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Reforço de Pilares de Betão por Encamisamento Híbrido
com Mantas de FRP
Sérgio Carneiro Henriques
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores: Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio
Prof. Doutor Fernando José Forte Garrido Branco
Júri
Presidente: Prof. Doutor Luís Manuel Coelho Guerreiro
Orientador: Prof. Doutor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio
Vogal: Prof. Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia
Abril de 2015
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Resumo
A presente dissertação incide sobre o estudo experimental do comportamento de pilares de betão de
secção circular reforçados com materiais compósitos de FRP com fibras de carbono de reduzido e
elevado módulo de elasticidade, fibras de aramida e fibras de vidro. Foram utilizados dois tipos de
reforço, o de uso corrente em que o sistema de confinamento é constituído apenas por um tipo de
fibra e um encamisamento híbrido, sendo o sistema de confinamento constituído por dois tipos de
fibra.
A motivação para este estudo advém da crescente utilização de materiais compósitos no reforço de
estruturas e como tal a necessidade de aprofundar o conhecimento deste tipo de sistema de reforço.
O estudo experimental envolveu a realização de vários ensaios de compressão uniaxial até à rotura
dos modelos de catorze séries diferentes, duas das quais corresponderam às séries de referência em
que os modelos de betão não apresentavam reforço. Relativamente às doze séries confinadas com
mantas de FRP, em todas elas o sistema de confinamento consistiu em 3 camadas de mantas.
Foram utilizadas três camadas de reforço com o objectivo de avaliar a influência de diferentes
disposições de camadas no caso dos sistemas híbridos, utilizando sempre duas mantas do mesmo
tipo de fibra alternando com outra manta com um tipo de fibra diferente. Quatro séries
corresponderam a sistemas de confinamento constituídos apenas por um tipo de fibra, sendo as
restantes oito constituídas por sistemas de confinamento híbridos.
Os resultados experimentais foram analisados em termos de diversos parâmetros que caracterizam o
comportamento à compressão do betão confinado. O nível de confinamento atingido, avaliado
principalmente pelo acréscimo de tensão-extensão de rotura à compressão e da extensão do FRP, foi
relacionado com o tipo de encamisamento. Experimentalmente verificou-se que a resistência dos
pilares de betão reforçados com mantas de FRP pode ser consideravelmente incrementada, em
especial nos sistemas de reforço com aramida.
Efectuou-se uma análise de custo versus o acréscimo de resistência dos diversos sistemas de
confinamento utilizados, tendo-se obtido soluções híbridas com acréscimos de resistência
semelhantes e custos mais baixos
Efectuou-se ainda a comparação dos ensaios experimentais com os resultados obtidos por diversos
modelos teóricos publicados até à data. A estimativa da tensão última do betão confinado com FRP
apresenta uma maior fiabilidade face à estimativa da extensão axial. Realizou-se a calibração de
modelos teóricos que permitem uma estimativa da tensão de rotura do betão confinado com FRP.
Palavras-chave: pilares de betão, secção circular, reforço estrutural, confinamento, FRP, sistemas
híbridos, análise experimental.
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Abstract
This master thesis focuses on the experimental study of the behaviour of circular cross-section
strengthened concrete columns, with FRP composite materials with low and high modulus of elasticity
carbon fibers, aramid fibers and glass fibers. Two types of reinforcement have been used, a standard
one, in which the confinement system contains only one type of fiber and hybrid systems, where the
confinement system contains two types of fiber.
The motivation for this study comes from the increasing use of composite materials in strengthening
structures and therefore the need to deeper the knowledge of this type of reinforcement system.
The experimental study involved various monotonic axial compression tests at failure, for fourteen
models of different series, two of them corresponded to the reference series which the models are not
strengthened. For the twelve series confined with FRP sheets, in all of them, the confinement system
consisted in three layers of sheets. Three reinforcing sheets were used in order to evaluate the
influence of different arrangements of layers in hybrid systems. Two sheets of equal fibres were used
alternating with a different one. Four series, corresponded to confinement systems containing a single
type of fiber, and the remaining eight, consisted of hybrid systems.
The experimental results were analyzed in terms of various parameters that characterize the
compressive behavior of confined concrete. The achievement level of confinement, evaluated by
stress-strain failure in compression and the FRP strain was related to the type of wrapping.
Experimentally it was found that the resistance of strenghtened concrete columns with FRP sheets
can be considerably increased, especially in confinement systems with aramid.
Cost analysis versus increase resistance of the various confinement systems was performed. It was
found that it is possible to obtain hybrid confinement solutions with similar strength capacity at lower
costs.
The laboratorial tests are compared with the results obtained by many analytical models published to
date. The analysis results highlight that the errors related to the strength are lower than that of ultimate
strain. Strength prediction is rather good; on the other hand, the large scatter of strain data makes this
prediction more difficult. Calibration of analytical models that allows predict the strength of FRP
confined concrete was carried out.
Keywords: columns, circular section, structural reinforcement, confinement, FRP, hybrid systems,
experimental analysis.
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Agradecimentos
A realização da presente dissertação só foi possível devido a várias pessoas e entidades que das
mais variadas formas contribuíram para a sua realização.
Ao Professor Eduardo Nuno Brito Santos Júlio, orientador científico desta dissertação expresso o
meu profundo agradecimento pela sua disponibilidade, profissionalismo, entusiasmo e apoio científico
revelado.
Ao Professor Fernando José Forte Garrido Branco, co-orientador científico desta dissertação gostaria
também de expressar o meu profundo agradecimento, pelo apoio dado na pesquisa bibliográfica e na
realização dos ensaios experimentais, pela partilha de conhecimentos e ainda pela ajuda na
preparação do artigo referente a esta dissertação, apresentado nas Jornadas Portuguesas de
Engenharia de Estruturas 2014.
Ao pessoal técnico do LERM, especialmente ao Fernando Alves agradeço todo o apoio prestado,
sem o qual a realização dos ensaios e, consequentemente, a elaboração desta dissertação não teria
sido possível.
À empresa S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda, na pessoa do Engenheiro Filipe Dourado,
agradeço o fornecimento dos materiais de reforço.
Ao Engenheiro João Pedro Lage da Costa Firmo quero expressar o meu agradecimento pela ajuda
prestada no laboratório, pelo esclarecimento de dúvidas e ainda pelo apoio dado na pesquisa
bibliográfica.
Aos meus colegas de curso, André Alves e Sérgio Ferreira, agradeço toda a amizade,
companheirismo e apoio transmitidos ao longo dos anos em que estudámos e realizámos trabalhos
juntos.
Aos meus pais e à minha irmã agradeço todo o apoio, amor e compreensão, não só ao longo desta
dissertação mas também ao longo de toda a minha vida. Sem a ajuda do meu pai na aplicação das
mantas de FRP esta dissertação não seria possível, o meu muito obrigado pelo seu apoio.
Por fim, agradeço à minha namorada, Alda Dinis, todo o seu amor, apoio, dedicação, compreensão e
que nos momentos mais difíceis sempre me motivou a continuar, permitindo-me fechar mais uma
importante etapa da minha vida.
