reforÇo de pontes por colagem de sistemas cfrp caso...

Tema - Técnicas de Reabilitação 189

REFORÇO DE PONTES POR COLAGEM DE SISTEMAS CFRP CASO DA PONTE DE N.S. DA GUIA

JOAQUIM A. FIGUEIRAS Prof. Catedrático FEUP Porto

LUIS F.P. JUVANDES

Professor Auxiliar FEUP Porto

SUMÁRIO A técnica de reforço de estruturas de betão por meio de colagem externa de compósitos à base de polímeros reforçados com fibras (sistemas FRP) está a dar os primeiros passos mas mostra-se com excelentes potencialidades para ser aplicada na indústria da construção. Neste trabalho, faz-se uma apresentação da nova técnica e dos materiais já disponíveis no mercado, e tecem-se algumas considerações sobre as ideias actuais de dimensionamento de reforços com base em sistemas FRP. Apresenta-se de seguida os estudos e ensaios realizados com vista à aplicação desta nova técnica ao reforço da laje superior do tabuleiro da Ponte N.S. da Guia em Ponte de Lima. 1. INTRODUÇÃO A reparação e o reforço de estruturas de engenharia civil tem adquirido uma importância cada vez maior nos últimos anos. A deterioração de edifícios, pontes e viadutos resultante do envelhecimento, do projecto e/ou construção deficiente, da falta de manutenção e de causas acidentais (fogo, sismos) tem levado a uma degradação crescente das estruturas. A necessidade de reparação é frequentemente combinada com a necessidade de reforço das estruturas para que possam desempenhar com segurança novas funções, designadamente utilização diferente em edifícios, maiores volumes de tráfego em pontes e modificação do sistema estrutural. Estas são algumas das razões pelas quais a reabilitação de estruturas de betão tem recebido grande atenção por parte da indústria da construção em todo o mundo. Diferentes técnicas de reparação e reforço de estruturas têm sido utilizados ao longo dos anos. A reparação pela adição de uma camada de betão projectado, armado ou reforçado com fibras é seguramente uma técnica eficiente para protecção e reforço de estruturas, sendo no entanto

190 Seminário Segurança e Reabilitação das Pontes em Portugal, FEUP, Porto 2001

trabalhosa e condicionando significativamente a utilização das obras durante as operações de reparação. A aplicação de pré-esforço exterior adicional por meio de cabos metálicos ou cabos compósitos (FRP) é também uma técnica de reforço corrente em obras de arte. A técnica de reforço de elementos estruturais de betão por meio de fixação e colagem exterior de chapas de aço é simples e eficiente no que se refere ao custo e desempenho mecânico, mas sofre de várias desvantagens, nomeadamente a corrosão das chapas resultante da deterioração da aderência , as dificuldades de manipulação, os comprimentos limitados resultando na necessidade de emendas para reforços longos. A substituição das chapas metálicas por sistemas FRP colados externamente aos elementos de betão tem evidenciado ser uma técnica com enormes potencialidades, para resolver muitos dos problemas que hoje se colocam no campo da reabilitação de estruturas. As razões pelas quais os compósitos são crescentemente usados como materiais de reforço de estruturas de betão estão ligadas às propriedades mecânicas das fibras (elevada resistência e rigidez comparada com o seu peso), às propriedades sinergéticas e resistência à corrosão das resinas, à facilidade de aplicação e à praticamente ilimitada diversidade de sistemas FRP que poderão ser colocados no mercado. Os compósitos tem também algumas desvantagens que não devem ser desprezadas pelos projectistas na resolução de problemas de reforço estrutural. Exibem, ao contrário do aço, um comportamento linear elástico até à rotura que ocorre, no entanto, para deformações significativas. O custo dos materiais com base no peso é significativamente superior ao do aço sendo no entanto o custo menos desfavorável se a comparação for feita em termos de resistência. Finalmente, a exposição dos materiais compósitos a altas temperaturas (e.g., em caso de fogo) pode causar uma degradação prematura e colapso (algumas resinas epoxídicas podem quebrar a sua rigidez para temperaturas de 60 a 80ºC). Os sistemas de FRP não devem, por isso, ser vistos como a solução para substituição do aço (e outros materiais) na reabilitação de estruturas. As vantagens que eles oferecem devem ser avaliadas em relação às potenciais desvantagens e a decisão sobre a sua utilização deve tomar em conta os vários factores, incluindo não apenas o desempenho mecânico, mas também a facilidade de construção e a durabilidade a longo prazo. Vários factores devem ser examinados quando se comparam os custos totais de instalação de um sistema FRP em relação às técnicas convencionais. Embora as fibras e as resinas usadas nos sistemas compósitos sejam relativamente caras quando comparadas com os materiais de reforço tradicionais (betão e aço), os custos de mão-de-obra e equipamento utilizados na instalação de sistemas FRP são sempre mais baixos. Outros factores podem ainda afectar os custos comparados das diferentes técnicas de reforço. Os sistemas FRP podem em geral ser instalados em locais com acesso limitado e requerem um tempo para instalação do reforço inferior ao das técnicas convencionais. Os sistemas de reforço exterior com FRP não alteram a forma geométrica dos elementos estruturais o que pode trazer vantagens estéticas e porque não estão sujeitos à corrosão têm menores custos de manutenção que as técnicas convencionais. Esta nova técnica de reforço de estruturas por colagem externa de sistemas FRP tem sido estudada no DECivil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e um conjunto alargado de ensaios de reforço de elementos estruturais de betão com sistemas de CFRP têm sido realizados no Laboratório de Estruturas com vista à exploração e validação desta técnica de reforço [1,2,3]. Com o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia e do Instituto de


