando a intenção do pesquisador é conhecer determinada
comunidade, suas características, valores e problemas relacionados à cultura.
Vergara (2000, p. 47), defende que a pesquisa descritiva expõe as
características de determinada população ou fenômeno, estabelece correlações
entre variáveis e define sua natureza. "Não têm o compromisso de explicar os
fenômenos que descreve, embora sirva de base para tal explicação".
Para Lakatos e Marconi (2001, p. 183), a pesquisa bibliográfica,
[...] abrange toda bibliografia já tornada pública em relação aotema estudado, desde publicações avulsas, boletins, jornais,revistas, livros, pesquisas, monografias, teses, materiaiscartográficos, etc. [...] e sua finalidade é colocar o pesquisadorem contato direto com tudo o que foi escrito, dito ou filmadosobre determinado assunto [...].
Este trabalho buscou como fonte em pesquisa bibliográfica mais focado na
parte da aplicação da fibra de carbono em estruturas na construção civil através da
pesquisa em artigos científicos ou artigos publicados.
Segundo Vergara (2000), a pesquisa bibliográfica é desenvolvida a partir de
material já elaborado, constituído, principalmente, de livros e artigos científicos e é
importante para o levantamento de informações básicas sobre os aspectos direta e
indiretamente ligados à nossa temática.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para aplicar a fibra de carbono em uma estrutura de concreto armado é
importante que seja feita por profissionais que são qualificados e habilitados para
que o serviço tenha um melhor resultado. Machado (2002) descreve como primeiro
passo da aplicação do reforço estrutural com fibra de carbono recuperar o substrato
de concreto, para proporcionar ao sistema uma aderência segura. É necessário que
o substrato esteja íntegro para que possa ter resistência mecânica suficiente para os
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esforços, sendo assim, todas as patologias que se encontram no substratos deverão
ser corrigidos.
Uma das patologias mais comuns em estrutura de concreto armado é a
corrosão nas armaduras, sendo assim é necessário fazer a remoção e a
recomposição das superfícies do concreto degradadas. A figura 7 mostra o
procedimento para a remoção do concreto deteriorado.
Figura 7 – Remoção do concreto deteriorado
Fonte: Cimento Mauá (2018)
As trincas existentes na estrutura a ser reforçada deverão ser recuperadas.
Segundo Souza e Ripper (1998), as fissuras com abertura a partir de 0,1mm devem
ser injetadas, procedimento que é feito sob baixa pressão (≤ 0,1 Mpa). Quando tem
caso de fissuras maior que 3,0mm e quando não é muito profundas, a recuperação
se dá por enchimento da trinca por gravidade.
Figura 8 - Injeção de fissuras
Fonte: Engenharia e recuperação (2015)
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Para a preparação da superfície para receber o composto será determinada
a partir de duas hipóteses do funcionamento estrutural: predominância da condição
crítica de colagem do sistema composto; predominância da condição crítica de
contato íntimo para o sistema composto. Para a colagem crítica, utilizam-se
abrasivos ou jatos de água, areia ou limalhas metálicas para limpeza da superfície e
remoção de partes soltas, para superfície pequena costumam ser utilizadas
politrizes, geralmente acopladas com aspiradores de pó.
Figura 9 - Limpeza de superfície com politriz elétrica
Fonte: Manual fibra de carbono (2015)
Segundo Machado (2002), inicia-se a aplicação com os imprimadores
primários (primmers), que possuem a função de penetrar nos poros de concreto
estabelecendo uma ponte de aderência eficiente juntamente com a película aderida
à superfície do concreto. Após a etapa dos imprimadores primários, será a vez da
aplicação da massa regularizadora de superfície (putty fillers).
Figura 10 - Regularização da superfície com massa regularizadora
Fonte: Machado (2002)
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A fibra de carbono deve ser cortada conforme o projeto estrutural do reforço,
e deverá ser cortada em bancadas especialmente para o corte. O material para o
corte serão: uma régua metálica, tesoura de aço e faca de corte ou estilete.
Figura 11 – Corte da fibra de carbono
Fonte: Machado (2002)
Após o corte as lâminas de fibras de carbono deverão ser aderidas às peças
a serem reforçadas.
