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UNIVERSIDADE DO MINHO ESCOLA DE ENGENHARIA Departamento de Engenharia Civil

REFORÇO AO CORTE DE VIGAS T DE BETÃO ARMADO USANDO A

TÉCNICA NSM COM LAMINADOS DE CFRP

RELATÓRIO TÉCNICO Relatório 05-DEC/E-23

Salvador J. E. Dias 1 Joaquim A. O. de Barros 2

1 Assistente 2 Professor Associado

Novembro 2005

Índice Geral ÍNDICE GERAL ……………………………………………………………………..……………...…................… i

ÍNDICE DE FIGURAS ………………………………………………………………...………………................… iii

ÍNDICE DE TABELAS …………………………………………………………………….…………….............… vii

SIMBOLOGIA …………………………………………………………………………….....…………................... viii

Resumo 1

1 - A técnica de reforço NSM com laminados de CFRP 21.1 - Porquê reforçar com CFRP...........…………….....….................……….........................................................

1.2 - Técnicas de reforço com CFRP: colagem externa vs inserção no betão de recobrimento...…..……..........…

1.3 - O caso particular do reforço ao corte com CFRP……….................................................................................

2

4

9

2 - Programa experimental e caracterização dos materiais 292.1 - Concepção dos modelos ………………………....………….….....................................................................

2.2 - Caracterização dos materiais ………...............................................................................................................

2.3 - Aplicação do reforço de CFRP….....………....................................................................................................

2.4 - Sistema de ensaio e instrumentação dos modelos............................................................................................

29

33

35

38

3 - Apresentação e discussão dos resultados experimentais 413.1 - Capacidade de carga em serviço e na rotura …….....……….….....................................................................

3.2 - Capacidade deformacional na rotura................................................................................................................

3.3 - Comportamento dos modelos ao longo do seu carregamento e modos de rotura............................................

3.3.1 - Vigas sem reforço ao corte com CFRP.....................................................................................................

3.3.2 - Vigas com reforço ao corte com CFRP....................................................................................................

3.3.2.1 - Viga reforçada com três laminados verticais em cada face do menor vão de corte (2S-3LV).....

3.3.2.2 - Viga reforçada com cinco laminados verticais em cada face do menor vão de corte (2S-5LV)...

3.3.2.3 - Viga reforçada com oito laminados verticais em cada face do menor vão de corte (2S-8LV).....

3.3.2.4 - Viga reforçada com três laminados a 45º em cada face do menor vão de corte (2S-3LI45).........

3.3.2.5 - Viga reforçada com cinco laminados a 45º em cada face do menor vão de corte (2S-5LI45)......

3.3.2.6 - Viga reforçada com oito laminados a 45º em cada face do menor vão de corte (2S-8LI45)........

3.3.2.7 - Viga reforçada com três laminados a 60º em cada face do menor vão de corte (2S-3LI60).........

3.3.2.8 - Viga reforçada com cinco laminados a 60º em cada face do menor vão de corte (2S-5LI60)......

3.3.2.9 - Viga reforçada com sete laminados a 60º em cada face do menor vão de corte (2S-7LI60)........

3.4 - Comportamento dos sistemas de reforço ao corte utilizados...........................................................................

3.5 - Efeito da percentagem de CFRP.......................................................................................................................

3.6 - Efeito da percentagem de CFRP.......................................................................................................................

3.7 - Contribuição dos vários materiais na resistência ao esforço transverso...........................................................

42

45

46

46

50

50

56

62

68

74

79

85

91

97

103

106

120

127

4 - Rendimento da técnica NSM com laminados de CFRP no reforço ao corte de vigas de betão armado

129

5 - Contribuição do CFRP na resistência ao esforço transverso: valores experimentais vs valores analíticos

132

ii Índice Geral

5.1 - Expressões analíticas propostas por Nanni et al. (2004) …….....………........................................................

5.2 - Calibração dos parâmetros τb e εfe para a técnica NSM com laminados de CFRP..........................................

5.3 - Valores analíticos para a contribuição do CFRP na resistência ao esforço transverso....................................

132

134

135

6 - Conclusões 137

7 - Agradecimentos 137

8 - Referências 138

ANEXO A - Composição do betão e resultados de ensaios de caracterização dos materiais A.1

Reforço ao corte de vigas T de betão armado usando a técnica NSM com laminados de CFRP

Salvador Dias e Joaquim Barros 1

RESUMO

Na sequência da investigação efectuada pelos autores no âmbito do reforço ao corte com

materiais compósitos de CFRP (Dias e Barros, 2004-a e Dias e Barros, 2004-b), no presente relatório

apresentam-se os novos desenvolvimentos relativamente à validação da técnica NSM com laminados

de CFRP aplicada no reforço ao corte de vigas de betão armado. Concretamente, após uma breve

contextualização da técnica de reforço NSM com laminados de CFRP, apresenta-se o programa

experimental que foi realizado de forma a avaliar a influência da percentagem e orientação de

laminados de CFRP, aplicados segundo a técnica NSM, no reforço ao corte de vigas de betão armado

de secção em T. A escolha deste tipo de secção deveu-se ao facto de ser a que melhor simula o

cenário real de uma intervenção de reforço. Foram analisadas três orientações para os laminados na

vertical, inclinados a 45º e inclinados a 60º, e, para cada umas destas orientações, foram consideradas

três percentagens de CFRP. Com o objectivo de simular situações próximas dos cenários reais de

reforço estrutural, todas as vigas onde foi aplicado CFRP continham uma determinada percentagem

de estribos. Como modelos de referência consideraram-se vigas: sem armaduras transversais; com

percentagem de armadura de esforço transverso igual à dos modelos reforçados com CFRP; com uma

percentagem de estribos dimensionada de forma a garantir que a sua capacidade resistente fosse

equivalente à dos modelos com a máxima percentagem de CFRP aplicada em cada tipo de orientação

testada. Os resultados obtidos nos ensaios realizados são analisados e interpretados.

Independentemente da percentagem de CFRP, a solução com laminados inseridos em entalhes

inclinados a 60º foi a mais eficaz. De um modo geral o aumento da percentagem de CFRP

proporcionou um aumento da capacidade resistente ao esforço transverso, embora não de forma

proporcional. Em termos de desempenho estrutural, a limitação de um espaçamento máximo dos

laminados e a limitação da percentagem máxima de CFRP são aspectos fundamentais para a

rentabilidade da técnica de reforço ao corte testada. Em termos de execução do reforço, um rigoroso

controlo de qualidade deve ser imposto de forma a garantir o bom desempenho do CFRP, destacando-

se, além dos procedimentos elementares de uma boa aplicação do reforço com CFRP, o controlo da

profundidade do betão do recobrimento de forma a não existir a possibilidade da danificação dos

estribos na altura da abertura dos entalhes.

O desempenho de uma formulação analítica recentemente proposta para avaliar a contribuição

da resistência ao esforço transverso do CFRP quando aplicado segundo a técnica NSM foi avaliado.