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Índice geral
Resumo .....................................................................................................................................................i
Abstract.................................................................................................................................................... iii
Agradecimentos ........................................................................................................................................v
Índice geral ............................................................................................................................................. vii
Índice de figuras ...................................................................................................................................... xi
Índice de tabelas ................................................................................................................................... xvi
Simbologia ........................................................................................................................................... xviii
Siglas ..................................................................................................................................................... xxi
1 Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento ......................................................................................................................... 1
1.2 Objectivos da dissertação ......................................................................................................... 2
1.3 Organização do documento ...................................................................................................... 2
2 Reforço de pilares com compósitos de FRP .................................................................................... 5
2.1 Introdução ................................................................................................................................. 5
2.2 Materiais compósitos reforçados com fibras (FRP) .................................................................. 8
2.2.1 Fibras ............................................................................................................................... 8
2.2.2 Resinas .......................................................................................................................... 11
2.2.3 Matriz polimérica............................................................................................................ 12
2.2.4 Técnicas e características gerais dos adesivos de colagem ........................................ 13
2.3 Mantas .................................................................................................................................... 15
2.4 Encamisamento com mantas de FRP .................................................................................... 16
2.5 Propriedades mecânicas dos compósitos de FRP ................................................................. 18
3 Modelos analíticos para betão confinado com sistemas de FRP .................................................. 21
3.1 Introdução ............................................................................................................................... 21
3.2 Betão simples .......................................................................................................................... 21
3.3 Betão confinado com armaduras de aço ................................................................................ 23
3.3.1 Modelos teóricos............................................................................................................ 28
3.4 Betão confinado com sistemas de FRP .................................................................................. 28
3.4.1 Modelos teóricos............................................................................................................ 35
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3.4.1.1 Modelos orientados para o dimensionamento .......................................................... 37
3.4.1.2 Modelos orientados para a análise............................................................................ 47
3.4.1.3 Tensão-extensão de rotura do betão confinado com FRP ....................................... 49
3.5 Modelos de dimensionamento e verificação da segurança .................................................... 53
3.5.1 Bulletin 14 da fib ............................................................................................................ 54
3.5.1.1 Equações de previsão “exactas” ............................................................................... 54
3.5.1.2 Equações de previsão “aproximadas” ....................................................................... 56
3.5.1.3 Valor de cálculo da tensão de rotura à tracção do FRP de confinamento ................ 57
3.5.2 ACI 440.2R-08, 2008 ..................................................................................................... 57
3.5.3 Norma Italiana CNR-DT 200/2004, 2004 ...................................................................... 60
3.6 Resposta tensão-deformação ................................................................................................. 64
3.7 Ensaios experimentais em pilares .......................................................................................... 67
3.7.1 Tipo de fibras ................................................................................................................. 67
3.7.2 Número de camadas de FRP e rigidez de confinamento.............................................. 72
3.7.3 Nível de cintagem e orientação das fibras .................................................................... 74
3.7.4 Geometria do pilar ......................................................................................................... 75
3.7.5 Classe de resistência do betão ..................................................................................... 78
4 Estudo experimental do betão confinado com sistemas híbridos de FRP .................................... 81
4.1 Programa experimental ........................................................................................................... 81
4.1.1 Objectivos do programa experimental ........................................................................... 81
4.2 Materiais .................................................................................................................................. 81
4.2.1 Betão ............................................................................................................................. 81
4.2.2 Compósitos de fibras de carbono, aramida e vidro ....................................................... 85
4.3 Ensaios de compressão uniaxial dos modelos de pilares ...................................................... 86
4.3.1 Caracterização dos modelos de pilares de betão ......................................................... 86
4.3.1.1 Geometria das secções transversais ........................................................................ 86
4.3.1.2 Configuração das soluções de confinamento em FRP ............................................. 87
4.3.1.3 Procedimento de aplicação do encamisamento em FRP ......................................... 89
4.3.2 Sistema e procedimento de ensaio ............................................................................... 90
4.3.2.1 Equipamento de ensaio e de aquisição de dados..................................................... 90
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4.3.2.2 Instrumentação .......................................................................................................... 91
4.4 Resultados dos ensaios experimentais .................................................................................. 93
4.4.1 Introdução ...................................................................................................................... 93
4.4.2 Ensaios experimentais com betão de referência 1 (Betão B1) ...................................... 95
4.4.2.1 Série PB1.000 – Modelos de referência para o 1º grupo de ensaios ........................ 95
4.4.2.2 Série PB1.3C1 ............................................................................................................ 96
4.4.2.3 Série PB1.3C2 ............................................................................................................ 97
4.4.2.4 Série PB1.C1.2C2 ....................................................................................................... 98
4.4.2.5 Série PB1.2C1.C2 ....................................................................................................... 99
4.4.2.6 Série PB1.C1.2A ....................................................................................................... 101
4.4.2.7 Série PB1.2C1.A ....................................................................................................... 102
4.4.2.8 Série PB1.A.C1.A...................................................................................................... 103
4.4.2.9 Série PB1.2A.C1 ....................................................................................................... 104
4.4.3 Ensaios experimentais com o betão de referência 2 (Betão B2) ................................. 105
4.4.3.1 Série PB2.000 – Modelos de referência para o 2º grupo de ensaios ...................... 105
4.4.3.2 Série PB2.3A ............................................................................................................ 106
4.4.3.3 Séria PB2.3G ........................................................................................................... 107
4.4.3.4 Série PB2.A.2G ........................................................................................................ 108
4.4.3.5 Série PB2.2A.G ........................................................................................................ 109
5 Discussão dos resultados dos ensaios experimentais ................................................................ 111
5.1 Introdução ............................................................................................................................. 111
5.2 Tensão e extensões axial e circunferencial na rotura .......................................................... 111
5.3 Influência do tipo de fibras .................................................................................................... 116
5.4 Influência dos sistemas híbridos ........................................................................................... 118
5.5 Disposição das camadas ...................................................................................................... 124
5.6 Extensão do FRP .................................................................................................................. 127
