estudo experimental da resistência de aderência entre cfrp ... · resumo este trabalho refere-se...

Estudo experimental da resistência de aderência entre

CFRP e betão em elementos sujeitos a cargas de impacto

de curta duração

Pedro Miguel da Costa Santiago

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Júri

Presidente: Prof. Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito

Orientador: Prof. Giuseppe Barbosa Guimarães

Orientadora: Profª Inês dos Santos Flores Barbosa Colen

Vogal: Prof. João Pedro Ramôa Ribeiro Correia

Novembro de 2011

“O único lugar onde o sucesso

vem antes do trabalho é no dicionário.”

Albert Einstein 1879-1955

i

Resumo

Este trabalho refere-se ao estudo do reforço ao corte de elementos de betão, através da técnica de

colagem exterior de CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono). A motivação para a sua

realização surge do crescente número de estruturas de betão armado que estão, nos dias de hoje, a

atingir o fim da sua vida útil. Logo, o reforço e a reabilitação estrutural assumem um papel decisivo na

manutenção dessas construções e, o uso dos FRP (Polímeros Reforçados com Fibras) aparece como

uma boa alternativa aos tradicionais elementos metálicos (chapas de aço).

Um aspecto fundamental para o sucesso desta técnica é a aderência entre o material de reforço e o

substrato de betão. Face ao exposto, nesta dissertação foram apresentados alguns factores que

influenciam o desempenho da técnica e foi estudada a variável resistência de aderência na interface

betão – CFRP.

Na presente dissertação realizou-se uma investigação experimental sobre os efeitos de cargas de

impacto de curta duração na resistência de aderência entre CFRP e betão. O objectivo foi verificar a

influência da taxa de carregamento na resistência de aderência. A campanha experimental consistiu

em ensaiar 35 provetes, constituídos por blocos cúbicos de betão e tiras de CFRP coladas nas

laterais opostas dos blocos, nos quais se fez variar o modo de carregamento, tendo sido realizados

30 ensaios dinâmicos e 5 ensaios estáticos. Por último, foram adoptados dois comprimentos de

ancoragem, 30 mm e 70 mm, sendo estudado o efeito do aumento dessa variável na resistência de

aderência.

Palavras Chave:

CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono);

Reforço e reabilitação estrutural;

Resistência de aderência;

Cargas de impacto;

Taxa de carregamento;

Betão.

iii

Abstract

The current work refers to the study of shear strengthening of concrete elements, through the external

bonding technique of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers). Its purpose arises from the growing

number of reinforced concrete structures that are, nowadays, reaching the end of their service life.

Therefore, structural strengthening and rehabilitation play a decisive role in the maintenance of these

buildings and the use of FRP (Fiber Reinforced Polymers) appears as a good alternative to traditional

metallic elements (steel plates).

Very important to the success of this technique is the bond between the reinforcing material and

concrete substrate. Given the above, this dissertation presents some factors that influence the

performance of this technique as well as the study of the variable bond strength at the interface

concrete – CFRP.

In the present work an experimental research on the effects of impact loads of short duration on bond

strength between CFRP and concrete was carried out. The aim was to investigate the influence of the

loading rate on bond strength. The experimental work consisted on testing 35 specimens made of

concrete cubic blocks and CFRP strips bonded on opposite sides of the blocks, which varied in the

loading mode, having performed 30 dynamic tests and 5 static tests. Finally, two anchorage lengths

were adopted, 30 mm and 70 mm, and the effect of this variable increase in bond strength was

studied.

Key words:

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers);

Structural strengthening and rehabilitation;

Bond strength;

Impact loads;

Loading rate;

Concrete.

v

Agradecimentos

Desejo expressar o meu reconhecimento a todas as pessoas e entidades que contribuíram, directa e

indirectamente, para a realização e conclusão desta dissertação, tendo plena consciência da

importância de todo o apoio prestado ao longo deste período. Os meus mais sinceros

agradecimentos a todas elas, das quais destaco.

O professor Giuseppe Barbosa Guimarães, meu orientador da PUC-Rio, pela oportunidade e

confiança, pelos ensinamentos prestados, pela forma interessada com que sempre respondeu às

minhas solicitações e pela orientação recebida ao longo da realização desta dissertação.

A professora Inês Flores-Colen, minha orientadora do IST, pelo apoio e confiança demonstrados ao

longo de todo o trabalho, pelos conhecimentos e conselhos de amigo partilhados, pelo rigor científico

incutido e, principalmente, pela disponibilidade constante na revisão dos capítulos.

Os técnicos do Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio, Euclídes, Evandro, José Nilson,

Haroldo e o amigo Júlio Hortz, pela colaboração em todas as etapas da campanha experimental.

A Rheoset, pelo fornecimento de todo o tecido de fibra de carbono e resinas necessárias para esta

pesquisa.

O CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro à

investigação experimental.

Os meus pais Victor e Sónia Santiago, que nunca mediram esforços para tornar possível a realização

dos meus sonhos, dando apoio, carinho e incentivo.

Toda a minha família, pelo apoio, carinho e compreensão transmitidos durante todo o percurso

académico.

Todos os meus amigos, em especial o André Cunha, Pedro Bragança, Diogo Nunes, Christopher

Apps, Ana Louro, Inês Abreu e Margarida Roda pela amizade, ânimo e motivação transmitidos

durante este trabalho.

O Engenheiro Ângelo Batista, Engenheiro Ricardo Mendes e Engenheiro João Cortesão da Tecnovia

S.A, pela confiança depositada e apoio técnico em algumas questões.

A Tecnovia S.A, pelas condições disponibilizadas para a realização da parte escrita do trabalho.

Deus, por me ter abençoado durante toda a vida e ser guia das minhas decisões.

vii

Índice geral

Resumo ..................................................................................................................................................... i

Abstract.................................................................................................................................................... iii

Agradecimentos ........................................................................................................................................ v

Índice geral ............................................................................................................................................. vii

Índice de figuras ...................................................................................................................................... xi

Índice de tabelas .................................................................................................................................... xv

Simbologia ............................................................................................................................................ xvii

1. Introdução ......................................................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento ....................................................................................................................... 1

1.2. Objectivos da dissertação ....................................................................................................... 2

1.3. Estrutura e organização da dissertação .................................................................................. 3

2. Utilização de FRP no reforço e reabilitação de elementos de betão ............................................... 5

2.1. Considerações iniciais ............................................................................................................. 5

2.2. Contextualização histórica e o desenvolvimento dos FRP ao longo do tempo ...................... 5

2.3. Materiais compósitos reforçados com fibras ........................................................................... 7

2.3.1. Tipos de fibras de reforço ................................................................................................ 8

2.3.2. Tipos de resinas ............................................................................................................ 11

2.3.3. Comparação entre materiais compósitos de reforço..................................................... 12

2.3.4. Sistemas e fabricação dos FRP .................................................................................... 14

2.3.5. Identificação dos modos de rotura ................................................................................ 16

2.4. Campos de aplicação dos FRP no reforço exterior por colagem .......................................... 19

2.5. Síntese do capítulo ................................................................................................................ 21

3. Aderência em sistemas de betão – FRP ........................................................................................23

3.1. Considerações iniciais ........................................................................................................... 23

3.2. Factores que influenciam a aderência e o desempenho da técnica de colagem betão – FRP

………………………………………………………………………………………………………...23

3.2.1. Factores ambientais ...................................................................................................... 24

3.2.1.1. Temperatura ambiente .......................................................................................... 24

3.2.1.2. Humidade relativa .................................................................................................. 25

3.2.1.3. Radiação ultravioleta (UV) ..................................................................................... 26

3.2.2. Outros factores .............................................................................................................. 26

viii

3.2.2.1. Comprimento de ancoragem do compósito reforçado com fibras ........................ 26

3.2.2.2. Resistência à compressão do betão ..................................................................... 27

3.3. Estudos experimentais da aderência no reforço exterior ...................................................... 28

3.3.1. Reforço exterior com elementos metálicos ................................................................... 28

3.3.2. Reforço exterior com CFRP sob carregamento estático ............................................... 30

3.3.3. Reforço exterior com CFRP sob carregamento dinâmico ............................................. 33

3.4. Síntese do capítulo ................................................................................................................ 36

4. Campanha experimental ................................................................................................................39


4.2. Materiais utilizados ................................................................................................................ 39

4.2.1. Betão ............................................................................................................................. 39

4.2.1.1. Ensaios de resistência à compressão ................................................................... 41

4.2.2. Compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP) ................................................... 42

4.2.2.1. Fibras de carbono de reforço ................................................................................ 42

4.2.2.2. Ensaio de resistência à tracção do CFRP ............................................................. 43

4.2.3. Resinas .......................................................................................................................... 46

4.2.3.1. Resina de preparação ........................................................................................... 46

4.2.3.2. Resina de regularização ........................................................................................ 46

4.2.3.3. Resina epóxida ...................................................................................................... 47

4.3. Características dos provetes ................................................................................................. 48

4.4. Cofragem utilizada ................................................................................................................. 49

4.5. Designação dos provetes ...................................................................................................... 49

4.6. Preparação do compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP) ................................... 50

4.7. Preparação dos blocos de betão ........................................................................................... 51

4.8. Instrumentação dos ensaios.................................................................................................. 53

4.9. Meios de aquisição de dados ................................................................................................ 54

4.10. Descrição dos ensaios ...................................................................................................... 54

4.10.1. Ensaios dinâmicos ..................................................................................................... 54

4.10.2. Ensaios estáticos ....................................................................................................... 58

4.10.3. Modos de rotura......................................................................................................... 59

4.11. Dificuldades na realização da campanha experimental .................................................... 59

ix

4.12. Síntese do capítulo ............................................................................................................ 60

5. Apresentação, análise e comparação dos resultados ...................................................................63


5.2. Interpretação dos resultados dos ensaios ............................................................................. 63

5.2.1. Resultados dos ensaios dinâmicos ........................................................................... 64

5.2.2. Resultados dos ensaios estáticos ............................................................................. 65

5.3. Cálculo da resistência de aderência e da taxa de carregamento ......................................... 66

5.3.1. Identificação das variáveis e expressões de cálculo..................................................... 66

5.3.2. Resultados para a faixa de colagem 30×75 mm ........................................................... 68

5.3.3. Resultados para a faixa de colagem 70×75 mm ........................................................... 72

5.4. Influência da taxa de carregamento na resistência de aderência ......................................... 74

5.5. Efeito do aumento do comprimento de ancoragem na resistência de aderência ................. 76

5.6. Comparação dos resultados.................................................................................................. 77

5.7. Conclusões do capítulo ......................................................................................................... 83

6. Conclusões e desenvolvimentos futuros ........................................................................................85

6.1. Considerações gerais ............................................................................................................ 85

6.2. Considerações finais ............................................................................................................. 85

6.3. Desenvolvimentos futuros ..................................................................................................... 89

7. Referências bibliográficas ..............................................................................................................91

ANEXOS

A1. Resultados dos ensaios dinâmicos ........................................................................................... A1

A1.1. Resultados dos ensaios dinâmicos para a faixa de colagem de 30x75 mm .................... A1

A1.2. Resultados dos ensaios dinâmicos para a faixa de colagem de 70x75 mm .................. A10

A2. Resultados dos ensaios estáticos ........................................................................................... A16

A2.1. Resultados dos ensaios estáticos para a faixa de colagem de 30x75 mm .................... A16

A2.2. Resultados dos ensaios estáticos para a faixa de colagem de 70x75 mm .................... A17

A3. Modos de rotura dos ensaios estáticos e dinâmicos .............................................................. A18

A3.1. Modos de rotura observados na primeira série para a faixa de colagem de 30x75 mm A18

A3.2. Modos de rotura observados na terceira série para a faixa de colagem de 30x75 mm . A19

A3.3. Modos de rotura observados na terceira série para a faixa de colagem de 30x75 mm . A21

A3.4. Modos de rotura observados na primeira série para a faixa de colagem de 70x75 mm A22

x

A3.5. Modos de rotura observados na segunda série para a faixa de colagem de 70x75 mm A24

A4. Influência da taxa de carregamento na resistência de aderência ........................................... A26

xi

Índice de figuras

Figura 2.1 – Evolução no tempo da utilização da fibra de carbono em função da produção, do campo

de aplicação e do custo ........................................................................................................................... 7

Figura 2.2 – (a) Comparação de algumas propriedades mecânicas, físicas e químicas entre os

materiais compósitos (CFRP) e alguns tradicionais (b) Comparação qualitativa do comportamento à

tracção da fibra, resina e do compósito .................................................................................................. 8

Figura 2.3 – Tipos de fibras (a) Vidro (b) Aramida (c) Carbono .............................................................. 9

Figura 2.4 - Resistência à tracção das principais fibras e do aço ......................................................... 10

Figura 2.5 – Comparação qualitativa do custo, resistência e rigidez de algumas fibras ...................... 10

Figura 2.6 – Comparação dos intervalos de valores da resistência à tracção, rigidez e densidade

mássica dos materiais compósitos mais importantes e do aço ............................................................ 13

Figura 2.7 - Tensão à tracção versus deformação de vários materiais compósitos, aço normal e aço

de pré-esforço ....................................................................................................................................... 13

Figura 2.8 – (a) Laminado de CFRP (b) Esquema do processo de pultrusão ...................................... 15

Figura 2.9 – Sistemas curados “in situ” (a) Tipos de tecidos (b) Manta flexível de CFRP ................... 15

Figura 2.10 – Principais modos de rotura base (a) Esmagamento do betão (b) Cedência da armadura

(c) Rotura por corte (d) Rotura do compósito reforçado com fibras ..................................................... 17

Figura 2.11 – Rotura prematura devido a fendilhação (a) Na zona de ancoragem (b) Por flexão (c) Por

esforço transverso ................................................................................................................................. 18

Figura 2.12 – Rotura prematura devido a (a) Irregularidades no betão (b) Destacamento pela

extremidade do FRP ao nível do recobrimento (c) Destacamento pela extremidade do FRP ao nível

da interface betão – FRP (d) Destacamento pela extremidade do FRP combinando as figuras 2.12b e

2.12c ...................................................................................................................................................... 18

Figura 3.1 – Efeito da penetração de humidade no comportamento da resina .................................... 25

Figura 3.2 – (a) Tensão de aderência – Comprimento de aderência (b) Força de rotura –

Comprimento de aderência ................................................................................................................... 27

Figura 3.3 – Relação entre as resistências à compressão do betão e as tensões de aderência (a)

(Chajes et al., 1996 citado por Meneghel, 2005) (b) Segundo os provetes ensaiados ........................ 28

Figura 3.4 – Montagem dos ensaios adoptada por Meneghel .............................................................. 32

Figura 3.5 – (a) Equipamento utilizado nos ensaios (b) Gráfico da resistência de aderência em função

do tipo de superfície do betão, tendo em conta a nomenclatura dos provetes ensaiados ................... 33

Figura 3.6 – Características dos ensaios de Pellisari (a) Modelo de ensaio e provetes utilizados (b)

Equipamento utilizado e respectivo posicionamento do provete .......................................................... 34

Figura 3.7 – Características e resultados dos ensaios de Rodrigues (a) Equipamento utilizado e

respectivo posicionamento do provete (b) Gráfico da relação entre a taxa de carregamento e a

resistência de aderência ........................................................................................................................ 35

Figura 4.1 – (a) Colocação do betão na cofragem metálica (b) Vibração do betão (c) Alisamento do

betão ...................................................................................................................................................... 40

Figura 4.2 – (a) Moldagem dos blocos de betão (b) Moldagem dos provetes cilíndricos .................... 41

xii

Figura 4.3 – (a) Bloco capeado (b) Pasta usada no capeamento dos blocos ...................................... 41

Figura 4.4 – Prensa utilizada nos ensaios de resistência à compressão ............................................. 42

Figura 4.5 – (a) Manta de fibras de carbono utilizada nos ensaios (b) Manta esticada ....................... 43

Figura 4.6 – Dimensões das tiras de CFRP ensaiados ........................................................................ 43

Figura 4.7 - (a) Aplicação da resina epóxida (b) Passagem do rolo de aço denteado para garantir a

impregnação da resina (c) Colocação das abas de alumínio nas extremidades da tira (d) Colagem dos

extensómetros na região central ........................................................................................................... 44

Figura 4.8 – Execução do ensaio de tracção da tira de fibra de carbono ............................................. 45

Figura 4.9 – Gráfico tensão – deformação específica das tiras ensaiadas .......................................... 45

Figura 4.10 – Aspecto dos componentes A (esquerda) e B (direita) (a) Resina de preparação (b)

Resina de regularização ........................................................................................................................ 47

Figura 4.11 – Aspecto dos componentes A (esquerda) e B (direita) da resina epóxida ...................... 48

Figura 4.12 – Provete de betão com faixa de colagem de (a) 30×75 mm (b) 70×75 mm .................... 48

Figura 4.13 – (a) Pormenor dos perfis metálicos utilizados na cofragem (b) Peças de madeira usadas

na separação dos blocos (c) Barras rosqueadas usadas para unir os perfis ....................................... 49

Figura 4.14 – Corte transversal da cofragem utilizada ......................................................................... 49

Figura 4.15 – (a) Corte das tiras de fibra de carbono (b) Trechos impregnados com resina epóxida (c)

Mesa preparada para receber a colagem das tiras de fibra ................................................................. 50

Figura 4.16 – (a) Marcação do bloco e picagem da faixa de colagem (b) Passagem do álcool

isopropílico na faixa de colagem para remoção de substâncias oleosas (c) Folha de papel de encapar

já com o recorte na faixa de colagem ................................................................................................... 51

Figura 4.17 – (a) Aplicação do primário na superfície dos blocos (b) Série de blocos na fase de cura

em ambiente de laboratório ................................................................................................................... 51

Figura 4.18 – (a) Superfície do bloco com resina de regularização aplicada (b) Série de blocos na fase

de cura em ambiente de laboratório ...................................................................................................... 52

Figura 4.19 – (a) Aspecto final da superfície tratada (b) Série de blocos devidamente tratada ........... 52

Figura 4.20 – (a) Passagem do rolo denteado para uma melhor impregnação da resina (b) Fixação

das tiras de fibra de carbono nas suas extremidades superiores (c) Aspecto final de uma série de

blocos para ensaio ................................................................................................................................ 53

Figura 4.21 – (a) Posicionamento da célula de carga utilizada nos ensaios (b) Pormenor do

extensómetro colado na tira de CFRP (c) Cola de endurecimento rápido utilizada na colagem dos

extensómetros ....................................................................................................................................... 53

Figura 4.22 – (a) Equipamento NI cDAQ – 9174 (b) Ligação do equipamento ao computador ........... 54

Figura 4.23 – (a) Detalhe do equipamento utilizado nos ensaios dinâmicos (b) Equipamento utilizado

nos ensaios dinâmicos (c) Detalhe da vista frontal do equipamento (d) Vista frontal do equipamento 55

Figura 4.24 – Gráfico força – tempo num estado de repouso do perfil (a) Provete S25-2 (b) Provete

A75-1 ..................................................................................................................................................... 56

Figura 4.25 – Gráfico deformação – tempo num estado de repouso do perfil (a) Provete S25-2 (b)

Provete A75-1 ........................................................................................................................................ 57

xiii

Figura 4.26 – Gráfico força – tempo na queda do perfil de uma altura de 30mm (a) Provete S25-2 (b)

Provete A75-1 ........................................................................................................................................ 58

Figura 4.27 – (a) Detalhe do equipamento utilizada nos ensaios estáticos (b) Equipamento utilizado

nos ensaios estáticos ............................................................................................................................ 58

Figura 4.28 – Modos de rotura (a) Destacamento do betão (b) Tracção da fibra................................. 59

Figura 4.29 – (a) Provete cilíndrico com perda de secção em algumas zonas (b) Provetes com

colagem deficiente ................................................................................................................................. 60

Figura 5.1 – Ensaio dinâmico do provete S25-2 (a) Força – tempo (b) Deformação – tempo ............. 64

Figura 5.2 – Combinação dos gráficos força – tempo e deformação – tempo obtidos no ensaio

dinâmico do provete S25-2.................................................................................................................... 65

Figura 5.3 – Gráfico força – deformação obtido no ensaio estático do provete S0-1 ........................... 66

Figura 5.4 – Dados relevantes a retirar dos gráficos força – tempo ..................................................... 67

Figura 5.5 – Gráficos força – deformação obtidos no ensaio: (a) S0-1 (b) S0-3 .................................. 70

Figura 5.6 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S125-1 ....................................................... 70

Figura 5.7 – Gráficos deformação – tempo obtidos no ensaio: (a) S50-2 (b) S50-3 ............................ 71

Figura 5.8 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S50-2.......................................................... 72

Figura 5.9 – Gráficos deformação – tempo obtidos no ensaio: (a) S50-1 (b) S70-1 ............................ 74

Figura 5.10 – Gráficos que relacionam a taxa de carregamento com a resistência de aderência e

respectiva linha de tendência (a) Faixa de colagem de 30×75 mm (b) Faixa de colagem de 70×75 mm

............................................................................................................................................................... 75

Figura 5.11 – Gráficos do ensaio B25-125-E de Rodrigues (a) Força – Tempo (b) Deformação

específica – Tempo ............................................................................................................................... 78

Figura 5.12 – Relação entre a taxa de carregamento e a resistência de aderência obtida por diversos

investigadores, incluindo os resultados da presente dissertação ......................................................... 81

Figura A1.1 – Gráficos obtidos no ensaio S25-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo .......... A1









Figura A1.10 – Gráficos obtidos no ensaio S100-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo ...... A5







xiv



Figura A1.19 – Gráficos obtidos no ensaio A25-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo ...... A10






Figura A1.25 – Gráficos obtidos no ensaio A100-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo .... A13





Figura A2.1 – Gráficos força – deformação obtidos nos ensaios (a) S0-1 (b) S0-2 ........................... A16

Figura A2.2 – Gráfico força – deformação obtido no ensaio S0-3 ...................................................... A16

Figura A2.3 – Gráficos força – deformação obtidos nos ensaios (a) A0-1 (b) A0-2 ........................... A17

Figura A3.1 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S0-1 (b) S25-1.................................. A18

Figura A3.2 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S50-1 (b) S75-1................................ A18

Figura A3.3 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S100-1 (b) S125-1 ........................... A19

Figura A3.4 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150-1 ................................................... A19


Figura A3.6 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S50-2 (b) S75-2................................ A20

Figura A3.7 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S100-2 (b) S125-2 ........................... A20

Figura A3.8 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150-2 ................................................... A20


Figura A3.10 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S50-3 (b) S75-2 ............................. A21

Figura A3.11 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S100-3 (b) S125-3 ......................... A22

Figura A3.12 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150 - 3 ............................................... A22

Figura A3.13 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A0-1 (b) A25-1................................ A22

Figura A3.14 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A50-1 (b) A75-1 ............................. A23

Figura A3.15 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A100-1 (b) A125-1 ......................... A23

Figura A3.16 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete A150-1 ................................................. A23

Figura A3.17 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A0-2 (b) A25-2................................ A24

Figura A3.18 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A50-2 (b) A75-2 ............................. A24

Figura A3.19 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A100-2 (b) A125-2 ......................... A24

Figura A3.20 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete A150-2 ................................................. A25

xv

Índice de tabelas

Tabela 2.1 – Propriedades das fibras usadas nos FRP ........................................................................ 10

Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas das resinas mais usadas a nível estrutural ............................. 11

Tabela 2.3 – Comparação entre sistemas de CFRP ............................................................................ 16

Tabela 2.4 – Tipos de reforço e as suas áreas de investigação ........................................................... 19

Tabela 2.5 – Sistemas de reforço usados e seu campo de aplicação no âmbito do reforço exterior por

colagem de FRP .................................................................................................................................... 20

Tabela 3.1 – Alguns modelos de ensaio para a determinação e caracterização da aderência ........... 31

Tabela 4.1 – Quantidade de material por m3 de betão ......................................................................... 40

Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de resistência à compressão .................................................... 42

Tabela 4.3 – Dimensões mínimas recomendadas pela ASTM D 3039/D 3039M (2000) para ensaios

em CFRP ............................................................................................................................................... 43

Tabela 4.4 – Resultados obtidos nos ensaios à tracção do CFRP ....................................................... 45

Tabela 4.5 – Designação utilizada para os provetes ............................................................................ 50

Tabela 5.1 – Resultados dos ensaios para a faixa de colagem 30×75 mm ......................................... 69

Tabela 5.2 – Resultados dos ensaios para a faixa de colagem 70×75 mm ......................................... 73

Tabela 5.3 – Diferença das médias das variáveis em estudo, segundo os dois modos de colagem

para os ensaios (a) Estáticos (b) Dinâmicos ......................................................................................... 76

Tabela 5.4 – Síntese dos ensaios recentemente realizados no âmbito do reforço exterior com CFRP,

tendo em conta a aderência .................................................................................................................. 79

Tabela A4.1 - Valores obtidos pelas expressões de diversos investigadores e na presente dissertação

............................................................................................................................................................. A26

xvii

Simbologia

Siglas

ACI – American Concrete Institute

AFRP – Polímeros (ou Compósitos) Reforçados com Fibras de Aramida

ASTM – American Society for Testing Materials

CFRP – Polímeros (ou Compósitos) Reforçados com Fibras de Carbono

CV – Coeficiente de variação dos resultados

DP – Desvio padrão dos resultados

fib – Fédération Internationale du Béton

FRP – Polímeros (ou compósitos) Reforçados com Fibras

GFRP – Polímeros (ou Compósitos) Reforçados com Fibras de Vidro

IST – Instituto Superior Técnico

LEM – Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio

NBR – Norma Brasileira

PUC-Rio – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro

UV – Ultravioleta

Notações Escalares Latinas

A – Área da secção transversal do CFRP

bf – Largura do CFRP

Ef – Módulo de elasticidade do CFRP

fb – Resistência de aderência

fc – Resistência à compressão do betão

Fmáx – Força de rotura

ftf – Resistência à tracção do CFRP

la – Comprimento de ancoragem

xviii

N, P – Força aplicada

Tc – Taxa de carregamento

tf – Espessura do CFRP

Tg – Temperatura de transição vítrea

Tgo – Temperatura de transição vítrea da resina no estado seco

Tgw – Temperatura de transição vítrea da resina no estado húmido

Notações Escalares Gregas

εfu – Deformação específica última do CFRP

Δt – Tempo de carregamento

σf – Tensão normal no CFRP

Capítulo 1 – Introdução

1

1. Introdução

1.1. Enquadramento

Grande parte das estruturas de betão armado erigidas está a atingir o fim da sua vida útil, levando a

que o foco da actualidade se centre na manutenção dessas estruturas, principalmente no que diz

respeito ao seu reforço e reabilitação (Juvandes, 1999). Esta necessidade deriva de vários motivos

que podem levar as estruturas a situações de risco como, por exemplo, erros de projecto e/ou

construção, aumento do nível de solicitações e mudança do tipo de utilização da estrutura. Por outro

lado, as estruturas encontram-se também sujeitas à degradação dos seus elementos, seja ela natural

ou por acidente, nomeadamente, devido à acção de agentes externos e ao envelhecimento ou, por

exemplo, incêndios e choques, respectivamente (Rodrigues, 2009).

O engenheiro tem ao seu dispor uma série de técnicas de reforço, designadamente, a adição de

armaduras exteriores, o encamisamento com betão armado “in situ” (ou projectado) ou o pré-esforço

exterior, cabendo-lhe optar pela técnica que melhor se adeque a determinado fim, tendo em conta

que a aplicação e o posterior desempenho do material depende do carregamento e da geometria da

estrutura (Pacheco, 2006; Marreiros, 2005; Neto, 2006). De entre as diversas formas de intervenção

num reforço, a técnica de colagem de armaduras não metálicas, isto é, de materiais compósitos, será

o objecto principal desta dissertação.

A preocupação que existe na necessidade de reabilitar e reforçar as estruturas, faz com que os

profissionais da área desenvolvam cada vez mais estudos, de modo a melhorar os meios tradicionais

e a descobrir novos materiais que apresentem vantagens técnicas, económicas e de desempenho

(Meneghel, 2005). Em alternativa às chapas de aço, as quais são empregues desde o final dos anos

60 como elemento de reforço, surge a utilização dos polímeros reforçados com fibras (FRP), mais

concretamente os CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono). Estes têm-se mostrado

como uma das melhores técnicas de reforço nos últimos tempos devido às suas boas propriedades

em comparação com os elementos metálicos, nomeadamente, a resistência à corrosão, a facilidade

de aplicação e adaptação às várias geometrias das peças, o seu peso e a elevada resistência

mecânica (Pacheco 2006).

O aparecimento destes novos materiais levou a uma crescente utilização desse tipo de reforço, no

entanto, existem aspectos no reforço exterior por colagem que necessitam de ser estudados, de

modo a se aumentar a confiança e o conhecimento relativamente ao comportamento desses

materiais. Um aspecto fundamental na concepção desta técnica é a questão da aderência entre o

material de reforço e o substrato de betão, a qual necessita de um estudo mais aprofundado, no que

diz respeito, por exemplo, à análise da tensão ou resistência de aderência na interface betão – FRP

(Meneguel, 2005).

Ao longo do tempo, têm sido realizados diversos estudos no âmbito das cargas de impacto aplicadas

a estruturas de betão reforçadas com materiais compósitos, na medida em que, este tipo de

Estudo experimental da resistência de aderência entre CFRP e betão em elementos sujeitos a cargas de impacto de curta duração

2

carregamento (dinâmico) distingue-se do carregamento estático por ter uma duração muito pequena

e a taxa de deformação imposta ao material ser bastante superior. Torna-se, pois, importante

perceber o comportamento do elemento de betão reforçado, bem como qual o material a usar, que

seja capaz de suportar as solicitações dinâmicas de pequena duração impostas por este tipo de

carregamento, como é o caso dos choques e impactos acidentais (Rodrigues, 2009; Santos, 2008).