Considerando para a aderência laminado de CFRP-betão e para a extensão máxima no CFRP valores

óbitos em ensaios de “pull-out” à flexão com laminados de CFRP aplicados com a técnica NSM, a

referida formulação conduziu a valores da contribuição do CFRP para a capacidade resistente ao

corte das vigas iguais a 60% dos valores obtidos experimentalmente.



1 - A TÉCNICA DE REFORÇO NSM COM LAMINADOS DE CFRP

1.1 - Porquê reforçar com CFRP?

Os compósitos de CFRP têm inúmeras vantagens relativamente aos materiais tradicionais

como o aço, a madeira e o betão (Bakis et al., 2002). Destacam-se, comparativamente aos referidos

materiais tradicionais, pelos elevados valores das relações resistência à tracção/peso e rigidez/peso e

pela elevada resistência à corrosão (em comparação directa com o aço). O elevado desempenho dos

CFRP evidenciado nas características mecânicas que apresentam permitem soluções de reforço leves,

às quais necessariamente estão associados aspectos como a facilidade de transporte e manuseamento,

o pouco acréscimo de cargas a solicitar a estrutura e a minimização dos efeitos na arquitectura inicial

das construções. O facto dos CFRP apresentarem elevada resistência à corrosão não limita o campo

de aplicação das técnicas de reforço que utilizam estes materiais, podendo ser utilizadas, por

exemplo, em ambientes agressivos como são o caso das zonas costeiras. Além disso, uma

característica importante deste tipo de materiais é a sua versatilidade, quer em termos de dimensões

(disponíveis em várias espessuras, vários tipos de secções transversais e com dimensões quase

infinitas em termos de comprimento), como em termos de adaptabilidade a qualquer tipo de

superfície. Ao mesmo tempo existe a possibilidade do reforço de CFRP ser colocado de forma a

optimizar o seu desempenho com um apropriado direccionamento do seu elemento resistente que são

as fibras.

Se as questões do desempenho mecânico e de durabilidade são uma mais valia dos compósitos

de CFRP face aos materiais tradicionais, o seu comportamento quando exposto a altas temperaturas,

nomeadamente à acção do fogo, deve ter uma atenção muito especial. Com efeito, perante este

cenário, a presença das colas (resinas, adesivos, primários, putty) condiciona o bom desempenho de

uma solução de reforço de CFRP, tal como acontece a qualquer solução de reforço que recorra à

colagem. Se o reforço de CFRP ficar directamente exposto à acção de altas temperaturas existe a

possibilidade de uma degradação da ligação colada CFRP-betão e de uma diminuição das próprias

características mecânicas do CFRP, nomeadamente, a resistência e a rigidez. Enquanto não surgirem

materiais de colagem com elevada resistência à acção das altas temperaturas, qualquer solução

estrutural de reforço com CFRP deve ser acompanhada por uma solução de protecção deste à acção

das referidas altas temperaturas.

O elevado custo dos materiais compósitos de CFRP, quando comparado com o custo dos

materiais convencionais, pode, aparentemente, ser o maior obstáculo à sua utilização. No entanto, a

comparação directa do preço base unitário pode não ser o critério mais apropriado para uma análise

comparativa de custos. Quando o custo da instalação/execução do reforço é incluído numa análise



económica de várias soluções de reforço, as técnicas que recorrem aos compósitos de CFRP tornam-

se mais competitivas. Com efeito, o baixo peso específico dos CFRP facilita o seu transporte e a

operação de execução do reforço. Esta, por outro lado, é simples e rápida de executar, mesmo em

zonas de difícil acesso ou em zonas onde o normal funcionamento da estrutura não possa ser posto

em causa (por exemplo zonas em que o trânsito não pode ser cortado). Além disso, a execução do

reforço com CFRP exige poucos elementos de suporte (andaimes) e algumas das suas tarefas podem

ser realizadas num local que não seja o local da obra, o que minimiza o tempo de operação do reforço

“in situ”. Se a comparação de custos das várias técnicas de reforço incluir ainda os custos de

manutenção durante a via útil da estrutura reforçada, as que recorrem aos CFRP podem ter uma

significativa vantagem. A somar a todos os aspectos que se acabam de referir saliente-se a tendência

de uma acentuada queda dos preços dos CFRP com o tempo e o elevado preço que o aço atingiu nos

dias de hoje.

O sucesso de uma técnica de reforço está directamente associado às propriedades dos

materiais que utiliza; às questões estéticas relacionadas com a arquitectura das construções e com o

meio ambiente; e à viabilidade económica onde devem ser correlacionados aspectos como o preço

dos materiais, a simplicidade e a rapidez de execução do reforço, a minimização dos efeitos no

normal funcionamento da estrutura, assim como os custos de manutenção após a estrutura reforçada

entrar em serviço. Perante isto, e face ao que anteriormente foi dito, actualmente, é unanimemente

aceite que as técnicas de reforço com CFRP proporcionam soluções globalmente tão ou mais eficazes

que as técnicas de reforço tradicionais (encamisamento das secções, colagem de elementos metálicos,

aplicação de pré-esforço exterior).

Esta realidade tem-se reflectido no número cada vez mais crescente de obras de reforço em

que a solução adoptada é a que se baseia na utilização de compósitos de CFRP (Figura 1). Este

cenário tem ditado o aparecimento de vários códigos de dimensionamento para o reforço de estruturas

de betão com compósitos de CFRP, nomeadamente quando estes são aplicados recorrendo à técnica

da colagem externa (ver secção 1.2): ACI 440.2R-02 (ACI Committee 440, 2002) publicado pelo

“American Concrete Institute (ACI)” (América), Canadian CSA-S806-02 (CSA-S806-02, 2002)

publicado pela “Canadian Standards Association (CSA)” (América); fib - Bulletin 14 (fib - Bulletin

14, 2001) publicado pela “Féderation Internationale du Béton (fib)” (Europa); Concrete Society 2000

(Concrete Society, 2000) publicado pela “The Concrete Society” do Reino Unido (Europa); JSCE

(JSCE, 2001) publicado pela “Japan Society of Civil Engineers (JSCE)” (Ásia). Estes vários códigos

de dimensionamento são o principal testemunho da aceitação e da globalização das soluções de

reforço de estruturas de betão com compósitos de CFRP.



1.2 - Técnicas de reforço com CFRP: colagem externa vs inserção no betão de recobrimento

As técnicas de reforço usando compósitos de CFRP podem ser divididas em dois grandes

grupos. Um que engloba a técnica da colagem externa, designada na literatura internacional por

“Externally Bonded Reinforcement” (EBR), que foi a primeira a ser estudada e a ser aplicada em

obra, e que tem como princípio a colagem do CFRP nas faces exteriores dos elementos a reforçar em

função do tipo de reforço: na face tensionada no caso do reforço à flexão, nas faces laterais no caso

do reforço ao corte ou encamisando as secções para aumentar o confinamento em pilares. Em termos

de CFRP e usando a técnica EBR podem ser aplicados laminados e mantas unidireccionais ou tecidos

multidireccionais. O segundo grupo engloba a técnica da inserção de varões ou laminados

unidireccionais de CFRP no betão de recobrimento e é designada na literatura internacional por Near

Surface Mounted (NSM). O princípio da técnica NSM é o mesmo da técnica da colagem externa

(EBR) mas em vez dos CFRP estarem colados externamente encontram-se inseridos no betão de

recobrimento. Na Figura 1 apresentam-se exemplos de aplicações em obra das referidas técnicas de

reforço com CFRP.