Estradas de Portugal a aplicação desta técnica ao reforço de pontes tem sido explorada [4,5]. O caso aqui tratado é o do reforço da laje superior do tabuleiro da Ponte de Nossa Senhora da Guia em Ponte de Lima. 2. MATERIAIS E PROPRIEDADES DOS SISTEMAS FRP Os materiais constituintes de um sistema (compósito) FRP incluem as resinas e as fibras. Existem diponíveis um conjunto alargado de resinas que tem sido formuladas para melhor se adequar às aplicações estruturais em vista e às condições ambientais da sua cura. Na designação genérica de resina inclui-se os primários, os fillers (putties), as resinas de saturação, os adesivos e as pinturas de protecção. O primário é usado para penetrar na superfície do betão fornecendo uma aderência melhorada para a resina de saturação ou adesivo enquanto que o “putty” pode ser usado para regularizar a superfície do betão antes da colagem do FRP. A resina de saturação é usada para impregnar e fixar as fibras e fornecer um meio para transferência efectiva das cargas entre as fibras. Esta resina é também o adesivo no caso dos sistemas curados “in situ” pois fornece o meio de transmissão das forças de corte entre a superfície do betão e o sistema FRP. Os adesivos desempenham a função da colagem do sistema FRP pré-fabricado ao betão ou a outros sistemas compósitos. As fibras são o agente estrutural principal dos sistemas FRP dando-lhe a resistência e a rigidez necessária. São fibras contínuas de vidro, de aramida e de carbono as mais correntemente utilizadas nos sistemas FRP. No Quadro 1 são indicados valores típicos do campo de variação das características à tracção destas fibras [6].

Quadro 1: Características à tracção das fibras dos sistemas FRP

Tipo de fibra Módulo de elasticidade (GPa)

Resistência última (MPa)

Deformação última (%)

Carbono Corrente Alta resistência Elevada resistência Módulo alto Módulo elevado

220-235 220-235 220-235 345-515 515-690

2050-3790 3790-4825 4825-6200 1725-3100 1375-2410

> 1.2 > 1.4 > 1.5 > 0.5 > 0.2

Vidro Vidro E Vidro S

69-72 86-90

1860-2685 3445-4825

> 4.5 > 5.4

Aramida Corrente Elevado desempenho

69-83

110-124

3445-4135 3445-4135

> 2.5 > 1.6

As principais formas comercializadas para os FRP podem ser classificadas em dois grandes grupos, os sistemas pré-fabricados (pre-cured laminate systems) e os sistemas curados “in situ” (wet lay-up fabric systems), podendo estes últimos formar sistemas unidireccionais ou bidireccionais conforme a disposição das fibras no compósito.