O uso dos materiais compósitos deve ser tomado como mais uma alternativa no reforço exterior por

colagem de elementos de betão e, a sua escolha, além do comportamento mecânico, deve ter em

conta factores como a viabilidade, durabilidade a longo prazo e se é a melhor opção do ponto de vista

económico (Neto, 2006). Contudo, segundo Juvandes (1999): “Quando as propriedades destes

materiais são convenientemente ajustadas às estruturas de betão, sobretudo, através da garantia de

uma adequada ligação ao betão, pela compatibilidade de deformações e da perfeita conjugação

química entre eles, permitem a concepção de estruturas mais leves, mais resistentes e mais

duráveis.”.

1.2. Objectivos da dissertação

A motivação deste trabalho surgiu da necessidade de aprofundar o conhecimento no âmbito do

reforço exterior ao corte de elementos de betão, recorrendo à colagem de CFRP (Polímeros

Reforçados com Fibras de Carbono). Por outro lado, pretendeu-se contribuir para o estudo mais

aprofundado da resistência de aderência em interfaces betão – CFRP, sujeitas ao corte. Para tal, em

acordo com o Instituto Superior Técnico (IST), a investigação experimental foi realizada na Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), que conduz trabalhos de investigação nesta

área. Mais concretamente, pretende-se estudar a influência da taxa de carregamento na resistência

de aderência entre o betão e o CFRP sob cargas de impacto de curta duração.

A campanha experimental consiste em ensaiar provetes constituídos por blocos cúbicos de betão e

tiras de CFRP coladas nas faces laterais opostas dos blocos, os quais devem representar da melhor

maneira o comportamento de um reforço num elemento estrutural, através de ensaios baseados no

modelo de corte de junta dupla tracção-compressão.

Neste contexto, os principais objectivos desta dissertação consistem em:

perceber as vantagens do uso dos CFRP em comparação com os tradicionais elementos

metálicos e com outros materiais compósitos;

compreender de uma forma geral e através de estudos experimentais, alguns dos factores

que influenciam a aderência e o desempenho da técnica de reforço exterior por colagem;

apurar experimentalmente se foram minimizadas nos ensaios dinâmicos, as dificuldades

sentidas por Rodrigues (2009) na medição das deformações específicas e consequente

medição das forças que efectivamente actuam na tira de fibra de carbono, eliminando ou

reduzindo as forças de inércia;

obter uma expressão que relacione a resistência de aderência com a taxa de carregamento;

estudar o efeito do aumento do comprimento de ancoragem na resistência de aderência.

Capítulo 1 – Introdução

3

1.3. Estrutura e organização da dissertação

A estrutura da presente dissertação desenvolver-se-á ao longo de sete capítulos, incluindo a

introdução, as conclusões e as referências bibliográficas, acrescida de quatro anexos, sendo

organizada de acordo com os objectivos pretendidos. Os capítulos que constituem o estado da arte,

com base nas referências bibliográficas disponíveis e pertinentes, contribuem para o estudo do

reforço exterior por colagem de materiais compósitos reforçados com fibras, assumindo especial

relevância os reforçados com fibras de carbono (CFRP). Apresenta-se de seguida uma descrição da

organização desta dissertação.

No capítulo 1, é feito um enquadramento do tema de modo a introduzir o conceito do uso de materiais

compósitos no reforço exterior por colagem de elementos de betão, tendo em conta a importância

que a questão da aderência tem na concepção desta técnica. De seguida, é explicada a motivação

que levou à realização deste trabalho, a metodologia de investigação adoptada e são identificados os

objectivos que se pretendem alcançar. Por último, refere-se o modo como esta dissertação se

encontra estruturada e organizada.

No capítulo 2, descreve-se o resultado da pesquisa bibliográfica sobre o reforço e reabilitação de

elementos de betão, recorrendo ao uso de FRP (Polímeros Reforçados com Fibras), com maior

importância, os polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) e a sua aderência ao betão.

Apresenta-se inicialmente uma contextualização histórica e o desenvolvimento dos FRP ao longo do

tempo e, seguidamente, de uma forma mais detalhada, abordam-se questões relativas aos materiais

compósitos reforçados com fibras, nomeadamente, os tipos de fibras e resinas que existem no âmbito

da construção civil e respectivas propriedades, a comparação entre os vários materiais compósitos de

reforço e os sistemas e tipos de fabricação destes materiais. Por último, descrevem-se ainda os

diversos modos de rotura associados a este tipo de reforço e sintetizam-se os principais campos de

aplicação dos FRP usados no reforço exterior por colagem.

O capítulo 3 aborda o tema da aderência em sistemas de betão – FRP. São apresentados de uma

forma geral, alguns factores que de algum modo influenciam a aderência e o desempenho da técnica

de reforço exterior por colagem de materiais compósitos. Por último, são expostos de uma forma

resumida alguns estudos experimentais que se consideram importantes no âmbito da aderência

betão – CFRP. Inicia-se, no entanto, o tema com uma breve referência à colagem de elementos

metálicos como reforço exterior de elementos de betão e só depois se faz referência ao uso de

CFRP, incluindo estudos em que tenham sido aplicadas cargas de impacto (carregamento dinâmico).

No capítulo 4, é descrita a campanha experimental realizada, nomeadamente, os materiais utilizados,

as características dos provetes bem como da cofragem utilizada, as etapas e os materiais

necessários na aplicação do material compósito. Descreve-se também o equipamento utilizado,

referem-se alguns procedimentos efectuados antes de cada ensaio e, mencionam-se as eventuais

dificuldades sentidas na realização desta campanha.


4

O capítulo 5 destina-se a apresentar e analisar os resultados obtidos nos ensaios da campanha

experimental realizada. Começa-se por explicar a maneira de interpretar os resultados obtidos nos

ensaios e, posteriormente, são calculadas as resistências de aderência, as taxas de carregamento e

todas as variáveis de que estas dependam. Após a observação do modo de rotura dos provetes,

segue-se a avaliação da influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o

betão e o CFRP, obtendo-se uma expressão que as relacione. De seguida, estuda-se o efeito do

aumento do comprimento de ancoragem na resistência de aderência e, por último, comparam-se os

resultados obtidos na presente campanha experimental com os resultados de outros autores que

tenham feito algum tipo de pesquisa nesta temática da aderência betão – CFRP.

No capítulo 6, apresentam-se as conclusões do trabalho desenvolvido de acordo com os objectivos

traçados e, além disso, são ainda sugeridas propostas para desenvolvimentos futuros. A presente

dissertação termina no capítulo 7, onde são expostas as referências bibliográficas que serviram de

base para o desenvolvimento deste estudo e, nos diversos anexos:

A1 – Resultados dos ensaios dinâmicos;

A2 – Resultados dos ensaios estáticos;

A3 – Modos de rotura dos ensaios estáticos e dinâmicos;

A4 – Influência da taxa de carregamento na resistência de aderência.

Capítulo 2 – Utilização de FRP no reforço e reabilitação de elementos de betão

5

2. Utilização de FRP no reforço e reabilitação de elementos de

betão

2.1. Considerações iniciais

Neste capítulo, apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre os aspectos mais relevantes

relacionados com a utilização de FRP (Polímeros Reforçados com Fibras) no reforço e reabilitação de

estruturas de betão. Neste contexto, é feita uma caracterização destes materiais como alternativa aos

tradicionalmente usados, iniciando-se com uma contextualização histórica do tema. Será dada

especial relevância aos materiais compósitos reforçados com fibras de carbono (CFRP) e a sua

aderência ao betão, uma vez que estes são o objecto de estudo nesta dissertação, não deixando, por

isso, de se realizar uma abordagem geral dos materiais compósitos existentes.

Face ao exposto, os objectivos deste capítulo são:

conhecer, caracterizar e comparar os materiais compósitos reforçados com fibras utilizados

no reforço exterior por colagem, no âmbito da reabilitação e reforço de estruturas de betão;

descrever e caracterizar o tipo de fibras e resinas existentes no âmbito da construção civil;

conhecer os sistemas usuais e os tipos de fabricação dos FRP;

identificar os principais modos de rotura;

sintetizar os principais campos de aplicação dos FRP (Polímeros Reforçados com Fibras)

utilizados no reforço exterior por colagem.

2.2. Contextualização histórica e o desenvolvimento dos FRP ao longo do

tempo

O Homem desde sempre tem marcado a história da Humanidade devido à sua contínua exploração

de todas as potencialidades do universo que o rodeia. Os maiores avanços na engenharia estrutural

ocorreram devido ao uso de novos materiais, como é o caso do uso do ferro nos séculos XVIII e XIX,

o qual foi decisivo na altura da Revolução Industrial. Mais tarde, o século XX foi marcante, pois

assinala o aparecimento do betão armado como um dos materiais mais importantes na construção,

principalmente na segunda metade deste século, permitindo a rápida reconstrução após a Segunda

Guerra Mundial (Correia, 2008).

Nos dias de hoje, muitas das estruturas de betão armado estão atingir o fim da vida útil prevista

inicialmente, o que leva a uma maior preocupação no campo da durabilidade das mesmas. A este

factor, nunca foi dada a devida importância e tem sido colocado para segundo plano, o controlo da

qualidade do betão armado na construção. As estruturas de betão armado, geralmente têm um

período de vida longo, durante o qual podem surgir modificações na sua utilização, devido a

alterações na sua geometria ou aumento do nível de solicitações. Outro factor inevitável é o processo

natural de envelhecimento e deterioração das estruturas, ou seja, durante a vida útil de uma


6

estrutura, os materiais empregues interagem com o meio ambiente, o qual é constituído, entre outros,

por agentes agressivos que provocam a referida deterioração (Beber, 2003; Juvandes, 1999).

A durabilidade dos materiais tradicionais tem provocado alterações na regulamentação existente e

nas práticas de dimensionamento. Esta exigência, associada à necessidade de uma maior velocidade

de construção, tem levado ao desenvolvimento de novos materiais estruturais, os quais sejam mais

resistentes à degradação de agentes externos, mais leves e com necessidades de manutenção

reduzidas. Entre estes novos materiais, constam os polímeros reforçados com fibras (FRP), os quais

têm ganho importância com o passar do tempo. Estes materiais compósitos foram desenvolvidos pela

indústria aeroespacial e naval na década de 1940 e logo se expandiram para outros tipos de

indústrias, como a automóvel e a petroquímica. Os FRP mostraram apresentar boas características

em termos de leveza, desempenho mecânico e boa durabilidade quando sujeitos a meios agressivos.

Tais características levaram a um maior interesse na indústria da construção e aumentaram as

aplicações destes materiais compósitos desde a década de 1980 (Correia, 2008).

Um material compósito resulta da combinação de pelo menos dois materiais, que estando juntos

formam um novo que tira partido das melhores propriedades de cada um. Este conceito já não é

novo, uma vez que, já antigamente, os Egípcios utilizavam palha misturada com argila para

fabricação de tijolos melhorando assim o seu desempenho estrutural. Devido ao desenvolvimento da

indústria plástica (a seguir ao início do século XX) tornou-se possível a incorporação de fibras numa

matriz polimérica. A primeira aplicação conhecida destes materiais (FRP) foi no casco de um barco

nos anos 30, contudo, o uso destes em elementos estruturais apenas ocorreu durante os anos 40.

São também conhecidas aplicações deste tipo de materiais em indústrias de petróleo (1948) e, nos

anos 50, devido à boa resistência em ambientes agressivos e ao bom isolamento electromagnético,

os FRP foram utilizados na indústria do papel, química, tratamento de resíduos e estações eléctricas.

As primeiras construções que incluíram FRP na sua constituição datam dos anos 50 e 60, nos quais

se construíram setenta protótipos de casas com no máximo 2 pisos, onde os materiais compósitos

eram usados em fachadas, muitas vezes integrados numa estrutura primária construída com

materiais tradicionais. Estas casas foram abandonadas devido não só aos elevados custos como à

escassez de informação técnica relativamente a estes materiais (Beber 2003; Correia 2008).

No Japão, a produção comercial em grande escala de fibras de carbono surgiu a partir de 1980, onde

os construtores de automóveis, devido à poluição ambiental decidiram diminuir o peso das peças

levando a um menor consumo de combustível. Também nas petrolíferas se decidiu diminuir o peso

dos tubos de bombagem através do uso de fibras de carbono na sua constituição. No final dos anos

80 e início dos anos 90, com a redução dos custos dos FRP (figura 2.1) devido à evolução dos

processos de fabricação como a pultrusão, com o desenvolvimento de projectos-piloto, suportados

por agências governamentais, indústrias e com o interesse crescente de laboratórios de investigação,

levou a uma maior aceitação das soluções baseadas na utilização de FRP. Foram então

desenvolvidas soluções, as quais podem ser usadas na reabilitação e reforço de construções

existentes, ou em novas, como é o caso dos laminados e mantas para o reforço exterior; os cabos de


7

pré-esforço para pontes suspensas e as barras e cabos de pré-esforço para o interior do betão

(Correia, 2008; PUC, s.d).

A nível mundial, o assunto do uso dos materiais compósitos suscitou interesse em três grandes

lugares geográficos, nomeadamente o Japão, onde o interesse é o uso de novos materiais e métodos

de pré-fabricação para reforço sísmico, a América do Norte (EUA e Canadá) nos problemas de

durabilidade das estruturas afectadas pela corrosão e a Europa com preocupações a nível da

preservação do património histórico (Juvandes et al, 1996).

De seguida, será apresentado e explicado o que é um material compósito, as propriedades dos

elementos que o constituem, os vários tipos de materiais compósitos reforçados com fibras que

existem actualmente, entre outras questões, como o seu processo de fabrico e modos de rotura

quando são aplicados a estruturas de betão.

2.3. Materiais compósitos reforçados com fibras

Os materiais compósitos são constituídos, no mínimo, por dois materiais, os quais trabalham em

conjunto. Um aspecto positivo desta junção é o facto de as propriedades resultantes serem diferentes

das propriedades de cada componente, sendo em geral melhores. Partindo deste princípio de

heterogeneidade, os materiais compósitos consistem na conjugação de um material de reforço,

geralmente fibras, as quais têm como principal função o aumento da resistência e, uma matriz, no

caso dos FRP (Polímeros Reforçados com Fibras) de base polimérica (resinas), com o papel de

envolver, proteger e conferir uma boa transferência de tensões entre as fibras.

Figura 2.1 – Evolução no tempo da utilização da fibra de carbono em função da produção, do campo de aplicação e do custo (informação do sistema ZOLTEK citado por Juvandes e Costa, 2002)


8

Da junção destes materiais, surgem então materiais com melhores características mecânicas, físicas

e químicas que os tradicionais como se pode visualizar na figura 2.2a. Por outro lado, através da

figura 2.2b, pode-se constatar o referido acerca das propriedades dos materiais, antes e depois da

sua junção, na formação de um material compósito reforçado com fibras, no âmbito do

comportamento à tracção. O compromisso entre a resistência mecânica e a tenacidade de um

material compósito pode ser obtido pela escolha da natureza e proporção da matriz e das fibras, ou

seja, as propriedades de um compósito dependem dos seguintes factores (Juvandes, 1999; Neto,

2006; Catarino, 2002):

propriedades da resina;

propriedades das fibras;

percentagem de fibras no compósito;

geometria e orientação das fibras no material.

2.3.1. Tipos de fibras de reforço

Como referido no ponto anterior, as fibras são utilizadas como reforço na constituição dos materiais

compósitos. Cada uma das fibras utilizadas apresenta diversas propriedades afectando as

características do material de maneira diferente, sendo as mais importantes, a resistência e o módulo

de elasticidade. Segundo Hollaway (1993) citado por Beber (2003), as principais características das

fibras utilizadas na obtenção dos materiais compósitos são:

elevada resistência e módulo de elasticidade para um melhor desempenho;

reduzida variação de resistência individual entre fibras;

estabilidade e manutenção das suas propriedades ao longo do processo de fabrico e

manuseio;

uniformidade da superfície e dos diâmetros.

Em aplicações na engenharia civil, existem principalmente três tipos de fibras, nomeadamente, as de

vidro, aramida e carbono. As suas propriedades variam conforme o tipo de fibra, podendo variar

dentro de uma mesma classe de fibras. As fibras de vidro usadas no reforço estrutural podem ser de

três tipos: vidro-E (Electrical), vidro-R, S ou T (de acordo com o fabricante) e vidro-AR (Alkali

Figura 2.2 – (a) Comparação de algumas propriedades mecânicas, físicas e químicas entre os materiais compósitos

(CFRP) e alguns tradicionais (Taly, 1998 citado por Juvandes, 1999) (b) Comparação qualitativa do comportamento à

tracção da fibra, resina e do compósito (Neto, 2006)

(a)

(b)

(a)

(b)


9

Resistent). As primeiras são as mais usadas na constituição dos materiais compósitos de matriz

polimérica, evidenciando alguma fragilidade no que diz respeito à deterioração provocada pelos

álcalis, mais evidente em zonas em contacto com a água. As fibra de vidro-R, S ou T também

apresentam mau comportamento em relação aos álcalis, apresentando estas uma maior rigidez e

resistência que as anteriores. Por último, as fibras de vidro-AR têm propriedades semelhantes às

fibras de vidro-E, contudo, a sua resistência à acção dos álcalis é maior. Este tipo de fibras (vidro),

geralmente de cor branca (figura 2.3a), ostenta boas características mecânicas e uma boa resistência

ao fogo (fib, 2001; PUC, s.d).

As fibras de aramida, de cor amarela (figura 2.3b) foram introduzidas pela primeira vez em 1971 e

apresentam, como principais características, a boa resistência à degradação química, térmica e

abrasão, uma elevada resistência ao impacto e, por outro lado, a sua degradação pode ser originada

quando exposta a raios UV. Este tipo de fibras é anisotrópico fornecendo maior resistência segundo a

direcção longitudinal da fibra e podem ser classificadas como de baixo ou elevado módulo de

elasticidade ou rigidez, LM (low modulus) ou HM (high modulus), respectivamente (fib, 2001; Neto,

2006).

Por último, as fibras de carbono, de coloração preta, evidente na figura 2.3c, são as que apresentam

melhores propriedades mecânicas (resistência à tracção e à compressão), as mais resistentes à

acção de agente químicos, são imunes à corrosão e não absorvem água. As fibras podem classificar-

se segundo a sua resistência e rigidez ou módulo de elasticidade, nomeadamente, existem as de

resistência elevada (HS – high strength), resistência ultra elevada (UHS – ultra high strength), rigidez

elevada (HM – high modulus), rigidez intermédia (IM – intermediate modulus) e rigidez ultra elevada

(UHM – ultra high modulus). No que diz respeito à aplicação deste tipo de fibras, as de elevada

resistência (HS) são as mais utilizadas (Rodrigues, 2009; Neto, 2006).

De modo a concluir acerca do que foi referido e das vantagens e desvantagens do uso de cada tipo

de fibra, pode através da tabela 2.1 e da figura 2.4 estabelecer-se uma comparação entre os vários

tipos referidos anteriormente. Na tabela 2.1 estão apresentadas as características mais importantes

das fibras em termos do seu módulo de elasticidade, resistência à tracção, extensão na rotura e

massa específica, isto é, são focados os campos principais a analisar quando se pretende escolher

um determinado tipo de fibra. Por outro lado, na figura 2.4 está representado o gráfico que relaciona

(a)

(b)

(c)

Figura 2.3 – Tipos de fibras (a) Vidro (b) Aramida (c) Carbono (PUC, s.d)


10

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Resistência

à tracção

(MPa)

Extensão

na rotura

(%)

Massa

específica

(g/cm3)

HS 160 - 270 3430 - 4900 1.4 - 2.1 1.8

UHS 215 - 235 3500 - 6000 1.5 - 2.3 1.8

HM 325 - 640 2500 - 4600 0.5 - 1.2 1.8 - 2.1

UHM 440 - 700 2000 - 2400 0.2 - 0.4 2.0

LM 60 - 80 3500 - 4100 4.3 - 5-0 1.5

HM 111 - 130 2900 - 4000 2.4 - 3.5 1.5

Vidro - E 69 - 74 1900 - 3500 3.0 - 4.7 2.5

Vidro - S 85 - 90 3450 - 4800 4.5 - 5.5 2.5

Aramida

Vidro

Tipo de Fibras

Carbono

os valores médios da resistência à tra cção com a extensão máxima na rotura, correspondendo o

declive das rectas ao seu módulo de elasticidade e, além disso, permite estabelecer uma comparação

com as mesmas propriedades do aço. Repare-se então na grande diferença em termos de

características mecânicas das fibras de carbono de elevada resistência (HS) em comparação com o

material tradicional (aço), nomeadamente, a elevada resistência à tracção e módulo de elasticidade

(figura 2.4), apresentando o aço apenas uma maior extensão na rotura.

Através da figura 2.5, torna-se possível comparar qualitativamente as propriedades mecânicas

(rigidez e resistência) com outro factor que é fundamental aquando da escolha do tipo de fibra a

utilizar numa dada situação, o custo. Intuitivamente pode-se verificar que quanto melhores as

características das fibras, maior o seu custo, assumindo as fibras de carbono especial relevância,

devido principalmente ao seu elevado módulo de elasticidade, o qual é o principal influenciador da

subida de custo deste tipo de materiais. As fibras assumem um papel muito importante na garantia de

resistência e rigidez de um compósito, contudo estas têm de estar devidamente envolvidas por uma

resina para que o seu desempenho seja favorável (Neto, 2006). O sistema de resina escolhido tem de

ser adequado à quantidade de fibra utilizada no compósito, de modo a possibilitar o bom

funcionamento destes elementos em conjunto. No ponto que se segue serão então referidos os tipos

de resina correntes e os que mais se utilizam na construção.

Tabela 2.1 – Propriedades das fibras usadas nos FRP (Neto, 2006)

Figura 2.5 – Comparação qualitativa do custo, resistência e rigidez de algumas fibras (Neto, 2006)

Legenda: HS – high strength; UHS – ultra high

strength; HM – high modulus; UHM – ultra high

modulus; LM – low modulus; E – Electrical; S – de

acordo com o fabricante

Figura 2.4 - Resistência à tracção das principais fibras e do aço (Neto, 2006)


11

Poliéster Éster-vinílico Epóxidas

Resistência à tracção [MPa] 20 - 100 79 - 90 55 - 130

Módulo de elasticidade [GPa] 2,1 - 4,1 3,0 - 3,3 2,5 - 4,1

Deformação na rotura [%] 1,0 - 6,0 3,9 - 5,2 1,0 - 9,0

Resistência à flexão [MPa] 125 110 - 149 131

Peso específico [kN/m3] 9,8 - 14,2 10,9 - 12,9 10,8 - 12,7

PropriedadeResinas

2.3.2. Tipos de resinas

Na constituição de um FRP, além das fibras tem que existir um elemento responsável pela sua união

e protecção, sendo este denominado por resina. Vários tipos têm sido formulados para o uso em

vastas gamas de condições ambientais a que estas podem estar sujeitas. Existem dois tipos de

resinas segundo o seu comportamento ao calor, nomeadamente, as termoendurecíveis (ex: poliéster,

viniléster e epóxida) e as termoplásticas (ex: polietileno, polipropileno e polibutileno). As primeiras

caracterizam-se por se formarem através de uma reacção química, a qual é irreversível, a partir do

momento em que forma a sua estrutura molecular. A sua irreversibilidade leva a que sejam infusíveis

e não possam ser reprocessadas, no entanto, estas resinas têm baixa viscosidade, o que leva a uma

boa impregnação das fibras. Por outro lado, as resinas termoplásticas podem ser recicladas uma vez

que a sua reacção química é reversível, contudo, este tipo de resinas apresentam uma grande

viscosidade e piores propriedades adesivas, o que leva a maiores dificuldades na impregnação das

fibras (Correia, 2008).

A maioria dos compósitos é fabricada com resinas termoendurecíveis, sendo as epóxidas, poliéster e

viniléster as mais correntemente utilizadas, representando cerca de 90% do uso a nível da

construção. Assim como as fibras, nas resinas também existem comparações a ser feitas, de modo a

inferir sobre a escolha da melhor resina segundo a utilização que se lhe quer dar. Como se pode ver

na tabela 2.2, as resinas epóxidas são as que apresentam um melhor comportamento mecânico,

principalmente no que diz respeito à resistência à tracção. Além disso exibem uma elevada

resistência à deterioração ambiental, uma excelente aderência a diversos tipos de fibras e substratos

e apresentam baixa retracção durante a cura. Por estas razões, o uso de resinas epóxidas sobrepõe-

se às restantes, no que diz respeito ao uso actual na composição dos FRP. Geralmente as resinas

epóxidas aplicadas na construção são do tipo bi-componente, isto é, são compostas por um agente

principal (resina) e um catalisador (endurecedor) (Beber, 2003; Neto, 2006).

Em conjunto com as características atrás referidas, Hollaway (1993) e a fib (2001) referem que as

resinas têm que:

ser compatíveis e aderentes ao substrato de betão;

Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas das resinas mais usadas a nível estrutural (Nanni et al, 1999 citado por Beber, 2003)


12

unir e proteger as fibras durante o manuseio, fabricação e ao longo da vida útil do compósito;

transferir todas as tensões por atrito ou aderência às fibras;

ser termicamente e quimicamente compatíveis com a fibra;

ser resistentes aos efeitos ambientais, como temperaturas extremas e à água salgada.

Um aspecto a ter em conta, é o facto dos polímeros reforçados com fibras apresentarem uma elevada

tensão de rotura, a qual quando é atingida, caracteriza-se pela rotura das fibras. No entanto, antes de

a rotura ocorrer, já houve fendilhação, a uma pequena escala, da resina envolvente. É certo que a

resistência do material compósito depende em grande maioria da resistência conferida pelas fibras,

mas no caso deste estar sujeito a ataques de agentes agressivos, se a resina já tiver fissurada, por

exemplo na presença de água, a longo prazo acaba por diminuir grande parte das suas

características resistentes. Deste modo, pode-se classificar a rotura por fadiga como sendo por

acumulação de pequenos danos em acções cíclicas (ex: ciclos molhagem/secagem), e neste campo,

as resinas epóxidas quando comparadas com as restantes, apresentam um melhor comportamento

(Neto, 2006).

2.3.3. Comparação entre materiais compósitos de reforço

Os materiais compósitos resultam da combinação das fibras de reforço com a resina, a qual

geralmente é termoendurecível. Um aspecto muito positivo na concepção destes materiais é o facto

de se conseguirem obter materiais compósitos de elevada rigidez e resistência, associado a uma

menor densidade do material quando comparados com os materiais tradicionais, originando uma

grande diversidade em termos de campo de aplicação destes materiais.

Com base nas fibras referidas no ponto 2.3.1 anterior, actualmente é possível construir três tipos de

materiais compósitos:

GFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Vidro);

AFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Aramida);

CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono).

Com tudo o referido em relação às fibras e às resinas, em termos de características mecânicas,

importância e função de cada um na constituição do material compósito e sem querer tirar

importância à resina aplicada, pode-se facilmente constatar e observar pelas figuras 2.6 e 2.7, que os

polímeros reforçados com fibras de carbono são os mais resistentes. Ou seja, visto que a capacidade

resistente de um material compósito é maioritariamente garantida pelas propriedades mecânicas das

fibras e, sendo as de carbono as com mais elevado desempenho mecânico, então existe uma boa

justificação para que os CFRP sejam muito aplicados no domínio do reforço estrutural.

Ainda da observação da figura 2.6, no que diz respeito à resistência e à densidade mássica, é comum

os materiais reforçados com fibras apresentarem um bom desempenho, contudo, no que diz respeito

à rigidez, os CFRP distinguem-se dos restantes materiais. Da figura 2.7 é possível inferir sobre a

relação entre a resistência à tracção e consequente deformação, observando-se um melhor


13

desempenho dos polímeros reforçados com fibras de carbono, quando comparados com os outros

compósitos e aços, normal e de pré-esforço, sendo mais evidente a comparação com o aço normal.

Com a evolução neste campo dos materiais compósitos tornou-se possível substituir as usuais

chapas de aço utilizadas no reforço de estruturas. Surgiu então a ideia de efectuar este reforço

através de mantas, tecidos ou laminados de fibras, podendo estas ser unidireccionais (fibras

alinhadas numa só direcção), bidireccionais (fibras alinhadas perpendicularmente em duas direcções)

ou aleatórias (fibras distribuídas aleatoriamente em várias direcções).

Figura 2.7 - Tensão à tracção versus deformação de vários materiais compósitos, aço normal e aço de pré-esforço

(Abdelrahman e Rizkalla, 1997 citado por Juvandes, 1999)

Figura 2.6 – Comparação dos intervalos de valores da resistência à tracção, rigidez e densidade mássica dos materiais compósitos mais importantes e do aço (Neto, 2006)


14

Destacam-se então os polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP), maioritariamente por

(Beber, 2003; Rodrigues, 2009):

manterem a elevada resistência e rigidez para temperaturas mais elevadas, devido ao uso da

resina epóxida;

apresentarem a maior relação entre a rigidez e resistência com o seu peso próprio;

serem resistentes ao ataque químico e à corrosão;

apresentarem uma grande versatilidade no que diz respeito a aplicações em engenharia;

apresentarem uma grande capacidade de adaptação a várias formas devido à sua boa

flexibilidade.

Actualmente, o conhecimento sobre os materiais compósitos no âmbito do reforço estrutural está

mais evoluído, não se tratando apenas de conhecer os materiais constituintes, mas também todo o

desenvolvimento e pesquisa efectuada, os manuais de aplicação e também o processo de fabrico

utilizado na concepção dos mesmos.

2.3.4. Sistemas e fabricação dos FRP

A escolha dos compósitos reforçados com fibras para o reforço estrutural, não depende só das

características já referidas, como o custo, a resistência e a rigidez dos seus componentes. Um

aspecto a ter em conta são as alterações que estas propriedades podem ter consoante o processo de

fabrico e as condições futuras em serviço (ex: condições climatéricas e agressividade do meio).

Atendendo ao tema da dissertação, serão focados os processos de fabrico e correspondentes

sistemas no âmbito dos compósitos reforçados com fibras de carbono (CFRP). No que diz respeito ao

processo de fabrico, este pode variar entre a impregnação manual e a pultrusão, através dos quais se

torna possível obter dois sistemas de polímeros reforçados com fibras, nomeadamente, os curados

“in situ” e os pré-fabricados, respectivamente.