Reforço ao corte (Sika, 2000)

Técn

ica

da c

olag

em e

xter

na (E

BR

)

Reforço à flexão (Belbetões, 2002) Confinamento de pilares (Bettor MBT, 2003)

Técn

ica

da in

serç

ão (N

SM)

Reforço à flexão (Casadei et al., 2003) Reforço ao corte (Hogue et al., 1999) Reforço à flexão e confinamento (Emmons et al. 2001)

Figura 1 – Técnicas de reforço com CFRP: colagem externa (EBR) e inserção (NSM).



De um modo geral à solução de reforço por colagem externa de CFRP (EBR) é associada a

simplicidade e rapidez de execução, assim como o facto de proporcionar aumentos consideráveis na

capacidade resistente das peças. Estas constatações são fundamentadas por inúmeros trabalhos de

investigação já realizados e em inúmeras concretizações em casos reais de obra. Apesar das enormes

vantagens que se referiram, à técnica por colagem externa de CFRP estão associadas algumas

desvantagens. A primeira, desde logo, está relacionada com o nível de aproveitamento do CFRP. Os

estudos científicos que já foram realizados para avaliar o comportamento de elementos estruturais de

betão armado reforçados com CFRP utilizando a técnica da colagem externa permitiram constatar a

frequência de modos de rotura prematuros por descolamento do CFRP. A estes modos de rotura estão

associados níveis baixos de rendimento do CFRP (desaproveitamento do CFRP) o que torna desde

logo a solução de reforço menos económica. Associado a isto registe-se o facto dos modos de rotura

anteriormente referidos serem frágeis. Refira-se que na tentativa de se evitar a ocorrência de modos

de ruína prematuros e, simultaneamente, incrementar a ductilidade e a capacidade de carga última dos

elementos reforçados, têm sido utilizados mecanismos exteriores de fixação do reforço de CFRP

(mais pormenores podem ser consultados em Dias e Barros (2004-a).

Outro aspecto característico da técnica de reforço EBR está relacionado com o facto dos

CFRP serem colados externamente ao elemento, ficando assim o reforço directamente exposto às

condições ambientais. Deste modo, a susceptibilidade ao impacto, aos actos de vandalismo, ao fogo,

às temperaturas elevadas, aos raios ultravioletas e à absorção de humidade é bastante grande, o que

exige uma rigorosa protecção para não ser reduzido o período de vida útil da estrutura reforçada.

De forma a colmatar as lacunas identificadas à técnica da colagem externa (EBR) surgiu,

como alternativa, a técnica de reforço NSM, em que, tal como já anteriormente foi referido, o CFRP

em vez de ser colado externamente nas faces dos elementos a reforçar é inserido em entalhes

realizados no betão de recobrimento. Relativamente à técnica EBR, a técnica NSM não requer

qualquer preparação da superfície e, uma vez que “recorre” ao betão de recobrimento em vez do

betão superficial, está-lhe associada uma maior probabilidade do betão ser de melhor qualidade. A

configuração da técnica NSM é controlada/condicionada pela profundidade do betão de recobrimento

ficando o reforço protegido contra acções mecânicas, desgaste, impacto e vandalismo. Além disso,

relativamente à solução de colagem exterior, a técnica NSM confere melhor protecção do reforço de

CFRP numa eventualidade de este ser colocado em contacto com altas temperaturas.

O melhor desempenho estrutural do CFRP quando aplicado segundo a técnica NSM é visível

quando se compara, por exemplo, a área de colagem da mesma quantidade de laminado de CFRP.

Com efeito, por intermédio da técnica NSM, a área de colagem do laminado é dupla da mobilizada na

técnica de reforço EBR, o que permite aumentar o grau de fixação do laminado ao betão



(ancoragem), mobilizando-se tensões mais elevadas no CFRP aquando da rotura do elemento

reforçado. Uma visão qualitativa deste facto pode ser observado na Figura 2.

Além do que se referiu, uma mais valia da técnica de reforço NSM é o facto de permitir a

ancoragem do CFRP aos elementos estruturais adjacentes. Pelo facto do reforço de CFRP ficar

inserido e não colado externamente, a técnica NSM é vocacionada para o reforço à flexão para

momentos negativos. A maior eficácia da técnica NSM em relação à técnica EBR foi comprovada em

vários trabalhos experimentais (Blaschko et al., 1999; El-Hacha e Rizkalla (2004); Barros et al.

(2005) e El-Hacha et al. (2005)). Em Portugal esta técnica tem vindo a ser estudada no Departamento

de Engenharia da Universidade do Minho (Barros et al., 2003) no âmbito do reforço à flexão de

pilares (Ferreira, 2000), vigas (Fortes, 2004) e lajes (Bonaldo et al., 2004), do reforço ao corte de

vigas (Dias e Barros, 2004-b) e da avaliação da aderência betão-adesivo-CFRP (Sena-Cruz, 2004).

EBRNSM

Figura 2 – Grau de ancoragem conferido pela técnica EBR e pela técnica NSM.

Como complemento ao que se referiu nesta secção, na Tabela 1 (Dias e Barros, 2004-a)

encontram-se registadas algumas das diferenças fundamentais entre as técnicas de reforço com

CFRP: EBR (colagem externa de laminados ou mantas/tecidos) e NSM (inserção no betão de

recobrimento de laminados e varões). Relativamente à técnica NSM as diferenças entre o recurso a

laminados e a varões de CFRP voltará a ser referida na secção 1.3.

Na Figura 3 apresentam-se os procedimentos básicos que devem ser seguidos antes, durante e

após a aplicação do reforço de CFRP aplicado segundo a técnica da colagem externa (EBR) e

aplicado segundo a técnica da inserção no betão de recobrimento (NSM). Trata-se de um conjunto de

procedimentos que são a base para um rigoroso controlo de qualidade da execução do reforço de



forma a garantir um bom desempenho do reforço de CFRP. Refira-se que uma deficiente aplicação

pode por em causa a eficácia do reforço. Mais pormenores sobre este assunto podem ser consultados

em Dias e Barros (2004-a).

Tabela 1 – Características das várias técnicas de reforço com CFRP.