5.7 Coeficiente de confinamento ................................................................................................ 129
5.8 Extensão volumétrica e dilatância ........................................................................................ 133
5.9 Análise custo / benefício ....................................................................................................... 141
6 Comparação entre modelos analíticos e resultados experimentais ............................................ 145
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6.1 Diagramas tensão-extensão axial ......................................................................................... 145
6.2 Tensão e extensão de rotura do betão confinado com FRP ................................................ 152
6.3 Modelo analítico proposto ..................................................................................................... 161
6.3.1 Tensão de rotura do betão confinado com FRP – Modelo analítico 1 ........................ 161
6.3.2 Tensão de rotura do betão confinado com FRP – Modelo analítico 2 ........................ 163
7 Considerações finais .................................................................................................................... 167
7.1 Conclusões ........................................................................................................................... 167
7.2 Desenvolvimentos Futuros ................................................................................................... 168
8 Bibliografia .................................................................................................................................... 171
Anexos ................................................................................................................................................. 179
Anexo A ............................................................................................................................................... 181
Diagramas de extensão volumétrica ................................................................................................... 181
Anexo B ............................................................................................................................................... 187
Relação entre a extensão lateral e axial (dilatância) .......................................................................... 187
Anexo C ............................................................................................................................................... 193
Tabelas com o cálculo dos custos das séries confinadas com FRP. ................................................. 193
Anexo D ............................................................................................................................................... 197
Diagramas teóricos de tensão-deformação axial obtidos com base na extensão de rotura à tracção do
FRP de confinamento (εfu). .................................................................................................................. 197
Anexo E ............................................................................................................................................... 205
Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos obtidos com base na tensão
lateral de confinamento última efectiva flu(εju). .................................................................................... 205
Anexo F ............................................................................................................................................... 213
Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos obtidos com base na tensão
lateral de confinamento última teórica flu(εfu). ...................................................................................... 213
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Índice de figuras
Figura 1.1 – Evolução dos trabalhos de reabilitação em Portugal .......................................................... 1
Figura 2.1 – Técnicas correntes para o encamisamento de pilares de betão armado ........................... 5
Figura 2.2 – Aplicações de materiais compósitos em diversas indústrias .............................................. 6
Figura 2.3- Primeiras aplicações de FRP na engenharia civil ................................................................ 6
Figura 2.4 – Orientação das fibras no encamisamento com compósitos de fibras ................................ 7
Figura 2.5 – Variação de resistência com a orientação das fibras ......................................................... 8
Figura 2.6 – Tipos de fibra utilizados em mantas para o reforço de pilares ......................................... 10
Figura 2.7 – Propriedades à tracção para vários tipos de fibra. ........................................................... 11
Figura 2.8 – Matriz polimérica ............................................................................................................... 13
Figura 2.9 – Método de colagem através da introdução de tiras de laminados de CFRP em rasgos
efectuados no betão .............................................................................................................................. 14
Figura 2.10 – Encamisamento automático ............................................................................................ 14
Figura 2.11 – Colagem de FRP pré-esforçado ..................................................................................... 15
Figura 2.12 – Reforço com mantas de fibra de carbono num pilar ....................................................... 16
Figura 2.13 – Passos da aplicação da manta de FRP .......................................................................... 17
Figura 2.14 – Disposição dos materiais poliméricos ............................................................................. 17
Figura 3.1 – Diagramas tensão/extensão (σ/ε) do betão ...................................................................... 22
Figura 3.2 – Ensaio de compressão num provete cilíndrico. Lei tensão-deformação em compressão
axial ....................................................................................................................................................... 22
Figura 3.3 – Pormenorização de armadura num pilar ........................................................................... 23
Figura 3.4 – Efeito dos diferentes tipos de confinamento no diagrama tensões-extensões do betão. 24
Figura 3.5 – Tensão lateral de confinamento em secções circulares ................................................... 25
Figura 3.6 – Núcleo de betão efectivamente confinado ........................................................................ 26
Figura 3.7 – Núcleo de betão efectivamente confinado com armaduras transversais em secções
rectangulares ......................................................................................................................................... 27
Figura 3.8 – Tipo de encamisamento com FRP .................................................................................... 29
Figura 3.9 – Efeito do raio de curvatura em pilares com secções quadradas e circulares .................. 29
Figura 3.10 – Comparação entre a acção de confinamento dos FRP com o aço ................................ 29
Figura 3.11 – Tensão lateral de confinamento exercida pelo encamisamento com FRP .................... 30
Figura 3.12 – Estado triaxial de tensões verificado no encamisamento com FRP ............................... 31
Figura 3.13 – Pilar com encamisamento parcial ................................................................................... 33
Figura 3.14 – Fibras orientadas de forma helicoidal ............................................................................. 34
Figura 3.15 – Núcleo de betão efectivamente confinado com FRP, numa secção rectangular ........... 34
Figura 3.16 – Área efectivamente confinada em colunas de betão armado com secção rectangular
com e sem encamisamento de FRP e variando o raio dos cantos arredondados ............................... 35
Figura 3.17 – Comparação entre os diagramas tensão-extensão axial do betão não confinado, com o
betão confinado com aço e FRP ........................................................................................................... 36
Figura 3.18 – Modelo bilinear proposto por Samaan et al (1998) ......................................................... 37
Figura 3.19 - Modelo proposto por Toutanji (1999) ............................................................................... 39
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Figura 3.20 – Modelo proposto por Lam e Teng (2003) ....................................................................... 42
Figura 3.21 – Modelo tensão-extensão axial proposto pela CNR-DT 200/2004 (2004) ....................... 44
Figura 3.22 – Modelo proposto por Wei e Wu (2012) ........................................................................... 45
Figura 3.23 – Processo iterativo do modelo proposto por Spoelstra e Monti (1999) ............................ 49
Figura 3.24 – Procedimento de cálculo para a determinação da deformação última e resistência última
à compressão do betão ......................................................................................................................... 55
Figura 3.25 – Secção circular equivalente ............................................................................................ 59
Figura 3.26 – Modelo tensão-extensão axial de dimensionamento proposto pela
CNR-DT 200/2004 (2004) ..................................................................................................................... 64
Figura 3.27 – Classificação das curvas tensão-deformação ................................................................ 65
Figura 3.28 – Comparação entre o betão não confinado, confinado com aço e com FRP .................. 67
Figura 3.29 – Relação entre o coeficiente de confinamento e a extensão última mobilizada pelo
FRP. ....................................................................................................................................................... 70
Figura 3.30 – Comparação entre a resistência e a extensão na rotura obtida para os modelos
ensaiados com os diferentes compósitos de FRP. ............................................................................... 71
Figura 3.31 – Relação entre a resistência e o coeficiente de confinamento. ....................................... 72
Figura 3.32 – Curva tensão-deformação para diferentes níveis de confinamento ............................... 72
Figura 3.33 – Influência do nível de confinamento no efeito de Poisson .............................................. 73
Figura 3.34 – Relação entre o acréscimo de extensão axial e o coeficiente de confinamento ............ 73