Em relação aos sistemas pré-fabricados, a forma mais comum produzida são os laminados do tipo

unidireccional (figura 2.8a). Estes sistemas são obtidos através da impregnação de uma tira de fibra

com resina termoendurecível e consolidadas através de um processo denominado por pultrusão

(figura 2.8b), o qual permite controlar a espessura e a largura do compósito garantindo bons

resultados em termos de resistência e rigidez na direcção longitudinal. Este processo é contínuo e

passa por diversas fases como a tracção e extrusão das fibras, a submersão destas em resina que

depois passa por um molde aquecido ou câmara de cura, onde termina o processo de impregnação.

A vantagem deste processo é a garantia de um compósito com uma secção final constante, melhor

rigidez à flexão, volume máximo de fibras da ordem dos 70%, rapidez e precisão na colocação. Por

outro lado, cria algumas desvantagens, como a difícil aplicação do laminado em superfícies que não

sejam planas (Beber, 2003; Juvandes, 1999; Neto, 2006).

Os sistemas curados “in situ” seguem uma metodologia que exige um maior controlo de qualidade na

execução dos compósitos, isto é, como o próprio nome indica, são impregnadas as fibras com resina

perto do local onde vai ser aplicado o reforço, logo não existem totais garantias, por exemplo, do


15

controlo da espessura do compósito. Neste caso, a resina surge não só como matriz, mas também

como meio de aderência do FRP ao betão.

Estes sistemas surgem usualmente sob a forma de tecidos ou mantas/folhas (unidireccionais) como

se pode ver nas figuras 2.9a e 2.9b, os quais apresentam vantagens como é o caso da facilidade de

aplicação em qualquer superfície devido à capacidade de se deformar antes de se impregnar as

fibras de carbono em resina (Juvandes, 1999; Neto, 2006).

Na tabela 2.3, encontram-se resumidas algumas características dos sistemas de compósitos de fibras

de carbono (CFRP), referidos anteriormente. Pode-se concluir que a principal vantagem dos

laminados, através da sua pré-fabricação, é a garantia de uma maior incorporação de fibras de

carbono no compósito, tornando-o portanto mais espesso. As várias aplicações dos laminados,

mantas e tecidos serão posteriormente analisadas no ponto 2.4. No entanto, no que diz respeito a

todos os sistemas referidos, muitas das vezes após serem aplicados na estrutura acabam por não

desempenhar o seu papel devido a roturas prematuras, ao longo da ligação betão – CFRP, fazendo

com que haja o destacamento prematuro do material de reforço. Convém então perceber que modos

de rotura existem, de maneira a poder haver um maior controlo na execução deste tipo de reforço.

(a)

(b)

Figura 2.9 – Sistemas curados “in situ” (a) Tipos de tecidos (Ray Publishing, 1999 citado por Juvandes, 1999) (b) Manta flexível de CFRP (Juvandes, 1999)

(a)

(b)

Figura 2.8 – (a) Laminado de CFRP (Ferrari e Padaratz, 2004) (b) Esquema do processo de pultrusão (Beber, 2003)

(b)


16

CFRPQuantidade

de fibras

(g/m2)

Quantidade

de fibras no

compósito

(%)

Espessura do

compósito

(mm)

Espessura

de cálculo

(mm)

Folhas 200 - 400 25 - 40 0.35 - 0.65 0.11 - 0.23

Tecidos 300 - 500 25 - 35 0.90 - 1.60 0.27 - 0.45

Laminados 200 - 400 65 - 75 1.00 - 1.40 1.00 - 1.40

2.3.5. Identificação dos modos de rotura

A identificação dos modos de rotura assume um papel fundamental na compreensão do

comportamento de materiais usados no reforço exterior, para que se torne possível o estabelecimento

de critérios de dimensionamento e de prevenção. Segundo Juvandes (1999): ”A compatibilidade de

deformações entre os materiais é a coluna dorsal do comportamento de uma ligação e a responsável

pelo estabelecimento do critério de reforço de estruturas (aumentos de resistência, de rigidez e de

ductilidade).” Ou seja, para que um material compósito reforçado com fibra desempenhe as funções a

que foi destinado em relação ao reforço exterior, este necessita garantir uma boa adequação à

superfície, principalmente em relação à aderência. Deste modo, garante-se que os materiais

trabalham em conjunto e que as características mecânicas do elemento reforçado sejam

incrementadas.

Serão então aqui referidos e explicados de forma sucinta os principais modos de rotura mencionados

por Neto (2006), Juvandes (1999) e fib (2001), no âmbito do reforço à flexão de estruturas reforçadas,

apesar de ao longo dos anos, vários autores terem realizado pesquisas nesta área dos modos de

rotura, ou também denominados por, modos de ruína. No que diz respeito aos laminados de CFRP,

podem ser observados nos trabalhos de Kaiser (1989), Meier et al. (1993) e Deuring (1993), no

entanto, na área dos sistemas curados “in situ”, isto é, utilizando mantas ou tecidos, vários autores

investigaram os modos de rotura como Triantafillou e Fardis (1991), Ritchie et al. (1991),

Saadatmanesh e Ehsani (1991), Sharif et al (1994) ou, mais tarde, Büyüköztürk e Hearing (1997;

1998).

Os modos de rotura, segundo Juvandes (1999), podem-se dividir em duas categorias,

nomeadamente, as roturas prematuras e as clássicas ou também chamadas de roturas de base. As

roturas prematuras ocorrem antes de se verificarem as roturas de base e são identificadas através do

escorregamento e perda de aderência entre os materiais. Por outro lado, as roturas de base são

associadas à interacção completa entre materiais, existindo as por flexão do elemento reforçado e

devido à acção do esforço transverso. Em relação às principais roturas de base, podem ocorrer as

seguintes situações:

esmagamento do betão (figura 2.10a);

Tabela 2.3 – Comparação entre sistemas de CFRP (Ripper, 1999 citado por Neto, 2006)


17

cedência da armadura (figura 2.10b);

rotura por corte no betão (figura 2.10c)

rotura por tracção do compósito reforçado com fibras (figura 2.10d).

Actualmente, os modos de rotura prematuros são os principais focos de estudo e análise, na medida

em que devido a estes existe um subaproveitamento das características dos materiais pois a sua

rotura, como o próprio nome indica, ocorre numa fase inicial do carregamento. Assim, a rotura por

perda de aderência, ou destacamento prematuro do FRP (“peeling off”) constitui uma situação a

atender, no âmbito do reforço exterior com FRP em elementos de betão.

Em relação aos modos de rotura prematuros, tem-se numa primeira instância, os que são devidos à

fendilhação, na medida em que se dá o destacamento do reforço devido a zonas de ancoragem

pouco ou nada fendilhadas, fendas derivadas da flexão e do esforço transverso, como se pode ver

nas figuras 2.11a, 2.11b e 2.11c, respectivamente. Todos estes tipos de rotura podem ser encarados

de forma idêntica, ou seja, aquando da abertura de uma fenda, as tensões de tracção aí instaladas

são transferidas para o reforço exterior (FRP), o que também leva a um aumento das tensões de

corte na interface entre o betão e o FRP. Assim sendo, quando a tensão de corte na interface atinge

o seu valor crítico, começa a dar-se o escorregamento junto à fenda em direcção a uma das

extremidades do reforço, em geral, a que estiver mais perto. Nas fendas devido ao esforço transverso

(figura 2.11c), a acrescentar às forças de tracção e de corte na interface anteriormente referidas,

ainda se pode observar, que devido ao seu desenvolvimento, a abertura da fenda potencia a

existência de tensões normais à interface entre o betão e o FRP favorecendo a probabilidade de

rotura.

Seguidamente, outro agente que potencia a rotura são as forças de desvio devido às irregularidades

do betão, como se pode ver na figura 2.12a.

(a)

(b)

(d)

(c)

Figura 2.10 – Principais modos de rotura base (a) Esmagamento do betão (b) Cedência da armadura

(c) Rotura por corte (d) Rotura do compósito reforçado com fibras (Juvandes, 1999)


18

Estas forças agravam-se se actuarem na secção mais traccionada do elemento de reforço (FRP),

devendo-se por isso ter cuidado na preparação da superfície, em ordem a evitar que tal rotura

aconteça. Por último, outro tipo de rotura prematura, é a rotura por corte da viga numa das

extremidades do FRP, quando este se localiza a uma certa distância da extremidade. Forma-se uma

fenda que normalmente tende a atravessar o elemento em altura, o que nem sempre acontece. Como

se pode ver na figura 2.12b, a fenda acaba por ficar retida na zona da armadura longitudinal

arrancando a camada de betão do recobrimento. Por outro lado, na figura 2.12c, o destacamento do

reforço acontece ao nível da interface entre o adesivo e o betão, o qual como apresenta uma menor

resistência à tracção em comparação com o adesivo acaba por fazer com que a fenda progrida ao

nível da sua camada superficial. Na figura 2.12d, o que acontece é a ocorrência em simultâneo dos

dois modos de rotura anteriores, nomeadamente, a fenda começa por se desenvolver

superficialmente, acabando por afectar a camada de recobrimento até à armadura longitudinal.

(a)

(b)

(c)

(c)

Figura 2.11 – Rotura prematura devido a fendilhação (Neto, 2006) (a) Na zona de ancoragem (b) Por flexão (c) Por esforço transverso

(a)

(b)

(d)

Figura 2.12 – Rotura prematura devido a (a) Irregularidades no betão (b) Destacamento pela extremidade do FRP ao nível do recobrimento (c) Destacamento pela extremidade do FRP ao nível da interface betão – FRP (d) Destacamento

pela extremidade do FRP combinando as figuras 2.12b e 2.12c (Neto, 2006)

(b)


19

Objectivo do

reforçoÁreas de investigação

1 à flexãopilares (pontes, edifícios), longarinas (pontes),

vigas, lajes, chaminés

2 ao cortepilares (pontes, edifícios), longarinas (pontes),

vigas, paredes, aberturas

3 à compressão pilares (pontes, edifícios)

4prevenção da

deterioraçãochaminés, túneis, postes

Reforço

por

colagem

Técnica de

reparação

2.4. Campos de aplicação dos FRP no reforço exterior por colagem

Nos pontos anteriores, foi possível perceber um pouco da história e foram apresentadas as principais

características dos materiais compósitos, mais precisamente aqueles que são reforçados com fibras

(FRP). Falta então referir os principais campos de aplicação dos FRP no âmbito do reforço exterior de

elementos de betão. Este tipo de reforço é normalmente conseguido através de colagem, contudo, já

antes do aparecimento dos FRP se usavam chapas de aço como armaduras exteriores, sendo estas

fixas por aplicação de um adesivo que promove a ligação entre o betão e a armadura exterior.

Como se pode ver na tabela 2.4, as técnicas de reforço por colagem exterior têm vários objectivos,

como o reforço à flexão, à compressão e ao corte, estando ao longo dos anos a ser testados por

diversos autores em elementos estruturais como lajes, paredes, pilares, vigas, entre outros. Neste

contexto, segundo o ACI 440F (1999) citado por Juvandes (1999), a técnica de reforço por colagem

intervém em três campos principais:

“Rehabilitation” – Recuperação da resistência de estruturas devido à degradação contínua

dos elementos, seja ela natural (ex: agentes externos e envelhecimento) ou por acidente (ex:

choques e explosões);

“Retrofit” – Reforço estrutural de elementos devido a anomalias, erros de projecto e/ou

construção, mudança de utilização, aumento das solicitações e alterações na geometria do

elemento;

“Seismic” – Reforço estrutural tendo em conta a acção sísmica, aumentando a ductilidade e a

resistência ao corte, fazendo com que haja uma aumento da capacidade de deformação para

as acções referidas no regulamento.

Como referido no ponto 2.3.4, os sistemas mais aconselháveis de serem usados no reforço exterior

por colagem de elementos de betão, são os FRP do tipo laminado (sistema pré-fabricado), as mantas

ou os tecidos (sistemas curados “in situ”). Na tabela 2.5, com base na recolha de informação de

diversos autores como Juvandes (1999), Soares e Martins (2006), Santos (2003) e Silva (2002),

pode-se constatar os principais sistemas de reforço, o tipo de reforço a que de destinam, a maneira

como se aplicam e alguns exemplos onde já tenham sido aplicados.

Tabela 2.4 – Tipos de reforço e as suas áreas de investigação (JCI TC952, 1998)


20

Sistema

de

Reforço

ACÇÃO SÍSMICA IMPACTO / EXPLOSÃO

Tipo de reforço e sua aplicação Exemplos

TEC

IDO

S

(bi o

u m

ult

idir

ecc

ion

ais)

CORTE FLEXÃO / CORTE

COMPRESSÃO / DUCTILIDADE

LAM

INA

DO

S /

MA

NTA

S

(un

idir

ecc

ion

ais)

FLEXÃO

Reforço ao corte

com manta

Reforço ao corte

com laminado

Laminados/mantas

de FRP colados

Laminados/mantas de FRP colados

Laminados/mantas de

FRP colados

Laminados de

FRP coladosEnvolvimento com

manta unidireccional

Laminados de FRP colados

Confinamento

com manta unidireccional de

FRP

ACÇÃO SÍSMICA

Tecido de FRP colado ( malha bi-direccional)

Sobreposição de mantas unidireccionais com orientação 0-90°

ou

ACÇÃO SÍSMICA

PILARES OU CHAMINÉS

ou ou

Tecido contínuo de

FRP colado (malha bi-direccional)

ACÇÃO DE IMPACTO

De uma forma geral, através das tabelas 2.4 e 2.5 torna-se possível perceber que os sistemas de

reforço unidireccionais, mantas e laminados, são usados quando uma das direcções do reforço tem

de ser privilegiada, sendo usados no reforço à flexão, ao corte e à compressão de lajes, vigas,

paredes e pilares. Por outro lado, o uso de tecidos bi ou multidireccionais é feito quando se quer

prevenir a acção sísmica e acções de impacto nas estruturas devido às diversas direcções de

carregamento impostas. Todos estes sistemas assumem especial relevância na prevenção da

Tabela 2.5 – Sistemas de reforço usados e seu campo de aplicação no âmbito do reforço exterior por colagem de FRP (Juvandes, 1999; Soares e Martins, 2006; Santos, 2003; Silva, 2002; Degussa, s.d; w1)


21

deterioração das estruturas, na medida em que, por um lado, estas se encontram permanentemente

sujeitas a agressões externas e, por outro, são passíveis a fenómenos como a fendilhação.

2.5. Síntese do capítulo

Neste capítulo foi dado a conhecer, de uma forma geral, o desenvolvimento e a utilização que tem

vindo a ser feita dos polímeros reforçados com fibras (FRP) ao longo dos anos como alternativa aos

materiais tradicionais, como as chapas de aço. Além disso, sabendo que um material compósito

surge da união entre determinadas fibras de reforço e resinas, foram referidos os tipos que existem e

as principais características que as diferenciam. Através da comparação das propriedades, tanto das

fibras como das resinas, tornou-se possível concluir que os polímeros reforçados com fibras de

carbono (CFRP), apesar ainda do seu elevado custo, são os mais utilizados no âmbito do reforço e

reabilitação estrutural. Este facto deve-se a estes materiais compósitos ostentarem boas

características em diversos níveis, nomeadamente, nas propriedades mecânicas, os quais são mais

resistentes à tracção e apresentam uma boa relação entre a rigidez e resistência com o seu peso

próprio, assim como, nas propriedades químicas, onde apresentam uma boa resistência ao ataque

químico e à corrosão. Por outro lado, os CFRP apresentam uma grande versatilidade nas aplicações

na construção civil devido à sua boa flexibilidade que aumenta a capacidade de adaptação a várias

formas.

No desenvolvimento deste capítulo, foram focados os sistemas mais comuns de reforço exterior com

FRP, ou seja, ou sistemas pré-fabricados e os curados “in-situ”, referindo-se algumas vantagens e

desvantagens, assim como o processo de fabrico usado para a obtenção de cada um. Em ordem a se

poder estabelecer critérios de dimensionamento e de prevenção dos reforços utilizados, foram

apresentados os principais modos de rotura estudados por diversos autores ao longo dos anos,

assumindo especial importância nos dias de hoje, as roturas por destacamento prematuro ou perda

de aderência do material compósito, também chamado de “peeling off”.

Por último, foram apresentados os principais campos de aplicação dos FRP no reforço exterior por

colagem, consoante o sistema de reforço a utilizar, de onde se destaca a sua utilização no reforço à

flexão, ao corte, à compressão, à acção sísmica e a acções de impacto.

No próximo capítulo, no seguimento dos objectivos desta dissertação, serão analisados os principais

factores que influenciam a aderência entre o material compósito e o substrato de betão. De seguida,

darão a conhecer-se alguns estudos experimentais efectuados ao longo dos anos, no âmbito da

aplicação de materiais compósitos como reforço exterior por colagem, dando especial relevância ao

uso dos CFRP e ao estudo da aderência na interface betão – CFRP. Outro aspecto importante, e que

será também referido, é a aplicação de cargas de impacto a estes sistemas de reforço.


22

Capítulo 3 – Aderência em sistemas de betão – FRP

23

3. Aderência em sistemas de betão – FRP


Neste capítulo, pretende-se abordar a questão da aderência, no âmbito da técnica de reforço por

colagem exterior de materiais compósitos reforçados com fibras em elementos de betão, mais

propriamente a aderência betão – CFRP, de modo a tentar evitar roturas por falha desta, na medida

em que os mecanismos de aderência são uma das maiores preocupações na utilização deste reforço.

Numa primeira fase serão apresentados, de uma forma geral, alguns factores, sejam eles ambientais

ou de outra natureza, que influenciam o desempenho desta técnica.

Seguidamente, serão apresentados e analisados com maior detalhe, alguns estudos experimentais

que se considerem importantes no âmbito da aderência. No entanto, o tema será iniciado com uma

breve referência à colagem de elementos metálicos como reforço exterior de elementos de betão e a

passagem para o uso dos materiais compósitos, de modo a se perceber a origem desta técnica de

reforço. Devido ao facto de a bibliografia ser extensa nesta temática e o reforço ser maioritariamente

estudado à flexão, os factores que influenciam a aderência e os estudos que forem aqui

apresentados tentar-se-á que estejam relacionados com a campanha experimental realizada nesta

dissertação.

Deste modo, os objectivos deste capítulo são:

identificar e analisar de uma forma geral e através de estudos experimentais, alguns factores

que influenciam a aderência e o desempenho da técnica de reforço exterior por colagem;

apresentar alguns estudos experimentais e respectivas conclusões, no âmbito da aderência,

relativos à técnica de reforço exterior por colagem, numa primeira fase, de elementos

metálicos e por último, de CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbonos), incluindo

estudos em que tenham sido aplicadas cargas de impacto.

3.2. Factores que influenciam a aderência e o desempenho da técnica de

colagem betão – FRP

Para que o recurso à técnica de reforço por colagem exterior seja capaz de aumentar a capacidade

resistente de uma estrutura de forma eficaz, é fundamental que ocorra uma correcta transferência de

solicitações entre o FRP (Polímero Reforçado com Fibras) e o betão. Para tal, torna-se importante

estudar os principais factores que influenciam os mecanismos de aderência entre os materiais

envolvidos no reforço. Actualmente, os mecanismos de degradação do betão, das resinas e das

fibras são conhecidos individualmente. A dificuldade surge quando se juntam os materiais para

funcionar em conjunto, mais especificamente na ligação entre o material compósito e o betão. Na

maioria das vezes, o elemento condicionante no uso deste tipo de reforço são as resinas, as quais

sofrem mais alterações na sua constituição quando comparadas com as fibras, na medida em que


24

estas, praticamente não sofrem alteração/degradação face a exposição ambiental, principalmente as

de carbono.

Os materiais compósitos correm riscos de degradação com consequente influência na aderência,

quando estão sujeitos a temperatura ambiente e humidade relativa elevada, radiação ultravioleta,

impactos/choques, erosão, descargas eléctricas, entre outros (Marreiros, 2005). Contudo, será dada

maior importância aos três primeiros agentes de degradação mencionados, uma vez que, por um lado

são os mais comuns quando se estuda o comportamento a longo prazo destes materiais aplicados no

reforço estrutural e, por outro, são os que se encontram mais referenciados pela generalidade dos

autores consultados. Além disso, o mecanismo de aderência também se encontra afectado por outros

factores como o comprimento de ancoragem ou aderência do reforço e a resistência à compressão

do betão, os quais serão aqui explicados com base em estudos de alguns autores, pois revelam

alguma importância no desenvolvimento desta dissertação.

Existem ainda outros factores que se podiam analisar, presentes nos estudos de Chajes et al (1996)

e Kurihara et al. (2000), como os tipos de adesivo utilizados (ex: resina epóxida, argamassas

cimentícias) ou o tratamento dado à superfície (ex: sem tratamento, picagem, abrasão mecânica). No

entanto, a análise destes factores não é relevante no presente trabalho, uma vez que na campanha

experimental realizada o adesivo e o tratamento dado à superfície foram sempre os mesmos.

3.2.1. Factores ambientais

3.2.1.1. Temperatura ambiente

A temperatura ambiente é um factor que merece extrema importância no âmbito do reforço exterior

por colagem, na medida em que as resinas são as principais prejudicadas por esta. Para

temperaturas elevadas todo o sistema pode ficar comprometido, uma vez que as resinas assumem

um papel importante, não só no que diz respeito à ligação do compósito à superfície do betão como

na distribuição das tensões às fibras de reforço. A partir de uma certa temperatura, o comportamento

do reforço com material compósito tende a piorar. A razão para tal acontecer denomina-se por

temperatura de transição vítrea (Tg), a qual é conhecida por ser a temperatura acima da qual as

cadeias moleculares da resina se começam a mover e tornam a sua estrutura mais flexível,

resultando numa redução da capacidade de colagem, ou até na rotura do sistema de reforço devido à

má distribuição das tensões às fibras e consequente sobrecarga individual dos filamentos (Marreiros,

2005). Por outro lado, segundo Juvandes (1999), as baixas temperaturas tornam as resinas mais

rígidas e mais sensíveis à rotura por fadiga (solicitações cíclicas), no entanto, geralmente a rigidez e

a resistência do compósito mantêm-se inalteráveis.

Atente-se ao facto de, quando se aplicar o reforço, a superfície de betão poder já apresentar-se

fendilhada, o que provoca a existência de vazios na interface betão – FRP. Quando se sujeitam estes

vazios a temperaturas elevadas ou à presença de água congelada, o aumento de volume destes é

inevitável, podendo provocar a rotura na interface. Por outro lado, quando se reforça uma estrutura

através de colagem exterior, estão a unir-se três materiais (fibra – resina – betão) com diferentes


25

coeficientes de dilatação térmica. Ao submeter-se a estrutura a grandes variações de temperatura, o

desempenho do sistema de reforço pode ser substancialmente afectado, na medida em que, os

materiais envolvidos apresentam diferentes comportamentos face à temperatura. Pode-se então

afirmar que os ciclos térmicos são mais gravosos do que a existência de temperaturas

constantemente elevadas (fib, 2001; Grace, 2004; Marreiros, 2005).

É então aconselhável o uso dos compósitos reforçados com fibras de carbono (CFRP) devido à sua

incorporação de fibras de carbono, as quais como já foi referido, apresentam boa resistência a

agentes de degradação externos, assim como o uso de resinas epóxidas, na medida em que

segundo o ACI 440 (2000) estas têm uma Tg (temperatura de transição vítrea) elevada, da ordem dos

60-82°C.

3.2.1.2. Humidade relativa

Este factor ambiental surge como o mais importante na análise do desempenho do reforço exterior

por colagem, na medida em que, todas as resinas, devido à pequena fissuração que se vai

desenvolvendo ao longo do tempo, tornam-se passíveis de absorver água. O acesso deste factor ao

compósito processa-se de várias formas, nomeadamente, por capilaridade na interface resina-fibra ou

ao longo do eixo longitudinal da fibra, por difusão no interior da matriz polimérica (resina) ou através

da penetração em vazios e fendas existentes na estrutura (fib, 2001).

Devido à incorporação de água no material compósito, o principal efeito que se faz sentir ao nível da

matriz da resina é:

Redução da temperatura de transição vítrea (Tg).

Convém referir que este efeito na resina epóxida pode ser parcialmente reversível por secagem do

sistema. No entanto o mesmo não acontece com as resinas poliéster e viniléster, as quais podem, ou

não, ser reversíveis dependendo da temperatura e do tempo de exposição a que estão sujeitas, no

entanto, sabe-se que estas absorvem mais água em comparação com as epóxidas (fib, 2001).

Figura 3.1 – Efeito da penetração de humidade no

comportamento da resina (Taly, 1998 citado por Soares e Martins, 2006)


26

Em relação à redução da Tg, pode-se observar na figura 3.1 que existe um estado inicial da

temperatura de transição (Tgo – seco) do polímero e a rigidez diminui devido ao aumento da

temperatura à qual se expõe o material, fazendo com que a resina passe de um estado vítreo para

um estado plástico, no qual a cadeia molecular da resina se começa a mover e a tornar-se mais

flexível. A questão mais importante surge quando existe a penetração de humidade, pois devido a

esta, passa-se a ter uma temperatura de transição mais reduzida (Tgw – húmido). Ou seja, o aumento

do teor de humidade, leva à diminuição da temperatura de transição vítrea, fazendo com que o

polímero perca rigidez a temperaturas mais baixas, de acordo com o referido anteriormente (Soares e

Martins, 2006).

3.2.1.3. Radiação ultravioleta (UV)

A luz solar, principalmente os seus raios ultravioletas, induzem a existência de reacções químicas nas

resinas de um compósito, alterando as suas propriedades. Este efeito, deve ser tido em conta no

âmbito do reforço exterior, quando a exposição solar é evidente.

Na maioria das vezes, verifica-se a existência de uma alteração da cor ou descoloração do compósito

e, ao contrário do que geralmente se pensa, este fenómeno é apenas uma alteração à superfície e

não um dano físico ou algo que ponha em causa a integridade do reforço, como a diminuição da sua

resistência. No âmbito da construção civil, a preocupação em relação a este factor ambiental prende-

se com elementos reforçados que estejam expostos à radiação UV, como pilares de pontes, não

sendo muito significativos, os reforços à flexão efectuados em vigas. Por outro lado, a radiação UV,

apresenta-se como um factor negativo, pois acaba por abrir microfissuras na resina, permitindo a

acção dos dois factores referidos anteriormente, nomeadamente, a humidade e a temperatura. Em

ordem a remedir esta situação, o reforço pode ser pintado, conferindo-lhe assim resistência à

radiação UV e até melhorar o aspecto estético (fib, 2001; Marreiros, 2005; Soares e Martins, 2006).

Por último, sabe-se que no que diz respeito às fibras, as de vidro e as de carbono não são afectadas

pela radiação UV, ao contrário das de aramida. Em termos das resinas, as de poliéster são mais

passíveis aos raios UV do que as epóxidas, no entanto, se ambas forem expostas, a redução de

resistência será similar. (fib, 2001).

3.2.2. Outros factores

3.2.2.1. Comprimento de ancoragem do compósito reforçado com fibras

O comprimento de ancoragem ou aderência é caracterizado por ser o comprimento ao longo do qual

o reforço está colado ao substrato de betão e no qual existe a absorção de tensões, sem que haja

escorregamento ou este é desprezável. Neste ponto da dissertação pretende-se explicar a relação

entre este comprimento de ancoragem, a tensão ou resistência de aderência e a força de rotura.

Ao longo dos anos, vários autores estudaram este factor, percebendo que a resistência de aderência

é totalmente alcançada para comprimentos de aderência mais pequenos, no entanto, resistem a

cargas de rotura menores. No seguimento do que foi referido, surge o estudo de Chajes et al. (1996),

no qual os autores, como se pode ver pelas figuras 3.2a e 3.2b, retiraram conclusões nesta temática.


27

Através da observação da figura 3.2a, pode-se concluir que quando o comprimento de ancoragem

aumenta, a resistência de aderência diminui, o que mostra que para grandes comprimentos de

reforço a resistência de aderência máxima nunca será atingida. O facto de esta diminuir quando a

área de aderência aumenta, justifica-se por a tensão não ser uniformemente distribuída ao longo de

toda a área reforçada, mas sim apenas naquela que resiste ao carregamento.

Por outro lado, pode-se constatar, na figura 3.2b, que, quando o comprimento de ancoragem

aumenta, a força de rotura também tende aumentar. No entanto, a partir de um certo comprimento de

reforço, a força tende a tornar-se constante (Chajes et al., 1996; Meneghel, 2005). Logo, é importante

descobrir para a optimização do reforço, o comprimento de aderência ou ancoragem, para o qual,

quando se atingir a força de rotura, a resistência de aderência mobilizada seja máxima. Torna-se

difícil este estudo, na medida em que existem diversos modelos de aderência, como por exemplo, os

de flexão ou os de corte, fazendo com que seja muito difícil a elaboração de um modelo só, que

represente a realidade do elemento reforçado.

3.2.2.2. Resistência à compressão do betão

Os mesmos autores, Chajes et al. (1996), procuraram também perceber se existia algum tipo de

relação entre a resistência à compressão do betão e a resistência de aderência do reforço. Está

representado na figura 3.3a o resultado a que os autores chegaram, no qual se pode observar que,

quando a resistência à compressão do betão aumenta, a resistência de aderência também aumenta.

No entanto, segundo estudos mais recentes como os de Meneghel (2005), como se pode ver na

figura 3.3b, Pacheco (2006) e Rodrigues (2009), estes autores chegaram à conclusão que não existe

qualquer tipo de dependência entre as duas variáveis em análise. Portanto, devido aos resultados

terem vindo a ser diferentes com o passar dos anos, tornam a relação entre a resistência à

compressão do betão e a resistência ou tensão de aderência um aspecto a ter em atenção.