Nessa etapa existe duas maneiras distintas para se executar esse
procedimento: saturação via úmida onde a lâmina de fibra de carbono é saturada em
bancada própria, sendo depois transportada para a sua aplicação na peça a ser
reforçada. Conforme mostra a figura 12.
Figura 12 – Saturação da fibra na bancada
Fonte: Manual fibra de carbono (2015)
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A saturação via seca é feita diretamente sobre o concreto da peça a ser
reforçada para após ser colada a lâmina de fibra de carbono.
Figura 13 – Saturação no concreto
Fonte: Manual fibra de carbono (2015)
Segundo Souza e Ripper (1998), o processo de aplicação da lâmina de fibra
de carbono deve ser imediato e independe do tipo de imprimação utilizado. O tempo
de aplicação da resina saturante (pot-life) é muito curto, no máximo 25 a 30 minutos.
Figura 14 – Aplicação da fibra de carbono
Fonte: Projeto engenharia (2002)
Após a colocação da lâmina de fibra de carbono, é feito o procedimento
chamado de rolagem de bolhas de ar, o objetivo desse procedimento é a eliminação
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das bolhas de ar que ficam presas no substrato, esse procedimento usa os
pequenos roletes de aços denteados.
Figura 15 – Rolagem das bolhas de ar
Fonte: Treinotec engenharia (2005)
Depois de ter finalizado todas as etapas da colocação da fibra de carbono
pode ser possível a aplicação de revestimento estético ou de proteção (mecânica e
química) que ajuda a prevenir as agressões as ações. Diferentes tipos de camadas
de acabamento podem ser utilizados, como concreto projetado ou pintura.
Essas camadas de acabamento devem ser aplicadas de acordo com as
especificações indicadas por cada fabricante (FIB, 2001). As figuras a seguir
mostraram alguns exemplos de reforços de estruturas de concreto armado com
sistemas estruturados com fibras de carbono.
Figura 16 – Reforço estrutural em laje de cobertura com fibra de carbono
Fonte: Manual fibra de carbono (2015)
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A fibra de carbono é muito utilizada como reforço em lajes, vigas e pilares,
pois é um material muito resistente.
Figura 17 – Reforço estrutural em pilares com fibra de carbono
Fonte: Manual fibra de carbono (2015)
CONSIDERAÇÕES FINAIS
É bastante comum as estruturas de concreto armado apresentarem algum
tipo de degradação ao longo da sua vida útil, tais falhas decorrente por má execução
ou vícios construtivo, e sendo assim necessário de reforço. A fibra de carbono surge
como uma opção de reforço estrutural no mercado atual, pois é um compósito que
possui alta resistência, rápida execução e na parte estética do local de aplicação do
reforço. Este artigo apresentou como o material pode ser utilizado como reforço
estrutural e o procedimento construtivo.
Para a aplicação do material na estrutura é importante que seja feita por
mão de obra qualificada, seguindo o procedimento que foi mostrado no artigo para
que possa ter um resultado satisfatório. Com o resultado do artigo pode-se perceber
que o material é bastante eficiente e eficaz para estruturas de concreto armado.
É muito importante lembrar que o reforço da fibra de carbono não se aplica
em certas situações, como por exemplo, quando a peça do concreto já estiver em
estado de degradação avançada, cabe ao engenheiro de estrutura saber em qual
situação usá-la. Novos materias e novas técnicas vem surgindo no passar dos anos,
proporcionando novas oportunidades de ter opções para solucionar situações,
problemas que demandam grande custo operacional e de tempo, a fibra de carbono
surge como uma ótima opção pois sua aplicação é muito rápida.
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O elevado custo da matéria prima acrescido da falta de conhecimento por
parte dos profissionais do ramo dificultam a consolidação e a ampla aplicação
destes materiais na indústria da construção civil, sendo assim, é preciso de novas
pesquisas e a vontade de desenvolvimento neste campo para que possa no futuro
desenvolver modos eficientes e principalmente atrativo financeiramente, pois
atualmente é um material que no mercado se encontra com um preço elevado.
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