Sistemas pré-fabricados (laminados) Resultam da impregnação de um conjunto de feixes de fibras contínuas por uma resina termoendurecível, consolidadas por um processo de pultrusão com controlo da espessura e da largura do compósito. A orientação unidireccional e o esticamento das fibras confere ao sistema a maximização da resistência e da rigidez na direcção longitudinal. Para as aplicações correntes em engenharia civil a espessura do laminado é tipicamente de 0,8 a 5mm sendo o armazenamento feito em rolos com comprimentos superiores a 50 metros. O volume de fibras do sistema é da ordem de 60 a 75% do volume do laminado, sendo as características mecânicas em geral baseadas na área bruta da secção transversal da lâmina. Conhecendo o volume de fibras e as propriedades mecânicas das fibras (f) e da matriz (m) é possível estimar as propriedades da lâmina na direcção longitudinal usando a regra da mistura (podendo ser desprezada a contribuição da matriz): ( )

( ) ffmfffl

ffmfffl

EVEVEVE

fVfVfVf

≅−+≅

≅−+≅

1

1 (1)

sendo Vf o volume de fibras por unidade de volume do laminado e fl e El a resistência e o módulo de elasticidade à tracção do sistema compósito. As características mecânicas e físicas dos laminados devem ser garantidas pelo fabricante com base em ensaios e em planos de controlo de qualidade. O agente adesivo (para colagem dos laminados ao betão é em geral um material distinto da resina de saturação. Sistemas curados “in situ” São feixes de fibras contínuas em forma de fios, mantas ou tecidos, em estado seco ou pré-impregnado. A resina de saturação tem as funções de impregnar o conjunto de fibras, formando o sistema compósito após polimerização e simultaneamente de desempenhar as funções do adesivo efectuando a ligação ao substracto de betão. Segundo o conceito de FRP, este sistema só o será fisicamente após a execução do reforço, isto é, após a polimerização ou endurecimento da resina que é efectuado “in situ”. As mantas (ou folhas) unidireccionais são os sistemas mais aplicados na engenharia civil apresentando tipicamente espessuras de 0,1 a 0,2mm e larguras entre 25 e 50cm sendo armazenados em rolos e facilmente cortadas à tesoura com o comprimento desejado. As características mecânicas destes sistemas são baseadas na área da secção transversal das fibras já que a secção compósita (fibras + resina) pode não manter características de uniformidade. O processo de construção leva a um controlo da quantidade de fibras, não controlando a quantidade de resina. Podem ser aplicadas camadas sobrepostas de mantas para se obter a área de fibras necessária para o reforço de uma dada secção transversal. A secção transversal do sistema FRP é obtida pelo produto da área de fibras da manta (espessura × largura), garantida pelo fabricante, vezes o número de mantas (camadas) utilizadas. O módulo de elasticidade, El, e a resistência, fl, são as correspondente às fibras utilizadas (ver quadro 1). Propriedades à tracção dos sistemas FRP Os valores característicos (valores garantidos) das propriedades de um sistema FRP são em geral fornecidos pelo fabricante, sendo baseados em testes à tracção de vários provetes. O valor médio da resistência à tracção e da deformação de rotura deve ser reduzido de três vezes o


desvio padrão para ter em conta a dispersão dos resultados. O módulo de Young deve ser calculado para um valor da tensão correspondente a uma deformação característica de 0.005:

005033

0050 ./E

ff

.f

umuk

umuk

σσεεσ

=−=−=

(2)

Os valores característicos das propriedades dos materiais fornecidos pelos fabricantes, devem ser considerados como propriedades iniciais que não têm em conta a possível degradação devida à exposição a longo prazo às condições ambientais. O valor de cálculo das propriedades à tracção de um sistema FRP são obtidos afectando os valores característicos dos efeitos de redução devido às condições de exposição ambiental, às características da carga e ao tipo de aplicação (flexão, corte, etc.). Factores de redução indicativos estão especificados no quadro 2 [6]. Os valores de cálculo da resistência à tracção e da deformação última, fud e εud, são encontrados aplicando o coeficiente redutor aos correspondentes valores característicos.

Quadro 2: Factores de redução das propriedades dos materiais

Condição de exposição Tipo de fibra Factor de redução ambiental, CE

Carbono/Epoxy 0.95 Vidro/Epoxy 0.75 Espaço fechado (interior não agressivo)

Aramida/Epoxy 0.85 Carbono/Epoxy 0.85

Vidro/Epoxy 0.65 Espaço aberto (exterior em geral) Aramida/Epoxy 0.75 Carbono/Epoxy 0.85