Figura 3.35 – Curvas tensão-deformação para diversos espaçamentos ............................................. 74
Figura 3.36 – Curvas tensão-deformação para modelos de betão armado confinados e não
confinados com CFRP ........................................................................................................................... 76
Figura 3.37 – Efeito do raio de curvatura dos cantos arredondados .................................................... 77
Figura 3.38 – Variação do valor de ke com a relação rc /b .................................................................... 77
Figura 3.39 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e o coeficiente de eficácia de
confinamento; b) Relação entre o factor de eficácia de confinamento e a classe de resistência do
betão ...................................................................................................................................................... 78
Figura 3.40 – Influência da classe de resistência do betão no acréscimo da extensão axial última do
betão confinado com FRP ..................................................................................................................... 79
Figura 4.1 – Curva utilizada para a caracterização da resistência à compressão do betão da segunda
série de ensaios. ................................................................................................................................... 84
Figura 4.2 – Tipos de fibra utilizados .................................................................................................... 85
Figura 4.3 – Resina epóxida constituída por dois componentes .......................................................... 85
Figura 4.4 – Modelos de pilares ............................................................................................................ 86
Figura 4.5 – Modelo confinado com sistema de reforço híbrido com CFRP e AFRP. .......................... 87
Figura 4.6 – Procedimento de aplicação das mantas de FRP .............................................................. 90
Figura 4.7 – Equipamento de ensaio e de aquisição de dados ............................................................ 91
Figura 4.8 – Posicionamento dos transdutores de deslocamentos verticais. ....................................... 91
Figura 4.9 – Posicionamento dos extensómetros ................................................................................. 92
Figura 4.10 – Aplicação dos extensómetros ......................................................................................... 93
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Figura 4.11 – a) Rotura das fibras de encamisamento; b) Betão ligado ao encamisamento após a
rotura do modelo; c) Formação de um cone de betão na zona de rotura do modelo. .......................... 95
Figura 4.12 – Diagrama tensão-deformação para o modelo PB1.000 definido pelo EC2..................... 96
Figura 4.13 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.3C1. ................................................... 97
Figura 4.14 – Rotura dos modelos da série PB1.3C1. ........................................................................... 97
Figura 4.15 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.3C2. ................................................... 98
Figura 4.16 – Rotura dos modelos da série PB1.3C2 ............................................................................ 98
Figura 4.17 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.C1.2C2................................................ 99
Figura 4.18 – Rotura dos modelos da série PB1.C1.2C2. ...................................................................... 99
Figura 4.19 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2C1.C2.............................................. 100
Figura 4.20 – Rotura dos modelos da série PB1.2C1.C2 ..................................................................... 100
Figura 4.21 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.C1.2A. .............................................. 101
Figura 4.22 – Rotura dos modelos da série PB1.C1.2A ....................................................................... 101
Figura 4.23 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2C1. A. ............................................. 102
Figura 4.24 – Rotura dos modelos da série PB1.2C1.A ....................................................................... 102
Figura 4.25 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.A.C1. A. ............................................ 103
Figura 4.26 – Rotura dos modelos da série PB1.A.C1.A ..................................................................... 104
Figura 4.27 – Diagramas tensão-deformação para a série PB1.2A.C1. .............................................. 105
Figura 4.28 – Rotura dos modelos da série PB1.2A.C1 ....................................................................... 105
Figura 4.29 – Diagrama tensão-deformação para o modelo PB2.000 definido pelo EC2................... 106
Figura 4.30 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.3A. ................................................... 107
Figura 4.31 – Rotura dos modelos da série PB2.3A ............................................................................ 107
Figura 4.32 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.3G. ................................................... 108
Figura 4.33 – Rotura dos modelos da série PB2.3G ........................................................................... 108
Figura 4.34 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.A.2G. ............................................... 109
Figura 4.35 – Rotura dos modelos da série PB2.A.2G ........................................................................ 109
Figura 4.36 – Diagramas tensão-deformação para a série PB2.2A.G. ............................................... 110
Figura 4.37 – Rotura dos modelos da série PB2.2A.G ........................................................................ 110
Figura 5.1 – Valores médios para a tensão de rotura à compressão (fcc). ......................................... 112
Figura 5.2 – Valores médios para a extensão axial rotura de compressão (εcc). ............................... 112
Figura 5.3 – Valores médios para a extensão circunferencial de rotura do encamisamento de
FRP ...................................................................................................................................................... 113
Figura 5.4 – Valores médios para a tensão de rotura e respectivas extensões axiais e laterais para os
modelos do betão B1. .......................................................................................................................... 114
Figura 5.5 – Valores médios para a tensão de rotura e respectivas extensões axiais e laterais para os
modelos do betão B2. .......................................................................................................................... 114
Figura 5.6 – Curvas tensão-deformação para a série de ensaios do betão B1. ................................. 115
Figura 5.7 – Curvas tensão-deformação para a série de ensaios do betão B2. ................................. 116
Figura 5.8 – Resultados experimentais para as séries confinadas com um tipo de fibra ................... 117
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Figura 5.9 - Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizados para as séries
confinadas com um tipo de fibra. ........................................................................................................ 117
Figura 5.10 - Diagrama tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com um tipo de
fibra. ..................................................................................................................................................... 118
Figura 5.11 – Resultados experimentais normalizados para análise da influência dos sistemas
híbridos ................................................................................................................................................ 120
Figura 5.12 – Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizadas para as séries
confinadas com carbono e/ou aramida. .............................................................................................. 121
Figura 5.13 – Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizadas para as séries
confinadas com aramida e/ou vidro. ................................................................................................... 122
Figura 5.14 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com carbono
e/ou aramida. ....................................................................................................................................... 123
Figura 5.15 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com aramida
e/ou vidro. ............................................................................................................................................ 124
Figura 5.16 – Resultados experimentais para os sistemas híbridos carbono-aramida em que se
alterou a disposição das camadas ...................................................................................................... 125
Figura 5.17 – Valores médios para a tensão e extensão axial de rotura normalizadas para as séries
confinadas com sistemas híbridos carbono-aramida em que se alterou a disposição das
camadas. ............................................................................................................................................. 126
Figura 5.18 – Diagramas tensão-extensão axial normalizadas para as séries confinadas com carbono
e aramida em que se estudou a influência da disposição das camadas. ........................................... 126
Figura 5.19 – Mobilização da extensão última do FRP de confinamento. .......................................... 128
Figura 5.20 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e a rigidez do sistema de confinamento;
b) Relação entre o acréscimo de ductilidade e a rigidez do sistema de confinamento. ..................... 132
Figura 5.21 – a) Relação entre o acréscimo de resistência e o coeficiente de confinamento;
b) Relação entre o acréscimo de ductilidade e o coeficiente de confinamento. ................................. 133
Figura 5.22 - Extensão volumétrica para as séries do betão B1. ........................................................ 134
Figura 5.23 - Extensão volumétrica para as séries do betão B2. ........................................................ 134
Figura 5.24 – Relação entre a extensão lateral e axial para as séries do betão B1. .......................... 135
Figura 5.25 – Relação entre a extensão lateral e axial para as séries do betão B2. .......................... 136
Figura 5.26 – a) Extensão volumétrica para as séries confinadas apenas com um tipo de fibra;
b) Relação entre a extensão lateral e axial para as séries confinadas com apenas um tipo de