Foram aqui apresentados e explicados alguns dos factores, ambientais e outros que se acharam

importantes, que por um lado têm influência na aderência entre o sistema de reforço e o betão e, por

outro, se relacionem com a presente dissertação. De seguida, no âmbito do reforço exterior por

(a)

(b)

Figura 3.2 – (a) Tensão de aderência – Comprimento de aderência (b) Força de rotura – Comprimento de aderência (Chajes et al., 1996 citados por Meneghel, 2005)


28

colagem, tendo em conta mais uma vez a aderência, serão apresentados estudos experimentais

desenvolvidos nesta temática.

3.3. Estudos experimentais da aderência no reforço exterior

Neste ponto, de acordo com o referido, será feita uma revisão bibliográfica da técnica de reforço

exterior por colagem, dando-se uma maior importância ao reforço com CFRP (Polímeros Reforçados

com Fibras de Carbono). Todavia, numa primeira fase, será apresentada de forma sintética, através

de alguns estudos experimentais, a técnica de reforço exterior por colagem de elementos metálicos, a

qual foi pioneira no que diz respeito a este tipo de reforço, bem como a sua comparação com a

aplicação de materiais compósitos. Posteriormente, serão apresentados com um maior detalhe,

estudos experimentais de aderência em sistemas de betão – CFRP, sob acção de carregamento

estático e dinâmico, ou seja, sob aplicação de cargas de impacto no caso do segundo.

3.3.1. Reforço exterior com elementos metálicos

A necessidade de reabilitação e reforço de estruturas é uma prática que tem vindo a ser cada vez

mais utilizada devido a alterações ao nível da geometria ou degradação ambiental das estruturas em

serviço. A origem deste tipo de reforço provém da utilização de elementos metálicos coladas

exteriormente, através das quais se pode estabelecer uma relação com o posterior uso de materiais

compósitos. A técnica de reforço exterior recorrendo à colagem de armaduras metálicas data do final

dos anos 60, início dos anos 70, em França, pelos autores L´Hermite (1967) e Bresson (1971), os

quais realizaram ensaios em vigas de betão reforçadas (Juvandes, 1999). Neste ponto, serão então

apresentados, de uma forma geral, alguns estudos e conclusões, a nível internacional e em Portugal,

no âmbito do reforço com elementos metálicos. Será, no entanto, dada maior importância aos que se

relacionam com a presente dissertação, no que diz respeito aos modelos de aderência por ensaios de

corte e respectiva aderência entre o reforço e o substrato de betão.

Relativamente à durabilidade, isto é, ao comportamento a longo prazo de estruturas reforçadas com

esta técnica surgem os estudos de Calder (1979, 1988) e Calder e Lloyd (1982). Os resultados destes

Figura 3.3 – Relação entre as resistências à compressão do betão e as tensões de aderência (a) (Chajes et al., 1996 citado por Meneghel, 2005) (b) Segundo os provetes ensaiados (Meneghel, 2005)

(a)

(b)


29

autores mostram que após um longo período de exposição do sistema de reforço metálico, a corrosão

é visível na interface resina/chapa, além do seu diagnóstico ser difícil em inspecções rotineiras, o que

compromete a aderência entre os intervenientes no reforço (Beber, 2003).

No que diz respeito ao comprimento de ancoragem, o estudo de Theillout (1983), o qual ensaiou à

tracção dez superfícies de betão com reforço de chapas metálicas coladas, revela que a força de

rotura não depende do comprimento de ancoragem, quando este é superior a 1,75 vezes a altura da

secção de betão onde a chapa está fixa. Mais tarde, Täljsten (1994) inferiu acerca da existência de

um determinado comprimento de ancoragem, no qual se atinge a força máxima ou de rotura, a partir

do qual não se registem aumentos da resistência de aderência do reforço ao substrato (Neto, 2006).

Através de ensaios de corte utilizando chapas metálicas, Swamy et al. (1986) baseando-se no

modelo de corte de junta dupla, ensaiaram-se betões com resistências à compressão compreendidas

entre os 24,9 MPa e os 70,7 MPa, obtendo-se valores para a tensão máxima de corte entre os 2,1

MPa e os 3,3 MPa. Em termos de incremento das propriedades do elemento reforçado, Swamy et al.

(1987) concluíram que a aplicação de chapas de aço nas faces à tracção de vigas de betão conferia

um aumento da rigidez e resistência à flexão, visíveis através do decréscimo de deformações e

fissuras no elemento de betão (Beber, 2003; Neto, 2006).

Em Portugal, o primeiro trabalho publicado no âmbito do reforço com armaduras exteriores metálicas

foi o de Alfaiate (1986), onde este descreve as conclusões a que chegou em ensaios à flexão de

vigas de betão armado, entre as quais, o autor sugere o uso de buchas metálicas de fixação na

extremidade do reforço, prevenindo assim a sua descolagem, ou seja, uma rotura prematura. Ao

longo dos anos foi-se dando uma evolução neste campo. Destaca-se a publicação de Appleton e

Gomes (1997) na Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas, na qual os autores referem

aspectos a ter com conta pelo projectista na utilização de elementos metálicos como reforço exterior,

considerando-se como mais importantes:

recorrer a esta técnica apenas quando a qualidade do betão e as dimensões da peça o

permitem e, quando há deficiências nas armaduras existentes;

neste tipo de reforço, o aço a utilizar deve ser de resistência não muito elevada, para não ter

de haver uma grande deformação até começar a mobilizar a sua capacidade resistente;

a ligação entre os elementos do reforço é feita através de resina epóxida, podendo ou não,

recorrer ao auxílio de buchas metálicas. Além disso, tanto o substrato a reforçar como as

chapas devem ser cuidadosamente preparadas antes da sua união, ou seja, devem ser

removidos o betão degradado e as impurezas e, aumentar a rugosidade do betão existente e

em bom estado. Quanto ao aço, após a sua decapagem deve ser protegido por uma película

plástica de protecção, a qual só se remove, antes da sua aplicação.

O bom desempenho desta técnica depende, em grande parte, da ligação entre o betão e o reforço.

Sendo este efectuado com recurso a elementos metálicos, seja este ao nível dos pilares, lajes ou

vigas, surge por um lado como uma técnica simples, com bom comportamento e de baixo custo,


30

permitindo reforçar o elemento sem que haja um grande aumento das suas dimensões. Contudo,

apresenta desvantagens no que diz respeito à corrosão, podendo interferir na aderência; aos

comprimentos disponíveis, originando a criação de juntas; ao seu elevado peso, dificultando a

trabalhabilidade e o manuseio para aplicação das peças no elemento a reforçar (Neto, 2006).

Neste sentido, diversos autores têm centrado a sua investigação na utilização de FRP como reforço

exterior de elementos de betão. Das principais características dos materiais compósitos em

comparação com os elementos metálicos destacam-se a sua imunidade à corrosão, a facilidade de

aplicação e adaptação a várias geometrias das peças e a relação entre a sua rigidez e resistência

com o seu peso. Por outro lado, a grande desvantagem do uso destes materiais é o seu elevado

custo, quando comparados com os materiais tradicionais, no entanto, actualmente este custo tem

vindo a diminuir. Serão então focados a seguir, os ensaios de diversos autores no âmbito do reforço

exterior com materiais compósitos, mais precisamente o uso de CFRP (Polímeros Reforçados com

Fibras de Carbono), visto tratar-se do material objecto desta dissertação, em conjunto com a análise

da sua aderência ao substrato a reforçar.

3.3.2. Reforço exterior com CFRP sob carregamento estático

No seguimento do referido, o aço é um material que apresenta um comportamento elasto-plástico, ao

contrário dos materiais compósitos que têm um comportamento elástico até à rotura, culminando

numa rotura brusca. O interesse no uso dos materiais compósitos, apesar do seu elevado custo em

comparação com o aço, é a sua resistência. Neste ponto da dissertação, o principal factor em análise

é a aderência entre os materiais a ligar, isto é, a resistência de aderência da ligação colada, sendo

que na generalidade das vezes, é pelo betão que normalmente ocorre a rotura da ligação, na medida

em que a rigidez e a resistência à tracção deste material são factores que limitam o seu desempenho

quando comparados com as mesmas características do material compósito de reforço.

O comportamento da ligação entre estes materiais, assim como a determinação e caracterização da

aderência é uma questão complexa, na medida em que existe a dificuldade em se estipular um

ensaio que represente a realidade física do elemento a reforçar. No entanto, tendo em conta o tipo de

acção induzida à estrutura, como se pode ver na tabela 3.1, os principais ensaios realizados são

baseados em modelos de corte de junta simples, junta dupla e de flexão de elementos prismáticos de

betão reforçados (Meneghel, 2005; Neto, 2006). Além dos supra mencionados, existem também

ensaios de arrancamento, nomeadamente os de tracção (pull off) e de torção (torque test), os quais

não serão analisados neste trabalho por se afastarem dos objectivos propostos. Os estudos

realizados com o passar dos anos, no âmbito do reforço exterior com materiais compósitos, são

maioritariamente acerca de flexão de vigas e encontram-se sistematicamente referenciados na maior

parte dos trabalhos desenvolvidos por diversos autores mais recentes. Tendo em conta que na

campanha experimental da presente dissertação foram realizados ensaios baseados no modelo de

corte de junta dupla tracção-compressão (ver tabela 3.1), serão aqui apresentados, alguns estudos

recentemente realizados e directamente relacionados com o modelo de ensaio utilizado e os

objectivos deste trabalho, nomeadamente, a análise da aderência e os factores que nela têm

influência.


31

Modelo Aplicação da força Esquema

tracção-compressão

tracção-tracção

tracção-compressão

tracção-tracção

Flexão-corte flexão

Corte de junta simples

Corte de junta dupla

No âmbito de ensaios em que tenha sido aplicado um carregamento estático, isto é, sujeito a um

carregamento que varia de forma lenta num determinado período de tempo, surge o estudo

experimental de Meneghel (2005). A autora estudou a aderência entre o betão e CFRP (Polímeros

Reforçados com Fibras de Carbono) através de ensaios baseados em modelos de corte de junta

dupla tracção-compressão, à semelhança da presente dissertação. Os provetes ensaiados eram

constituídos por dois blocos cúbicos de betão (200×200×200 mm) sendo unidos através da colagem

de tiras de tecido de fibra de carbono nas faces opostas desses blocos, com um comprimento de

ancoragem de 150 mm. Como se pode ver na figura 3.4, um dos blocos está fixo e o outro está móvel

(a ensaiar), ou seja, a carga sendo transmitida por um macaco hidráulico no meio dos blocos, o bloco

fixo serve de apoio ao macaco e à célula de carga e o bloco móvel fica livre de se deslocar. A força

Tabela 3.1 – Alguns modelos de ensaio para a determinação e caracterização da aderência (adaptado de Neto, 2006)

Legenda: la – Comprimento de ancoragem; N e P – Força aplicada ao sistema.


32

aplicada é transferida para as tiras de fibra de carbono, tendo sido colada uma chapa de aço na

superfície do bloco móvel e uma rótula no macaco hidráulico para garantir uma distribuição de força

uniforme. Foram ensaiados nove provetes, com três resistências à compressão aos 28 dias de

20,5 MPa, 28,7 MPa e 38,1 MPa e duas larguras do CFRP de 50 mm e 100 mm. O objectivo do

trabalho de Meneghel (2005) foi estudar a influência da resistência à compressão do betão e da

largura do compósito na resistência ou tensão de aderência da interface betão – CFRP.

Os resultados obtidos no estudo desta autora permitiram concluir que:

a tensão ou resistência de aderência não dependeu da resistência à compressão do betão;

a largura adoptada para o compósito de fibra de carbono em nada influenciou a resistência de

aderência;

existiu um comprimento de ancoragem no qual as tensões de aderência se encontravam

distribuídas, assumindo este um valor de 120 mm;

o valor médio da tensão ou resistência de aderência foi de 1,92 MPa, nos ensaios em que o

modo de rotura foi por destacamento do betão.

Na continuidade do estudo de Meneghel (2005), Pacheco (2006) também estudou a aderência entre

o betão e o CFRP por meio de ensaios tracção-compressão, utilizando nos ensaios não só o mesmo

equipamento como se pode ver na figura 3.5a, mas também o mesmo tipo de provetes, apenas

diferindo no comprimento de ancoragem, sendo este de 120 mm em vez de 150 mm. Foram

ensaiados 18 provetes, com três resistências à compressão aos 28 dias de 23,3 MPa, 28,4 MPa e

37,1 MPa e, o objectivo foi estudar a influência da resistência à compressão do betão, do tipo de

carregamento (monotónico crescente ou ciclos de carga descarga) e do tipo de superfície do betão

(lisa ou rugosa) na resistência de aderência, correspondendo a superfície rugosa, à superfície livre do

bloco de betão na cofragem.

À semelhança de Meneghel (2005), Pacheco (2006) concluiu que a tensão ou resistência de

aderência não depende da resistência à compressão do betão e obteve um valor médio para a

resistência de aderência de 1,78 MPa, nos ensaios onde a rotura foi por destacamento do betão.

Além disso, inferiu também que, por um lado, os diferentes tipos de carregamento não influenciaram

a resistência de aderência e, por outro, os diferentes tipos de superfície do betão, pouco

Figura 3.4 – Montagem dos ensaios adoptada por Meneghel (2005)

(a)

(b)


33

influenciaram a mesma resistência, existindo apenas um acréscimo de 5% nas superfícies rugosas

(figura 3.5b).

Apresentaram-se alguns estudos experimentais realizados recentemente no âmbito do estudo da

aderência, sob aplicação de carregamento estático. Os principais parâmetros em análise foram a

resistência à compressão do betão, o comprimento e largura de ancoragem, o tipo de carregamento e

o tipo de superfície do betão, permitindo assim inferir acerca da sua influência na resistência de

aderência. O valor médio desta também foi calculado pelos autores, observando-se uma similaridade

nos valores obtidos neste tipo de ensaios (tracção-compressão). Seguidamente serão apresentados

estudos de aderência em que os provetes são sujeitos a cargas de impacto, ou seja, a um

carregamento dinâmico.

3.3.3. Reforço exterior com CFRP sob carregamento dinâmico

Existem dois tipos de carregamento que se podem induzir às estruturas, nomeadamente, o estático,

quando o carregamento é lento e a sua taxa de carregamento (MPa/s) é pequena e, por outro lado,

tem-se o carregamento dinâmico, em que o carregamento é quase instantâneo gerando uma grande

taxa de carregamento. A energia gerada por este último é muito grande, fazendo com que a absorção

desta por parte do elemento estrutural dependa da sua rigidez e das propriedades mecânicas dos

materiais envolvidos. Neste tipo de carregamento surge uma questão muito importante a ter em conta

na análise da resistência dos elementos, isto é, no caso de uma viga, quando se aplica um

carregamento dinâmico na sua superfície a estrutura tende a responder, gerando assim as

denominadas forças de inércia. Estas forças surgem como sendo contrárias ao movimento da referida

viga, aumentando assim a sua resistência. Portanto, quanto maior a altura da queda do elemento que

exercerá o carregamento, maior a sua velocidade, maior o carregamento imposto e, maiores serão as

forças de inércia, as quais devem ser tidas em conta (Santos, 2008). Esta temática da aplicação de

cargas de impacto em sistemas reforçados com CFRP não se encontra muito desenvolvida, no

entanto, apresentam-se de seguida dois estudos realizados neste âmbito, os quais serão explicados

com algum rigor por se relacionarem directamente com o tema da presente dissertação.

Pellisari (2007) estudou a aderência entre o betão e o CFRP, com o objectivo de verificar os efeitos

da aplicação de cargas de impacto (taxa de carregamento) na resistência de aderência entre os

(b)

Figura 3.5 – (a) Equipamento utilizado nos ensaios (b) Gráfico da resistência de aderência em função do tipo de

superfície do betão, tendo em conta a nomenclatura dos provetes ensaiados (Pacheco, 2006)

(a)


34

referidos materiais, através de ensaios baseados em modelos de flexão-corte, como se pode ver na

tabela 3.1 apresentada anteriormente. A campanha experimental do autor consistiu em ensaiar 23

provetes (figura 3.6a), os quais eram constituídos por dois blocos de betão (400×200×150 mm)

unidos por uma rótula na parte superior (à compressão) e por tiras de CFRP coladas na face inferior

dos blocos. A superfície dos blocos variou entre lisa e rugosa e a colagem das fibras dos blocos foi

feita com um comprimento de ancoragem de 60 mm e 120 mm com impregnação total ou parcial das

tiras de fibra de carbono. Por último, os blocos de betão apresentaram uma resistência à compressão

compreendida entre os 25 MPa e os 35 MPa na altura dos ensaios. O equipamento utilizado neste

estudo experimental de Pellisari (2007) foi parecido com o da presente dissertação, na medida em

que o carregamento dinâmico foi obtido através de um martelo de massa conhecida, solto de diversas

alturas, também estas conhecidas, sobre a extremidade de um perfil metálico, como se pode

constatar na figura 3.6b. A diferença surge no posicionamento da viga a ser ensaiada e na forma

como esta foi fixa através de quatro barras e duas chapas metálicas, de modo a que quando o perfil

fosse sujeito ao carregamento, a força fosse transmitida ao sistema constituído pelos blocos de betão

e pelo compósito de fibras de carbono.

Considerando apenas os ensaios em que a rotura ocorreu por destacamento do betão, na medida em

que o importante é a aderência entre os materiais, a taxa de carregamento variou de 6,06 MPa/s

(estático) e 3690485 MPa/s (dinâmico). A principal conclusão a que o autor chegou na realização

deste estudo foi que quando a taxa de carregamento aumenta, a resistência de aderência entre o

betão e a tira de fibra de carbono também aumenta. Obteve-se então a expressão 3.1, adaptada de

Pacheco (2007) pelo método dos mínimos quadrados, com um coeficiente de correlação R2 = 0,93,

(a)

(b)

Figura 3.6 – Características dos ensaios de Pellisari (2007) (a) Modelo de ensaio e provetes utilizados (b) Equipamento utilizado e respectivo posicionamento do provete


35

Guia do

Martelo

Tubo

Metálico

Fibra de

CarbonoCélula

de Carga

Rótula

Bloco deConcreto

Apoio do Perfil

Livre à Rotação

Apoio para

Tubo Metálico

Perfil I

Piso do

Laboratório

Material

Compósito

VISTALATERAL

* Medidas em cm

Martelo deImpacto

que relaciona a taxa de carregamento com a resistência de aderência, onde se considerou uma

relação linear.

(Expressão 3.1)

Em que:

fb – Resistência de aderência [MPa];

Tc – Taxa de carregamento [MPa/s].

Assim como Pellisari (2007), Rodrigues (2009) também realizou um estudo experimental com o

objectivo de perceber a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência, sob

aplicação de cargas de impacto. Estes ensaios basearam-se em modelos de corte de junta dupla

tracção-compressão, onde foram ensaiados 45 provetes, os quais eram constituídos por blocos de

betão (150×150×150 mm) com tiras de fibra de carbono coladas nas laterais, com um comprimento

de ancoragem de 30 mm, à semelhança do que foi usado na presente campanha experimental. Os

parâmetros em análise pela autora foram a taxa de carregamento e a resistência à compressão do

betão. As médias da resistência à compressão foram de 25,2 MPa, 42,7 MPa e 63,7 MPa no dia dos

ensaios, existindo uma série de 15 ensaios para cada valor de resistência. A metodologia e o

equipamento utilizado foi em tudo parecido com o de Pellisari (2007), apenas mudando o

posicionamento do provete e o modo como a força foi aplicada ao sistema, isto é, o perfil embateu

directamente sobre o bloco (compressão), traccionando as fibras de carbono nas laterais dos blocos

de betão (figura 3.7a).

(b)

Figura 3.7 – Características e resultados dos ensaios de Rodrigues (2009) (a) Equipamento utilizado e respectivo posicionamento do provete (b) Gráfico da relação entre a taxa de carregamento e a resistência de aderência

(a)


36

Assim como Meneghel (2005) e Pacheco (2006), também se pode afirmar que neste estudo a

resistência de aderência não dependeu da resistência à compressão do betão. Por outro lado, como

já foi referido anteriormente, o importante a ser analisado são os ensaios em que a rotura se deu por

destacamento do betão e, nesse sentido, nos ensaios de Rodrigues (2009) a taxa de carregamento

variou de 1,92 MPa/s (estático) e 438685 MPa/s (dinâmico). À semelhança de Pellissari (2007), neste

estudo também se verificou, como se pode observar na figura 3.7b, que a resistência de aderência

aumenta, quando a taxa de carregamento aumenta, obtendo-se pelo método dos mínimos quadrados

a expressão 3.2 que relaciona estas duas variáveis, tendo sido considerada uma função potência e

onde o coeficiente de correlação foi de R2 = 0,70.

(Expressão 3.2)

Em que:


Tc – Taxa de carregamento [GPa/s].

Foram aqui apresentados dois estudos realizados no âmbito da aderência sob aplicação de cargas de

impacto (carregamento dinâmico). O primeiro autor realizou os ensaios recorrendo a modelos de

flexão-corte, obtendo uma expressão que relaciona linearmente a taxa de carregamento e a

resistência de aderência. Já a segunda autora recorreu ao uso de modelos de corte de junta dupla e,

a expressão a que chegou, representou-a na forma de uma função potência. Contudo, apesar de

para os modelos de ensaio e para as expressões obtidas terem sido adoptados diferentes modelos,

ambos os autores concluíram que quando a resistência de aderência aumenta, a taxa de

carregamento também aumenta.


Neste capítulo foi abordada a questão da aderência no âmbito da técnica de reforço por colagem

exterior de materiais compósitos reforçados com fibras em elementos de betão. Para tal, começou

por se fazer uma breve referência a alguns factores, sejam eles ambientais ou de outra natureza, que

influenciam o desempenho desta técnica, assumindo uma maior importância a aderência entre o

betão e o CFRP, de acordo com os objectivos da presente dissertação. Foram explicados factores

ambientais como a temperatura ambiente, a humidade relativa e a radiação ultravioleta. Em relação à

temperatura, revela-se ser fundamental a selecção da resina apropriada para o bom comportamento

em termos de durabilidade, existindo um grande risco em escolher sistemas com uma Tg (temperatura

de transição vítrea) baixa, pois a cadeia molecular da resina, torna-se mais flexível, ou seja, perde

rigidez para menores temperaturas ambiente. No entanto, a combinação do uso de fibras de carbono,

as quais apresentam boa resistência a agentes de degradação externos, com uma resina epóxida de

Tg elevada leva a um reforço mais durável. No que diz respeito à humidade relativa, o principal efeito

desta quando se incorpora no material compósito é a redução da temperatura de transição vítrea,

sendo a resina epóxida a mais adequada, devido ao efeito da humidade ser parcialmente reversível

por secagem. Por último, referiu-se a radiação ultravioleta, que se torna prejudicial na medida em que

(a)

(a)


37

abre microfissuras na resina e torna mais propícia a acção dos dois factores ambientais

anteriormente referidos.

Foram analisados outros dois factores que têm influência na aderência dos materiais, nomeadamente

o comprimento de ancoragem e a resistência à compressão do betão. A questão que se coloca em

relação ao primeiro deriva do facto de que, quando o comprimento de ancoragem ou aderência

aumenta, a tensão ou resistência de aderência diminui, pois esta apenas está distribuída na área que

resiste ao carregamento e não ao longo da área reforçada. Por outro lado, quando o comprimento de

ancoragem aumenta, a força de rotura também aumenta até a um determinado valor deste

comprimento, tornando-se constante após esse valor. Procura-se então obter o comprimento de

aderência, para o qual, quando se atingir a carga de rotura, a tensão de aderência mobilizada tenha

sido a máxima. Por outro lado, a resistência à compressão do betão é um factor que se precisa ter

em atenção, na medida em que as opiniões de diversos autores têm vindo a ser contraditórias, no

que diz respeito à influência deste factor na resistência de aderência. Ou seja, existe quem afirme

que quanto maior a resistência à compressão do betão, maior será a resistência de aderência. No

entanto, em estudos mais recentes, como os que foram apresentados anteriormente, os autores

afirmam a inexistência de qualquer dependência entre as variáveis.

De seguida, como introdução à temática da técnica de reforço exterior por colagem, começou por se

apresentar de uma forma sintética, alguns estudos experimentais realizados, recorrendo à colagem

de elementos metálicos, analisando parâmetros como a durabilidade e o comprimento de ancoragem.

Esta técnica surge por um lado como uma técnica de baixo custo e com um bom comportamento.

Apresenta, no entanto, desvantagens ao nível da sua resistência à corrosão, dos comprimentos

disponíveis e do seu elevado peso. Posteriormente, foram apresentados estudos relativos à

aderência em elementos reforçados exteriormente com materiais compósitos, dando especial

importância ao reforço com CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono). Nos estudos a

que se fez referência, tentou-se que estivessem relacionados com a campanha experimental

realizada nesta dissertação devido ao facto de a bibliografia ser extensa nesta temática e o reforço

ser maioritariamente estudado à flexão. No caso desta dissertação, abordaram-se estudos em que a

aplicação do carregamento foi de uma forma estática e outros em que o carregamento foi dinâmico.

Por outro lado, variou-se também o modelo adoptado (corte ou flexão), analisando-se parâmetros

como a resistência à compressão do betão, comprimento de ancoragem, tipo de carregamento e de

superfície do betão e taxa de carregamento, inferindo assim acerca da sua influência na resistência

de aderência. Como vantagens do uso destes materiais destacam-se a sua imunidade à corrosão, a

facilidade de aplicação e a adaptação a várias geometrias das peças. Conclui-se então, tanto pelas

suas propriedades, como pelos diversos estudos apresentados, que de entre todos os tipos

existentes de materiais compósitos reforçados com fibras, os de carbono (CFRP) são os mais

utilizados no reforço estrutural.

No capítulo que se segue, será apresentada e explicada a campanha experimental realizada,

focando-se nos materiais utilizados e nas características dos provetes, explicando-se a metodologia

dos ensaios, bem como o equipamento utilizado para os mesmos.


38

Capítulo 4 – Campanha experimental

39

4. Campanha experimental


Esta campanha experimental baseia-se no estudo da influência da taxa de carregamento na

resistência de aderência entre o betão e o compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP)

através de ensaios realizados em provetes cúbicos de betão com tiras de fibra de carbono coladas

nas laterais opostas, sendo estes ensaios baseados no modelo de corte de junta dupla tracção-

compressão, os quais são sujeitos a cargas de impacto de curta duração. Com a realização deste

estudo experimental pretende-se contribuir para o estudo mais aprofundado da resistência de

aderência em interfaces betão – CFRP, perceber a influência do aumento do comprimento de

ancoragem na resistência de aderência, obter uma expressão que relacione a taxa de carregamento

com a resistência de aderência e minimizar as dificuldades sentidas por Rodrigues (2009) na medição

das deformações específicas e consequente medição das forças que efectivamente actuam na tira de

fibra de carbono. Os ensaios foram feitos no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da PUC-Rio.

O objectivo deste capítulo é caracterizar a campanha experimental desenvolvida, nas seguintes

vertentes:

materiais utilizados, nomeadamente, o betão, a fibra e as resinas;

características dos provetes bem como da cofragem utilizada na betonagem dos blocos de

betão;

preparação do material compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP) e dos blocos de

betão;

tratamentos e etapas de aplicação da fibra;

equipamento utilizado nos ensaios e descrição dos mesmos;

procedimentos pré-ensaio;

dificuldades na realização desta campanha.

4.2. Materiais utilizados

4.2.1. Betão

O cimento utilizado foi o Portland composto (CP II F 32) da Mauá. Os restantes materiais foram os

mesmos de Rodrigues (2009) e, segundo esta, o agregado grosso empregue foi de origem gnaisse

(brita 1), com uma dimensão máxima de 19 mm, uma massa específica aparente e absoluta de 1,61

g/cm3 e 2,70 g/cm

3 respectivamente, tendo também um módulo de finura de 6,81. O agregado fino

utilizado foi areia de rio lavada, apresentando esta uma dimensão máxima de 4,76 mm, uma massa

específica aparente de 2,60 g/cm3 e um módulo de finura de 2,60.

Foi consultada a norma NBR 7217:1987 de modo a caracterizar a composição granulométrica dos

agregados utilizados, ou seja, através das percentagens retidas acumuladas nos peneiros da série

normal conseguiu-se obter o módulo de finura e, a dimensão máxima do agregado foi obtida pela


40

Materiais Quantidade / m3

Cimento 322 kg

Areia 834 kg

Brita 1 988 kg

Água 200 l

percentagem retida acumulada, quando esta é igual ou imediatamente inferior a 5%. Por outro lado,

na determinação das massas específicas dos agregados fino e grosso foram utilizadas as normas

NBR 9776:1987 e NBR 9937:1887, respectivamente. De forma sucinta refira-se que a determinação

da massa específica do agregado fino é feita com recurso ao frasco de Chapman e a do agregado

grosso com base na utilização de um frasco graduado com capacidade de 5000ml.

Para a obtenção de um betão com a resistência média de 25 MPa foi utilizada uma dosagem em

peso de 1 : 2,59 : 3,07 (cimento : areia : brita 1) e utilizadas as quantidades por m3 de betão

apresentadas na tabela 4.1.

Realizaram-se duas betonagens, ambas para betão com 25 MPa, sendo este misturado

mecanicamente numa betoneira com capacidade para 400 litros, seguindo a moldagem e a cura do

betão as especificações da norma NBR 5738:1994. De acordo com a referida norma, a colocação do

betão foi feita nos respectivos espaçamentos da cofragem metálica, não sofrendo esta qualquer tipo

de deformação. Este processo dividiu-se em duas fases; primeiro colocou-se uma camada de betão

com uma concha metálica sendo este vibrado até estar homogéneo (figuras 4.1a e 4.1b) e, por

último, efectuou-se o total preenchimento da cofragem e alisamento com ajuda de uma colher de

pedreiro como se pode ver na figura 4.1c.

Tabela 4.1 – Quantidade de material por m

3 de betão

Figura 4.1 – (a) Colocação do betão na cofragem metálica (b) Vibração do betão (c) Alisamento do betão

(b)

(c)

(a)


41

Além dos blocos de betão foram também betonados 12 provetes cilíndricos de dimensões 100×200

mm, os quais seguiram o processo anteriormente descrito. Foram então betonados 25 blocos cúbicos

e 12 provetes cilíndricos, em cada betonagem, servindo estes últimos para controlo da resistência à

compressão do betão. O resultado final da betonagem é o representado nas figuras 4.2a e 4.2b.