Vidro/Epoxy 0.50 Ambiente agressivo Aramida/Epoxy 0.70

Os materais compósitos quando sujeitos a uma tensão elevada que se mantenha por um determinado período de tempo podem romper subitamente. É a chamada rotura por fluência, à qual as fibras de vidro são muito sensíveis e as de carbono relativamente imunes. Quando se projecta um sistema FRP os níveis de tensão última de cálculo (sustentada) devem ser mantidos abaixo dos valores de rotura por fluência. Limites conservativos destas tensões são de cerca de 30% para o vidro, 50% para a aramida e 90% para o carbono, dos correspondentes valores característicos. Em geral, a tensão última deve ser reduzida para o limite de rotura por fluência, a não ser que, o sistema FRP seja usado para solicitações muito localizadas no tempo (sismos ou explosões). O comportamento dos compósitos quando sujeitos a cargas cíclicas é similar ao comportamento sob cargas de longa duração, podendo romper subitamente devido à fadiga. A resistência à fadiga dos sistemas de FRP que tem sido determinada nos trabalhos experimentais


já realizados é de cerca de 30% da resistência à tracção para o vidro, 35% para a aramida e 50% para o carbono. Assim, os limites máximos de tensão recomendados [6] num ciclo são de 0.25, 0.30 e 0.45 vezes a resistência de cálculo para os sistemas FRP de fibras de vidro, aramida e carbono, respectivamente. 3. CONSIDERAÇÕES PARA O DIMENSIONAMENTO DO REFORÇO O dimensionamento de elementos estruturais de betão reforçados por colagem externa de sistemas de FRP deve ser baseada na filosofia dos estados limites, de acordo com a regulamentação portuguesa e europeia (Eurocódigo 1 e Eurocódigo 2). Esta metodologia define níveis de segurança aceitáveis em relação à ocorrência, quer de estados limites de utilização (deformação e fendilhação), quer de estados limites últimos (rotura e fadiga). Na verificação da resistência última do elemento todos os possíveis modos de rotura devem ser analizados. A contribuição do sistema compósito no reforço à flexão de uma secção deve manter a ductilidade, assegurando que a capacidade resistente ao esforço transverso não controlará a rotura. A área da secção transversal do compósito necessária para o reforço deve ser determinada com base na força de tracção requerida e nas tensões de cálculo. As tensões de cálculo do material são muitas vezes determinadas pela lei de Hooke e com imposição de um valor limite para as deformações. Este valor limite da deformação, designado por deformação última efectiva, depende essencialmente da eficiência da ligação colada e da compatibilidade da deformação do compósito e da base (betão) [6,3]. Reforço à flexão A capacidade resistente aos momentos flectores de uma secção de betão armado ou pré-esforçado pode ser aumentada através do uso de sistemas FRP colados. A análise do elemento estrutural reforçado deve ter em conta a compatibilidade de deformações entre o FRP e o substracto de betão, as relações constitutivas dos materiais e as condições de equilibrio. No cálculo da resistência à flexão de uma secção reforçada devem ser consideradas as hipóteses usuais de cálculo de secções de betão armado ou pré-esforçado flectidas, admitindo para o sistema FRP um comportamento linear elástico até a rotura. A adição do reforço à flexão pode introduzir diferentes modos de rotura da peça associados quer à rotura por tracção do sistema FRP, quer à rotura da interface betão/adesivo/FRP. Esta última que é muito frequente em vigas quando não são previstos dispositivos especiais que aumentem o desempenho da interface, pode ocorrer por delaminação do recobrimento do betão sob o efeito de corte/tracção ou por descolagem do compósito (adesivo/betão, delaminação do FRP). Os modos de rotura de uma secção de betão antes e depois do reforço poderão ser diferentes e especial atenção deve ser dada para evitar a possibilidade de rotura frágil por esforço transverso da secção reforçada. Os modos de rotura por cedência da interface estão relacionados com a integridade e resistência do substrato de betão, com o nível de deformação no compósito e com a concentração de tensões desenvolvidas na extremidade da colagem e junto às fendas de flexão