Reforço externo (técnica EBR) Tipo de reforço Laminados Mantas/Tecidos

Reforço inserido no betão de recobrimento (técnica NSM)

Forma Tiras rectangulares de laminado Faixas de manta/tecido Laminados Varões

Dimensões . Espessura . Largura

1.0 - 2.0 mm 50 - 150 mm

0.1 - 0.5 mm 200 - 600 mm

1.0 - 1.5 mm 10 - 15 mm

Diversos diâmetros

Modo de aplicação

Faixas de laminado pré-fabricado coladas com um adesivo epoxi.

Impregnação e colagem das fibras da manta com resina de saturação. A cura é “in situ”.

Inserção de varões ou faixas rectangulares de laminado pré-fabricado e respectiva selagem com adesivo epoxi.

Aspectos de aplicação

. Para superfícies planas;

. Adesivo tixotrópico para colagem;

. Não é recomendável a aplicação de mais do que uma camada;

. Possibilidade de formação de bolhas de ar devido à rigidez do laminado e à tixotropia do adesivo;

. Simples de aplicar;

. Qualidade garantida pelo fabricante;

. Apropriado para o reforço à flexão, principalmente para momentos positivos;

. Necessita de protecção ao fogo e a actos de vandalismo;

. Necessita de tratamento da superfície.

. Facilmente aplicável a superfícies curvas;

. Resina de baixa viscosidade para a impregnação e a colagem das fibras;

. Pode-se aplicar várias camadas (aconselha-se nº de camadas <10);

. O facto de ser fabricado “in situ”, exige formas de garantir a qualidade do produto final;

. Apropriado para o reforço à flexão, ao corte e ao confinamento;

. Necessita de protecção ao fogo e a actos de vandalismo;

. Quando aplicado de forma contínua apresenta dois inconvenientes:

- Necessário efectuar o tratamento da superfície em grandes áreas de betão;

- Hipótese de degradação da ligação betão-CFRP quando, no interior da secção reforçada, o betão apresentar um teor elevado de humidade;

. Necessita de tratamento da superfície.

. Para superfícies planas;

. Adesivo tixotrópico para colagem;

. Possibilidade de colagem com argamassa;

. Dependente da espessura do betão de recobrimento;

. Pelo facto de não existirem problemas de corrosão dos CFRP não é necessário betão de recobrimento;

. A ranhura precisa de ser limpa antes da colagem;

. Apropriado para o reforço à flexão (momentos positivos e negativos) e ao corte;

. Apresenta melhor protecção ao fogo, às condições ambientais e a actos de vandalismo;

. Não precisa de tratamento da superfície;

. É necessário efectuar os entalhes com a profundidade e com o alinhamento pré-estabelecido.



PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE

BetãoRemoção da leitada superficial do betão, regularização da superfície, arredindamento das arestasControlo de qualidade: resistência, irregularidades, fendas e corrosão......reparar se necessárioBetão deve apresentar-se seco e isento de poeiras

Limpar e cortar o CFRP, verificando a existência de irregularidadesCFRP

Aplicação do adesivo no CFRPAplicação do adesivo na superfície de betão a reforçar

Colagem do CFRP, comprimindo-o ao betão, retirando o adesivo em excesso

COLAGEM EXTERNA DO CFRP

Sistema pré-fabricado (Laminado)

Aplicação do CFRP

Aplicação do primário e do putty (opcional)Aplicação da resinaSistema curado "in situ"

(Manta)

Aplicação da resina (impregnação do CFRP)

Durante a aplicação (direccção das fibras, qualidade da colagem e existência de vazios)

CONTRLO DE QUALIDADE (ANTES, DURANTE E APÓS A APLICAÇÃO)

Nos materiais utilizados (testes normalizados nos CFRP e nos adesivos/resinas)Nas condições de aplicação (condições ambientais)

Pintura, betão projectado,..... (estética, protecção ao fogo e raios ultra violetas)

ACABAMENTO (OPCIONAL)

a) Reforço com CFRP utilizando a técnica da colagem externa (EBR) (fi - .Bulletin 14, 2001 e Dias, 2001)

ABERTURA DOS ENTALHES

Necessidade de garantir o alinhamento e a profundidade dos entalhes Necessidade de garantir que as armaduras existentes não sejam danificadas (longitudinais e transversais)Betão deve apresentar-se seco, isento de gorduras e poeiras (aplicação de jactos de ar)

PREPARAÇÃO DOS MATERIAIS PARA A APLICAÇÃO DO REFORÇO

Durante a aplicação (qualidade da aplicação, existência de vazios)

CONTRLO DE QUALIDADE (ANTES, DURANTE E APÓS A APLICAÇÃO)

Nos materiais utilizados (testes normalizados nos CFRP e nos adesivos/resinas)Nas condições de aplicação (condições ambientais, "pot life" do adesivo epoxídico)

Pintura,..... (estética, protecção ao fogo e raios ultra violetas)

ACABAMENTO (OPCIONAL)

Preparação do adesivo epoxídico (garantir as dosagens das componentes e do seu modo de mistura)Limpeza dos laminados de CFRP com um desengorduranteCorte dos laminados de CFRP com o comprimento desejado

INSERÇÃO DOS LAMINADOS DE CFRP

Remoção do adesivo em excesso Inserção do laminado de CFRP no entalhePreenchimento do entalhe com adesivoAplicação de adesivo no laminado de CFRP

b) Reforço com CFRP utilizando a técnica da inserção no betão de recobrimento (NSM)

Figura 3 – Princípios de aplicação das técnicas de reforço com CFRP (EBR e NSM).



1.3 - O caso particular do reforço ao corte com CFRP

Nas secções anteriores foram descritas, independentemente do tipo de reforço (flexão, corte,

confinamento), as potencialidades dos materiais compósitos de CFRP e das respectivas técnicas de

reforço. Estas foram comparadas em termos do modo como são executadas, do desempenho estrutural

do reforço de CFRP e das garantias em termos de protecção do reforço a partir do momento em que a

estrutura reforçada é posta em serviço. Além disso, foi feita uma apresentação dos requisitos que

devem ser garantidos na aplicação das técnicas de reforço com CFRP. Refira-se que este estudo se

limitou às soluções de CFRP devido ao facto das fibras de carbono serem, de entre os vários tipos de

fibras existentes (carbono, vidro e aramida), as que apresentam melhores propriedades mecânicas, são

as mais resistentes a ataques químicos, são imunes à corrosão e não absorvem água. As inúmeras

vantagens que as fibras de carbono apresentam em relação às restantes justificam que sejam as mais

utilizadas na execução de reforços estruturais com materiais compósitos.