4.2.1.1. Ensaios de resistência à compressão

A situação ideal para os ensaios de resistência à compressão do betão dos provetes cilíndricos era

terem sido efectuados no dia de cada ensaio dos respectivos blocos. Tal não aconteceu devido ao

tempo limitado para a execução desta campanha experimental. Foram então realizados em duas

alturas distintas, ou seja, os 12 provetes cilíndricos da primeira betonagem foram ensaiados no dia do

primeiro ensaio da 1ª série. Os restantes provetes foram ensaiados no dia de início dos ensaios da 4ª

série, altura em que se começaram a usar blocos de betão da segunda betonagem.

De modo a que as imperfeições na face superior derivadas da betonagem não desvirtuassem os

resultados dos ensaios seguiram-se as recomendações da norma NBR 5738:1994, recorrendo-se à

aplicação de PLASTIC 400 na sua superfície (figuras 4.3a e 4.3b), para que a resistência à

compressão obtida fosse compatível com os valores normalmente obtidos.

(a)

(b)

Figura 4.2 – (a) Moldagem dos blocos de betão (b) Moldagem dos provetes cilíndricos

(a)

(b)

Figura 4.3 – (a) Bloco capeado (b) Pasta usada no capeamento dos blocos

(a)


42

Betonagem 1ª Betonagem 2ª Betonagem

Data 22-09-2010 29-09-2010

1º Ensaio 22-11-2010 16-12-2010

Nº Dias 62 79

Nº Ensaio

1 25,5 26,0

2 25,2 20,4

3 25,5 19,1

4 22,9 22,9

5 20,4 28,8

6 25,2 28,3

7 25,2 28,5

8 25,0 27,0

9 20,9 21,7

10 25,0 22,9

11 20,6 21,7

12 25,2 18,6

Média 23,9 23,8

DP 2,07 3,74

CV (%) 8,68 15,70

fc (MPa)

O instrumento (prensa) da CONTENCO (figura 4.4) utilizado tem uma capacidade de carga de 2400

kN e a obtenção dos dados foi feita através da observação visual do contador da máquina. Os

resultados dos ensaios da resistência à compressão (média de 12 provetes) e a data dos mesmos

são os apresentados na tabela 4.2.

Ao analisar os resultados destes ensaios, verifica-se uma grande diferença entre os coeficientes de

variação e também que a resistência à compressão não atingiu os 25 MPa pretendidos. Tal

aconteceu devido à deficiente vibração do betão e a obtenção de provetes cilíndricos deficientes,

aspecto que será explicado no capítulo 4.11.

4.2.2. Compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP)

4.2.2.1. Fibras de carbono de reforço

O sistema de fibras de carbono utilizado foi o TEC-FIBER do fabricante Rheoset, como se pode ver

nas figuras 4.5a e 4.5b. Este sistema corresponde a uma manta, a qual por definição é constituída

por um conjunto de fibras tecidas apenas numa direcção (unidireccional), tendo as seguintes

características (retiradas da Ficha Técnica de Produto do Fabricante):

largura da faixa de 500 mm;

0,165 mm de espessura;

peso do material de 300 g/m2;

módulo de elasticidade de 235 GPa;

resistência à tracção de 3550 MPa;

1,55 % de deformação específica na rotura.

Figura 4.4 – Prensa utilizada nos ensaios de resistência à compressão

Tabela 4.2 – Resultados dos ensaios de resistência à compressão


43

4.2.2.2. Ensaio de resistência à tracção do CFRP

Foram realizados ensaios à tracção do compósito de fibras de carbono obtendo-se assim uma

caracterização das propriedades mecânicas deste. Para tal foram seguidas as especificações da

ASTM D 3039/D 3039M (2000), a qual indica todos os procedimentos para a determinação do módulo

de elasticidade e da resistência à tracção do compósito. Na tabela 4.3 são apresentadas, segundo

esta norma, as dimensões mínimas necessárias para que as tiras de fibra de carbono a ser

ensaiadas tenham um número suficiente de fibras na sua secção transversal que nos permita

representar as propriedades do material.

Ensaiaram-se à tracção 6 tiras de fibra de carbono de tecido unidireccional revestidas com resina

epóxida, com as dimensões de 250 mm de comprimento, 15 mm de largura e abas de alumínio de 50

mm de comprimento, 20 mm de largura e 2 mm de espessura como se pode ver na figura 3.6.

Tabela 4.3 – Dimensões mínimas recomendadas pela ASTM D 3039/D 3039M (2000) para ensaios em CFRP

Figura 4.6 – Dimensões das tiras de CFRP ensaiados

(a)

(b)

Figura 4.5 – (a) Manta de fibras de carbono utilizada nos ensaios (b) Manta esticada


44

Em todas as tiras de CFRP, foram instalados extensómetros eléctricos para a leitura da deformação

específica do compósito, permitindo dessa forma a determinação dos seguintes parâmetros:

módulo de elasticidade;

deformação específica última;

gráfico tensão – deformação específica.

Nas figuras 4.7a, 4.7b, 4.7c e 4.7d, encontram-se representadas as diversas fases de colagem dos

extensómetros na região central das tiras de fibra de carbono.

(a)

(b)

Figura 4.7 - (a) Aplicação da resina epóxida (b) Passagem do rolo de aço denteado para garantir a impregnação da resina (c) Colocação das abas de alumínio nas extremidades da tira (d) Colagem dos extensómetros na região central

(c)

(d)


45

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tens

ão (

MPa

)

Deformação específica (‰)

Cp 1

Cp 2

Cp 3

Cp 4

Cp 5

Cp 6

TirasForça

Fmáx (N)

Resistência

ftf (MPa)

Deformação

Específica

Última

εfu (‰)

Módulo de

Elasticidade

Ef (GPa)

1 8785,86 3451,42 12,09 281,95

2 8110,05 3276,79 12,45 264,04

3 8773,27 3353,64 11,48 290,92

4 7823,69 3161,09 13,38 240,57

5 8102,65 3273,80 11,85 276,77

6 8263,40 3338,75 11,92 279,80

Média 8309,82 3309,25 12,20 272,34

DP 390,56 97,28 0,66 17,84

CV (%) 4,70 2,94 5,43 6,55

Seguindo as especificações da ASTM D 3039/D 3039M (2000), os ensaios foram realizados com um

controlo da taxa de deformação de 0,01 min-1

. Presente na norma anteriormente referida e segundo

Rodrigues (2009) sabe-se que a resistência à tracção do CFRP é dada por:

expressão 4.1)

Em que:

ftf – Resistência à tracção [MPa];

Fmáx – Força máxima aplicada [N];

A – Área da secção transversal do CFRP [mm2].

Na figura 4.8, encontra-se a execução do ensaio, utilizando um par de garras por efeito cunha e, a

tabela 4.4 contém todos os valores correspondentes à carga máxima, tensão máxima (resistência à

tracção), deformação específica última e o módulo de elasticidade do compósito de fibras de carbono,

no momento da rotura do material. Esta rotura deu-se na zona da garra em todos os ensaios. Por

último, na figura 4.9, está representado o gráfico tensão-deformação específica das tiras de CFRP.

Figura 4.8 – Execução do ensaio de tracção da tira de fibra de carbono

Tabela 4.4 – Resultados obtidos nos ensaios à tracção do CFRP

Figura 4.9 – Gráfico tensão – deformação específica das tiras ensaiadas


46

Os valores obtidos são semelhantes aos de Rodrigues (2009), existindo pequenas diferenças devido

ao facto de a fibra usada nesta campanha ser diferente, isto é, algumas propriedades são diferentes,

nomeadamente a espessura da fibra, a resistência à tracção e o módulo de elasticidade, o que

naturalmente influenciou os resultados.

4.2.3. Resinas

Nesta campanha experimental, foram utilizados três tipos de resina, cada qual com a sua função.

Foram utilizadas tanto na preparação das tiras de fibra de carbono como na preparação dos blocos

de betão, como se poderá observar mais à frente. O objectivo da aplicação de todos estes

componentes passa por proporcionar uma perfeita aderência entre os blocos de betão e as

respectivas tiras de fibra coladas nas laterais opostas, garantindo assim a transferência de esforços.

As quantidades dos componentes de todas as resinas foram medidas numa balança digital e a sua

mistura foi feita manualmente.

4.2.3.1. Resina de preparação

A resina, denominada como Tec-Poxy PR (primário), corresponde à primeira fase de aplicação das

resinas após a limpeza mecânica da superfície, penetrando no betão por capilaridade, tem a função

de proporcionar à superfície de aplicação, neste caso o betão (superfície mineral), uma melhor

aderência entre este e o novo material a aplicar, que neste caso será uma camada de outra resina.

Das características existentes na Ficha Técnica de Produto do Fabricante Rheoset, destacam-se as

seguintes:

- resina composta por dois componentes, sendo o componente A incolor e o componente B

de cor amarelo claro (ver figura 4.10a), assumindo a mistura um aspecto incolor;

- a relação da mistura em peso é de A:B = 1:2;

- rendimento de 250 a 300 g/m2;

- vida útil a 25°C de 40 minutos (no mínimo);

- resistência à tracção passadas 24 horas de 20 +/- 2 MPa;

- peso específico de 1,050 g/cm3;

- secagem ao toque de 4 horas no máximo;

- secagem ao manuseio de 6 horas no máximo;

- secagem completa de 10 horas no máximo;

- cura total de 7 dias.

4.2.3.2. Resina de regularização

Seguidamente à aplicação do primário, vem a aplicação da resina de regularização Tec-Putty,

também conhecida como putty, a qual tem a função de regularizar a superfície, garantindo uma


47

superfície lisa para a colagem do CFRP. Foi concebida para superfícies que vão receber materiais

compósitos reforçados com fibras, não podendo estas superfícies ter mais de 2 mm de profundidade.

Das características existentes na Ficha Técnica de Produto do Fabricante Rheoset, destacam-se as

seguintes:

- resina composta por dois componentes, sendo o componente A de cor branca e o

componente B de cor preta (figura 4.10b), assumindo a mistura uma cor cinzenta;


- consumo 1,8 kg/m ² para cada 1 mm de espessura;

- peso específico de 1,8 +/- 0,05 g/cm3;

- vida útil a 25°C de 1 hora (no mínimo);

- cura inicial de 4 horas;

- cura total de 7 horas;

- resistência à compressão a 25°C passadas 24 horas de 60,0 +/- 5,0 MPa;

- resistência à tracção a 25°C passadas 24 horas de 24,0 +/- 2,0 MPa.

4.2.3.3. Resina epóxida

A resina epóxida ou Tec-Poxy, assume bastante importância na medida em que toma o papel

decisivo na interface de colagem betão – CFRP. Esta é aplicada tanto na superfície a receber o

compósito, como directamente na fibra de carbono para promover uma melhor aderência. Das

características existentes na Ficha Técnica de Produto do Fabricante Rheoset, destacam-se as

seguintes:

Figura 4.10 – Aspecto dos componentes A (esquerda) e B (direita) (a) Resina de preparação (b) Resina de regularização

(a)

(b)


48

- resina composta por dois componentes, sendo o componente A de cor azul e o componente

B incolor (figura 4.11), assumindo a mistura uma cor azul claro;


- peso específico de 1,055 g/cm3;

- vida útil a 25°C de 40 minutos (no mínimo);

- secagem ao toque de 4 horas no máximo;

- secagem ao manuseio de 6 horas no máximo;

- cura total de 7 dias;

- resistência à tracção a 25°C passadas 24 horas de 55 +/- 3,0 MPa;

- resistência mínima à compressão de 60 MPa.

4.3. Características dos provetes

Os provetes são constituídos por blocos cúbicos de betão com aresta de 150 mm, em conjunto com

tiras de compósito reforçado com fibras de carbono coladas nas laterais opostas dos blocos. Estas

tiras foram coladas no betão numa faixa de 30×75 mm (figura 4.12a) e também numa faixa de

70×75 mm, como se pode ver na figura 4.12b.

Figura 4.11 – Aspecto dos componentes A (esquerda) e B (direita) da resina epóxida

(a)

(b)

Figura 4.12 – Provete de betão com faixa de colagem de (a) 30×75 mm (Rodrigues, 2009) (b) 70×75 mm


49

4.4. Cofragem utilizada

A cofragem utilizada na betonagem dos blocos de betão foi uma cofragem metálica constituída por

três perfis em “U” com um comprimento de 6 m, tendo o perfil que serve de base uma altura de 250

mm e os dois restantes 200 mm (figura 4.13a). Na figura 4.13b, consegue-se observar que a

separação dos blocos foi realizada através de peças de madeira com as dimensões de 150×150×20

mm. De modo a promover a união dos perfis e manter as peças de madeira nos seus lugares, foram

usadas barras rosqueadas com 6 mm de diâmetro como mostra a figura 4.13c.

De referir que os perfis, além das barras rosqueadas, foram unidos por parafusos de um dos lados e

por solda do lado contrário, como se pode ver na figura que se segue.

4.5. Designação dos provetes

Os provetes foram identificados consoante a taxa de carregamento aplicada, isto é, dependendo da

altura do martelo, a qual variou segundo os valores de 0, 25, 50, 75, 100, 125 e 150 cm. Outra

variável a identificar é o número do ensaio realizado, o qual corresponde também ao número da série

de blocos ensaiada, num total de cinco séries. Foram então efectuados 35 ensaios para os dois

modos de colagem, dos quais 30 são dinâmicos e, 5 são estáticos como se pode ver na tabela 4.5.

Figura 4.14 – Corte transversal da cofragem utilizada (Rodrigues, 2009)

(a)

(b)

(c)

Figura 4.13 – (a) Pormenor dos perfis metálicos utilizados na cofragem (b) Peças de madeira usadas na separação dos blocos (c) Barras rosqueadas usadas para unir os perfis


50

Ensaio Série Ensaio Série

S0 - 1 A0 - 1

S0 - 2 A0 - 2

S0 - 3

S25 - 1 A25 - 1

S25 - 2 A25 - 2

S25 - 3 A50 - 1

S50 - 1 A50 - 2

S50 - 2 A75 - 1

S50 - 3 A75 - 2

S75 - 1 A100-1

S75 - 2 A100 - 2

S75 - 3 A125 - 1

S100 - 1 A125 - 2

S100 - 2 A150 - 1

S100 - 3 A150 - 2

S125 - 1

S125 - 2

S125 - 3

S150 - 1

S150 - 2

S150 - 3

30 × 75 mm

Estático

Dinâmico

70 × 75 mm

Modos de Colagem

Estático

Dinâmico

4.6. Preparação do compósito reforçado com fibras de carbono (CFRP)

Nesta etapa, foram cortadas as tiras de fibra correspondentes a cada série (figura 4.15a), ou seja,

sete no total. O corte foi feito com estilete e régua com as dimensões de 75×2300 mm, visto ser a

quantidade de fibra necessária para a realização de cada ensaio. De seguida, como se pode ver na

figura 4.15b, e de modo a evitar o desalinhamento dos fios foi aplicada, com o auxílio de uma

espátula e de um rolo, uma camada de resina epóxida, em seis trechos de 137 mm ao longo da fibra.

Para este processo, foi necessária a preparação de uma mesa na qual se usou filme de PVC

transparente como revestimento da mesma (figura 4.15c).

Tabela 4.5 – Designação utilizada para os provetes

(b)

(c)

Figura 4.15 – (a) Corte das tiras de fibra de carbono (b) Trechos impregnados com resina epóxida (c) Mesa preparada para receber a colagem das tiras de fibra

(a)


51

4.7. Preparação dos blocos de betão

Para que as tiras de CFRP fossem aplicadas na superfície dos blocos, estes tiveram de ser

cuidadosamente preparados de modo a ficar com a superfície limpa, seca e livre de partículas soltas

para que fosse conseguida uma boa aderência na interface betão – CFRP.

Em primeiro lugar, foi marcada nos blocos, com ajuda de lápis e régua, a faixa de colagem destinada

à aplicação do CFRP. Em seguida, com o objectivo de melhorar a impregnação e posteriormente a

aderência, efectuou-se a picagem da superfície dos blocos com martelo e ponteira, tendo o cuidado

de não ultrapassar os 2 mm de profundidade (figura 4.16a). Após o processo referido, foi passada

uma escova de aço para remover eventuais partículas soltas e, com a passagem de álcool

isopropílico (máximo de 1% de água) garantiu-se a remoção de substâncias oleosas da superfície de

colagem, como se demonstra na figura 4.16b. Por último, e antes de aplicar a primeira resina, foi

colada na superfície uma folha de papel de encapar com 130×130 mm e, depois recortada na zona

de colagem, com o objectivo de garantir que a resina apenas fique nessa zona (figura 4.16c).

Repetiu-se este processo na face oposta do bloco.

Estando a superfície devidamente preparada procedeu-se então à aplicação do primário com o

auxílio de um pincel, como se pode observar na figura 4.17a e 4.17b. Esta resina tem a função de

penetrar nos orifícios (poros) da superfície de betão devidamente picada e promover uma melhor

aderência entre este e a camada seguinte. A cura desta camada foi realizada em ambiente de

laboratório e teve a duração de aproximadamente 4 horas.

(a)

(a)

(b)

(c)

Figura 4.16 – (a) Marcação do bloco e picagem da faixa de colagem (b) Passagem do álcool isopropílico na faixa de colagem para remoção de substâncias oleosas (c) Folha de papel de encapar já com o recorte na faixa de colagem

(a)

(b)

Figura 4.17 – (a) Aplicação do primário na superfície dos blocos (b) Série de blocos na fase de cura em

ambiente de laboratório


52

Seguiu-se a aplicação do putty com auxílio de uma espátula, assumindo o aspecto final representado

nas figuras 4.18a e 4.18b. O objectivo deste componente é regularizar a superfície devolvendo ao

bloco a sua configuração original na zona de colagem e ficando esta preparada para receber a tira de

compósito reforçada com fibras de carbono. A cura inicial desta camada foi feita em ambiente de

laboratório e foi de aproximadamente 4 horas, assim como a resina de preparação.

Devido a uma reacção inesperada, em alguns provetes, entre o papel de encapar e a resina de

regularização, após a cura inicial da camada aplicada houve necessidade de remover o papel, lixar a

superfície para promover uma melhor aderência da fibra e remover irregularidades e voltar a colocar

uma folha de papel de encapar na superfície com as mesmas dimensões da primeira e recortada na

zona de colagem. Foi também efectuada, novamente, uma passagem de álcool isopropílico na

superfície para remover eventuais substâncias oleosas provenientes do possível contacto humano.

Nas figuras 4.19a e 4.19b, apresenta-se o resultado final do que foi anteriormente descrito.

A resina epóxida foi a última a ser aplicada recorrendo-se à ajuda de um pincel e um rolo de aço

denteado garantindo assim que as fibras ficassem esticadas e sem bolhas de ar para uma perfeita

Figura 4.19 – (a) Aspecto final da superfície tratada (b) Série de blocos devidamente tratada

(a)

(b)

(a)

(b)

Figura 4.18 – (a) Superfície do bloco com resina de regularização aplicada (b) Série de blocos na fase

de cura em ambiente de laboratório


53

aderência na interface betão – CFRP. A resina foi aplicada na zona de colagem previamente

marcada, tanto nas fibras como no bloco de betão e, só no fim foram unidas as duas superfícies

(figura 4.20a). Esta união foi garantida por duas peças metálicas com os respectivos parafusos como

se pode ver na figura 4.20b e, na figura 4.20c, está representado o aspecto final de uma série de

blocos na fase de cura (7 dias) em ambiente de laboratório, para posteriormente serem ensaiados.

A preparação dos blocos cuja faixa de colagem aumentou para 70x75 mm foi feita da mesma forma,

apenas se realizou a picagem e tratamento de uma superfície maior e aumentou-se as quantidades

de todos os tipos de resina a aplicar nessa faixa.

4.8. Instrumentação dos ensaios

Para as leituras das cargas aplicadas, recorreu-se ao uso de uma célula de carga, a qual foi

posicionada entre o perfil metálico e o bloco de betão como se pode ver na figura 4.21a. Tanto nos

ensaios dinâmicos como nos estáticos, a célula de carga utilizada tem uma capacidade de 100 kN.

Em todos os provetes ensaiados foram colados dois extensómetros eléctricos, um em cada lado da

tira de CFRP, com o objectivo de medir as deformações específicas da mesma. Na figura 4.21b, pode

observar-se o pormenor da colagem do extensómetro e, na figura 4.21c, está representada a cola de

endurecimento rápido que foi utilizada.

(c)

Figura 4.20 – (a) Passagem do rolo denteado para uma melhor impregnação da resina (b) Fixação das tiras de fibra de

carbono nas suas extremidades superiores (c) Aspecto final de uma série de blocos para ensaio

(a)

(b)

(c)

Figura 4.21 – (a) Posicionamento da célula de carga utilizada nos ensaios (b) Pormenor do extensómetro colado na tira de CFRP (c) Cola de endurecimento rápido utilizada na colagem dos extensómetros

(b)

(a)


54

4.9. Meios de aquisição de dados

A obtenção de dados, em todos os ensaios, foi feita recorrendo-se ao equipamento NI cDAQ – 9174

(figura 4.22a), cujo fabricante é a NATIONAL INSTRUMENTS S/A. Este equipamento foi ligado a um

computador, como se pode constatar pela figura 4.22b e foi controlado pelo software LABVIEW 7.1

do mesmo fabricante. A aquisição de dados com o equipamento referido foi feita por um técnico

especializado para o efeito.

4.10. Descrição dos ensaios

Na realização desta campanha, tanto os ensaios estáticos como os dinâmicos foram realizados

sempre com o mesmo equipamento diferindo apenas no modo como a carga foi aplicada. Nos

ensaios dinâmicos, a carga de impacto foi aplicada através da queda de um martelo, sendo este um

carregamento de curta duração e, nos ensaios estáticos a carga foi aplicada através de um macaco

hidráulico, sendo este um carregamento lento.

No presente capítulo, são descritos os dois tipos de ensaios referidos, o tipo de carregamento

aplicado a cada um e alguns procedimentos não normalizados, os quais foram cuidadosamente

explicados, que foram realizados antes de cada ensaio dinâmico, de modo a assegurar que factores

como o peso do perfil e a correcta distribuição deste pelos dois lados da tira de CFRP fossem,

sempre que possível, coerentes e passíveis de garantir, após cada ensaio, resultados seguros e

credíveis de analisar. Outro parâmetro importante de ser analisado no fim de cada ensaio, e que será

aqui descrito, é o modo de rotura, ou seja, uma vez que nesta campanha se estuda a resistência de

aderência entre o betão e o CFRP, ensaios que a rotura seja na tira de fibra de carbono não foram

tidos em conta.

4.10.1. Ensaios dinâmicos

Neste tipo de ensaios, a carga de impacto foi obtida por meio de um martelo de massa conhecida

(100 kg), o qual foi solto de diversas alturas, embatendo na extremidade de um perfil metálico em I,

de dimensões 25,4x11,7x145 cm, com resistência à flexão elevada. Este perfil encontra-se em

consola e, na extremidade oposta foi instalado um apoio rotulado, o qual apresenta restrição nos

eixos vertical e horizontal sendo livre à rotação. As diferentes taxas de carregamento aplicadas em

(a)

(b)

Figura 4.22 – (a) Equipamento NI cDAQ – 9174 (b) Ligação do equipamento ao computador


55

cada ensaio variaram consoante a altura de queda do martelo. Nas figuras 4.23a e 4.23b, encontra-

se o equipamento utilizado na realização dos ensaios dinâmicos e, nas figuras 4.23c e 4.23d, está

representada a vista de frente deste mesmo equipamento.

(a)

(b)

(d)

(c)

(c)

Figura 4.23 – (a) Detalhe do equipamento utilizado nos ensaios dinâmicos (b) Equipamento utilizado nos ensaios

dinâmicos (c) Detalhe da vista frontal do equipamento (d) Vista frontal do equipamento

(a)


56

Na realização de uma campanha experimental, convém ser-se o mais metódico e rigoroso possível,

para que no fim os resultados sejam coerentes e conclusivos em relação ao objectivo pretendido.

Nesta campanha, foram então realizados dois procedimentos antes de cada ensaio dinâmico, para

verificar se o material e o equipamento envolvido apresentava sempre o mesmo tipo de

características. Destacam-se o peso do perfil metálico onde embate o martelo, a correcta distribuição

deste pelos dois lados da tira de fibra e o funcionamento e leitura correcta da célula de carga e dos

extensómetros, os quais foram sempre calibrados antes de cada ensaio.

Um aspecto a referir é que o programa que efectua a recolha dos dados (software LABVIEW 7.1) foi

programado para ler 75.000 pontos em 3 segundos devido ao carregamento dinâmico ser de

curtíssima duração. Quando os dados foram tratados, o programa EXCEL apenas conseguiu ler

65.536 pontos, não sendo isso um problema pois para o intervalo analisado a amostragem foi

representativa.

Como primeiro procedimento, foi efectuada uma leitura, a qual corresponde a verificar se o peso do

perfil metálico assente na fibra exerce sempre a mesma força no provete num estado de repouso, ou

seja, colocou-se o programa a funcionar e apoiou-se com cuidado o perfil sobre a extremidade inferior

da fibra, medindo-se a força total (fornecida pela célula de carga) exercida pelo perfil sobre as duas

tiras. Por outro lado, verificou-se também a correcta distribuição da força pelos dois lados da tira de

CFRP através da deformação destas. Nas figuras 4.24a e 4.24b, estão representados dois casos

diferentes de gráficos força – tempo para os provetes S25-2 e A75-1 de acordo com o referido.

Apesar de ser sempre o mesmo técnico a manusear o perfil, as leituras nunca serão exactamente

iguais. Porém, da observação dos gráficos pode-se concluir que o perfil apoiado na extremidade

inferior da fibra, num estado de repouso exerce sempre uma força máxima de aproximadamente 1kN.

Figura 4.24 – Gráfico força – tempo num estado de repouso do perfil (a) Provete S25-2 (b) Provete A75-1

(a)

(b)

(b)

(a)


57

Em seguida, podem-se ver dois gráficos que representam a distribuição da força exercida pelo perfil

na tira de CFRP através da análise da deformação medida em cada extensómetro (figuras 4.25a e

4.25b). Torna-se importante esta análise, na medida em que, se um dos lados da tira de fibra estiver

sujeito a uma maior deformação, está sujeito a um carregamento maior, o que indica que a rotura no

final do ensaio provavelmente acontecerá desse mesmo lado.

Da análise dos gráficos anteriores, pode-se então observar a distribuição da força exercida pelo perfil

metálico nas tiras de CFRP através da deformação desta. No gráfico da figura 4.25a, repara-se que

um dos lados da fibra encontra-se com uma maior deformação, indicando que o provete estava mal

posicionado. Em seguida o posicionamento do provete foi ajustado até se conseguir um resultado

como o que se pode observar no segundo gráfico (figura 4.25b), onde existe uma correcta

distribuição da força exercida na medida em que a deformação medida nos dois extensómetros é

similar. Observe-se que o valor médio das deformações mostradas na figura 4.25a é

aproximadamente o mesmo da figura 4.25b.

Numa segunda fase, foi realizado outro tipo de procedimento. Foi levantado o perfil metálico, colocou-

se o programa a funcionar e deixou-se cair o perfil de uma altura de 30 mm, medindo-se a força

exercida. Este procedimento é importante pois simula o que posteriormente acontecerá no ensaio em

que se deixará cair o martelo de massa conhecida no mesmo perfil mas de diferentes alturas, sendo

estas muito superiores. Ao simular a uma pequena escala os ensaios que se iriam realizar, tornou-se

importante verificar que todos os instrumentos de medição, tanto a célula de carga como os

extensómetros, os quais foram sempre calibrados antes de cada ensaio, estavam em funcionamento

e a fornecer leituras correctas.

Figura 4.25 – Gráfico deformação – tempo num estado de repouso do perfil (a) Provete S25-2 (b) Provete A75-1

(a)

(b)

(a)

(a)


58

Nos gráficos representados nas figuras 4.26a e 4.26b, pode-se observar que os resultados estão

dentro da mesma gama de valores, permitindo concluir que estão de acordo com o esperado. Existe

então um primeiro pico da ordem de 12 kN correspondendo ao embate do perfil na extremidade

inferior da tira de fibra, seguindo-se um comportamento do tipo vibratório e acabando por exercer

uma força igual à apresentada nas figuras 4.24a e 4.24b, ou seja, quando o perfil está em repouso.

Pode-se também concluir que os instrumentos de medição forneceram leituras consistentes e fiáveis

para se poder continuar com os ensaios.

4.10.2. Ensaios estáticos

Nestes ensaios, o equipamento utilizado foi o mesmo, porém substituindo o martelo por um macaco

hidráulico. O carregamento foi feito manualmente através da acção de um macaco hidráulico P80 da

ENERPAC com capacidade para 60 kN, o qual foi montado na superfície do perfil metálico em I. Nas

figuras 4.27a e 4.27b, pode-se observar o equipamento utilizado para estes ensaios estáticos e o

posicionamento do macaco hidráulico.

Figura 4.26 – Gráfico força – tempo na queda do perfil de uma altura de 30mm (a) Provete S25-2 (b) Provete A75-1

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

Figura 4.27 – (a) Detalhe do equipamento utilizada nos ensaios estáticos (b) Equipamento utilizado nos

ensaios estáticos


59

Nestes ensaios, ao contrário dos ensaios dinâmicos, não foram realizados quaisquer procedimentos

antes de cada ensaio, visto que eram realizados apenas um em cada série. Sendo assim, partia-se

do princípio de que o perfil metálico e os instrumentos de medição estavam em perfeitas condições.

4.10.3. Modos de rotura

Como referido, outro parâmetro em análise é o modo de rotura. Existem dois modos em função da

força de rotura, isto é, da força máxima que actua na tira de CFRP. Os diferentes modos de rotura

observados em todos os ensaios foram:

destacamento do betão;

tracção da fibra.