e corte. Para prever estes modos frágeis de ruína do elemento reforçado é necessário desenvolver novos modelos de cálculo para o apoio ao projecto. Para aceitar este tipo de roturas e garantir um grau de ductilidade suficiente (curvatura da secção), recomenda-se que seja verificada a deformação na armadura para o estado limite (rotura) correspondente, quer à rotura da interface, quer à rotura do sistema FRP. Pode considerar-se que será atingido um grau adequado de ductilidade se a deformação na armadura correspondente à rotura for pelo menos 0.005 (εs≥5%o) [6]. Valores mais conservativos são referidos em [7]. Para evitar ou atrasar a rotura da interface betão/adesivo/FRP pode ser usada uma ancoragem adicional do sistema compósito, quer por aumento da área de colagem (estendendo às faces laterais da viga), quer pelo uso de ancoragens mecânicas especiais. O efeito do reforço de FRP na verificação dos estados limites de utilização (abertura de fendas e flechas), pode ser avaliado usando uma área de FRP transformada em aço por meio do coeficiente de homogeneização (α=El /Es). Reforço ao corte Os sistemas FRP com as fibras orientadas transversalmente ao eixo da peça ou na normal às potenciais fendas de corte são eficientes para o reforço adicional da capacidade resistente ao esforço transverso. Este reforço ao corte, que é muitas vezes necessário para aumentar a ductilidade à flexão, pode ser colocado de forma contínua ao longo da peça (viga ou pilar) ou em faixas com espaçamento limitado (ver espaçamento dos estribos). A resistência ao corte fornecida pelo sistema FRP pode ser determinada calculando a força de tracção instalada no compósito. No cálculo desta força em estado limite último, a deformação no sistema FRP deve ser limitada a 0.004 (εl ≤ 4%o) [6] para conservar a interacção entre os bordos rugosos da fenda de corte (aggregate interlock) e reduzir as flechas. Se o reforço de FRP não abraça completamente toda a secção (cinta) deve então ter uma área de aderência, para além da potencial fenda, suficiente para desenvolver as tensões de tracção através da fenda. A capacidade resistente da secção ao esforço transverso corresponde à soma da capacidade resistente atribuída ao betão e armadura convencional e da contribuição do reforço de FRP, devendo sempre estar limitada pela resistência correspondente ao esmagamento das escoras de betão da alma. Reforço à compressão Pilares circulares ou rectangulares podem ser reforçados de forma a aumentar a sua capacidade resistente à flexão, corte e esforço axial, e a sua ductilidade. Os sistemas FRP constituem uma técnica eficiente de reabilitação e reforço de pilares sujeitos à acção dos sismos. A capacidade resistente à compressão e a ductilidade podem ser aumentadas por confinamento do betão por meio do envolvimento de um sistema de FRP curado “in situ”. O confinamento resulta num aumento da resistência e da deformação axial do betão, podendo estes valores serem quantificados com base na tensão de confiamento exercida pelo sistema compósito.


4. REFORÇO DA PONTE DE N.S. DA GUIA No âmbito do projecto de I&D "Reforço de Pontes com Compósitos Avançados - Carboponte" tendo por parceiros para além da FEUP, o IEP, INEGI, LNEC e STAP foi estudada e efectuada uma experiência piloto com vista à aplicação de sistemas CFRP ao reforço da laje superior do tabuleiro da ponte de Nossa Senhora da Guia em Ponte de Lima. Trata-se de uma ponte em betão armado pré-esforçado com cinco tramos e comprimento total de 250 metros (ver figura 1). O tabuleiro com cerca de 12 metros de largura é constituído por um caixão bicelular de altura variável (ver figura 3).

Figura 1: Vista da Ponte de N. S. da Guia -

Ponte de Lima. Figura 2: Aspecto geral da fendilhação longitudinal na face inferior da laje do tabuleiro (vista do interior do caixão).

A ponte, construída à cerca de 20 anos, apresenta no interior do caixão uma extensa fendilhação longitudinal localizada na face inferior da laje do tabuleiro (ver figura 2). Esta

Figura 3: Desenho do projecto - armadura ordinária na secção corrente do caixão.

φ10//0.20


fendilhação, que é reportada ter sido detectada pouco tempo após a entrada em funcionamento da ponte, corresponde a fendas afastadas entre si de 25 a 30cm e com aberturas entre 0.2 e 0.5mm. Prospectando a armadura indicada no projecto e que se verificou corresponder à armadura colocada na obra, salienta-se a armadura inferior, para resistir aos momentos positivos da laje, de varões de 10mm de diâmetro com afastamento de 20 centímetros (φ10//0.20) (ver figura 3). O aço colocado é da classe A400, correspondendo essa armadura a um momento resistente de cálculo de aproximadamente,

mmkNzfAm sydsRd /..... 22170950834933 =×××=⋅⋅≅

4.1 Análise da Laje Superior do Tabuleiro A ponte foi analisada para as várias acções intervenientes tendo sido estudada com mais pormenor a acção dos rodados do veículo tipo sobre a laje do tabuleiro. Na figura 4 estão ilustrados alguns dos diagramas do momento flector transversal na laje superior do tabuleiro para a acção de base veículo tipo. A combinação 1 refere-se a uma posição central do veículo tipo e as combinações 2 e 3 correspondem à colocação dos rodados mais à esquerda e à direita respectivamente. As combinações 4, 5 e 6 referem-se respectivamente às combinações 1, 2 e 3 com a adição da sobrecarga nos passeios [5].