Nesta secção será feita uma breve descrição dos principais aspectos relacionados com o

comportamento de vigas de betão armado reforçadas ao corte com compósitos de CFRP. Os

princípios de aplicação e de funcionamento dos CFRP como elementos resistentes ao esforço

transverso serão descritos. Será apresentada uma base de dados relativos a resultados de vários

programas experimentais realizados até ao momento e que tem como ponto comum o facto do reforço

ao corte com CFRP ter sido aplicado usando a técnica EBR. A base de dados servirá para efectuar

uma análise da influência de vários parâmetros na eficácia do reforço de CFRP aplicado usando a

EBR. Esta técnica foi a primeira a ser estudada no âmbito do reforço ao corte de elementos de betão

armado existindo já algumas expressões de dimensionamento para a contabilização da contribuição

do CFRP na resistência ao esforço transverso (ACI 440.2R-02 e fib - Bulletin 14) e que estão descritas

em Dias e Barros (2004-a). Alguns dos programas experimentais referidos na base de dados que se

apresenta serviram de suporte às referidas expressões de dimensionamento. Posteriormente, serão

apresentadas as vantagens e as desvantagens da aplicação de uma técnica de reforço ao corte com

CFRP, alternativa à EBR, e que se baseia na inserção de varões de CFRP no betão de recobrimento

das faces laterais das vigas (NSM com varões). Esta secção termina com a referência à técnica de

reforço ao corte proposta pelos autores deste trabalho (NSM com laminados) e que surgiu na

sequência da tentativa de colmatar as lacunas apresentadas pelas técnicas anteriormente referidas

(EBR e NSM com varões). O estudo que os autores fizeram com o objectivo de validar a técnica que

propuseram será apresentado de forma resumida.

O reforço à flexão e o confinamento de pilares com compósitos de CFRP apresentam

actualmente um estado de conhecimento/desenvolvimento bastante grande, o que não acontece

relativamente ao reforço ao corte com CFRP. Para tal, contribui o facto do comportamento de



elementos de betão armado com rotura por corte ser por si só um fenómeno de análise complexa,

devido aos vários parâmetros que influenciam o referido comportamento: geometria do elemento, tipo

de carregamento, percentagem de estribos e percentagem da armadura longitudinal. Em elementos

reforçados ao corte com CFRP outros modos de rotura podem ser observados e novos aspectos

associados ao CFRP aumentam a complexidade do problema do corte (Bousselham e Chaallal, 2004).

Exemplos disto são os seguintes factos:

i) enquanto os estribos fazem parte de uma estrutura monolítica os CFRP são colados, ou seja, é

introduzida uma nova variável que está associada à questão da resistência da ligação colada

betão/CFRP (aderência na interface betão/CFRP).

ii) os materiais compósitos de CFRP têm um comportamento linear à tracção até à rotura, o que não

acontece com os materiais do betão armado (betão e o aço). A este respeito, na Figura 4 apresenta-

se o comportamento genérico dos estribos de aço e dos compósitos de CFRP quando solicitados

como elementos resistentes ao esforço transverso.

a) Princípio de funcionamento dos estribos de aço

b) Princípio de funcionamento do reforço com CFRP

Figura 4 – Princípio de funcionamento dos estribos de aço e dos compósitos de CFRP (Carolin, 2003).

iii) o princípio básico do reforço ao corte com CFRP é a colocação deste com as fibras orientadas

transversalmente ao eixo da peça ou segundo a normal às potenciais fendas de corte (Khalifa,

1999). Para tal existem vários tipos de produtos de CFRP e, conforme representado na Figura 5,

várias configurações de reforço em termos de superfície colada, distribuição do CFRP, orientação

das fibras, sobreposição de camadas com orientações diferentes e adopção de mecanismos

CFRP

AÇO



exteriores de fixação. Uma consequência desta variedade de soluções é o aumento do número de

parâmetros que influenciam o comportamento estrutural dos elementos reforçados ao corte com

CFRP. Refira-se ainda o facto de este trabalho estar circunscrito às fibras de carbono (CFRP), caso

contrário haveria mais um parâmetro, o tipo de fibras (exemplos: vidro - GFRP e aramida -

AFRP), a influenciar o referido comportamento.

(i) envolvendo a secção (ii) forma em U (iii) colagem apenas nas faces laterais

a) Configurações da superfície colada

(i) forma contínua (ii) forma discreta

b) Distribuição do reforço de CFRP

(i) 90º (ii) 45º

c) Orientação das fibras

(i) 0/90º (ii) ±45º d) Sobreposição de camadas com orientação diferente das fibras

(i) sem ancoragem (ii) com ancoragem

e) Mecanismos de ancoragem Figura 5 – Configurações possíveis para o reforço ao corte com compósitos de CFRP (Khalifa, 1999).



Até ao momento, a maior parte dos estudos experimentais realizados para analisar este tipo de

reforço em elementos de betão armado têm como ponto comum o facto do CFRP ser aplicado

segundo a técnica da colagem externa. Bousselham e Chaallal (2004), aumentando a base de dados

criada por Triantafillou e Antonopoulos (2000), efectuaram uma compilação dos resultados de vários

trabalhos experimentais dedicados ao tema do reforço ao corte de vigas de betão armado com

compósitos de FRP utilizando a técnica EBR e que são normalmente referenciados na maioria dos

trabalhos científicos desenvolvidos nesta área. Posteriormente, analisaram o efeito de alguns

parâmetros no comportamento dos elementos reforçados, nomeadamente: propriedades dos FRP, a

configuração do reforço, o tipo de betão, a percentagem de estribos de aço, a percentagem de

armadura longitudinal e a relação a/d (a é o vão de corte e d é a altura útil da secção). Na Tabela 2

apresentam-se os principais dados dos modelos analisados no referido trabalho no que diz respeito

apenas aos modelos que foram reforçados com CFRP (fibras de carbono). De forma a aumentar a

base de dados foram acrescidos novos resultados experimentais aos apresentados por Bousselham e

Chaallal (2004). Na Tabela 3 apresentam-se de uma forma resumida as principais características dos

modelos apresentados na Tabela 2.

Apesar da base de dados apresentada na Tabela 2 ser extensa, na sua análise devem ser

considerados aspectos como o facto dos modelos analisados serem relativamente reduzidos (em

alguns casos pode existir um efeito de escala a influenciar alguns resultados) e o facto do esquema

estrutural dos modelos ser unicamente o da viga simplesmente apoiada. Além disso, refira-se que em

aplicações práticas a secção transversal mais comum é a secção em T e que em muitos casos a técnica

de reforço é aplicada em estruturas existentes em serviço e que apresentam betão fendilhado e/ou

danificado. Por último, deve ser tido em conta que a relação a/d é importante, nomeadamente, no

caso desta apresentar valores baixos, uma vez que pode ocorrer o direccionamento da carga para o

apoio. Ainda que se tenha presente os aspectos referidos anteriormente, a base de dados da Tabela 2 e

a consequente análise são um excelente suporte científico do comportamento de vigas de betão

armado reforçadas ao corte com materiais compósitos de CFRP aplicados segundo a técnica EBR.