O primeiro modo é caracterizado pela rotura da interface betão – CFRP, que ocorre numa camada da

superfície do betão como se pode constatar na figura 4.28a. Por outro lado, noutros ensaios existiu a

rotura por tracção da fibra consoante o representado na figura 4.28b.

4.11. Dificuldades na realização da campanha experimental

Assim como em todas as campanhas experimentais, existiram alguns imprevistos e dificuldades. A

maior dificuldade desde o início foi o tempo que havia disponível para fazer todos os ensaios (5

meses). Refira-se, por exemplo, no caso de materiais como o compósito reforçado com fibras de

carbono e as resinas para a sua aplicação demoraram algum tempo até estarem disponíveis no

laboratório (2 meses) e sendo estes materiais fundamentais para a realização desta campanha só se

começaram a preparar os provetes mais tarde do que o esperado.

Outro dos imprevistos na realização desta campanha foi a má vibração do betão devido a razões

externas a este trabalho. Esta má vibração aconteceu nos provetes cilíndricos, os quais, como se

pode ver na figura 4.29a, acabaram por apresentar zonas com perda de secção. Devido a este

imprevisto, os valores apresentados nos ensaios de resistência à compressão ficaram

comprometidos, não se obtendo os 25 MPa de resistência pretendidos, pois os provetes rompiam

mais cedo do que o previsto devido à existência das referidas zonas com perda de secção.

(a)

(b)

(a)

Figura 4.28 – Modos de rotura (a) Destacamento do betão (b) Tracção da fibra


60

Podiam-se ter repetido as betonagens até se obter um betão com 25 MPa de resistência à

compressão, mas nada foi feito em relação a este imprevisto, pois, por um lado, existiu a referida falta

de tempo e, por outro, diversos autores como Meneghel (2005), Pacheco (2006) e Rodrigues (2009)

afirmaram que a resistência de aderência não depende da resistência à compressão do betão neste

tipo de ensaios e para esta gama de valores (fc=25 MPa).

Outra grande dificuldade sentida foi na colagem da fibra ao bloco de betão. A colagem foi feita no

plano vertical o que fez com que a resina escorresse e provocasse a existência de zonas sem cola ou

com bolhas de ar. Para evitar que isto aconteça é necessário o uso de um pincel, o qual garante a

impregnação das fibras com resina seguido de uma passagem com um rolo denteado para as esticar

e evitar as referidas zonas com bolhas de ar. Na preparação da segunda série de ensaios, não foi

usado pincel na aplicação da resina, mas sim uma espátula e a colagem de alguns provetes ficou

deficiente. Para tentar remediar esse facto tentou-se forçar a colagem através da fixação de calços na

zona de colagem da fibra ao bloco de betão como se pode ver na figura 4.29b.


No presente capítulo, caracterizou-se o trabalho experimental, em termos de concepção dos provetes

e execução dos ensaios no Laboratório de Estruturas e Materiais (LEM) da PUC-Rio.

Começaram por ser descritos os materiais utilizados, as características dos provetes bem como a

cofragem utilizada e os tratamentos e etapas na aplicação do material compósito. Para tal, fez-se

sempre referência a todas as normas que se respeitaram, pequenos equipamentos que se utilizaram

(ex: espátula e rolo denteado) e fichas técnicas do fabricante, permitindo assim o conhecimento das

características dos materiais empregues.

Posteriormente, foi referida a instrumentação dos ensaios, nomeadamente a utilização da célula de

carga e dos extensómetros eléctricos, os meios de aquisição de dados, o equipamento utilizado nos

ensaios estáticos e dinâmicos, explicando de que modo foi aplicado o carregamento em cada caso.

Por último, descreveram-se os procedimentos efectuados antes de cada ensaio dinâmico, de modo a,

Figura 4.29 – (a) Provete cilíndrico com perda de secção em algumas zonas (b) Provetes com colagem deficiente

(b)

(a)


61

por um lado, inferir se todo o equipamento estava posicionado correctamente e, por outro, testar se

todos os instrumentos de medição, ou seja, os extensómetros e a célula de carga se encontravam em

funcionamento e a fornecer leituras correctas.

Na parte final deste capítulo, descreveram-se as dificuldades sentidas na realização desta campanha

experimental. Referiu-se a chegada tardia dos materiais necessários à realização deste estudo,

levando a que a preparação dos provetes começasse mais tarde do que o previsto. Além disso, outro

aspecto negativo, foi a deficiente vibração dos provetes cilíndricos, que acabou por comprometer os

resultados dos ensaios de resistência à compressão do betão. Por último e com maior gravidade,

destaca-se a colagem dos provetes, isto é, o facto de a colagem final da tira de CFRP no betão ser

feita na vertical, por vezes é notória a escorrência da resina epóxida, levando a que houvesse zonas

sem cola ou com bolhas de ar, causando deste modo, problemas na aderência entre os materiais.

Em suma, o trabalho desenvolvido no laboratório focou-se na avaliação da influência da taxa de

carregamento na resistência de aderência entre o betão e o CFRP (Compósito Reforçado com Fibras

de Carbono) sob cargas de impacto de curta duração. Para tal, foram realizados 35 ensaios, sendo 5

estáticos e 30 dinâmicos. Nas últimas duas séries de provetes (14 ensaios) fez-se variar a faixa de

colagem da fibra no betão, aumentando o comprimento de ancoragem de 30 mm para 70 mm,

mantendo uma largura de 75 mm, de modo a perceber a variação que este parâmetro tem na

aderência. Dos 35 ensaios realizados, 34 foram válidos e 1 foi nulo, ou seja, não existem dados do

provete A150 – 1 uma vez que o equipamento NI cDAQ – 9174 de aquisição de dados se desligou a

meio do ensaio.

No capítulo seguinte, serão apresentados, analisados e comparados os resultados obtidos nos

ensaios da presente dissertação, tendo em conta os objectivos propostos.


62

Capítulo 5 – Apresentação, análise e comparação dos resultados

63

5. Apresentação, análise e comparação dos resultados


No presente capítulo, são apresentados e analisados os resultados obtidos nos ensaios laboratoriais

da campanha experimental realizada e descrita no capítulo anterior. Esta campanha incide no estudo

da influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o betão e o CFRP (Polímero

Reforçado com Fibras de Carbono). Para tal, submeteram-se a cargas de impacto de curta duração,

provetes cúbicos de betão com tiras de fibra de carbono coladas nas suas laterais.

Os objectivos deste capítulo são os seguintes:

apurar se foram minimizadas nos ensaios dinâmicos, as dificuldades sentidas por Rodrigues

(2009) na medição das deformações específicas e consequente medição das forças que

efectivamente actuam na tira de fibra de carbono, eliminando ou reduzindo as forças de

inércia;

obter uma expressão que relacione a resistência de aderência com a taxa de carregamento;

estudar o efeito do aumento do comprimento de ancoragem na resistência de aderência.

Este capítulo inicia-se com uma breve explicação de como interpretar os resultados obtidos nos

ensaios dos provetes e, posteriormente, através destes e da aplicação de expressões matemáticas,

serão calculadas as resistências de aderência e as taxas de carregamento aplicadas, sendo

analisadas e explicadas as variáveis que se usaram no seu cálculo. Em seguida é analisada a

influência da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o betão e o CFRP obtendo uma

expressão que as relacione. Na verdade irão ter-se duas expressões, uma para cada modo de

colagem, isto é, para os provetes ensaiados com uma da faixa de colagem de 30×75 mm e para os

de 70×75 mm. De seguida, será estudado o efeito do aumento do comprimento de ancoragem na

resistência de aderência e, por último, depois de analisados os resultados, estes serão comparados

com resultados de outros autores que tenham desenvolvido a sua pesquisa nesta temática da

aderência entre o betão e o CFRP e em estudos relacionados com a aplicação de cargas de impacto

(carregamento dinâmico) a materiais compósitos.

5.2. Interpretação dos resultados dos ensaios

Neste ponto, é explicada a maneira de interpretar os resultados dos ensaios realizados, tanto

dinâmicos como estáticos. Relativamente aos ensaios dinâmicos, os resultados são apresentados

sob a forma de gráficos força – tempo e deformação – tempo para as diversas taxas de carregamento

aplicadas, isto é, dependendo das diferentes alturas de que foi deixado cair o martelo. Nos ensaios

estáticos, os resultados são apresentados recorrendo a gráficos de força – deformação, uma vez que

não foi contabilizado o tempo. Torna-se importante esta análise, na medida em que, para a realização

dos cálculos referidos anteriormente em relação à resistência de aderência e taxa de carregamento

tem de se saber quais os valores a retirar dos gráficos obtidos.


64

5.2.1. Resultados dos ensaios dinâmicos

Como referido, nestes ensaios a carga de impacto foi aplicada através de um martelo de massa

conhecida, o qual foi deixado cair de diversas alturas conhecidas. No final de cada ensaio obtiveram-

se por meio do software LABVIEW 7.1 a força aplicada, as deformações na tira de fibra de carbono e

o tempo total do carregamento. Outro parâmetro importante, e que foi observado, é o modo de rotura,

de forma a perceber quais os ensaios em que este foi derivado da aderência na interface betão –

CFRP (destacamento do betão).

A análise dos gráficos é algo minuciosa, isto é, ao serem aplicadas cargas de impacto de curta

duração, o tempo do ensaio acabou por ser da ordem dos milissegundos. Como gráficos relevantes a

analisar, têm-se:

gráficos força – tempo;

gráficos deformação – tempo.

Primariamente, a análise dos gráficos força – tempo (figuras 5.1a) é focada na observação do valor

máximo fornecido pela célula de carga, o qual corresponde à força de rotura. A rotura ocorreu na

interface entre o betão e o CFRP (rotura por destacamento do betão) ou por tracção da fibra,

correspondendo estes aos modos de rotura, como já foi explicado no ponto 4.10.3, do capítulo 4

anterior. Por outro lado, nos gráficos deformação – tempo (figura 5.1b), além de se poder inferir a

deformação máxima da tira de fibra de carbono, torna-se possível entender se a força exercida pelo

carregamento dinâmico foi directamente transmitida para a referida tira de fibra, nomeadamente,

através da comparação do intervalo de tempo entre o início do carregamento e o valor máximo deste

(gráficos força – tempo) com o início da deformação e o valor máximo desta. Na figura 5.2 encontra-

se representada a sobreposição dos dois tipos de gráficos, de modo a melhor se compreender o que

foi referido em relação à distribuição do carregamento.

Figura 5.1 – Ensaio dinâmico do provete S25-2 (a) Força – tempo (b) Deformação – tempo

(a) (b)


65

No anexo A1, encontram-se os gráficos força – tempo e respectivos gráficos deformação – tempo

para cada ensaio dinâmico realizado nos diferentes modos de colagem.

Através da análise da figura 5.2, pode-se constatar que o início do carregamento e da deformação,

juntamente com os valores máximos destes, ocorrem praticamente no mesmo instante, o que quer

dizer que o resultado deste ensaio está de acordo com o esperado, na medida em que a força

exercida através do carregamento foi directamente transmitida à tira de fibra de carbono. Desta

forma, conseguiu-se então minimizar as dificuldades sentidas por Rodrigues (2009) na medição das

deformações específicas e das forças que efectivamente actuam na tira de fibra de carbono pois

foram eliminadas as forças de inércia, consistindo este facto num dos objectivos desta dissertação e

que será explicado com um maior rigor mais à frente.

5.2.2. Resultados dos ensaios estáticos

Nestes ensaios, o carregamento foi aplicado lentamente por meio de um macaco hidráulico

accionado manualmente. Nestes ensaios, ao contrário dos ensaios dinâmicos, o tempo de aplicação

da carga não influencia os resultados e, portanto, não foi contabilizado. No final de cada ensaio,

através do software já referido, obteve-se a força aplicada e as deformações na tira de fibra de

carbono, tendo sido também observado o modo de rotura, assim como nos ensaios dinâmicos. Como

gráficos relevantes para esta análise, têm-se:

gráficos força – deformação.

Figura 5.2 – Combinação dos gráficos força – tempo e deformação – tempo obtidos no ensaio dinâmico do provete S25-2

(a) (b)


66

Na análise destes gráficos (figura 5.3), o importante a ser observado é o valor máximo fornecido pela

célula de carga, que corresponde à força de rotura, exactamente como nos ensaios dinâmicos. Em

relação à deformação da tira de fibra de carbono, no que diz respeito à igual distribuição da força

pelos dois lados, basta observar o gráfico e o desenvolvimento das linhas correspondentes a cada

extensómetro e perceber a sua similaridade.

No anexo A2, encontram-se os gráficos força – deformação de cada ensaio estático realizado.

5.3. Cálculo da resistência de aderência e da taxa de carregamento

Encontram-se então reunidas as condições para se realizar o cálculo das resistências de aderência e

das taxas de carregamento, através dos resultados dos ensaios realizados nesta campanha

experimental. De maneira a se perceber a origem de todos os valores, ou melhor, dos cálculos

efectuados, iniciar-se-á por explicar todas as variáveis em estudo e respectivas expressões de

cálculo. Por último, serão analisados os resultados obtidos, explicando-se, quando necessário,

algumas situações particulares.

5.3.1. Identificação das variáveis e expressões de cálculo

Numa primeira fase, tornou-se fundamental a identificação das seguintes variáveis, estando

representado na figura 5.4 o modo como as duas primeiras se devem identificar nos gráficos força –

tempo:

Figura 5.3 – Gráfico força – deformação obtido no ensaio estático do provete S0-1


67

força máxima fornecida pela célula de carga ou força de rotura (Fmáx);

tempo de carregamento (Δt);

modo de rotura.

É com base na análise das variáveis anteriores que se conseguirá alcançar um dos objectivos deste

estudo, nomeadamente, a obtenção da expressão que relacione a taxa de carregamento com a

resistência de aderência. Deste modo, através da força máxima (força de rotura), tendo em conta que

é feita a divisão desta força por dois, devido às duas superfícies de colagem, torna-se possível o

cálculo de duas variáveis importantes, nomeadamente:

tensão normal na tira de fibra de carbono, isto é, a tensão que efectivamente actua na fibra

devido ao carregamento imposto. Para tal divide-se a força aplicada, pela área da secção

transversal da fibra (expressão 5.1);

tensão média de aderência, em que, é feita a divisão da força aplicada pela área da faixa de

colagem da tira de fibra de carbono no betão. O valor máximo desta tensão é denominado

por resistência de aderência (expressão 5.2).

A acrescentar ao exposto, conhecendo-se a tensão normal na fibra, juntamente com o tempo de

carregamento, pode-se calcular a taxa de carregamento aplicada (expressão 5.3). Por último, um

aspecto relevante é o modo de rotura, sendo o da aderência entre o betão e o CFRP (destacamento

do betão) o mais importante, visto que quando existe a rotura por tracção da fibra de carbono, os

Figura 5.4 – Dados relevantes a retirar dos gráficos força – tempo

Fmáx

Δt


68

valores em nada interessam quando se está a estudar a aderência. Denominaram-se os modos de

rotura por DB (destacamento do betão) e RT (rotura por tracção da fibra) e as fotos dos provetes,

onde se pode constatar o correspondente modo de rotura, estão presentes no anexo A3.

Para o cálculo da tensão normal na tira de fibra de carbono (σf), da resistência de aderência (fb) e da

taxa de carregamento (Tc), utilizaram-se as expressões 5.1, 5.2 e 5.3, respectivamente, as quais

também foram utilizadas por Rodrigues (2009).

(Expressão 5.1)

(Expressão 5.2)

(Expressão 5.3)

Onde:

Fmáx – Força máxima fornecida pela célula de carga ou força de rotura [kN];

tf – Espessura da tira de fibra de carbono = 0,165 mm;

bf – Largura da tira de fibra de carbono = 75 mm;

la – Comprimento de ancoragem = 30 mm para faixa de colagem de 30×75 mm; 70 mm para faixa

de colagem de 70×75 mm;

Δt – Tempo de carregamento [s].

Na sequência do referido, na figura 5.4, está representado um esquema que ilustra de que forma as

variáveis necessárias para o cálculo das expressões anteriores, nomeadamente a força de rotura e o

tempo de carregamento, devem ser identificadas nos gráficos força – tempo. Posteriormente, através

da aplicação das expressões 5.1, 5.2 e 5.3 anteriores, podem-se obter os resultados de cada ensaio,

tendo em conta os dois modos de colagem adoptados. Em seguida, será feita uma análise dos

resultados obtidos nas diferentes séries ensaiadas e explicadas algumas situações em particular.

5.3.2. Resultados para a faixa de colagem 30×75 mm

Em primeira instância, apresentam-se os resultados das três primeiras séries de ensaios, para o

modo de colagem em que a faixa é de 30×75 mm. Da observação da tabela 5.1, deve-se ter em conta

o facto já referido anteriormente de não se ter contabilizado nenhum intervalo de tempo nos ensaios

estáticos, o que por consequência levou a que a taxa de carregamento fosse aproximadamente nula,

para um elevado período de tempo, quando comparado com os ensaios dinâmicos.


69

ProveteFmáx

(kN)

Δt

(s)

σf

(MPa)

fb

(MPa)

Tc

(GPa/s)

Modo de

rotura

S0 - 1 13,24 - 535 2,94 0 D B

S0 - 2 13,38 - 541 2,97 0 D B

S0 - 3 23,04 - 931 5,12 0 D B

S25 - 1 28,97 0,0110 1170 6,44 106 D B

S25 - 2 21,19 0,0070 856 4,71 123 D B

S25 - 3 30,90 0,0118 1248 6,87 106 D B

S50 - 1 34,60 0,0080 1398 7,69 174 D B

S50 - 2 28,65 0,0055 1158 6,37 211 D B

S50 - 3 40,27 0,0105 1627 8,95 155 D B

S75 - 1 35,45 0,0067 1432 7,88 213 D B

S75 - 2 32,90 0,0054 1329 7,31 244 D B

S75 - 3 36,70 0,0056 1483 8,16 265 D B

S100 - 1 38,43 0,0047 1553 8,54 329 D B

S100 - 2 25,78 0,0020 1041 5,73 521 D B

S100 - 3 42,42 0,0055 1714 9,43 313 D B

S125 - 1 27,05 0,0030 1093 6,01 360 D B

S125 - 2 38,70 0,0046 1563 8,60 340 D B

S125 - 3 43,09 0,0046 1741 9,58 379 D B

S150 - 1 39,72 0,0044 1605 8,83 361 D B

S150 - 2 25,01 0,0033 1010 5,56 308 D B

S150 - 3 33,15 0,0032 1340 7,37 413 D B

Da análise dos ensaios estáticos, tanto através dos resultados presentes na tabela 5.1 como da

observação das figuras 5.5a e 5.5b, é evidente que o ensaio S0-3 apresenta uma maior força máxima

aplicada e portanto uma maior resistência de aderência em comparação com os outros dois ensaios.

Tal aconteceu devido a vários factores como a boa colagem obtida na interface betão – CFRP e ao

correcto posicionamento e elaboração (betonagem) do provete a ensaiar, o que levou a uma boa

distribuição da força, visível pela deformação da tira de fibra de carbono, em ambos os

extensómetros. Comparando os ensaios S0-1 e S0-3, cujos resultados se podem ver nas figuras 5.5a

e 5.5b, pode-se inferir que o principal factor para se ter obtido uma diferença tão grande nos

resultados, foi a boa colagem conseguida no provete S0-3. Isto é, apesar de no ensaio S0-1 ter

existido uma melhor distribuição da força nos dois lados da fibra de carbono (figura 5.5a), a força de

rotura, a deformação máxima e a resistência de aderência foi maior no ensaio S0-3. Contudo, devem

ser feitos mais ensaios com estas características, de modo a se perceber melhor qual o valor

esperado, podendo-se por exemplo concluir, se o ensaio S0-3 foi um resultado muito bom,

correspondendo a uma excepção ou os outros dois ensaios é que não correram da melhor forma.

Tabela 5.1 – Resultados dos ensaios para a faixa de colagem 30×75 mm

Fmáx – Força de rotura; Δt – Tempo de carregamento; σf – Tensão normal na tira

de fibra de carbono; fb – Resistência de aderência; Tc – Taxa de carregamento;

DB – Destacamento do betão.


70

Nos ensaios sujeitos a carregamento dinâmico, foram realizadas três séries de ensaios para seis

alturas diferentes de onde se deixou cair o martelo, sendo aqui analisados os respectivos resultados.

Na primeira série de ensaios destaca-se, pela negativa, o ensaio do provete S125-1, na medida em

que, a colagem da fibra de carbono no betão ficou deficiente, gerando espaços vazios na interface de

colagem, resultando em valores baixos da força de rotura, deformação máxima (ver figura A1.13b, no

anexo A1.1) e resistência de aderência quando comparados com os valores dos outros ensaios da

mesma altura de carregamento. Na figura 5.6, tem-se o modo de rotura obtido no ensaio do referido

provete, ou seja, o destacamento do betão deu-se em apenas em parte da faixa de colagem,

reduzindo a aderência na interface betão – CFRP, o que está de acordo com o referido em relação à

existência de espaços vazios, gerados por zonas com bolhas de ar ou sem cola.

(a) (b)

Figura 5.5 – Gráficos força – deformação obtidos no ensaio: (a) S0-1 (b) S0-3

Figura 5.6 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S125-1


71

Na segunda série de ensaios, tal como referido no ponto 4.11, a impregnação das fibras com resina

não foi feita da melhor forma, tendo sido usados calços na tentativa de remediar a situação. No

entanto, o seu uso foi em alguns ensaios infrutífero, pois à semelhança do que foi referido no

parágrafo anterior, os ensaios dos provetes S25-2, S50-2, S100-2 e S150-2 acabaram por revelar um

mau comportamento, quando comparados com a gama de valores dos ensaios das séries

correspondentes. Tal facto, é visível tanto através dos seus resultados relativos à força de rotura e

resistência de aderência, como se pode constatar na tabela 5.1, como pela deformação máxima, a

qual por comparação das figuras 5.7a e 5.7b se pode ter uma ideia da diferença, no ensaio dos

provetes S50-2 e S50-3, correspondendo o segundo a um bom ensaio. Na figura 5.8, encontra-se o

modo de rotura obtido no ensaio do provete S50-2 e, os modos de rotura dos restantes provetes mal

impregnados da segunda série (S25-2, S100-2 e S150-2), estão presentes no anexo A3.2, onde se

constata uma clara falha na colagem, visível através do destacamento parcial do betão, reduzindo em

grande parte a aderência do sistema.

Na terceira e última série, ao contrário das duas anteriores, não houve qualquer tipo de problema na

elaboração dos provetes em termos de colagem, restando apenas que fosse correctamente

posicionado o provete e aplicado o carregamento, para que os resultados fossem os melhores. Como

se pode ver na tabela 5.1 e nas respectivas figuras presentes no anexo A1.1, à excepção do ensaio

S150-3, todos os outros ensaios foram definitivamente melhores, fornecendo valores superiores, nas

principais variáveis já referidas anteriormente, nomeadamente na força de rotura, deformação

máxima e resistência de aderência. O motivo para a obtenção dos bons resultados desta série, deve-

se ao facto de ter sido a última a ser preparada, logo já eram conhecidos os principais cuidados a ter

na montagem dos provetes e posterior realização dos ensaios.

(a) (b)

Figura 5.7 – Gráficos deformação – tempo obtidos no ensaio: (a) S50-2 (b) S50-3

(a) (b)

(a) (a)


72

Por último, destaca-se o facto de a rotura de todos os ensaios ter sido por destacamento do betão

(DB), para a faixa de colagem de 30×75 mm, levando a que posteriormente, quando se estudar a

influência da taxa de carregamento na resistência de aderência, todos os ensaios sejam importantes.

De seguida serão analisados, à semelhança do que foi feito anteriormente, os ensaios realizados nos

provetes com faixa de colagem de 70×75 mm.

5.3.3. Resultados para a faixa de colagem 70×75 mm

Mantém-se, nestes ensaios estáticos, no modo de colagem em que a faixa é de 70×75 mm, o que já

foi referido anteriormente em relação à não contabilização do seu tempo de ensaio, levando a ser

considerada uma taxa de carregamento nula para um elevado período de tempo. O resultado dos

ensaios das duas últimas séries é o apresentado na tabela 5.2 que se segue.

Podia-se fazer uma análise detalhada das duas séries, mas estes ensaios seguem o mesmo

raciocínio dos anteriores, na medida em que apenas se aumentou o comprimento de ancoragem e

todos os provetes apresentavam boas condições, concluindo-se que para forças de rotura maiores,

maiores as deformações e maiores também são as resistências de aderência (ver tabela 5.2 e anexo

A1.2). Ou seja, pela mesma razão dos ensaios da terceira série para a faixa de colagem de 30×75

mm terem sido bons, o mesmo aconteceu nos ensaios destas duas últimas séries, correspondentes à

faixa de colagem de 70×75 mm, na medida em que já eram conhecidos os principais cuidados a ter

na montagem dos provetes, principalmente no que diz respeito à colagem da tira de fibra de carbono

nas laterais do bloco de betão. Deste modo, obtiveram-se bons resultados, podendo-se constatar

este facto, por comparação da similaridade dos valores dos ensaios das diferentes séries, para a

mesma altura de carregamento.

Figura 5.8 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S50-2


73

ProveteFmáx

(kN)

Δt

(s)

σf

(MPa)

fb

(MPa)

Tc

(GPa/s)

Modo de

rotura

A0 - 1 27,75 - 1121 2,64 0 D C

A0 - 2 26,53 - 1072 2,53 0 D C

A25 - 1 46,09 0,0212 1862 4,39 88 D C

A25 - 2 43,34 0,0206 1751 4,13 85 D C

A50 - 1 40,88 0,0104 1652 3,89 158 R F

A50 - 2 49,99 0,0140 2020 4,76 144 D C

A75 - 1 47,76 0,0100 1930 4,55 194 R F

A75 - 2 48,43 0,0097 1957 4,61 202 D C

A100-1 50,70 0,0084 2048 4,83 243 D C

A100 - 2 46,43 0,0073 1876 4,42 258 D C

A125 - 1 49,13 0,0052 1985 4,68 379 R F

A125 - 2 49,47 0,0054 1999 4,71 367 D C

A150 - 1 - - - - - -

A150 - 2 52,64 0,0053 2127 5,01 400 R F

Na tabela 5.2, constata-se a não existência de dados para o ensaio A150-1, pois o equipamento NI

cDAQ-9174 de aquisição de dados desligou-se a meio do ensaio. Outro aspecto a analisar, é que ao

contrário dos modos de rotura observados nos ensaios com faixa de colagem de 30×75 mm, neste

caso existiram alguns ensaios em que a rotura foi por tracção da fibra (RF). A explicação para tal

facto deve-se às fibras não estarem uniformemente traccionadas, existindo regiões na tira de fibra de

carbono mais esforçadas do que outras. Assim, as fibras sujeitas a um maior esforço devido à tracção

romperam primeiro, transferindo a força para as fibras vizinhas, resultando na rotura da tira de fibra

de carbono. Pode-se observar o que foi referido na tabela 5.2, comparando, por exemplo, os ensaios

das séries cuja altura de carregamento foi de 50 cm e de 75 cm, de onde se conclui que os ensaios

em que o modo de rotura foi por tracção da fibra, a força de rotura foi menor e, além disso, em

nenhum destes a deformação específica na rotura foi superior à deformação última calculada no

capítulo 4 anterior (εfu= 12,20‰), como se pode ver nos gráficos das figuras 5.9a e 5.9b. Quando for

estabelecida a relação entre a resistência de aderência e a taxa de carregamento, nos ensaios em

que tal aconteceu, não se terá em conta a sua influência visto a rotura em nada se relacionar com a

aderência do sistema.

Neste ponto da dissertação, a análise dos resultados obtidos nos ensaios, tendo em conta os dois

modos de colagem, foi feita com base na relação das variáveis força de rotura (Fmáx), deformação

máxima (εfu) e resistência de aderência (fb), as quais podem ser observadas nas tabelas 5.1 e 5.2 e

nos gráficos dos anexos A1 e A2.

Tabela 5.2 – Resultados dos ensaios para a faixa de colagem 70×75 mm

Fmáx – Força de rotura; Δt – Tempo de carregamento; σf – Tensão normal na tira de

fibra de carbono; fb – Resistência de aderência; Tc – Taxa de carregamento; DB –

Destacamento do betão; RT – Rotura por tracção da fibra.


74

Pode-se concluir que um aumento da força de rotura gera um aumento da deformação da tira de fibra

de carbono e um aumento da resistência de aderência, no entanto, para que tal aconteça, torna-se

fundamental que exista uma boa colagem na interface betão – CFRP. No que diz respeito às

variáveis tempo de carregamento (Δt) e tensão normal na tira de fibra de carbono (σf), juntamente

com a taxa de carregamento (Tc), optou-se por analisar no próximo ponto, tendo em conta que se

estudará a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência.

5.4. Influência da taxa de carregamento na resistência de aderência

Aqui são analisados os efeitos da taxa de carregamento na resistência de aderência entre o CFRP

(Polímero Reforçado com Fibras de Carbono) e o bloco de betão. Inicialmente é feita uma breve

análise dos resultados obtidos nos ensaios, no que diz respeito à taxa de carregamento e as variáveis

de que esta depende, nomeadamente do tempo de carregamento e da tensão normal na tira de fibra

de carbono. Por último, serão tidos em conta apenas os ensaios em que a rotura ocorreu por

destacamento do betão (DB), e os restantes, aqueles em que a rotura foi por tracção da fibra de

carbono (RT), serão excluídos, obtendo-se pelo método dos mínimos quadrados, as expressões que

relacionem a taxa de carregamento e a resistência de aderência para os dois modos de colagem.