Momento flector segundo xx

69,866

-43,496

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0,06 1,06 2,06 3,06 4,06 5,06

Distâncias (m)

Mom

ento

flec

tor (

kN.m

/m)

comb.1

comb.2

comb.3

comb.4

comb.5

comb.6

Figura 4: Diagramas de momentos flectores de cálculo na laje para diferentes posições do

veículo tipo Verifica-se assim que de acordo com o preconizado no RSAEEP o momento flector actuante de cálculo a meio vão da laje é de 44 kN.m/m, isto é, é duplo do correspondente momento flector resistente de cálculo. De referir ainda que o momento actuante para combinações raras de acções é de 30 kN.m/m, só por si superior à capacidade resistente garantida pelas armaduras inferiores. É de notar que as variações diferenciais de temperatura, com especial relevo para as


iniciais resultantes da deposição do betão betuminoso, vêm ainda agravar estes esforços transversais da laje. Da análise efectuada conclui-se ser necessário duplicar a capacidade resistente à flexão da laje para momentos positivos. A armadura colocada para resistir aos momentos negativos transversais verifica-se ser suficiente. Ensaios 'in situ' Foram efectuados diversos ensaios não destrutivos ou ligeiramente intrusivos sobre o tabuleiro da ponte para indagar sobre a classe de betão (esclerómetro), a armadura colocada em obra (diâmetros e recobrimentos), a profundidade e abertura das fendas, e sobre a resistência à tracção superficial do betão (ensaios de pull-off) [11]. Sobre este último aspecto apresenta-se no quadro 3 os resultados dos ensaios de arrancamento utilizando pastilhas de 50mm de diâmetro coladas à superfície do betão efectuando ou não o pré-caroteamento.

Quadro 3: Resultados dos ensaios de arrancamento efectuados sobre a laje do tabuleiro.

Critério Tensão Média (MPa) DP (MPa) Cv (%) Todas as zonas 2,72 0,86 0,32

Zona 2 2,68 1,15 0,43 Zona 3 2,73 0,83 0,30 Zona 5 2,74 0,85 0,31

Com pré-carregamento 2,07 0,24 0,11 Sem pré-carregamento 3,20 0,84 0,26

Foram ainda efectuados ensaios de carga com o objectivo de avaliar as flechas e o acréscimo na abertura de fendas devido à passagem do camião de ensaio [5]. Foi utilizado um veículo de 2 eixos com uma distância entre eixos de 5,2 metros e com um peso de 127 kN no eixo traseiro e 67 kN no eixo dianteiro. Foi possível observar a actividade das fendas que apresentaram um acréscimo da sua abertura em 10 a 20% da abertura inicial durante a passagem do veículo. 4.2 Ensaios de comprovação laboratorial Para testar a eficiência da nova técnica de reforço por colagem externa de CFRP, aplicada a este caso concreto, foram construídas e ensaiadas em laboratório um conjunto de faixas de laje a uma escala reduzida de aproximadamente 1:2.5 [1, 3 e 4]. Foram construídas duas séries de lajes de betão armado de cerca de 8 centímetros de espessura, 44cm de largura e 180cm de comprimento em micro-betão com resistência média à compressão aos 28 dias de 52 MPa. Nas faixas de laje da primeira série a armadura de flexão era constituída por 3 varões de 6mm de diâmetro (3φ6) de aço A500 (fsy = 635 MPa, fsu = 685 MPa), que corresponde a uma percentagem de armadura equivalente à percentagem de armadura de flexão instalada na laje do tabuleiro em análise (ρ ≅ 0.25%). Na segunda série


de faixas de laje foi colocada uma armadura dupla da utilizada na primeira série, isto é, 6φ6 que corresponderia em termos de percentagem à armadura que deveria ter sido colocada na laje da ponte (dupla da existente). O reforço com dois sistemas diferentes de CFRP foi então aplicado (L - laminados e M - mantas) às faixas de laje da primeira série de forma a obter uma capacidade resistente aproximadamente dupla daquela fornecida pela armadura. Na figura 5 estão representadas de forma esquemática os 3 tipos de faixas de lajes ensaiadas.