A análise da informação colectada na Tabela 2 será feita de forma a avaliar a influência de

vários parâmetros no ganho de resistência ao corte proporcionado pelo reforço de CFRP, sendo este

definido como por:

( )( ) 100VVVcorteaoaresistêncideGanho ftotalf ×−= , (1)

e no valor da extensão efectiva do CFRP ( feε ) avaliada usando a analogia da treliça, ou seja, feε é

definida por:

( )( )αcosαsinρdEb9.0Vε ffwffe += (2)



Em (1) fV e totalV são, respectivamente, o valor do esforço transverso resistente conferido

pelo CFRP e o valor total do esforço transverso resistente do elemento reforçado. Em (2) wb e d são

a largura e a altura útil da secção transversal, respectivamente, e o parâmetro α é o ângulo que as

fibras do CFRP fazem com o eixo longitudinal dos elementos reforçados. Ainda na expressão (2), fE

e fρ são, respectivamente, o módulo de elasticidade do CFRP e a percentagem de reforço ao corte de

CFRP. Esta, no caso do reforço de CFRP aplicado de forma discreta (Figura 5.b-ii), é definida por:

1000αsensb

wtn2ρ

fw

fff ×

⋅⋅

⋅⋅⋅= (3)

enquanto no caso do reforço de CFRP aplicado de forma contínua (Figura 5.b-i) é definida por:

1000αsenb

tn2ρ

w

ff ×

⋅⋅⋅

= (4)

Na expressão (3) n , ft , fw e fs são, respectivamente, o número de camadas, a espessura, a largura e

o espaçamento das faixas de CFRP (Figura 6).

Além da percentagem de CFRP no reforço ao corte ( fρ ) na Tabela 2 apresentam-se, para os

vários modelos em análise, a percentagem de armadura transversal, swρ (caso exista) e a percentagem

de armadura longitudinal, slρ . A percentagem de armadura transversal swρ foi quantificada por:

100sb

Aρww

swsw ×

⋅= (5)

em que swA é a área resistente ao corte de cada um dos estribos de aço colocados na viga com um

espaçamento ws . A percentagem de armadura longitudinal slρ foi definida usando:

100db

Aρw

slsl ×

⋅= (6)

em que slA é a área da secção transversal dos varões de aço colocados longitudinalmente. Na

Figura 6 ilustram-se algumas das grandezas referidas presentes nas expressões (1) a (6).

d(xbw)

sw

sf

a

CFRP

Estribos de aço(Asw por estribo)

α

wfArmadura

longitudinal(Asl)

Figura 6 – Definição de alguns do parâmetros presentes nas expressões de (1) a (6).



Tabela 2 – Base de dados sobre o reforço ao corte de vigas de betão armado com CFRP aplicado usando a técnica EBR. b w d f c ρ f E f ε fu α ρ sw ρ sl E s V f V total

(m) (m) (MPa) ‰ (GPa) ‰ (º) (%) (%) (GPa) (kN) (kN)U(3) 0.100 0.170 Rec. 24.6 Ct-W 1.94 230 11.5 90 0.00 2.36 200 2.5 Rotura 34.5 59.5U(5) 0.100 0.170 Rec. 24.6 Ct-S 1.94 230 11.5 90 0.00 2.36 200 2.5 Descolamento 20.5 45.5U(6) 0.100 0.170 Rec. 27.4 Ct-S 1.94 230 11.5 45 0.00 2.36 200 2.5 Descolamento 33.0 58.0U(7) 0.100 0.170 Rec. 27.4 Ct-S 3.90 230 11.5 90 0.00 2.36 200 2.5 Descolamento 20.5 45.5

SU(S2) 0.200 0.260 Rec. 45.2 St-S 0.60 230 15.1 90 0.00 3.30 180 2.7 Descolamento 68.4 160.5SU(S3) 0.200 0.260 Rec. 41.3 St-U 0.60 230 15.1 90 0.00 3.30 180 2.7 Descolamento 110.0 202.1SU(S4) 0.200 0.260 Rec. 37.5 Ct-S 1.20 230 15.1 90 0.00 3.30 180 2.7 Descolamento 64.2 156.3SU(S5) 0.200 0.260 Rec. 39.7 Ct-U 1.20 230 15.1 90 0.00 3.30 180 2.7 Descolamento 106.1 198.2

MI(AN-1/5 Z-3) 0.125 0.165 Rec. 35.1 St-W 0.35 230 15.1 90 0.00 4.76 200 3.0 Rotura 18.8 75.2MI(AN-1/2 Z-3) 0.125 0.165 Rec. 32.4 St-W 0.88 230 15.1 90 0.00 4.76 200 3.0 Rotura 29.5 86.0MI(CN-1/L Z-2) 0.125 0.165 Rec. 39.1 St-W 0.88 230 15.1 90 0.00 2.75 200 2.0 Rotura 34.6 93.1

TK(BS2) 0.200 0.420 Rec. 35.1 St-U 0.28 280 12.5 90 0.14 2.24 200 3.0 Descolamento 41.2 247.5TK(BS5) 0.200 0.420 Rec. 36.8 St-U 0.14 280 12.5 90 0.07 2.24 200 3.0 Descolamento 33.4 170.0TK(BS6) 0.200 0.420 Rec. 35.8 St-U 0.14 280 12.5 90 0.07 2.24 200 3.0 Descolamento 30.1 166.7TK(BS7) 0.200 0.420 Rec. 34.7 St-W 0.28 280 12.5 90 0.07 2.24 200 3.0 Sem rotura** 98.9 235.5SUK(2) 0.150 0.240 T- 35.7 Ct-U 1.48 230 15.1 90 0.42 5.63 183 2.5 Descolamento 24.0 223.0SUK(3) 0.150 0.240 T- 35.3 Ct-U 1.48 230 15.1 90 0.42 5.63 183 2.5 Descolamento 65.0 264.0UF(CS1) 0.300 0.257 Rec. 40.5 Ct-W 0.74 244 17.5 90 0.48 1.09 191 3.0 Sem rotura** 87.0 214.0UF(CS2) 0.300 0.257 Rec. 40.5 St-W 0.37 244 17.5 90 0.48 1.09 191 3.0 Rotura 32.0 159.0UF(CS3) 0.150 0.272 Rec. 44.8 St-W 0.47 244 17.5 90 0.96 1.03 191 3.0 Sem rotura** 52.0 116.0FS(S-2) 0.600 0.510 Rec. 30.0 Ct-W 0.56 240 16.0 90 0.14 3.63 195 2.5 Rotura 243.0 691.0FS(S-3) 0.600 0.510 Rec. 30.0 Ct-W 1.10 240 16.0 90 0.14 3.63 195 2.5 Rotura 346.0 795.0FS(S-4) 0.600 0.510 Rec. 30.0 Ct-W 1.67 240 16.0 90 0.14 3.63 195 2.5 Sem rotura** 493.0 942.0T(S4) 0.180 0.460 Rec. 48.5 Ct-S 8.90 70.8 10.0 45 0.00 1.94 200 2.6 Rotura 211.0 331.0