fibra. ..................................................................................................................................................... 137
Figura 5.27 – a) Extensão volumétrica para as séries com sistemas de confinamento com mais de um
tipo de fibra (carbono C1-carbono C2 e carbono C1-aramida); b) Relação entre a extensão lateral e
axial para as séries com sistemas de confinamento com mais de um tipo de fibra (carbono C1-carbono
C2 e carbono C1-aramida). .................................................................................................................. 139
Figura 5.28 – a) Extensão volumétrica para as séries com sistemas de confinamento de aramida e/ou
vidro; b) Relação entre a extensão lateral e axial para as séries com sistemas de confinamento
aramida e/ou vidro. .............................................................................................................................. 140
-
xv
Figura 5.29 – Custo associado a cada série. ...................................................................................... 142
Figura 5.30 – a) Comparação entre o custo e o acréscimo de resistência; b) Custo por acréscimo de
resistência associado a cada série. .................................................................................................... 144
Figura 6.1 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos com base na
tensão lateral de confinamento última fl(εju) ........................................................................................ 149
Figura 6.2 – Comparação entre os resultados experimentais e os valores teóricos obtidos com base
na extensão de rotura do encamisamento de FRP verificada experimentalmente (εju) ..................... 156
Figura 6.3 – Comparação entre os resultados experimentais e os valores teóricos obtidos com base
na extensão de rotura à tracção do encamisamento de FRP (εfu) ...................................................... 160
Figura 6.4 – Relação entre o coeficiente k1, e o coeficiente de confinamento flu/fc0. .......................... 161
Figura 6.5 – Comparação entre o modelo analítico 1 e os resultados experimentais para a tensão de
rotura à compressão do betão confinado com FRP. ........................................................................... 163
Figura 6.6 – Relação entre o parâmetro A e o módulo de elasticidade para o encamisamento de
FRP ...................................................................................................................................................... 164
Figura 6.7 – Comparação entre o modelo analítico 2 e os resultados experimentais para a tensão de
rotura à compressão do betão confinado com FRP. ........................................................................... 165
-
xvi
Índice de tabelas
Tabela 2.1 – Propriedades das fibras correntes para reforço dos FRP ................................................ 10
Tabela 2.2 – Propriedades físicas e mecânicas das resinas termoendurecíveis ................................. 12
Tabela 3.1 – Expressões que permitem determinar a tensão máxima de compressão do betão
confinado (fcc) e a respectiva extensão axial (εcc). ................................................................................ 51
Tabela 3.2 – Factores parciais de segurança para os FRP .................................................................. 57
Tabela 3.3 – Factor de redução ambiental CE, para vários tipos de FRP e condições de exposição. . 60
Tabela 3.4 – Valores dos factores parciais γf ........................................................................................ 63
Tabela 3.5 – Factor de conversão ambiental ηa, para diferentes condições ambientais e sistemas de
FRP ........................................................................................................................................................ 63
Tabela 3.6 – Ensaios experimentais em modelos de betão de secção circular realizados por diversos
autores. .................................................................................................................................................. 68
Tabela 3.7 – Coeficiente da extensão de rotura do FRP e extensão de rotura nos ensaios
normalizados. ........................................................................................................................................ 70
Tabela 4.1 - Cálculo da tensão média de rotura do betão à compressão da primeira série de ensaios a
tempo infinito. ........................................................................................................................................ 82
Tabela 4.2 – Extensão do betão à compressão correspondente à tensão fcm, da primeira série de
ensaios. ................................................................................................................................................. 83
Tabela 4.3 – Tensão de rotura à compressão dos provetes de betão da segunda série de ensaios. . 83
Tabela 4.4 – Extensão do betão à compressão correspondente à tensão fcm, da segunda série de
ensaios. ................................................................................................................................................. 84
Tabela 4.5 – Módulo de elasticidade secante do betão para várias idades. ........................................ 85
Tabela 4.6 – Propriedades dos diferentes tipos de fibra utilizados fornecidas pelas fichas técnicas da
S&P Clever Reinforcement.................................................................................................................... 86
Tabela 4.7 – Configurações das soluções de confinamento dos diversos modelos ............................ 88
Tabela 4.8 – Configurações dos compósitos utilizados no confinamento dos modelos. ...................... 94
Tabela 5.1 – Resultados experimentais: tensão de rotura à compressão, extensão axial e lateral. .. 111
Tabela 5.2 – Resultados experimentais para a tensão e extensão de rotura para as séries de
referência e confinadas com um tipo de fibra. .................................................................................... 116
Tabela 5.3 – Resultados experimentais para a tensão e extensão axial de rotura para as séries de
referência e confinadas com dois tipos de fibra. ................................................................................. 119
Tabela 5.4 – Resultados experimentais para a tensão e extensão axial de rotura para as séries
confinadas com sistemas híbridos carbono-aramida em que se alterou a disposição das
camadas. ............................................................................................................................................. 124
Tabela 5.5 – Extensão do FRP correspondente à rotura dos modelos de cada série. ...................... 127
Tabela 5.6 – Factor de eficiência do FRP. .......................................................................................... 129
Tabela 5.7 – Parâmetros para o cálculo da rigidez do sistema de confinamento (Kconf) e da tensão
lateral de confinamento última (flu). ..................................................................................................... 130
-
xvii
Tabela 5.8 – Rigidez do sistema de confinamento, tensão lateral de confinamento última, coeficiente
de confinamento e acréscimo de tensão e extensão axial de compressão para as séries
ensaiadas. ........................................................................................................................................... 131
Tabela 5.9 – Custo das mantas de FRP ............................................................................................. 141
Tabela 5.10 – Custo da resina saturante ............................................................................................ 141
Tabela 5.11 – Custo por acréscimo de resistência associado a cada uma das séries. ..................... 141
Tabela 6.1 – Tensão lateral última efectiva de confinamento e tensão lateral última teórica de
confinamento. ...................................................................................................................................... 145
Tabela 6.2 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos para a tensão de
rotura à compressão (fcc) obtidos para a tensão lateral de confinamento última flu(εju). ..................... 151
Tabela 6.3 – Comparação entre os resultados experimentais e os modelos teóricos para a extensão
axial de rotura (εcc) obtida obtidos para a tensão lateral de confinamento última flu(εju). .................... 152
Tabela 6.4 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a tensão
de rotura à compressão do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão de rotura do
FRP verificada experimentalmente (εju). ............................................................................................. 154
Tabela 6.5 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a extensão
de rotura do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão de rotura do FRP verificada
experimentalmente (εju). ...................................................................................................................... 155
Tabela 6.6 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a tensão
de rotura à compressão do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão última do
FRP (εfu). .............................................................................................................................................. 158
Tabela 6.7 – Comparação entre os resultados experimentais e os resultados teóricos para a extensão
última do betão confinado com FRP, calculada com base na extensão última do FRP (εfu).............. 159
Tabela 6.8 – Parâmetros para a calibração do modelo analítico 1. .................................................... 162
Tabela 6.9 – Parâmetros para a calibração do modelo analítico 2. .................................................... 165
-
xviii
Simbologia
Notações romanas maiúsculas
Símbolo Descrição
𝐴𝑐 Área da secção de betão confinado
𝐴𝑒 Área da secção de betão efectivamente confinado
𝐴𝑔 Área total da secção de betão
𝐴𝑠𝑙 Área total de armaduras longitudinais
𝐴𝑠𝑤 Área da secção transversal do sistema de confinamento
𝐴𝑢 Área da secção de betão não confinado
𝐶𝐸 Factor ambiental de redução
𝐷 Diâmetro do pilar
𝐸𝑐 Módulo de elasticidade tangente do betão
𝐸𝑐𝑚 Valor médio do módulo de elasticidade do betão
𝐸𝑑 Valor de cálculo do efeito das acções
𝐸𝑓 Módulo de elasticidade à tracção do compósito de FRP
𝐸𝑓𝑖𝑏 Módulo de elasticidade à tracção das fibras
𝐸𝑓𝑖𝑏,𝑖 Módulo de elasticidade das fibras da manta i
𝐸𝑓𝑖𝑏′ Módulo de elasticidade equivalente das fibras
𝐸𝑗 Módulo de elasticidade do encamisamento de FRP
𝐸𝑙 Módulo de confinamento
𝐸𝑚 Módulo de elasticidade à tracção da matriz
𝐸𝑠𝑒𝑐 Módulo de elasticidade secante do betão
𝐾𝑐𝑜𝑛𝑓 Rigidez do sistema de confinamento de FRP
𝑀𝐶𝑅 Coeficiente de confinamento modificado
𝑁𝑅𝑐𝑐,𝑑 Valor de cálculo do esforço axial resistente do elemento de betão confinado com FRP