1,785mFrente

1234567

0,43

5 m

(0,4

4)

TraseiraSérie N - betão armado

0,21

75m

LVDT 8 e 9

(0,2

2m)

APO

IO

APO

IO

0,13

5 m

0,07

00,

070

CFRP - faixa 1

b (2ª camada)

Série R (Replark 20 - duas camadas b e b )Traseira

APO

IO

Frente

b = 0,075(b = 0,065)1

2

b = 0,075(b = 0,065)

12

(0,1

55)

0,1425 1,50m 0,1425

LVDT 8 e 9

CFRP - faixa 2

7 6 4 3 2 1

b (2ª camada)

2

2

b (1ª camada)1

b (1ª camada)1

0,42

5 m

(0,4

45)

5

0,21

25m

(0,2

225)

21

APO

IO

0,20

2 m

0,016

0,10

2

0,1425 1,50m 0,1425

CFRP - faixa 1

CFRP - faixa 2

7 6

0,21

9m

5 4 3 2 1

Série S (CarboDur S 512)

0,016

0,10

2

Traseira

Frente

(0,2

04)

0,43

8 m

(0,4

4)

LVDT 8 e 9

(0,2

2)

APO

IO

APO

IO

0,045 0,073 3

6 6

0,01

0,01

0,07

9m(0

,085

)

3//0,24

0,0450,07 0,07m 0,07 0,07

0,0703 3

3 6

0,01

0,01

0,07

7m(0

,085

)

3//0,24

0,075 0,075 0,0700,135m

0,065 0,065Replark 20 (duas camadas)

(0,155)b1 b1

b2b2

0,102

0,016

3 3

3 6

0,01

0,01

0,07

5m(0

,081

)

3//0,24

0,1020,202m

0,016

CarboDur S512

(0,204)

Figura 5: Informações sobre os 3 tipos de faixas de laje ensaiadas.

As faixas de laje foram instrumentadas (medição de deslocamentos e extensões) e ensaiadas à flexão em 4 pontos como se apresenta na figura 6. A figura 7 ilustra o modo de rotura da laje com armadura "normal" (série N com 6φ6) que ocorreu por rotura dos varões de 6 milímetros após um patamar de deformação sob carga constante. A figura 8 ilustra um dos modos de rotura das lajes reforçadas com manta (série M) que ocorreu por rotura (em alguns casos por deslocamento) do sistema CFRP após plastificação da armadura e para flechas significativas. Na figura 9 apresenta-se o momento da rotura de uma das lajes reforçadas com laminado (série L), em cuja série a rotura ocorreu sempre por descolamento do reforço após deformação significativa da faixa de laje. Os resultados dos ensaios efectuados para as 3 séries estão comparados na figura 10 onde se ilustra os diagramas de carga vs flecha central correspondentes à média de pelo menos dois ensaios de cada tipo. Compara-se o comportamento de faixas com a armadura mínima (ρ = 0,25% - 3φ6) com o comportamento de faixas da série N (6φ6) e faixas reforçadas com CFRP (séries S e M). Verifica-se que os objectivos preconizados para o reforço foram


alcançados com as lajes reforçadas por colagem de compósitos, apresentando rigidez ligeiramente inferior e capacidade resistente superior quando comparadas com as lajes da série N. Houve um compromisso assumido entre resistência e rigidez.

células de carga

7 LVDTs

LB3N

2 LVDT’s

1234

8

9

567

Secção decolapso

LB3N

Figura 6: Aspecto geral do ensaio das lajes. Figura 7: Ilustração do modo de rotura das lajes da série N (6φ6).

LC4R

Ruína doCFR P

LC1S

CFRP faixa 2

CFRP faixa 1

Figura 8: Ilustração do modo de rotura das

lajes da série M (reforço com mantas). Figura 9: Ilustração do modo de rotura das lajes da série L (reforço com laminados).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40Deslocamento central (mm)

Car

ga to

tal (

kN)

Série N Série R Série S Arm Min

Figura 10: Diagramas carga total vs deslocamento central do comportamento médio

experimental das séries, N, R e S e da série com armadura mínima.


4.3 Reforço experimental Foi então proposto e executado um reforço experimental sobre a laje superior do tabuleiro da ponte N.S. da Guia (ver esquema da figura 11). Quatro empresas nacionais associaram-se ao projecto (Bettor MBT, INEGI, SIKA e STAP), efectuando localmente o reforço de uma faixa de cerca de um metro de largura com um dos sistemas CFRP que comercializavam (figura 12). Foi localmente aplicado um sistema de carga para anular a flecha residual e para refechamento das fendas durante a colagem (figuras 13 e 14). O reforço foi então executado (ver figuras 15 e 16) tendo de seguida sido instrumentado estando em curso alguns ensaios que permitam aferir da sua eficiência e durabilidade.