T(SR1) 0.180 0.460 Rec. 53.8 St-S 4.40 70.8 10.0 45 0.00 1.94 200 3.5 Descolamento 89.0 195.0T(SR2) 0.180 0.460 Rec. 52.7 Ct-S 8.90 70.8 10.0 45 0.00 1.94 200 2.6 Descolamento 123.0 243.0MT(A) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.1 Rotura 40.2 134.4MT(B) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.1 Rotura 43.2 137.3MT(C) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.1 Rotura 34.5 128.5MT(D) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.6 Rotura 55.4 126.5MT(E) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.6 Rotura 38.0 108.9MT(F) 0.150 0.220 Rec. 28.5 Ct-W 3.70 230 15.0 90 0.26 1.20 200 1.6 Rotura 18.0 88.8

TR(S1a) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 2.20 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 13.6 21.8TR(S1b) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 2.20 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 11.3 19.5TR(S2a) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 3.30 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 15.9 24.1TR(S2b) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 3.30 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 12.9 21.1TR(S3a) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 4.40 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 13.2 21.4TR(S3b) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 4.40 235 14.0 90 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 10.6 18.8

TR(S1-45) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 2.20 235 14.0 45 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 14.1 22.3TR(S2-45) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 3.30 235 14.0 45 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 15.5 23.7TR(S3-45) 0.070 0.100 Rec. 30.0 St-S 4.40 235 14.0 45 0.00 1.44 200 3.2 Descolamento 12.5 20.4CH1(RS90) 0.150 0.210 Rec. 35.0 St-S 6.70 150 14.0 90 0.19 1.90 200 2.5 Descolamento 76.0 182.5

CH1(RS135) 0.150 0.210 Rec. 35.0 St-S 6.70 150 14.0 45 0.19 1.90 200 2.5 Descolamento 87.0 193.5KH3(SO3-2) 0.150 0.255 Rec. 27.5 St-U 0.88 228 16.6 90 0.00 4.20 200 3.0 Descolamento 54.0 131.0KH3(SO3-3) 0.150 0.255 Rec. 27.5 St-U 1.32 228 16.6 90 0.00 4.20 200 3.0 Descolamento 56.5 133.5KH3(SO3-4) 0.150 0.255 Rec. 27.5 Ct-U 2.20 228 16.6 90 0.00 4.20 200 3.0 Descolamento 67.5 144.5KH3(SO4-2) 0.150 0.255 Rec. 27.5 St-U 0.88 228 16.6 90 0.00 4.20 200 4.0 Descolamento 62.5 127.5KH1(CO2) 0.150 0.355 Rec. 20.5 St-U 0.88 228 16.6 90 0.00 4.20 200 3.6 Descolamento 40.0 88.0KH1(CO3) 0.150 0.355 Rec. 20.5 Ct-U 2.20 228 16.6 90 0.00 4.20 200 3.6 Descolamento 65.0 113.0KH2(BT2) 0.150 0.355 T- 35.0 Ct-U 2.20 228 16.6 90 0.00 2.31 200 3.0 Descolamento 65.0 155.0KH2(BT3) 0.150 0.355 T- 35.0 Ct-U 2.20 228 16.6 90 0.00 2.31 200 3.0 Descolamento 67.5 157.5KH2(BT4) 0.150 0.355 T- 35.0 St-U 0.88 228 16.6 90 0.00 2.31 200 3.0 Descolamento 72.0 162.0KH2(BT5) 0.150 0.355 T- 35.0 St-S 0.88 228 16.6 90 0.00 2.31 200 3.0 Descolamento 31.5 121.5

DE1(T6NS-C45) 0.140 0.540 T- 44.1 St-U 2.22 230 15.0 45 0.00 2.81 200 2.9 Descolamento 103.5 213.6DE1(T6S4-C90) 0.140 0.540 T- 44.1 St-U 1.57 230 15.0 90 0.10 2.81 200 2.9 Descolamento 85.3 272.8DE2(T4S2-C45) 0.140 0.340 T- 29.4 St-U 2.22 230 15.0 45 0.20 2.23 200 3.2 Descolamento 17.8 219.1CH2(G5.5-1L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 2.37 231 16.0 90 1.10 3.60 203 2.0 Rotura 31.2 320.2CH2(G5.5-2L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 4.75 231 16.0 90 1.10 3.60 203 2.0 Rotura 53.4 342.5CH2(G8-1L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 2.37 231 16.0 90 0.76 3.60 203 2.0 Rotura 31.2 298.0CH2(G8-2L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 4.75 231 16.0 90 0.76 3.60 203 2.0 Rotura 62.3 329.2CH2(G8-3L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 7.12 231 16.0 90 0.76 3.60 203 2.0 Rotura 84.6 351.4

CH2(G16-1L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 2.37 231 16.0 90 0.38 3.60 203 2.0 Rotura 40.1 275.8CH2(G16-2L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 4.75 231 16.0 90 0.38 3.60 203 2.0 Rotura 84.6 320.3CH2(G24-1L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 2.37 231 16.0 90 0.25 3.60 203 2.0 Rotura 53.4 258.0CH2(G24-2L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 4.75 231 16.0 90 0.25 3.60 203 2.0 Rotura 49.0 253.6CH2(G24-3L) 0.092 0.343 T- 37.9 Ct-U 7.12 231 16.0 90 0.25 3.60 203 2.0 Rotura 53.4 258.0

DB (VAM-9.5)* 0.150 0.273 Rec. 49.2 St-U 1.17 390 8.0 90 0.00 1.10 200 2.2 Descolamento 31.5 89.8DB (VBM-8)* 0.150 0.123 Rec. 56.2 St-U 1.39 390 8.0 90 0.00 1.69 200 2.4 Descolamento 18.6 55.6DB (VBM-4)* 0.150 0.123 Rec. 56.2 St-U 2.78 390 8.0 90 0.00 2.45 200 2.4 Descolamento 33.7 71.5

AD (C-1)* 0.300 0.245 Rec. 37.2 Ct-U 1.11 230 15.0 90 0.00 4.38 207 4.0 Descolamento 53.0 165.0PM (TR30C2)* 0.150 0.250 Rec. 27.5 Ct-S 2.20 234 19.0 90 0.00 ? 210 3.0 Descolamento 45.3 120.0PM (TR30C3)* 0.150 0.250 Rec. 27.5 Ct-S 6.60 234 19.0 90 0.00 ? 210 3.0 Descolamento 38.1 112.8PM (TR30C4)* 0.150 0.250 Rec. 27.5 Ct-S 6.60 234 19.0 90 0.00 ? 210 3.0 Descolamento 65.5 140.2

PM (TR30D10)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 4.40 234 19.0 90 0.00 ? 210 3.0 Descolamento 31.5 193.0PM (TR30D2)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 6.60 234 19.0 90 0.34 ? 210 3.0 Descolamento 51.8 213.3PM (TR30D20)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 6.60 234 19.0 90 0.34 ? 210 3.0 Descolamento 86.0 247.5PM (TR30D3)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 2.20 234 19.0 90 0.34 ? 210 3.0 Descolamento 0.0 161.4PM (TR30D4)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 4.40 234 19.0 90 0.34 ? 210 3.0 Descolamento 47.3 208.8PM (TR30D40)* 0.150 0.250 Rec. 31.4 Ct-S 4.40 234 19.0 90 0.34 ? 210 3.0 Descolamento 50.5 212.0