𝑁𝑠𝑑 Valor de cálculo do esforço axial actuante
𝑃 Passo da hélice
𝑃𝑛 Valor nominal da resistência axial de compressão do betão
𝑅𝑑 Valor de cálculo das resistências
𝑇𝑔 Temperatura de transição vítrea
𝑉0 Volume do núcleo de betão confinado
𝑉𝑐𝑜𝑛𝑓 Volume do sistema de confinamento
𝑉𝑓𝑖𝑏 Fracção volumétrica das fibras
𝑉𝑚 Fracção volumétrica da matriz
-
xix
Notações romanas minúsculas
𝑐𝑐𝑜𝑛𝑓. Coeficiente de confinamento
𝑏 Diâmetro da coluna, dimensão da secção quadrada ou menor dimensão da secção rectangular
𝑏𝑗 Largura do encamisamento de FRP
𝑐 Dimensão da secção rectangular
𝑑𝑠 Diâmetro do núcleo de betão confinado, medido em relação ao eixo das armaduras transversais
𝑓𝑐0 Tensão de rotura à compressão do betão não confinado
𝑓𝑐 Tensão de compressão no betão
𝑓𝑐𝑐 Tensão máxima à compressão do betão confinado
𝑓𝑐𝑐𝑑 Valor de cálculo da tensão de rotura de confinamento
𝑓𝑐𝑑 Valor de cálculo da tensão de rotura à compressão do betão não confinado
𝑓𝑐𝑖 Tensão de rotura à compressão do provete cúbico i
𝑓𝑐𝑘 Valor característico de tensão de rotura do betão à compressão
𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑠 Valor característico da tensão de rotura à compressão para os provetes cilíndricos
𝑓𝑐𝑘,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Valor característico da tensão de rotura à compressão para os provetes cúbicos
𝑓𝑐𝑢 Tensão de rotura à compressão do betão confinado
𝑓𝑐𝑚 Valor médio da tensão de rotura à compressão do betão
𝑓𝑐𝑚,𝑐𝑢𝑏𝑜𝑠 Valor médio da tensão de rotura à compressão para os provetes cúbicos
𝑓𝑓 Tensão de rotura à tracção do compósito de FRP
𝑓𝑓𝑑 Valor de cálculo da tensão última de tracção do FRP
𝑓𝑓𝑖𝑏 Tensão de rotura à tracção das fibras
𝑓𝑓𝑘 Valor característico da tensão de tracção do FRP
𝑓𝑓𝑢 Tensão última de tracção do compósito de FRP
𝑓𝑗 Tensão de tracção do encamisamento de FRP
𝑓𝑗𝑢 Tensão última de tracção do encamisamento de FRP
𝑓𝑙 Tensão lateral de confinamento
𝑓𝑙,𝑒𝑓 Tensão lateral efectiva de confinamento
𝑓𝑙,𝑒𝑞 Tensão lateral de confinamento equivalente
𝑓𝑙𝑢 Tensão lateral de confinamento última
𝑓𝑚 Tensão de rotura à tracção da matriz
𝑓𝑠𝑦 Tensão de cedência da armadura transversal
𝑓𝑦𝑑 Valor de cálculo da tensão de cedência do aço à tracção
𝑓𝑦𝑘 Valor característico da tensão de cedência à tracção do aço
ℎ maior dimensão da secção rectangular
𝑘𝑎, 𝑘𝑏 Coeficientes de eficiência para ter em consideração a geometria da secção transversal
-
xx
𝑘𝑒 Coeficiente de eficácia de confinamento
𝑘𝐻 Coeficiente de eficácia de confinamento horizontal
𝑘𝜀 Coeficiente de eficácia do FRP
𝑘𝑉 Coeficiente de eficácia de confinamento vertical
𝑘𝛼 Coeficiente de eficácia de confinamento para encamisamento helicoidal
𝑘1, 𝑘2 Coeficientes determinados experimentalmente
𝑛𝑠𝑙 Número de varões longitudinais
𝑟𝑐 Raio dos cantos arredondados
𝑠 Espaçamento das armaduras transversais ou do encamisamento de FRP
𝑠′ Espaçamento livre entre armaduras transversais e bandas de FRP
𝑠𝑙′ Distância livre entre varões longitudinais adjacentes e lateralmente restringidos
𝑡 Idade do betão em dias
𝑡𝑗 Espessura do encamisamento de FRP
𝑤𝑖′ Distância livre entre os cantos arredondados
Notações gregas minúsculas
Símbolo Descrição
𝛼𝑓 Ângulo de aplicação das fibras com o eixo longitudinal da coluna
𝛼𝑓𝐸 Coeficiente de segurança relativo à rigidez do FRP
𝛾𝑐 Coeficiente parcial relativo ao betão
𝛾𝑓 Factor parcial de segurança para o FRP
𝛾𝑅𝑑 Coeficiente parcial para a resistência dos modelos
𝛾𝑠 Coeficiente parcial relativo ao aço
𝜀𝑐 Extensão axial de compressão do betão
𝜀𝑐0 Extensão axial do betão correspondente à tensão de rotura de compressão do betão não confinado 𝑓𝑐0
𝜀𝑐𝑐 Extensão axial do betão correspondente à tensão de rotura de compressão do betão
confinado 𝑓𝑐𝑐
𝜀𝑐𝑐𝑑 Valor de cálculo da extensão axial última do betão confinado
𝜀𝑐𝑢 Extensão axial de rotura do betão à compressão
𝜀𝑓𝑑 Valor de cálculo da extensão última do FRP
𝜀𝑓𝑘 Valor característico da extensão de tracção do FRP
𝜀𝑓𝑢 Extensão de rotura à tracção do FRP
𝜀𝑓𝑢𝑚 Valor médio da extensão última do FRP verificada no ensaio normalizado de tracção
𝜀𝑗 Extensão circunferencial do encamisamento de FRP
𝜀𝑗𝑢 Extensão circunferencial de rotura do encamisamento de FRP correspondente à rotura à compressão do betão confinado
𝜀𝑗=𝑙 extensão circunferencial do encamisamento de FRP (igual à extensão lateral do betão, 𝜀𝑙)
𝜀𝑙 Extensão lateral do betão
-
xxi
𝜀𝑣 Extensão volumétrica
𝜀 ̅ Extensão axial normalizada
𝜂𝑎 Factor de conversão ambiental
𝜇 Coeficiente de dilatação
𝜇0 Coeficiente de dilatação inicial
𝜇𝑚á𝑥 Coeficiente de dilatação máximo
𝜇𝑢 Coeficiente de dilatação último
𝜌𝑐𝑜𝑛𝑓 Relação volumétrica de confinamento
𝜌𝑓𝑖𝑏,𝑖 Densidade das fibras da manta i
𝜌𝑗 Relação volumétrica do encamisamento de FRP
𝜌𝑘 Coeficiente de rigidez do sistema de confinamento
𝜌𝑠𝑐 Percentagem de armaduras longitudinais em relação à área total de betão confinado
𝜌𝑠𝑤 Relação volumétrica das armaduras transversais
𝜌𝜀 Coeficiente de deformação do sistema de confinamento
𝜎𝑐 Tensão de compressão do betão
𝜙 Factor redutor da resistência
𝜓𝑓 Factor redutor da resistência do FRP
Notações gregas maiúsculas
Símbolo Descrição
Δ𝑅 Acréscimo de resistência
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)
CNR Italian National Research Council
EC2 Eurocódigo 2
Fib Fédération Internacionale du Béton
FRP Polímero reforçado com fibras (do termo inglês fibre reinforced polymer)
GFRP Polímero reforçado com fibras de vidro (do termo inglês glass fibre reinforced polymer)
HM Rigidez Elevada (do termo inglês high modulus)
HM CFRP Polímero reforçado com fibras de carbono de elevado módulo de elasticidade (do termo inglês high modulus carbon fibre reinforced polymer)
-
xxii
HPC Betão de elevado desempenho (do termo inglês High Performance Concrete)
HS Resistência Elevada (do termo inglês High Strenght)
HSS Secções tubulares (do termo inglês Hollow Structural Sections)
IM Rigidez Intermédia (do termo inglês Intermediate Modulus)
ITZ Zona de interface entre o agregado e a pasta ligante (do termo inglês Interfacial Transition Zone)
UHM Rigidez Ultra Elevada (do termo inglês Ultra High Modulus)
UHS Resistência Ultra Elevada (do termo inglês Ultra High Strenght)
-
Introdução
1
1 Introdução
1.1 Enquadramento
As estruturas são projectadas para um período de vida útil, correspondendo a 50 anos no caso de
estruturas correntes. Depois de ultrapassado o limite de vida útil das estruturas, estas deverão ser
avaliadas e, caso seja necessário, deverão sofrer intervenções de reparação ou reforço. Por outro
lado, mesmo no decurso da sua vida útil, as estruturas necessitam frequentemente de intervenções,
motivadas e.g. por necessidade de adaptação a novas utilizações. Deste modo, a reparação e o
reforço de estruturas apresenta cada vez mais um papel importante na Engenharia Civil. Nos últimos
anos as actividades de manutenção, reparação, reabilitação e reforço de estruturas têm vindo a
ganhar um peso cada vez maior no sector da construção civil em Portugal (Figura 1.1).
Figura 1.1 – Evolução dos trabalhos de reabilitação em Portugal de [1]: a) 1990 – 2010; b) 2011 – 2030; c) Mercado de Reabilitação em Portugal.
Existe um número considerável de técnicas a que se pode recorrer para a execução de operações de
reforço estrutural. No caso de pilares em betão armado, algumas destas incluem o seu
encamisamento através de betão, aço ou de materiais de compósitos, Fiber Reinforced Polymer
(FRP). Actualmente, verifica-se um aumento no uso dos FRP neste contexto pois apresentam
inúmeras vantagens e competitividade económica, conduzindo a um aumento da capacidade
resistente dos pilares, da sua ductilidade e da sua capacidade de absorção de energia, por efeito do
confinamento em toda a altura do pilar ou apenas em troços críticos [2]. As mantas de FRP também
aumentam a resistência ao corte do pilar e previnem roturas prematuras na sequência, por exemplo,
da acção sísmica [3].
O estudo aqui descrito teve por objectivo fazer a prova de um novo conceito de reforço de pilares de
betão por encamisamento híbrido de FRP, tendo como motivação principal as diferenças em termos
de módulo de elasticidade e custos das fibras comercializadas: carbono, aramida e vidro. O estudo do
encamisamento híbrido surge da necessidade de tentar obter um incremento de resistência
considerável para pilares de betão, através da junção de um material de reforço mais caro com um
material mais barato, tornando assim o sistema de reforço mais económico. O estudo do sistema
16%
84%
Trabalhos reabilitação
Trabalhos novos
44,9%
55,1%
Trabalhos reabilitação
Trabalhos novos
Edifícios Residenciais
47,0%
Edifícios Não
Residenciais 20,0%
Património Monumental
19,0%
Eficiência Energética
7,0%
Infra-estruturas
7,0%
a) b) c)
-
Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP
2
híbrido, baseou-se essencialmente na análise experimental, tendo sido realizadas várias séries de
ensaios de compressão até à rotura de modelos de pilares circulares em betão. Os modelos
experimentais de cada série foram concebidos de forma a avaliar, principalmente, a influência do tipo
de FRP adoptado no encamisamento. Ensaiaram-se modelos com encamisamentos constituídos por
apenas um tipo de fibra e modelos com encamisamentos constituídos por dois tipos de fibra, aqui
designados sistemas híbridos. Em todos os modelos reforçados foram adoptadas três camadas de
FRP.
1.2 Objectivos da dissertação
A presente dissertação pretende contribuir para o aprofundamento dos conhecimentos existentes no
domínio do reforço de pilares de betão, através da proposta e estudo de uma técnica inovadora de
encamisamento híbrido de FRP.
A metodologia adoptada no desenvolvimento deste trabalho foi a seguinte:
Realização de uma pesquisa bibliográfica, de forma a obter uma síntese e a tomar um
conhecimento actual das contribuições relevantes nesta área;
Definição de um programa experimental que permitisse avaliar o confinamento de pilares de
betão de secção circular com compósitos de FRP reforçados combinando vários tipos de fibra
(carbonos de reduzido e elevado módulo de elasticidade, aramida e vidro);
Observação experimental do comportamento à compressão dos modelos de pilares de betão
confinados com compósitos de FRP reforçados com vários tipos de fibra;
Confrontação dos resultados experimentais com modelos analíticos propostos por diferentes
autores.
Os principais objectivos que orientaram a definição deste trabalho foram os seguintes:
Definir a influência do tipo de fibra;
Avaliar a eficácia de encamisamentos híbridos;
Caracterizar a influência da disposição de camadas de reforço nos sistemas híbridos;
Avaliar a adequação dos modelos teóricos existentes na literatura na previsão do
comportamento de pilares reforçados por encamisamento de FRP.
1.3 Organização do documento
A presente dissertação encontra-se estruturada em sete capítulos de acordo com os objectivos
definidos.
O primeiro capítulo faz um breve enquadramento sobre a necessidade crescente de reparar e
reforçar as estruturas e em como, neste contexto, o reforço com FRP se apresenta como uma
alternativa interessante relativamente às técnicas correntes.