Da análise das tabelas 5.1 e 5.2, verifica-se uma dependência entre as variáveis tensão normal na

tira de fibra de carbono e a força de rotura, ou seja, a tensão normal aumenta para maiores forças

aplicadas, à semelhança do que acontece com a resistência de aderência. Por outro lado, existe uma

relação entre a altura de queda do martelo e o tempo do ensaio, na medida em que, quando a altura

aumenta, a velocidade de aplicação da carga também aumenta, o que leva a menores tempos de

carregamento. Pode-se então concluir, através da análise dos resultados e da expressão 5.3, que

quando a força de rotura e a tensão normal aumentam, em paralelo com a diminuição dos tempos de

(b) (a)

Figura 5.9 – Gráficos deformação – tempo obtidos no ensaio: (a) S50-1 (b) S70-1


75

y = 5,30x0,06

R² = 0,62

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Re

sist

ên

cia

de

Ad

erê

nci

a (

MP

a)

Taxa de Carregamento (GPa/s)

y = 3,57x0,05

R² = 0,98

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Re

sist

ên

cia

de

Ad

erê

nci

a (

MP

a)


carregamento, a taxa de carregamento tende a aumentar, para uma mesma área da faixa de

colagem.

Nas figuras 5.10a e 5.10b, estão representados os gráficos obtidos nos ensaios dos provetes para os

dois modos de colagem. As variáveis em questão são a resistência de aderência (fb) e a taxa de

carregamento (Tc), estando também representada no gráfico a linha de tendência.

Nos gráficos acima, de acordo com o referido no seguimento deste trabalho, apenas estão incluídos

os resultados dos ensaios cujo modo de rotura tenha sido por destacamento do betão, uma vez que o

que se pretende analisar é a questão da aderência entre o betão e o CFRP. Outro aspecto que foi

considerado, relaciona-se com o facto da taxa de carregamento dos ensaios estáticos à partida ser

zero para um elevado tempo de ensaio, por não se ter contabilizado o tempo desses ensaios. No

entanto, para a obtenção das expressões que relacionam a taxa de carregamento com a resistência

de aderência, teve-se em conta um valor para esta taxa, na medida em que se considerou uma

função sob a forma de potência. Logo, atribuiu-se um valor muito pequeno de 0,001 à taxa de

carregamento dos ensaios estáticos para os dois modos de colagem, correspondendo esta taxa a um

tempo de ensaio mínimo de aproximadamente 9 minutos e máximo de 19 minutos, tornando-se um

intervalo muito aceitável para este tipo de ensaio.

De uma primeira análise das figuras 5.10a e 5.10b, pode-se concluir que existe uma maior dispersão

de resultados para os ensaios do primeiro modo de colagem (30×75 mm), como se pode ver pelo

valor mais baixo do coeficiente de correlação (R2), onde por sua vez foram contabilizados mais 12

ensaios. Observa-se em ambos os casos que os valores da resistência de aderência aumentam com

o aumento da taxa de carregamento. Essa relação pode ser considerada, segundo o referido, como

uma função potência e as expressões 5.4 e 5.5 que a seguir se apresentam, reflectem a influência da

taxa de carregamento na resistência de aderência para os dois modos de colagem adoptados, tendo

sido obtidas pelo método dos mínimos quadrados, com coeficientes de correlação de R2 = 0,62 e R

2 =

0,98, respectivamente.

faixa de colagem de 30×75 mm:

(Expressão 5.4)

(a) (b)

Figura 5.10 – Gráficos que relacionam a taxa de carregamento com a resistência de aderência e respectiva linha de tendência (a) Faixa de colagem de 30×75 mm (b) Faixa de colagem de 70×75 mm

(a)


76

EstáticosFmáx

(kN)

Δt

(s)

σf

(MPa)

fb

(MPa)

Tc

(GPa/s)

30×75 mm 16,56 - 669 3,68 -

70×75 mm 27,14 - 1097 2,58 -

Incremento 63,9% - 63,9% -29,7% -

faixa de colagem de 70×75 mm:

(Expressão 5.5)

Onde:



Neste ponto da dissertação, torna-se então possível concluir através das expressões apresentadas e

dos gráficos das figuras 5.10a e 5.10b, que quando a taxa de carregamento aumenta, a resistência

de aderência também aumenta. Estas expressões serão novamente analisadas quando mais à frente

se compararem com resultados de outros autores. Seguidamente, de acordo com os objectivos deste

capítulo, serão sintetizadas e analisadas as diferenças observadas no que diz respeito ao aumento

do comprimento de ancoragem adoptado nos provetes a ensaiar.

5.5. Efeito do aumento do comprimento de ancoragem na resistência de

aderência

No ponto anterior, foram apresentados e explicados os resultados obtidos nos ensaios dos provetes,

de modo a inferir a influência da taxa de carregamento na resistência de aderência em sistemas de

betão – CFRP, sujeitos a cargas de impacto de curta duração (carregamento dinâmico), onde foram

utilizados modelos de ensaio de corte tracção-compressão, adoptando duas faixas de colagem

diferentes. Esta diferença surge no comprimento de ancoragem adoptado, ou seja, nas três primeiras

séries ensaiadas o comprimento de ancoragem foi de 30 mm e, nas duas últimas, este comprimento

aumentou para 70 mm. Neste ponto, o objectivo é identificar e perceber de que forma este aumento

influenciou todas as variáveis já estudadas neste capítulo, relevando-se a resistência de aderência.

Para o efeito, optou-se por calcular a diferença das médias dos valores em termos percentuais das

variáveis em estudo já mencionadas anteriormente, tendo em conta os dois modos de colagem.

Devido ao facto de não se ter contabilizado o tempo dos ensaios e a taxa de carregamento ser

aproximadamente zero, fez-se uma separação entre os incrementos verificados nos ensaios estáticos

e nos ensaios dinâmicos como se pode ver nas tabelas 5.3a e 5.3b. Atenção especial deve ser dada

ao facto dos valores em percentagem serem apenas uma estimativa das médias, uma vez que o

número de amostras do primeiro modo de colagem é maior e os resultados dos ensaios do segundo

modo de colagem foram melhores. No entanto, permite ter-se uma ideia aproximada das diferenças,

aquando do aumento do comprimento de ancoragem efectuado.

DinâmicosFmáx

(kN)

Δt

(s)

σf

(MPa)

fb

(MPa)

Tc

(GPa/s)

30×75 mm 33,50 0,0059 1353 7,44 273

70×75 mm 47,78 0,0124 1930 4,55 198,06

Incremento 42,6% 108,5% 42,6% -38,9% -27,5%

Tabela 5.3 – Diferença das médias das variáveis em estudo, segundo os dois modos de colagem para os ensaios (a) Estáticos (b) Dinâmicos

(a) (b)


77

Nos ensaios estáticos, observa-se que o aumento no comprimento de ancoragem levou a uma

diminuição na resistência de aderência. O valor desta diferença foi de 29,7%, a qual se deve ao facto

da resistência não ser distribuída ao longo de toda a área de reforço, mas apenas naquela que resiste

ao carregamento. No entanto, a força máxima necessária para causar a rotura aumentou 63,9%,

assim como a tensão normal na tira de fibra de carbono, uma vez que depende directamente do valor

desta força.

Em relação aos ensaios dinâmicos, a sua análise pode ser feita relacionando todas as variáveis em

estudo. Seguindo o mesmo raciocínio dos ensaios estáticos, o incremento da força de rotura é igual

ao da tensão normal, assumindo este um valor de 42,6% e, por outro lado, a resistência de aderência

também diminuiu na ordem dos 38,9%.

No que diz respeito à taxa de carregamento tem-se uma diminuição de 27,5%. Tal acontece, pois

apesar de existir um incremento na tensão normal na tira de fibra de carbono de 42,6%, o tempo de

carregamento aumentou para mais do dobro em termos percentuais (108,5%). A explicação para tal

facto é que como a superfície é maior e resiste a uma maior força de rotura, os ensaios também

acabaram por ter um maior tempo de carregamento até à rotura, fazendo com que a taxa de

carregamento fosse menor para uma maior área de colagem, quando comparados os dois modos de

colagem adoptados.

Em suma e, concluindo a partir do que foi verificado nos ensaios dinâmicos, um aumento do

comprimento de ancoragem ou área de colagem para sensivelmente mais do dobro, induz ao

aumento das variáveis força de rotura, tempo de carregamento e tensão normal na tira de fibra de

carbono. Contrariamente, surgem as variáveis resistência de aderência e taxa de carregamento,

cujos valores diminuem com o aumento do comprimento de ancoragem devido às razões já citadas.

Com a análise que foi feita dos resultados obtidos nos ensaios e após se ter percebido qual o efeito

do aumento do comprimento de ancoragem nas variáveis em estudo, estão reunidas as condições

para se comparar os resultados da presente dissertação, com resultados de outros investigadores,

cujos estudos também incidem na temática da aderência em sistemas betão – CFRP, nomeadamente

os que foram referidos no capítulo 3.

5.6. Comparação dos resultados

Neste ponto, serão comparados todos os aspectos que se acharem relevantes, de modo a se

perceber de que maneira este estudo foi importante e mostrar que esta campanha experimental veio

contribuir para o estudo mais aprofundado, no âmbito da aderência entre interfaces de betão e fibras

de carbono, o que corresponde a um dos objectivos desta dissertação. No capítulo 3, houve a

preocupação de se dar a conhecer ensaios recentemente realizados por diversos autores, no âmbito

do reforço exterior com materiais compósitos, mais precisamente aqueles em que se recorreu ao uso

de CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono) e, nesse sentido, de seguida serão

comparados os resultados obtidos nesses estudos com os que foram aqui apurados.


78

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

t (ms)

P (

kN

)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo (ms)

Defo

rmaç

ão

esp

ecíf

ica (

‰)

Um dos objectivos que foi proposto neste capítulo remete para a tentativa de eliminar ou reduzir as

forças de inércia observadas nos ensaios dinâmicos realizados por Rodrigues (2009). Essas forças

de inércia surgiram em decorrência da montagem dos ensaios nos quais o bloco de betão e a célula

de carga eram deslocados com a aplicação da carga. Assim, a força lida pela célula de carga (figura

5.11a) incluía a força elástica (que actua directamente na tira de fibra) mais a força de inércia

despertada pela aceleração com que a massa do bloco de betão e da célula de carga se deslocava.

Foi então necessária uma análise numérica dos resultados para se obter a força elástica que actua

na tira de fibra e, finalmente, obter a resistência de aderência (força de rotura dividida pela área de

colagem).

Na figura 5.11b, pode-se observar que aos dois milissegundos de ensaio, os extensómetros colados

nas laterais da tira de fibra, representados pelas curvas rosa e azul, não mediram qualquer

deformação, começando apenas esta medição um pouco antes dos quatro milissegundos. Essa

translação observada no eixo do tempo relativamente ao início do carregamento e ao início da

deformação pode ser atribuída ao tempo que a onda de tensão demora a percorrer entre a célula de

carga (bloco de betão) e os extensómetros (CFRP), na medida em que, como se poder ver na figura

3.7a no capítulo 3 anterior, o carregamento exercido pelo perfil é feito directamente no bloco de

betão, fazendo com que o bloco, primariamente absorva a energia do carregamento e gere forças de

inércia contrárias ao sentido deste e só depois este carregamento é transmitido à tira de fibra de

carbono.

De facto, o objectivo de eliminar as forças de inércia e de minimizar as dificuldades sentidas pela

autora na medição das deformações específicas e da força actuante na tira de fibra de carbono foi

atingido. Observe-se então no início deste capítulo a figura 5.2, na qual estão representados os

gráficos força – tempo e deformação – tempo obtidos no ensaio S25-2, de onde se conclui que no

momento em que o carregamento é exercido no provete, a medição da deformação da tira de fibra de

carbono também é de imediato contabilizada. Deste modo, pode-se concluir que os ensaios

realizados nesta dissertação foram bons em relação ao que já foi anteriormente referido. A mudança

no modo como se aplicou a carga no provete levou a que as dificuldades sentidas por Rodrigues

(a)

Figura 5.11 – Gráficos do ensaio B25-125-E de Rodrigues (2009) (a) Força – Tempo (b) Deformação específica – Tempo

(b) (a)


79

Autor Ano Modelo de ensaio Modo de carregamento Dados importantes Conclusões

Meneghel 2005Corte de junta dupla

tracção-compressãoEstático

• Provetes constituídos por dois blocos

de betão unidos por uma tira de fibra de

carbono

•Comprimento de ancoragem = 150 mm

• Comprimento de ancoragem no qual as

tensões de aderência estão realmente

distribuídas = 120 mm

• Valor médio de fb = 1,92 MPa

Pacheco 2006Corte de junta dupla

tracção-compressãoEstático


de betão unidos por uma tira de fibra de

carbono

• Comprimento de ancoragem = 120 mm

• Valor médio de fb = 1,78 MPa

• Superfícies rugosas acrescem na ordem

dos 5% a resistência última de aderência

Pellisari 2007 Flexão - corte Estático e dinâmico


de betão unidos por uma rótula e uma

tira de fibra de carbono colada na parte

inferior dos blocos

• Comprimento de ancoragem de 60 mm

e 120 mm

• Ensaios estáticos - fb médio de 3,49 MPa

• Ensaios dinâmicos - fb médio de 6,79 MPa

• Quando a taxa de carregamento aumenta,

a resistência de aderência também aumenta

• fb = 1,6 × 10-6Tc + 3,14 (expressão 3.1)

Rodrigues 2009Corte de junta dupla

tracção-compressãoEstático e dinâmico

• Provetes constituídos por um bloco de

betão com uma tira de fibra de carbono

colada nas laterais opostas






• fb = 6,03 Tc0,05 (expressão 3.2)

(a) e (b) 2011Corte de junta dupla

tracção-compressãoEstático e dinâmico

• Provetes constituídos por um bloco de

betão com uma tira de fibra de carbono

colada nas laterais opostas


e 70 mm

(a)



(b)



(a) e (b)



(a) fb = 5,30 Tc0,06 (expressão 5.4)

(b) fb = 3,57 Tc0,05 (expressão 5.5)

(2009) fossem ultrapassadas, nomeadamente a alteração da aplicação da carga na extremidade

inferior da tira de fibra de carbono (ver figura 4.24 no capítulo 4 anterior), em detrimento da aplicação

da carga directamente no bloco de betão, favorecendo deste modo a transmissão de força à fibra.

Outro aspecto em análise nesta dissertação é o efeito do aumento do comprimento de ancoragem na

resistência de aderência. As conclusões a que se chegou estão de acordo com o estudo de Chajes et

al. (1996), isto é, por um lado, quando o comprimento de ancoragem aumenta, a força de rotura

também tende a aumentar e, por outro, a resistência de aderência diminui.

Em ordem agora a comparar alguns dos estudos apresentados do capítulo 3 com os presentes,

elaborou-se a tabela 5.4, na qual estão sintetizados os vários trabalhos segundo o seu modelo de

ensaio, o modo de carregamento, alguns dados importantes e por último as conclusões retiradas,

tendo sempre em conta o valor dos ensaios, em que o modo de rotura foi por destacamento do betão.

Por último, serão comparados os resultados atendendo aos parâmetros anteriormente referidos e far-

se-á a respectiva análise. Adoptou-se uma divisão, isto é, numa primeira fase serão comparados os

resultados dos dois primeiros autores e, em seguida, finalizar-se-á com a comparação dos resultados

dos dois últimos autores. Optou-se por esta divisão, na medida em que os ensaios de Pellisari (2007)

e Rodrigues (2009) se relacionam mais com os da presente dissertação.

fb – Resistência de aderência; Tc – Taxa de carregamento; (a) – Faixa de colagem de 30×75 mm utilizada na

campanha experimental desta dissertação; (b) – Faixa de colagem de 70×75 mm utilizada na campanha

experimental desta dissertação.

Tabela 5.4 – Síntese dos ensaios recentemente realizados no âmbito do reforço exterior com CFRP, tendo em conta a aderência


80

Meneghel (2005) e Pacheco (2006) obtiveram na sua pesquisa um valor médio para a resistência de

aderência estática na ordem dos 1,9 MPa, considerando um comprimento de ancoragem onde

efectivamente actuam as tensões de 120 mm e, utilizando a segunda autora, a parte rugosa do bloco

de betão, a qual corresponde à face superior quando retirada da cofragem, não tendo sido este um

factor importante na medida em que existiu apenas um acréscimo de 5% no valor da resistência de

aderência. Nos ensaios estáticos da presente dissertação obtiveram-se valores maiores para a

resistência de aderência, isto é, considerando o comprimento de ancoragem de 70 mm, o valor médio

obtido foi de 2,58 MPa. Este facto pode estar relacionado com vários factores, entre eles o

comprimento de ancoragem, pois como já foi referido, a resistência de aderência diminui com o

aumento deste. Além disso, outros factores que podem ter influenciado os resultados relacionam-se

com o equipamento de ensaio e o tipo de fibra utilizada, sendo que as resinas para a sua aplicação

foram as mesmas nos três casos. No entanto, neste estudo foi conferida rugosidade à superfície

através de picagem, tirando-se a camada mais superficial do betão num máximo de 2 mm de

profundidade, ao contrário das autoras, uma vez que Meneghel (2005) não efectuou qualquer

tratamento superficial e Pacheco (2006) apenas colou a fibra directamente na superfície do bloco com

rugosidade conferida pela betonagem. Por último, foi utilizada resina de regularização, também

denominada por putty, a qual efectuou a regularização da superfície após se ter impregnado o betão

no comprimento de ancoragem com primário, o qual se destina a promover uma melhor aderência

entre as camadas, preenchendo também os poros do betão, instituindo esta prática um ganho de

aderência entre a fibra de carbono e o substrato de betão.

Serão agora comparados os ensaios dos dois últimos autores, os quais realizaram os seus estudos

tendo em conta alguns dos objectivos que se assemelham aos do presente estudo, nomeadamente

no que diz respeito à resistência de aderência e à sua afectação por vários factores, assumindo maior

relevância a taxa de carregamento. Outras similaridades que se podem verificar são o modo de

carregamento (estático e dinâmico) e a obtenção de uma expressão que relacione as variáveis taxa

de carregamento com a resistência de aderência. Por outro lado, um aspecto importante a realçar é o

facto de Pellisari (2007) ter realizado os seus ensaios, baseando-se no modelo flexão-corte, no

entanto, tentar-se-á comparar os seus resultados com os do presente trabalho.

Para uma melhor compreensão dos resultados obtidos e que serão de seguida analisados,

elaborou-se a figura 5.12, na qual estão representadas as curvas das expressões obtidas por Pellisari

(2007), Rodrigues (2009) e as do presente estudo (expressões 5.4 e 5.5), para taxas de

carregamento crescentes, estando os valores presentes no anexo A.4.

O primeiro autor referido obteve uma expressão que relaciona a taxa de carregamento com a

resistência de aderência na forma linear, como se pode ver através da expressão 3.1 no capítulo 3

anterior, no entanto, de modo a se poder comparar os seus valores com as outras expressões, para a

elaboração do gráfico da figura 5.7, consultaram-se os dados de Pellisari (2007) e calculou-se a

expressão na forma de potência, com um coeficiente de correlação de R2 = 0,60.

(Expressão 5.6)


81

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

12,00

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Re

sist

ên

cia

de

Ad

erê

nci

a (M

Pa)


Pellisari (2007)

Rodrigues (2009)

(a)

(b)

Em que:



Por último, apesar de o autor ter realizado ensaios em que o comprimento de ancoragem variou entre

60 mm e 120 mm, devido aos poucos resultados dos ensaios estáticos e dinâmicos que obteve, num

total de 8 em que o modo de rotura foi por destacamento do betão, não se efectuou a sua separação

segundo o comprimento adoptado, contrariamente ao que se fez com os resultados do presente

trabalho. Contudo, observando-se o desenvolvimento da curva obtida pelo autor, poderá ter-se uma

ideia da resistência de aderência mobilizada.

Comparando os resultados, pode-se de imediato concluir que o estudo de Pellisari (2007) assume

valores maiores em termos de resistência de aderência, para taxas de carregamento crescentes,

quando comparado com os resultados de (b). O autor, na preparação dos seus provetes sujeitou a

superfície a picagem, de modo a conferir uma maior aderência, contudo, o tecido de fibra de carbono

utilizado foi diferente assim como o modelo e ensaio adoptado. No entanto, não é possível efectuar

uma análise muito aprofundada dos valores do autor, pelos motivos já referidos em relação ao total

de ensaios e ao comprimento de ancoragem, todavia, pode-se concluir que o modelo de ensaio

(a) – Faixa de colagem de 30×75 mm utilizada na campanha experimental desta dissertação; (b) – Faixa de

colagem de 70×75 mm utilizada na campanha experimental desta dissertação

Figura 5.12 – Relação entre a taxa de carregamento e a resistência de aderência obtida por diversos investigadores,

incluindo os resultados da presente dissertação


82

utilizado, ou seja, modelo flexão-corte, no que diz respeito à análise da resistência de aderência

fornece valores similares, quando comparados com os modelos de ensaio de corte, para

comprimentos de ancoragem semelhantes.

Por último e com maior importância, surge o ensaio de Rodrigues (2009), visto ser o estudo que mais

se assemelha ao da presente dissertação e, deste modo, se estabelecerá uma comparação com os

resultados de (a), uma vez que o comprimento de ancoragem é o mesmo. Em ambos os estudos, não

só o equipamento utilizado foi o mesmo, variando apenas a posição do provete, mas também o

modelo de ensaio adoptado foi igual, utilizando-se o modelo de corte de junta dupla tracção-

compressão. Por outro lado, ambos os autores efectuaram o tratamento da superfície do betão na

zona da faixa onde se colou a tira de fibra de carbono, conferindo assim uma maior aderência desta

ao substrato de betão, no entanto, a manta de CFRP utilizada foi diferente nos dois estudos.

Da observação da figura 5.12, pode-se denotar a proximidade de resultados entre os dois autores,

para o mesmo comprimento de ancoragem (30 mm). No entanto, tem de se ter em conta algumas

questões relativamente aos ensaios realizados por cada um e, dos respectivos valores obtidos. Em

relação aos ensaios estáticos, os valores médios da resistência de aderência de Rodrigues (2009) e

(a) foram de 4,19 MPa e 3,68 MPa e, nos ensaios dinâmicos de 7,77 MPa e 7,44 MPa,

respectivamente. É então notável a similaridade de valores já referida.

Além da diferença nos ensaios dinâmicos realizados entre cada autor e das dificuldades nas

medições agora ultrapassadas, outro aspecto a realçar é a agravante que existiu nos ensaios de (a),

ou seja, além de terem sido ensaiados menos provetes, como já se sabe existiu a má colagem de 5

provetes (S125-1, S25-2, S50-2, S100-2 e S150-2) fazendo com que houvesse uma maior dispersão

nos valores obtidos, ao contrário de Rodrigues (2009), onde em todos os ensaios, a colagem foi bem

conseguida. Por outro lado, relativamente aos ensaios estáticos, julga-se que a diferença nos

resultados também se deva à preparação dos provetes, uma vez que o valor obtido no ensaio

estático da terceira série (S0-3) foi superior a qualquer ensaio estático de Rodrigues (2009),

concluindo-se que o factor chave para atingir bons resultados seja a experiência em termos de

colagem dos provetes. Em síntese, os resultados de (a) podiam ter sido bastante melhores, podendo

até superar os de Rodrigues (2009) pelos motivos já explicados, aconselhando-se assim, que sejam

realizados mais ensaios idênticos aos da presente campanha experimental.

Por último, surgem os ensaios de (b), nos quais foi utilizado um comprimento de ancoragem de 70

mm. Observando a figura 5.12, não existem dúvidas quanto à inferioridade dos valores em termos de

resistência de aderência quando comparados com todos os outros autores. Nestes ensaios, a

colagem dos provetes foi a melhor possível uma vez que correspondem às duas últimas séries

preparadas, no entanto, juntamente com a adopção de um maior comprimento de ancoragem da fibra

levou a uma diminuição do valor da resistência de aderência derivada da distribuição das tensões na

área reforçada, facto que já foi explicado anteriormente.


83

5.7. Conclusões do capítulo

No presente capítulo, foram apresentados, analisados e comparados os resultados da presente

dissertação com estudos realizados por diversos autores, no âmbito do reforço exterior por colagem

de materiais compósitos, mais propriamente de CFRP (Polímero Reforçado com Fibras de Carbono),

sempre com o intuito de contribuir para o estudo mais aprofundado da resistência de aderência entre

interfaces de betão e fibras de carbono, sendo a questão fundamental perceber a influência da taxa

de carregamento na resistência de aderência em sistemas de betão – CFRP.

Começou por se explicar como seria feita a interpretação dos resultados dos ensaios, tanto dinâmicos

como estáticos. No caso dos ensaios dinâmicos, os resultados foram apresentados sob a forma de

gráficos força – tempo, de onde se pôde retirar a força máxima ou força de rotura, e por outro, por

gráficos deformação – tempo através dos quais foi possível concluir acerca da deformação máxima

na altura da rotura. Através da comparação dos dois tipos de gráficos, o objectivo proposto em

relação a minimizar as dificuldades sentidas por Rodrigues (2009) foi atingido, uma vez que a carga

aplicada foi directamente transmitida para a tira de fibra de carbono, ou seja, existiu uma correcta

medição da força que efectivamente actua na tira de fibra e das correspondentes deformações

específicas. Os resultados foram apresentados sob a forma de gráficos força – deformação, dos

quais foi possível retirar os valores máximos da força e da deformação na altura da rotura e, analisar

a correcta distribuição da força pelos dois lados da tira de fibra de carbono, através da deformação

lida nos extensómetros.

Em seguida, depois da recolha dos valores dos gráficos referidos, ficaram reunidas as condições para

se realizar o cálculo das resistências de aderência e das taxas de carregamento. Em primeiro lugar,

identificaram-se as variáveis força de rotura, tempo de carregamento e modo de rotura. Através das

variáveis anteriores, tornou-se então possível o cálculo da tensão normal na tira de fibra de carbono,

da resistência de aderência e da taxa de carregamento. Uma vez obtidos os resultados de cada

ensaio e tendo em conta a separação das duas faixas de colagem adoptadas, analisaram-se e

explicaram-se sempre que se achou necessário, os valores obtidos. De extrema importância, na

medida em que se tornou decisivo no resultado dos ensaios dos provetes, foi o processo de colagem

da fibra no substrato de betão, daí a necessidade de se tentar evitar qualquer espaço vazio

proveniente de zonas sem cola ou com bolhas de ar.

Quando todos os resultados se encontravam calculados, foi possível estabelecer a relação entre a

taxa de carregamento e a resistência de aderência, tendo em conta um aspecto de extrema

importância, ou seja, o modo de rotura verificado, na medida em que apenas a rotura por

destacamento do betão foi tomada em conta. Obtiveram-se então os gráficos com a dispersão dos

resultados dos ensaios e através destes, alcançou-se outro dos objectivos deste trabalho,

nomeadamente a obtenção das expressões que relacionam a taxa de carregamento e a resistência

de aderência para os dois modos de colagem, através do método dos mínimos quadrados. Nas duas

expressões obtidas, analisando individualmente, a conclusão é a mesma, isto é, quando a taxa de

carregamento aumenta a resistência de aderência também aumenta.


84

Posteriormente, numa altura em que se conhecem os valores da resistência de aderência e da taxa

de carregamento para os dois modos de colagem, tornou-se possível atingir o último objectivo

proposto nesta dissertação, isto é, perceber o efeito que o aumento do comprimento de ancoragem

tem na resistência de aderência. Optou-se por calcular a diferença das médias dos valores em termos

percentuais das variáveis em estudo mencionadas, separando-se os dois modos de colagem e os

dois tipos de ensaios (estáticos e dinâmicos). A principal conclusão a que se chegou é que para um

maior comprimento de reforço ou ancoragem, menor é a resistência de aderência.

Após uma análise detalhada de todos os resultados obtidos e compreendendo a relação entre as

diferentes variáveis em estudo, procedeu-se à comparação dos resultados da presente dissertação

com os resultados obtidos por diversos autores no âmbito do reforço exterior por colagem. Com o

intuito de tentar explicar as possíveis diferenças verificadas, analisaram-se vários factores como o

tipo de equipamento, o modelo de ensaio, o modo de carregamento, o tipo de fibra e resinas

utilizadas, a existência ou não de tratamento superficial do betão na zona de colagem da fibra e, por

último, as expressões que relacionam a taxa de carregamento e a resistência de aderência obtidas

por cada investigador.

No próximo e último capítulo do presente trabalho, serão apresentadas, numa primeira fase, as

principais conclusões que se obtiveram no desenvolvimento deste trabalho prático e, por último,

serão sugeridos alguns desenvolvimentos futuros, mencionando algumas linhas de investigação que

complementem este trabalho.

Capítulo 6 – Conclusões e desenvolvimentos futuros

85

6. Conclusões e desenvolvimentos futuros

6.1. Considerações gerais

O trabalho experimental realizado incidiu no estudo da resistência de aderência entre CFRP

(Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono) e betão sujeitos a cargas de impacto de curta

duração (carregamento dinâmico), mais concretamente, na avaliação da influência da taxa de

carregamento na resistência de aderência. De facto, o tipo de resina e de fibra, o modo de

carregamento (estático ou dinâmico), o tipo de solicitação, o comprimento de ancoragem e a correcta

colagem do CFRP no betão, são alguns dos factores que condicionam o comportamento dos

materiais compósitos e consequente desempenho, quando usados no reforço exterior de estruturas

de betão por colagem.

Neste contexto, o estudo em apreço incluiu trabalhos em laboratório, no qual foram ensaiados 35

provetes, constituídos por blocos cúbicos de betão e tiras de CFRP coladas nas laterais opostas dos

blocos. De acordo com o referido anteriormente, fez-se variar o modo de carregamento, realizando-se

30 ensaios dinâmicos e 5 estáticos. O tipo de solicitação estudada foi o corte, baseando-se os

ensaios no modelo de corte de junta dupla tracção-compressão. Por outro lado, fez-se variar o

comprimento de ancoragem das tiras de CFRP de 30 mm para 70 mm e foi feita uma análise do

processo de colagem destas no betão.

Para uma melhor interpretação dos resultados, correlacionou-se a informação obtida, com a fornecida

por diversos estudos de outros investigadores no âmbito da aderência betão – CFRP. Desta feita, foi

possível perceber a evolução do desempenho destes materiais, segundo a metodologia de ensaio

adoptada. Os resultados obtidos foram analisados tendo em conta os aspectos supra referidos

conduzindo às conclusões que em seguida se sintetizam.