4.01.51.51.51.5

PILAR P3PILAR P4

E.M.E.

BRAGA

2 TRAMO - LADO PONTE DE LIMACÉLULA DE MONTANTE

Pormenor A

4.01.51.5 1.5 1.5

PILAR P3

Pormenor ABETTOR SIKA STAP (INEGI)

1.000.25

0.50 0.501.00 0.501.00 1.000.25

(a) (a) (a) (a)

(a) Faixas a reforçar

Figura 11: Representação esquemática do

reforço a efectuar. Figura 12: Localização e largura das faixas a

reforçar experimentalmente.

2 UNP240

2 UNP100

ESQUEMA PARA O REFECHAMENTO DAS FENDAS DURANTE A COLAGEM

Figura 13: Esquema utilizado para

refechamento das fendas. Figura 14: Aspecto da aplicação do sistema de

relevamento.


Figura 15: Vista do interior do caixão durante

o reforço experimental. Figura 16: Aspecto da colocação do sistema

curado in situ (mantas).

5. CONCLUSÃO Foram apresentados estudos e ensaios efectuados pelo Laboratório de Estruturas da FEUP sobre o desenvolvimento e a aplicação da nova técnica de reforço de estruturas por colagem externa de sistemas FRP. Verificou-se que esta técnica emergente tem excelentes potencialidades para ser aplicada no reforço de estruturas de betão. Apresentou-se ainda um conjunto de análises e de ensaios efectuados com vista à aplicação sustentada deste tipo de reforço no caso concreto da ponte de N.S. da Guia em Ponte de Lima. 6. AGRADECIMENTOS Agradece-se a contribuição para a realização deste trabalho dos parceiros do projecto Carboponte (IEP, INEGI, LNEC e STAP) e das empresas que apoiaram a realização do reforço experimental (Bettor MBT, SIKA, STAP, INEGI e DIWIDAG): Agradece-se ainda o apoio do projecto Sapiens POCTI/36059/ECM/2000 aprovado pela FCT e pelo POCTI, comparticipado pelo FEDER. 7. REFERÊNCIAS [1] Juvandes, L., Reforço e reabilitação de estruturas de betão usando materiais compósitos

de “CFRP”, tese de Doutoramento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), DECivil, Porto, 1999, 400pp..

[2] Costeira Silva, P., Modelação e análise de estruturas de betão reforçadas com FRP, Tese de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), 1999, 254pp..

[3] Dias, Salvador J.E., Verificação Experimental do Reforço com CFRP de Estruturas de Betão à Flexão, Tese de Mestrado, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Março, 2001.

[4] Juvandes, L., Dias, S.J.E. e Figueiras, J.A., Comportamento Experimental de Faixas de Lajes de Betão Armado Reforçado com Compósitos de CFRP Unidireccionais, Relatório Técnico, DECivil, FEUP, Porto, 1998.


[5] Oliveira, L.P. e Figueiras, J.A., Análise de Esforços e Deformações Transversais do Tabuleiro da Ponte de N.S. da Guia em Ponte de Lima, Relatório Técnico, DECivil, FEUP, Abril, 1999.

[6] ACI Committee 440-F, Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems Strengthening of Concrete Structures, Working Revised Version, 12 July, 2000.

[7] Fib T.G. 9.3, Externally bonded reinforcement, 1st version, 1999. [8] Sonobe, Y. et al., Design Guidelines of FRP Reinforced Concrete Building Structures, J.

of Composites for Construction, Vol. 1, Nº 3, ASCE, 1997. [9] Juvandes, L. e Figueiras, J.A., Questões sobre o controlo e garantia de qualidade dum

projecto de reforço com sistemas de CFRP, REPAR 2000, LNEC, 2000. [10] Figueiras, J.A. e Juvandes, L.F.P., reforço de Estruturas de Betão por Colagem de

Sistemas FRP, actas do Encontro Nacional sobre Conservação e Reabilitação de Estruturas (comunicação convidada), REPAR2000, LNEC, pp. 491-499, 2000.

[11] OZ/STAP, Ensaios não destrutivos ou pouco intrusivos realizados no tabuleiro da Ponte da Nossa Senhora da Guia, em Ponte de Lima, Relatório nº 220/00, OZ, Lda, Lisboa, Agosto, 1998.

reforÇo de pontes por colagem de sistemas cfrp caso...

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