-
Introdução
3
No segundo capítulo, com base na pesquisa bibliográfica efectuada, são apresentadas as principais
características, vantagens e desvantagens do reforço de pilares com materiais compósitos de FRP, e
indicam-se os materiais e tecnologias associados a esta técnica.
O terceiro capítulo, igualmente baseado na pesquisa bibliográfica efectuada, apresenta uma
compilação de vários modelos teóricos que permitem estimar o efeito do confinamento em elementos
de betão com compósitos de FRP, incluindo alguns contidos em propostas normativas. Apresenta-se
ainda, o resumo de alguns trabalhos experimentais de investigação sobre confinamento com FRP,
onde se estudam diversos parâmetros que influenciam o comportamento do betão confinado com
FRP.
No quarto capítulo apresenta-se o programa experimental que serviu de base ao estudo do
confinamento de pilares de betão de secção circular com vários tipos de FRP: carbon fibre reinforced
polymer (CFRP), high modulus carbon fibre reinforced polymer (HM CFRP), aramid fibre reinforced
polymer (AFRP) e glass fiber reinforced polymer (GFRP). No início deste capítulo, faz-se a
caracterização dos modelos de pilares e dos sistemas de FRP adoptados no confinamento, bem
como os respectivos procedimentos de aplicação. Na segunda parte, apresentam-se os resultados
dos ensaios de caracterização dos materiais utilizados na produção dos modelos. Na terceira parte é
feita uma descrição relativamente ao sistema de ensaio e instrumentação dos modelos. Finalmente,
são apresentados os resultados dos ensaios de compressão até à rotura das catorze séries de
modelos ensaiadas, cada uma delas constituída por dois modelos iguais. Em duas destas, uma para
cada tipo de betão adoptado, os modelos não foram reforçados, servindo assim como referência. As
restantes doze séries foram confinadas com três camadas de mantas de FRP, nomeadamente:
HM CFRP, CFRP, AFRP, GFRP e oito séries com soluções híbridas, constituídas por combinações
dos FRP anteriormente referidos, adoptando-se sempre duas camadas de um mesmo FRP e uma
camada de um FRP diferente.
O quinto capítulo apresenta uma análise global dos resultados dos ensaios experimentais realizados,
a caracterização do comportamento à compressão do betão confinado com FRP e uma análise de
custo/benefício onde se quantifica a relação entre o custo e o acréscimo de resistência obtida com
cada uma das séries confinadas.
O sexto capítulo apresenta em primeiro lugar, a comparação dos resultados experimentais com os
resultados teóricos obtidos através dos modelos teóricos considerados no terceiro capítulo. Em
segundo lugar, são propostas duas expressões para estimar a tensão de rotura do betão confinado
com sistemas híbridos de FRP.
No sétimo capítulo apresentam-se as principais conclusões deste estudo e sugerem-se alguns
aspectos para desenvolvimento futuro.
-
Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP
4
-
Reforço de pilares com compósitos de FRP
5
2 Reforço de pilares com compósitos de FRP
2.1 Introdução
A necessidade de reabilitação (implicando reparação e/ou reforço) de uma estrutura poderá
encontrar-se associada a diversos factores como: a correcção de anomalias decorrentes de
deficiências de projecto ou de construção, a alteração da geometria da estrutura ou das acções
instaladas, em resultado de nova regulamentação ou da alteração da sua função principal de
utilização [4]. A crescente deterioração das estruturas resultado do seu envelhecimento, ataque de
agentes agressivos, falta de manutenção, ou em resultado de sismos, incêndios ou acções
acidentais, combina-se também como uma necessidade crescente da reabilitação estrutural.
As técnicas de reparação e reforço correntes correspondem ao encamisamento com betão armado
(Figura 2.1a), encamisamento metálico (Figura 2.1b), cintagem com elementos metálicos
(Figura 2.1c), colagem de chapas metálicas (Figura 2.1d) ou a aplicação de pré-esforço exterior com
cordões de aço (Figura 2.1e) ou cintas metálicas (Figura 2.1f).
Figura 2.1 – Técnicas correntes para o encamisamento de pilares de betão armado: a) Encamisamento com betão armado (adaptado de [5]); b) Encamisamento metálico (adaptado de [5]); c) Encamisamento com elementos metálicos (adaptado de [5]); d) Encamisamento com colagem de chapas metálicas (adaptado de [5]); e) Encamisamento com cordões de aço pré-esforçados num pilar quadrado (adaptado de [6]); f) Encamisamento com cintas metálicas pré-esforçadas (adaptado de [7]).
Nos últimos trinta anos, o sistema de reforço com materiais compósitos de matriz polimérica
reforçada com fibras, designados por compósitos de FRP, tem sido sucessivamente mais adoptado.
Estes materiais já eram contudo utilizados em diversas indústrias, em especial no domínio das
engenharias aerospacial (Figura 2.2a), naval (Figura 2.2b) de defesa e aeronáutica (Figura 2.2c),
tendo despertado o interesse por parte da engenharia civil, devido às vantagens que apresentam
relativamente aos materiais tradicionais. Os materiais compósitos, e em particular os FRP, são
a) b) c)
d) e) f)
-
Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP
6
sinónimo de uma procura constante de materiais de elevada resistência e durabilidade, fáceis de
manusear, transportar e aplicar [4].
Figura 2.2 – Aplicações de materiais compósitos em diversas indústrias: a) Nave espacial SpaceShipOne e o seu veículo de lançamento White Knight (adaptado de [9]); b) F-16 da aviação militar Norte Americana (adapatado de [10]); c) Barco de recreio com casco totalmente em compósito de fibras de vidro [11].
Entre a década de 50 e a década de 60 do século XX, verificaram-se as primeiras aplicações de
materiais compósitos na área da construção em dois projectos experimentais denominados
“Monsanto House of the Future” (Figura 2.3a) e “American Pavilion in Brussels” (Figura 2.3b), em que
no revestimento das suas fachadas foram utilizados compósitos de fibra de vidro, conferindo um
aspecto vanguardista a estes edifícios [12].
Figura 2.3- Primeiras aplicações de FRP na engenharia civil: a) “Monsanto House of the Future” com revestimentos em compósitos de fibra de vidro [13]; b) “American Pavillion in Brussels” com fachadas totalmente em compósitos de fibra de vidro [14].
No final da década de 80 e início da década de 90 do século XX, a descida dos custos dos FRP,
resultado da evolução tecnológica dos processos de fabrico como a pultrusão e da maior procura
destes materiais, acompanhou a necessidade de renovação de um conjunto de infra-estruturas,
sobretudo rodoviárias, com exigências de funcionalidade crescentes. O desenrolar de projectos-
piloto, apoiados pela indústria e por organizações governamentais, em paralelo com o crescimento do
esforço de investigação, contribuiu para uma aceitação cada vez maior destes materiais em
aplicações do sector da construção. Este tema estimulou frentes de trabalho em localizações
distintas, destacando-se o Japão interessado na pré-fabricação e no pré-esforço por pré-tensão, a
América do Norte empenhada nas soluções para problemas de durabilidade, e a Europa preocupada
com as necessidades de preservação do património histórico [12]. Na década de 1990 deu-se início a
uma série de conferências internacionais com o objectivo de discutir aspectos específicos do uso
destes materiais compósitos na engenharia civil. Desde então, tem sido desenvolvida uma grande
diversidade de produtos desde armaduras para estruturas de betão (incluindo varões e cabos de
a) b) c)
a) b)
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Reforço de pilares com compósitos de FRP
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pré-esforço), cabos para pontes suspensas, perfis estruturais, painéis de laje pré-fabricados, até
laminados e mantas para reforço de estruturas existentes [12].
Os FRP poderão ser aplicados a diferentes elementos estruturais de betão como vigas, pilares e
lajes. As aplicações típicas correspondem ao reforço à flexão de lajes e vigas, reforço ao corte de
vigas e pilares e aumento da capacidade resistente de pilares através do efeito de confinamento. No
reforço à flexão de vigas, o FRP é colocado na zona traccionada com as fibras dispostas
paralelamente à direcção principal das tensões. No reforço ao corte de vigas e pilares o FRP é
colocado nas faces laterais, com as fibras dispostas paralelamente à direcção principal de tensões,
actuando como reforço exterior ao corte. O aumento da capacidade resistente de pilares de betão é
conseguido através do encamisamento de FRP [15].