6.2. Considerações finais

O facto de grande parte das estruturas de betão armado de hoje em dia estarem a atingir o fim da sua

vida útil, despertou a necessidade de se proceder ao seu reforço e reabilitação. Na presente

dissertação, desenvolve-se o estudo da técnica de adição de armaduras exteriores por colagem,

nomeadamente, de polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP). Este método de reforço

surge não como um substituto às habituais chapas de aço empregues desde o final dos anos 60, mas

sim como uma alternativa, uma vez que apresentam características que se parecem evidenciar como

sendo melhores, não só em relação aos materiais tradicionais (ex: aço), mas também no que diz

respeito a outros tipo de materiais compósitos como o GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) e o

AFRP (Aramid Fibre Reinforced Polymer). A elevada resistência mecânica, a facilidade de adaptação

a várias geometrias das peças, o seu peso, a resistência à corrosão e à fadiga, levam a que se

considere o uso destes materiais como um grande impulso no âmbito do reforço de estruturas de

betão.


86

Segundo Juvandes (1999): “Em engenharia civil, é mais difícil adquirir a confiança em novas soluções

e novos materiais do que destruí-la.”. Para que haja uma maior confiança por parte dos projectistas

ou até das entidades ligadas à construção no uso dos CFRP e, para o estabelecimento de normas

para o uso destes materiais, torna-se necessária a realização de um vasto número de projectos de

investigação. Assumem especial relevância, os estudos relacionados com o comportamento a curto e

longo prazo e da aderência na interface betão – CFRP, de modo a prevenir as denominadas roturas

prematuras, também conhecidas por “peeling off”, as quais impedem que o material mobilize grande

parte da sua capacidade resistente com consequente subaproveitamento deste.

No entanto, são já diversas as aplicações deste material no reforço exterior por colagem, sendo os

principais campos de aplicação a reabilitação, o reforço estrutural devido a anomalias e erros de

projecto ou construção e o reforço estrutural tendo em conta a acção sísmica. São essencialmente

utilizados no reforço à flexão, ao corte, à compressão, à acção sísmica e acções de impacto, assim

como na prevenção da deterioração de lajes, vigas, paredes e pilares. No que diz respeito aos

sistemas mais comuns de FRP, mais propriamente dos CFRP, um aspecto a ter atenção é o facto

das mantas e os laminados serem utilizados quando uma das direcções de reforço tem de ser

privilegiada (anisotrópico), ao contrário dos tecidos, que se utilizam quando as solicitações assumem

diversas direcções, como é o caso da acção sísmica. Em termos de vantagens e desvantagens dos

vários sistemas, os laminados apresentam-se como um material, que ao ser pré-fabricado garante

uma secção final constante, uma melhor rigidez à flexão, incorpora uma maior percentagem de fibras

e a sua rapidez e precisão de aplicação é maior. Por outro lado, as mantas e os tecidos, sendo

sistemas curados “in situ”, permitem que a sua aplicação seja possível em qualquer tipo de superfície

antes de se impregnar as fibras com resina. De negativo a apontar aos laminados, tem-se o problema

de conseguir a sua aplicação em superfícies que não sejam planas e, por outro lado, as mantas e os

tecidos apresentam dificuldades na garantia da sua espessura final.

Para estabelecer critérios de dimensionamento e de prevenção dos reforços utilizados, torna-se

importante conhecer os modos de rotura que existem, uma vez que, para um reforço exterior

desempenhar as funções para as quais foi destinado necessita de garantir uma boa conjugação com

a superfície a reforçar, principalmente no que diz respeito à aderência. Diversos investigadores já

investigaram esta questão concluindo que existem roturas associadas à interacção completa entre

materiais provenientes da flexão dos elementos e da acção do esforço transverso (roturas de base).

No entanto, nos dias de hoje, as roturas mais importantes são as que ocorrem por destacamento

prematuro ou perda de aderência do material (“peeling off”), uma vez que as capacidades do material

não são devidamente aproveitadas, como já foi referido.

Sendo a aderência uma grande preocupação na utilização do reforço exterior por colagem, tem de se

ter em atenção factores que possam influenciar o seu desempenho em serviço. Por um lado, têm-se

factores ambientais como a temperatura ambiente, a humidade relativa e a radiação ultravioleta. A

existência de temperaturas ambiente elevadas é um risco para resinas que tenham uma temperatura

de transição vítrea (Tg) baixa, pois a cadeia molecular torna-se mais flexível e, consequentemente,

perde rigidez a temperaturas ambiente mais baixas. Por outro lado, a existência de humidade relativa


87

e sua incorporação no material compósito, leva a uma diminuição da Tg, o que de acordo com o

referido anteriormente, faz com que a resina corra riscos de se degradar para temperaturas mais

baixas. Por último, a radiação ultravioleta, não sendo um factor tão gravoso, torna-se prejudicial pois

abre microfissuras na resina, permitindo que a acção dos dois factores ambientais anteriores fique

mais facilitada. De modo a tentar prevenir as estruturas reforçadas da acção destes agentes,

aconselha-se o uso de materiais compósitos que combinem uma resina epóxida de Tg elevada, nas

quais a incorporação da humidade é parcialmente reversível por secagem, com fibras de carbono,

pois apresentam boa resistência face aos agentes de degradação externos, levando assim a um

reforço mais durável, ou seja, o uso dos CFRP (Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono) é

uma boa solução a ter em conta.

A campanha experimental realizada permitiu obter informações relevantes sobre a influência da taxa

de carregamento na resistência de aderência. Alguns dos provetes foram sujeitos a um carregamento

estático, exercido lentamente por um macaco hidráulico, e os restantes a cargas de impacto de curta

duração (carregamento dinâmico), as quais foram aplicadas através da queda de um martelo de

massa conhecida de diversas alturas conhecidas. No caso do segundo tipo de carregamento, em que

este é quase instantâneo gerando uma grande taxa de carregamento, a aderência assume ainda um

papel mais importante na interface betão – CFRP.

Um factor essencial para a obtenção de bons resultados em termos de aderência foi a concepção dos

provetes no que se refere à colagem da tira de fibra de carbono no substrato de betão. Para tal foi

seguida uma metodologia na preparação dos blocos de betão que consiste na picagem da superfície

de colagem, seguida da aplicação de um primário, o qual penetra no betão por capilaridade e

proporciona uma melhor aderência à camada seguinte e, termina com a regularização da superfície

com putty (resina de regularização), garantindo uma superfície lisa para a colagem do CFRP. Numa

fase final, na junção dos materiais que constituem o provete a ensaiar foi utilizada resina epóxida.

Neste ponto revelou-se como essencial uma boa impregnação do sistema, recorrendo ao uso de

pincel e rolo denteado, visto tendo sido a colagem dos provetes feita na vertical, por vezes levou à

existência de zonas sem cola ou com bolhas de ar, causando problemas na aderência entre os

materiais, sobretudo as já referidas roturas prematuras. Outro aspecto a ter em atenção neste tipo de

ensaios é o correcto posicionamento dos provetes, garantindo-se uma igual distribuição da força aos

dois lados da tira de fibra de carbono e, a correcta leitura de todos os instrumentos de medição,

verificados através de alguns procedimentos antes de cada ensaio.

Neste tipo de montagem de ensaio, o posicionamento do provete em relação ao modo como foi

aplicado o carregamento demonstrou exercer uma influência positiva na leitura das deformações

específicas e consequentemente das forças que efectivamente actuam na tira de fibra de carbono,

relativamente aos ensaios dinâmicos, uma vez que foram eliminadas as forças de inércia verificadas

no estudo de Rodrigues (2009) e a força aplicada pelo carregamento foi directamente transmitida à

tira de fibra de carbono. Deste modo, minimizaram-se as dificuldades sentidas pela autora consistindo

este facto num objectivo da presente dissertação.


88

Seguidamente à obtenção dos resultados de cada ensaio e tendo em conta a separação das duas

faixas de colagem, estabeleceu-se uma relação entre todas as variáveis em análise e concluiu-se, em

ambos os modos de colagem, que quando a força de rotura aumenta, maiores são as deformações e

maiores são as resistências de aderência. Em relação à taxa de carregamento, esta também tende a

aumentar, quando a tensão normal aumenta e, o tempo de carregamento diminui devido às maiores

alturas de onde é deixado cair o martelo. Após analisados os resultados voltou a perceber-se a

grande importância que o processo de colagem tem na obtenção de bons resultados relativamente a

aderência do sistema betão – CFRP. Por outro lado, outro aspecto a ter em atenção é o facto da

rotura de alguns provetes ter sido por tracção da fibra, pois percebeu-se que tal não acontece por ter

sido ultrapassada a deformação última da tira de fibra de carbono mas sim porque as fibras na altura

do ensaio não se encontravam uniformemente traccionadas, existindo regiões na tira de fibra mais

esforçadas do que outras. Logo as fibras sujeitas a um maior esforço romperam primeiro, transferindo

a força para as fibras vizinhas, resultando na rotura da tira de fibra de carbono.

O método dos mínimos quadrados foi o utilizado para o cálculo da expressão, para cada modo de

colagem, que relaciona a taxa de carregamento com a resistência de aderência. Foram considerados

apenas os ensaios em que o modo de rotura dos provetes foi por destacamento do betão, uma vez

que o importante neste estudo foi a questão da aderência na interface do sistema betão – CFRP.

Concluiu-se através das expressões obtidas, em ambos os modos de colagem, que quando a taxa de

carregamento aumenta, a resistência de aderência entre o betão e o CFRP também aumenta.

A análise do aumento do comprimento de ancoragem permitiu verificar a influência exercida por esse

parâmetro nas variáveis em estudo, relevando-se a resistência de aderência, por ser o principal

parâmetro em estudo nesta dissertação. Para isso, optou-se por calcular a diferença percentual das

médias dos valores dessas variáveis, separando-se os dois tipos de ensaio e os dois modos de

colagem. As conclusões principais a que se chegou, tendo em conta o tema da presente dissertação,

relacionam-se com a diferença observada na taxa de carregamento e na resistência de aderência.

Em primeiro lugar, e com maior relevância, o aumento do comprimento de ancoragem leva à

diminuição da resistência de aderência, uma vez que esta resistência, aquando do carregamento, não

se encontra distribuída ao longo de toda a área de reforço, mas apenas naquela que resiste ao

carregamento. Por último, sendo a superfície maior, os ensaios têm um maior tempo de

carregamento até à rotura, levando a que a taxa de carregamento diminua para um aumento do

comprimento de ancoragem.

Por último, tornou-se possível perceber a complexidade deste estudo devido aos inúmeros factores

envolvidos, principalmente na parte experimental desta dissertação e expôs-se o cuidado que deve

existir na interpretação dos resultados fornecidos por todo o equipamento utilizado na instrumentação

dos ensaios. No entanto, o objectivo de qualquer investigação é contribuir para algo com utilidade

futura, sendo por isso desejável que se realizem mais ensaios deste tipo, de modo a obter-se uma

amostragem de resultados suficiente, tendo em vista a importância de uniformizar, entre os vários

intervenientes (projectistas, empresas, universidades, laboratórios), os procedimentos adoptados,

métodos de análise dos resultados e os equipamentos utilizados na realização destes ensaios.


89

6.3. Desenvolvimentos futuros

Nesta dissertação, obtiveram-se resultados que serão úteis na análise de futuros ensaios, mais

especificamente, no âmbito da afectação da resistência de aderência por factores como a taxa de

carregamento e o comprimento de ancoragem. No entanto, sugerem-se algumas linhas de

investigação que complementam este trabalho:

garantir que a colagem dos provetes é feita correctamente, sem possibilidade de perda ou

inexistência de material;

realizar este tipo de ensaios para diferentes comprimentos de ancoragem;

aumentar a altura de queda do martelo ou o peso deste e, por consequência, o carregamento

aplicado;

estudar a influência de temperaturas elevadas no comportamento da resina epóxida e

posteriormente, da resistência de aderência;

executar o mesmo estudo experimental utilizando várias camadas de CFRP;

realizar ensaios recorrendo ao uso de novos materiais compósitos e diferentes suportes;

efectuar novos ensaios usando-se a metodologia empregue neste trabalho para diminuir

algumas dúvidas, e validar os valores apresentados para a resistência de aderência.


90

Capítulo 7 – Referências bibliográficas

91

7. Referências bibliográficas

Abdelrahman, A.; Rizkalla, S. (1997) – Design of concrete members prestressed by FRP. Texto de

apoio do curso “Design and retrofit of structures with fiber composites”, the Canadian Network of

Centres of Excellence on Intelligent Sensing for Innovative Structures (ISIS Canada), ICCI´98, Janeiro

de 1998, Arizona, 63 p.

ACI 440 (2000) – Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for

strengthening concrete structures. American Concrete Institute, ACI Comité 440, Sub-Comité 440F,

95 p.

ACI 440F (1999) – Guidelines for the selection, design and installation of fiber reinforced polymer

(FRP) systems for externally strengthening concrete structures. American Concrete Institute,

Farmington Hills, Michingan, 68 p.

Alfaiate, J. (1986) – Reforço por adição de elementos metálicos em vigas de betão armado - flexão

simples. Tese de Mestrado em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Agosto, 75 p.

Appleton, J.; Gomes, A. (1997) – Reforço de estruturas de betão armado por adição de armaduras

exteriores. Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas, nº 41, Janeiro, literatura de apoio do

curso de “Durabilidade, Reparação e Reforço de Estruturas de Betão”, 23 Junho-11 Julho, Instituto

Superior Técnico, Lisboa, 18 p.

Beber, A.J. (2003) – Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com

Compósitos de Fibra de Carbono. Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre,

289 p.

Bresson, J. (1971) – Nouvelles recherché et applications concernant l´utilisation des collages dans les

structures. Beton Plaque Annales de l´Institut Technique du Batiment et Travaux Publics, nº 278.

Büyüköztürk, O.; Hearing, B. (1997) – Failure investigation of concrete beams retrofitted with FRP

laminate. Proceedings of the US-Canada-Europe Workshop on Bridge Engineering, editado por Urs

Meier and Raimondo Betti, Zurich, Suíça, Julho, pp: 107-114.

Büyüköztürk, O.; Hearing, B. (1998) – Failure behavior of FRP precracked concrete beams retrofitted

with FRP. ASCE, Journal of Composites dos Construction, Vol. 2, Nº 3, Agosto, pp: 138-144.

Calder, A. J. J. (1979) – Exposure tests on externally reinforced concrete beams – first two years.

Supplementary Report 529. Transport and Road Research Laboratory, Department of the

Environment, Department of Transport, Crowthorne, Berkshire, UK, 27 p.

Calder, A. J. J. (1988) – Repair of cracked reinforced concrete: assessment of corrosion protection.

Transport and Road Research Laboratory, Bridges Division, Structures Group, Crowthorne, Berkshire,

UK, 21 p.


92

Catarino, J. M. (2002) – Novos Materiais Estruturais. Estruturas 2002 - Congresso Nacional da

Engenharia de Estruturas, APEE, Lisboa, pp: 252-254.

Chajes, M. J.; Finch, W. W.; Januszka, T. F.; Thomson, T. A. (1996) – Bond and force transfer of

composite materials plates bonded to concrete. ACI Structural Journal, Vol. 93, No.2, pp: 208-217.

Correia, J.R. (2008) – GFRP Pultruded Profiles in Civil Engineering: Hybrid Solutions, Bonded

Connections and Fire Behaviour. Tese de Doutoramento em Engenharia Civil, Instituto Superior

Técnico, Lisboa, pp: 1-20.

Degussa (s.d) – Reforçando estruturas com a utilização do sistema compósito estrutural de fibra de

carbono MBracetm

. http://www.abcp.org.br/comunidades/florianopolis/download/Curso_Patologias

_Construções/8_ ReforcoFibradeCarbono.pdf. Acedido a <20/04/2011>, 61 p.

Deuring, M. (1993) – Verstärken von Stahlbeton mit gespannten Faserverbundwerkstoffen. Tese de

Doutoramento, Eidgenössischen Technischen Hochschedule (ETH), Diss. ETH nº 10199, Zurich, 279

p.

Ferrari, V. J.; Padaratz, I. J. (2004) – Modos de preparação da superfície de concreto de vigas para

execução de reforço à flexão com fibras de carbono. Iniciação científica, Cesumar, vol. 06, n. 01, pp:

45-51.

Fib (CEB-FIP) (2001) – Fedération International du Betón. Externally Bonded FRP Reinforcement for

RC Structures. Fib Technical Report on the Design and Use of Externally Bonded Fibre

Reinforcement Polymer Reinforcement (FRP EBR) for Reinforced Concrete Structures, Bulletin 14,

July, 130 p.

Grace, N. F. (2004) – Concrete Repair with CFRP - Evaluating the durability of externally bonded

carbon fiber-reinforced polymer plates and fabric exposed to the environment. Concrete International,

May, pp: 45-52.

Hollaway, L. C. (1993) – Polymer Composites for Civil and Structural Engineering. Glasgow, Blackie

Academic and Professional, 276 p.

JCI TC952 (1998) – Continuous fiber reinforced concrete. Relatório técnico do JCI, comité técnico em

betão reforçado com fibras contínuas (TC952), editado por JCI, Tokyo, Japão, Setembro, 164 p.

Juvandes, L. F. P. (1999) – Reforço e Reabilitação de Estruturas de Betão usando Materiais

Compósitos de “CFRP”. Dissertação de Doutoramento em Engenharia Civil, FEUP, Porto, 400 p.

Juvandes, L. F. P.; Costa, A. G. (2002) – Reforço e Reabilitação de Estruturas. Formação

Profissional, Módulo 2, FEUP, Secção Regional da Madeira, Abril.

Juvandes, L. F. P.; Marques, A. T.; Figueiras, J. A. (1996) – Materiais Compósitos no Reforço de

Estruturas de Betão. FEUP, Parte I, Porto, 118 p.


93

Kaiser, H., (1989) – Strenghtening of reinforced concrete with epoxy-bonded carbon-fiber plastics.

Tese de Doutoramento. Eidgenössischen Technischen Hochschedule (ETH), ETH Nr. 8918, Zurich,

224 p.

Kurihara, S.; Matsui, S.; Ali, M. (2000) – Bonding Shear Strength of Adhesives between Precast

Concrete Elements. ACI Structural Journal, Vol. 193, special publication, August, pp: 551-570.

L´Hermite, R. (1967) – L´application des colles et resins dans la construction. La beton a coffrage

portant, Annales l´Institut Technique, nº 239.

Lloyd, G. D.; Calder, A. J. J. (1982) – The microstructure of epoxy bonded steel-to-concrete joints.

Supplemental Report No. 705, Transport and Road Research Laboratory, Structures Department,

Bridge Division, Crowthorne, Berkshire, UK, 8 p.

Marreiros, R. P. C. (2005) – Degradação da aderência entre CFRP e betão armado devido a

envelhecimento acelerado. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Estruturas, Instituto Superior

Técnico, Lisboa, 129 p.

Meier, U.; Deuring, M.; Meier, H.; Schwegler, G. (1993) – CFRP bonded sheets. Fiber Reinforced

Plastic (FRP) – Reinforcement for concrete structures: properties and applications, editado por

Antonio Nanni, Elsevier Science Publishers B. V., Vol 2, Amsterdam, pp: 423-434.

Meneghel, J. M. (2005) – Análise Experimental da Aderência entre o Concreto e Compósitos com

Tecido de Fibras de Carbono. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, PUC, Rio de Janeiro,

203 p.

Nanni, A.; Alkhrdaji, T.; Chen, G.; Barker, M.; Xinbao, Y.; and Mayo, R. (1999) – Overview of Testing

to Failure Program Of a Highway Bridge Strengthened with FRP Composites. In: International

symposium on FRP for reinforcement of Concrete Structures. pp: 69-80.

Pacheco, C. O. (2006) – Verificação Experimental da Aderência CFC – Concreto por meio de Ensaios

Tração-Compressão em Corpos-de-prova Cúbicos. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil,

PUC, Rio de Janeiro, 176 p.

Pellissari, A. R. (2007) – Verificação Experimental da Aderência CFC – Concreto com Carregamento

de Impacto. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, Rio de Janeiro, PUC, 65 p.

PUC – Rio (s.d) – Reforço Estrutural com Compósitos de Fibras de Carbono. Certificação Digital Nº

0710932/CA. http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0710932_09_cap_02.pdf. Acedido a

<10/05/2011>, 9 p.

Ray Publishing (1998) – Composites for infraestructure – a guide for civil engineers. Editado por Ray

Publishing, Inc., Wheat Ridge, USA, 99 p.


94

Ripper, T. (1999) – Plásticos armados com fibras: uma solução para o reforço de estruturas.

Seminário sobre Reforço de Estruturas com Fibras de Carbono, Mbrace, FEUP, Porto, 12 p.

Ritchie, P. A.; Thomas, D. A.; Lu, Le-Wu; Connelly, G. M. (1991) – External reinforcement of concrete

beams using fiber reinforced plastic. ACI Structural Journal, Vol. 88, Nº 4, Julho-Agosto, pp: 490-500.

Rodrigues, S. (2009) – Influência da Taxa de Carregamento sobre a Resistência de Aderência entre

CFC e Concreto. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, PUC, Rio de Janeiro, 122 p.

Saadatmanesh, H.; Ehsani, M. (1991) – RC beams strengthened with GFRP plates. I: experimental

study. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 117(1), pp: 3417-3433.

Saadatmanesh, H.; Ehsani, M. (1991) – RC beams strengthened with GFRP plates. II: analysis and

parametric study. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 117(1), pp: 3434-3455.

Santos, A. C. (2003) – Ensaio para a Análise da Interface entre o Betão e Polímero Reforçado com

Fibra. Tese de Doutoramento, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 179 p.

Santos, R. M. (2008) – Comportamento de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com CFC sujeitas

a Carga de Impacto. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, PUC, Rio de Janeiro, 146 p.

Sharif, A.; Al-sulaimani, G. J.; Basunbul, I. A.; Baluch, M. H.; Ghaleb, B. N. (1994) – Strengthening of

initially loaded reinforced concrete beams using FRP plates. ACI Structural Journal, Vol. 91, Nº 2,

;Março-Abril, 344 p.

Silva, A. S. (2002) – Comportamento de Pilares Curtos Confinados por Compósitos de Fibras de

Vidro e Carbono. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 167 p.

Soares, C. M.; Martins, J. G. (2006) – Reforço de Estruturas de Betão Armado com CFRP. Série

Reabilitação, 1ª edição, 240 p.

Swamy, R. N.; Jones, R.; Bloxham, J. W. (1987) – Structural behaviour of reinforced concrete beams

strengthened by epoxy-bonded steel plates. The Structural engineer, London, v. 65A, nº 2, February,

pp: 59-68.

Swamy, R. N.; Jones, R.; Charif, A (1986) – Shear adhesion properties of epoxy resin adhesives.

Proceedings of an International Symposium on Adhesion between Polymers and Concrete,

September, pp: 741-755.

Täljsten, B. (1994) – Plate bonding – strengthening of existing concrete structures with epoxy bonded

plates of steel or fiber reinforced plastics. Tese de Doutoramento, Divisions of Structural Engineering,

Lulea University of Technology, ISSN 0348-8373, Lulea, Suécia, Novembro, 237 p.

Taly, N. (1998) – Design of Modern Highway Bridges. Editado por Narendra Taly, Department of Civil

Engineering, California State University, McGraw-Hill, EUA, 1352 p.


95

Theillout, J. N. (1983) – Renforcement et reparation des ouvrages d´art par la technique des tôles

collées, Tese de Doutoramento, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 83 p.

Triantafillou, T. C.; Fardis, M. N. (1991) – Post-strengthening of RC beams with epoxy-bonded fiber

composite materials. Porceedings of the speciality Conf. on Advanced Composites Materials in Civil

Engineering Structures, editado por Srinivasa L. Lyer, Las Vegas, ASCE, New Yorl, Janeiro-Fevereiro,

pp: 245-246.

Vieira Neto, P.M.G. (2006) – Estudo numérico da Ligação Betão – CFRP. Dissertação de Mestrado

em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Lisboa, 222 p.

Regulamentação/Normalização/Especificação

NBR 7217:1987 – “Agregados - Determinação da composição granulométrica”. Rio de Janeiro:

Associação Brasileira de Normas Técnicas.

NBR 9776:1987 – “Agregados - Determinação da massa específica de agregados miúdos por meio

do frasco Chapman”. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas.

NBR 9937:1987 – “Agregados – Determinação da absorção e da massa específica de agregado

graúdo”. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas.

NBR 5738:1994 – “Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto”. Rio

de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas.

ASTM D 3039/D 3039M (2000) – “Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix

Composite Materials”. USA: American Society for Testing and Materials.

Sites consultados

[w1] – http://www.engenhariacivil.com/reforco-estruturas-compositos-fibras-carbono-frp. Acedido a

<20/04/2011>.


96

ANEXOS

A1

A1. Resultados dos ensaios dinâmicos

A1.1. Resultados dos ensaios dinâmicos para a faixa de colagem de 30x75 mm

(a) (b)

(a) (b)

Figura A1.1 – Gráficos obtidos no ensaio S25-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo


A2

(a) (b)

(a) (b)



A3

(a) (b)

(a) (b)



A4

(a) (b)

(a) (b)



A5

(a) (b)

(a) (b)



A6

(a) (b)

(a) (b)



A7

(a) (b)

(a) (b)



A8

(a) (b)

(a) (b)



(a)

A9

(a) (b)

(a) (b)



A10

A1.2. Resultados dos ensaios dinâmicos para a faixa de colagem de 70x75 mm

(a) (b)

(a) (b)

Figura A1.19 – Gráficos obtidos no ensaio A25-1 (a) Força – Tempo (b) Deformação – Tempo


A11

(a) (b)

(a) (b)



(a) (b)

A12

(a)

(b)

(a)

(b)



(a)

(a)

A13

(a) (b)

(a) (b)



A14

(a) (b)


(a) (b)


A15

(a)

(b)


(a)

A16

A2. Resultados dos ensaios estáticos

A2.1. Resultados dos ensaios estáticos para a faixa de colagem de 30x75 mm

(a) (b) (a)

Figura A2.2 – Gráfico força – deformação obtido no ensaio S0-3

Figura A2.1 – Gráficos força – deformação obtidos nos ensaios (a) S0-1 (b) S0-2

A17

A2.2. Resultados dos ensaios estáticos para a faixa de colagem de 70x75 mm

(a) (b)

Figura A2.3 – Gráficos força – deformação obtidos nos ensaios (a) A0-1 (b) A0-2

A18

A3. Modos de rotura dos ensaios estáticos e dinâmicos

A3.1. Modos de rotura observados na primeira série para a faixa de colagem

de 30x75 mm

(a)

Figura A3.1 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S0-1 (b) S25-1

(b) (a)


(b) (a)

A19

A3.2. Modos de rotura observados na terceira série para a faixa de colagem de

30x75 mm

(b) (a)


Figura A3.4 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150-1

(b)


(a)

A20

(a) Figura A3.6 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S50-2 (b) S75-2

(a) Figura A3.7 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) S100-2 (b) S125-2

Figura A3.8 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150-2

(b)

(a) (b)

(a)

(b) (a)

A21

A3.3. Modos de rotura observados na terceira série para a faixa de colagem de

30x75 mm

(a)

(b)



(a)

(b) (a)

A22

A3.4. Modos de rotura observados na primeira série para a faixa de colagem

de 70x75 mm

(a)

(a)


Figura A3.12 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete S150 - 3

(b)

(a) (b)

Figura A3.13 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete (a) A0-1 (b) A25-1

A23

(a)



Figura A3.16 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete A150-1

(a)

(b) (a)

(b)

(a)

A24

A3.5. Modos de rotura observados na segunda série para a faixa de colagem

de 70x75 mm

(a) (a)




(a) (b)

(a) (b)

(a) (b)

A25

(a) (a)

Figura A3.20 – Modo de rotura obtido no ensaio do provete A150-2

A26

A4. Influência da taxa de carregamento na resistência de aderência

Tabela A4.1 - Valores obtidos pelas expressões de diversos investigadores e na presente dissertação

Tc

(GPa/s)

Pellisari (2007) Rodrigues (2009) (a) (b)

fb = 4,36Tc0,05

fb = 6,03Tc0,05

fb = 5,30Tc0,06

fb = 3,57Tc0,05

MPa

0 0,00 0,00 0,00 0,00

25 5,12 7,08 6,43 4,19

50 5,30 7,33 6,70 4,34

75 5,41 7,48 6,87 4,43

100 5,49 7,59 6,99 4,49

125 5,55 7,68 7,08 4,54

150 5,60 7,75 7,16 4,59

175 5,64 7,81 7,23 4,62

200 5,68 7,86 7,28 4,65

225 5,72 7,91 7,34 4,68

250 5,75 7,95 7,38 4,71

275 5,77 7,99 7,42 4,73

300 5,80 8,02 7,46 4,75

325 5,82 8,05 7,50 4,77

350 5,84 8,08 7,53 4,78

375 5,86 8,11 7,56 4,80

400 5,88 8,14 7,59 4,82

425 5,90 8,16 7,62 4,83

450 5,92 8,18 7,65 4,85

475 5,93 8,21 7,67 4,86

500 5,95 8,23 7,70 4,87

525 5,96 8,25 7,72 4,88

550 5,98 8,27 7,74 4,89

575 5,99 8,29 7,76 4,91

600 6,00 8,30 7,78 4,92

625 6,02 8,32 7,80 4,93

650 6,03 8,34 7,82 4,94

675 6,04 8,35 7,83 4,94

700 6,05 8,37 7,85 4,95

fb – Resistência de aderência; Tc – Taxa de carregamento; (a) – Faixa de colagem de 30×75 mm

utilizada na campanha experimental desta dissertação; (b) – Faixa de colagem de 70×75 mm

utilizada na campanha experimental desta dissertação.

estudo experimental da resistência de aderência entre cfrp ... · resumo este trabalho refere-se...

Documents