As principais vantagens da aplicação dos FRP resultam directamente das propriedades intrínsecas
aos próprios FRP, como resistência à tracção elevada, peso volúmico muito reduzido, resistência à
corrosão e à fadiga elevada, diversidade e versatilidade dos sistemas comercializados [4]. É ainda
uma técnica fácil e rápida de executar e não provoca grandes alterações nas dimensões das peças.
Em contra ponto, os principais inconvenientes apresentados pelos compósitos de FRP são a
exigência de mão-de-obra especializada, reduzida resistência ao fogo, necessidade de protecção
contra os raios ultravioletas e comportamento elástico até à rotura, i.e. não apresentando o patamar
de cedência associado ao aço.
O reforço de pilares de betão armado com FRP consiste na colagem dos compósitos à superfície dos
pilares, com as fibras orientadas, usualmente, na direcção transversal ao eixo longitudinal do
elemento por forma a aumentar o confinamento ( Figura 2.4). Para o efeito, utilizam-se mantas,
tecidos ou tubos pré-fabricados. Os tecidos e as mantas caracterizam-se por possuírem elevada
flexibilidade no momento de aplicação, sendo facilmente adaptáveis à geometria das secções
transversais. Os tubos pré-fabricados, além de servirem de armaduras transversais, podem
igualmente ser utilizados como cofragens dos pilares [4].
Figura 2.4 – Orientação das fibras no encamisamento com compósitos de fibras [16].
Normalmente, são utilizados três tipos de compósitos reforçados com fibras: CFRP, AFRP e GFRP.
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Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP
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A utilização do encamisamento com CFRP nas potenciais regiões de formação de rótulas plásticas
nos pilares de betão armado para melhorar o seu desempenho sísmico permite um ganho de
ductilidade por parte do pilar. Este ganho de ductilidade resulta, por um lado, do confinamento do
betão conferido pela cintagem das mantas e, por outro, do aumento de resistência ao corte que
previne este modo de rotura, conduzindo a um modo de rotura por flexão, consequentemente mais
dúctil [17].
2.2 Materiais compósitos reforçados com fibras (FRP)
2.2.1 Fibras
Segundo a “American Society for Testing and Materials” (ASTM) [19], fibras são materiais alongados
com dimensões na razão mínima de 10/1 (comprimento/espessura), com uma área mínima de secção
transversal de 0.05 mm2 e uma espessura máxima de 0.25 mm.
As fibras constituintes dos FRP representam as componentes de resistência e rigidez do compósito e
o seu desempenho é função de parâmetros como o tipo de fibra (composição química), teor de
concentração, comprimento (curtas ou longas) e a sua disposição no seio da matriz. A resistência à
tracção e o respectivo módulo de elasticidade são máximos segundo a direcção longitudinal das
fibras, reduzindo de forma progressiva quando o ângulo analisado se afasta dessa direcção. As
propriedades mecânicas para qualquer orientação das fibras é proporcional à quantidade de fibras
por volume orientado segundo essa direcção (Figura 2.5).
Figura 2.5 – Variação de resistência com a orientação das fibras (adaptado de [20]).
O comportamento exibido pelas fibras é elástico até à rotura, i.e não se verificando tensão de
cedência e deformação plástica, contrariamente ao que se observa com o aço [21, 22].
As fibras em filamento de forma contínua são as que permitem, numa situação de reforço estrutural,
um melhor desempenho do compósito devido à possibilidade de orientar as fibras em direcções
específicas [23].
As fibras contínuas mais usuais no reforço de estruturas correspondem às fibras de carbono (C), de
aramida (A) e de vidro (G).
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Reforço de pilares com compósitos de FRP
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Dos materiais fibrosos de elevado desempenho, as fibras de carbono (Figura 2.6a) são as mais
utilizadas no reforço de compósitos (laminados e mantas) convencionais. Tal deve-se às seguintes
razões [23]:
As fibras de carbono possuem o mais elevado módulo de elasticidade e resistência
específica;
À temperatura ambiente, não são afectadas pela humidade nem por uma grande variedade
de solventes, ácidos e bases;
Os processos que têm sido desenvolvidos para fabrico das fibras e respectivos compósitos
são relativamente acessíveis, quer na produção, quer no custo efectivo.
As fibras de carbono resultam do tratamento térmico de dois precursores orgânicos ricos em carbono,
já existentes sob a forma de fibras. O precursor mais comum é o poliacrilonitrilo, pois proporciona
fibras com melhores características, designadas de PAN. É ainda usual a utilização de fibras pitch
(resíduo resultante da destilação do petróleo), apresentando maior rigidez relativamente a outras
fibras comercializadas [21]. As fibras de carbono possuem coloração preta (Figura 2.6a e b),
apresentam bom comportamento à fluência e fadiga, no entanto, em relação às fibras de vidro e
aramida, exibem pior comportamento ao impacto. De acordo com a sua característica mecânica
determinante, as fibras de carbono classificam-se de resistência elevada (HS – high strength),
resistência ultra elevada (UHS – ultra high strength), rigidez elevada (Figura 2.6b) (HM – high
modulus), rigidez ultra elevada (UHM – ultra high modulus) e rigidez intermédia (IM – intermediate
modulus).
As fibras de aramida (Figura 2.6c) foram introduzidas no mercado no início dos anos 1970, sob o
nome comercial de Kevlar, abrangendo diversas variedades. As fibras de aramida apresentam cor
amarela (Figura 2.6d) e uma estrutura anisotrópica. As fibras de aramida apresentam uma estrutura
molecular muito rígida e, em geral, um elevado módulo de elasticidade e elevada resistência
mecânica [23]. No reforço de estruturas, dada a elevada resistência destas fibras, apresentam
vantagens na aplicação do reforço de colunas, sendo especialmente utilizadas em protecções de
pilares para acções de explosão ou impacto. Quimicamente, as aramidas são susceptíveis à
degradação por soluções ácidas e bases fortes, mas são relativamente inertes a outros solventes e
químicos. Estas fibras apresentam a desvantagem de seres susceptíveis à rotura por fadiga e à
degradação pela radiação ultra violeta [23, 24].
As fibras de vidro (Figura 2.6d) são utilizadas para reforçar matrizes poliméricas, por forma a obter
materiais compósitos estruturais de GFRP, na forma de laminados e componentes moldados. O vidro
é utilizado como fibra de reforço, pois apresenta algumas características favoráveis [23]:
É facilmente extraído do seu estado fundido sob a forma de fibra de elevada resistência;
Tem fácil disponibilidade, associada a reduzido custo, podendo ser produzido num plástico
reforçado com fibras de vidro, utilizando uma diversidade de técnicas de processamento;
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Reforço de pilares de betão por encamisamento híbrido com mantas de FRP
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Como fibra relativamente forte que é, embebida numa matriz plástica, produz-se um
compósito de elevada resistência específica;
Quando agrupada com os vários plásticos, possui uma química inerente que favorece o
compósito em diversos ambientes agressivos.
As fibras de vidro podem ser classificadas em três tipos: E, S e AR. As fibras de vidro do tipo E
(isolamento eléctrico), possuem elevado teor de boro-silicato, alumínio e cálcio, isento ou com
reduzidos teores de sódio e potássio. Após o fabrico, as fibras de vidro do tipo E apresentam boas
propriedades de isolamento térmico. No entanto, apresentam-se desvantajosas quando sujeitas a
meios alcalinos. As fibras de vidro do tipo S (elevada resistência mecânica), são mais resistentes
mecanicamente do que as fibras do tipo E. Apresentam uma relação resistência/peso mais elevada,
apresentando também um custo mais elevado do que as fibras do tipo E, sendo este tipo de fibra
normalmente utilizado para aplicações em que são exigidos elevados desempenhos mecânicos
(aplicações militares e aerospaciais). Apresenta, tal como as fibras do tipo E, a característica de não
ser resistente a meios alcalinos. As fibras do tipo AR (resistência em meio alcalino) são as fibras mais
resistentes a meios alcalinos. Este tipo de fibra é obtido por adiçã