CFRP na roturaModelo Secção Configuração a/d

Notas: 1) U = Uji (1992); SU = Sato (1996); MI = Miyachi (1997); TK = Taerwe (1997); SUK = Sato (1197); UF = Umezu (1997); FS = Funakawa (1997); T = Taljsten (1997); MT = Mitsui (1998); TR = Triantafillou (1998); CH1 = Chaallal (1998); KH1 = Khalifa (1999); KH2 = Khalifa (2000); KH3 = Khalifa (2002); DE1 = Deniaud (2001); DE2 = Deniaud (2003); CH2 = Chaallal (2002); DB = Dias (2004-b); AD = Adhikary (2004); PM = Pelegrino (2002). 2) Rec. = Secção rectangular; T- Secção em T. 3) Ct - Reforço contínuo de CFRP; St - Reforço discreto de CFRP. 4) W - Reforço de CFRP envolvendo toda a secção; U - Reforço de CFRP em forma de U; S - Reforço de CFRP nas faces laterais. * - Modelos que foram acrescentados; ** - Rotura do CFRP após rotura por corte.



Tabela 3 – Dados dos modelos analisados.

Secç

ão re

ctan

gula

r

Secç

ão e

m T

Vão

da

viga

L <

2 m

Vão

da

viga

2 m

< L

< 4

m

Vão

da

viga

L >

4 m

Vig

as re

gula

res (

a/d

> 2.

0)

Vig

as b

aixa

s (a/

d<2.

0)

Efei

to e

scal

a

Pré-

fend

ilhaç

ão

Res

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ncia

do

betã

o

Arm

adur

a lo

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l

Arm

adur

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Face

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rma

de U

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lvim

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tota

l da

secç

ão

Con

tínuo

Dis

cret

o

Orie

ntaç

ão d

o C

FRP:

90

degr

ees

Orie

ntaç

ão d

o C

FRP:≠

90 d

egre

es

Uji 1992 4Sato 1996 4Miyauchi 1997 3Taerwe 1997 4Sato 1997 2Umezu 1997 3Funakawa 1997 3Taljsten 1997 3Chaallal 1998 4Mitsui 1998 6Triantafillou 1998 9Khalifa 1999 2Khalifa 2000 4Deniaud 2001 3Khalifa 2002 4Pellegrino 2002 9Deniaud 2003 1Chaallal 2002 20Dias 2004 3Adhikary 2004 1

Autores AnoN

úmer

o de

vig

as e

nsai

adas

Propriedades e parâmetros

Geometria Tipo de viga Betão e aço Cenário de reforço

Na Figura 7 apresenta-se, para os modos de rotura por descolamento do CFRP e por rotura do

CFRP (incluí também a rotura do CFRP pós carga máxima), a relação entre o parâmetro fufe εε ( feε

e fuε são, respectivamente, a extensão efectiva definida por (2) e a extensão última do CFRP) e o

parâmetro 32cff fρE . Este engloba a rigidez axial do reforço de CFRP ( ff ρE ) e o tipo de betão

das vigas por intermédio do valor da resistência à compressão ( cf ). Na Figura 7 é possível verificar

que a efectividade do reforço ( fufe εε ) depende da grandeza do parâmetro 32cff fρE .

Concretamente, o valor de fufe εε , ou seja, o nível de rendimento do CFRP, diminui com o aumento

do valor do parâmetro 32cff fρE . Ao mesmo tempo, é possível verificar que ao modo de ruína

caracterizado pela rotura do CFRP estão associados valores mais elevados de fufe εε . Este facto está

directamente relacionado com a configuração do reforço de CFRP utilizada, conforme pode ser

constatado ao analisar as Figuras 8 e 9.

Do que se acabou de referir constata-se que a configuração do reforço ao corte de CFRP é um

parâmetro crucial no cenário de rotura das vigas reforçadas. De acordo com o observado na



Figura 10, os dados da Tabela 2 permitem afirmar que o modo de rotura típico de uma solução de

reforço ao corte que envolve toda a secção transversal é a rotura do CFRP, enquanto o modo de rotura

típico para a configuração de reforço aplicado apenas nas faces laterais da viga é o descolamento do

CFRP. Para este último tipo de configuração de reforço o parâmetro fufe εε apresenta baixos valores

e, aparentemente, não é sensível ao parâmetro 32cff fρE (ver Figura 8).

Outro aspecto importante que pode ser retirado dos valores apresentados na Figura 10

relaciona-se com o facto da grande maioria dos modelos analisados terem atingido a sua capacidade

máxima de carga quando se deu o descolamento do CFRP. Refira-se que a solução de reforço com

CFRP aplicado segundo a EBR que tem como modo de rotura típico a ruína do CFRP (envolvimento

completo da secção transversal) em muitas das aplicações práticas não é concretizável, ou na melhor

das hipóteses não é facilmente concretizável. Deste modo pode-se afirmar que tipicamente o modo de

rotura de vigas de betão armado reforçadas ao corte com compósitos de CFRP aplicados segundo

técnica da colagem externa é o modo de rotura prematuro por descolamento do CFRP.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Descolamento do CFRPRotura do CFRP

Efρ f/fc2/3

εfe/ ε

fu

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Faces lateraisEm forma de U

Efρ f/fc2/3

εfe/ ε

fu

Figura 7 – Relação fufe εε vs 32cff fρE . Figura 8 – Relação fufe εε vs 32

cff fρE para os modelos com rotura por descolamento do CFRP.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

Em forma de UEnvolvimento completo

Efρ f/fc2/3

εfe/ ε

fu

Envolvimento completo

61%

Em forma de U 36%

Em forma de U45%

Faces laterais 3%

Faces laterais55%

0

10

20

30

40

50

60

Descolamento do CFRP Rotura do CFRP

Núm

ero

de e

nsai

os

Figura 9 – Relação fufe εε vs 32cff fρE para os

modelos com rotura do CFRP. Figura 10 – Associação da configuração de reforço ao

modo de rotura.



0

50

100

150

200

250

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18


Efρ f/fc2/3

Gan

ho d

e re

sist

ênci

a ao

cor

te (%

)

0

50

100

150

200

250

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5


a/d

Gan

ho d

e re

sist

ênci

a ao

cor

te (%

)

Figura 11 – Ganho de resistência ao corte vs 32

cff fρE para os modelos sem armadura transversal. Figura 12 – Ganho de resistência ao corte vs relação a/d.

0

20

40

60

80

100

120

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5


Esρw/Efρ f

Gan

ho d

e re

sist

ênci

a ao

cor

te (%

)

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100 120 140


Esρs/Efρ f

Gan

ho d

e re

sist

ênci

a ao

cor

te (%

)

Figura 13 – Ganho de resistência ao corte vs ffws ρEρE . Figura 14 – Ganho de resistência ao corte vs ffss ρEρE .

O ganho de resistência ao esforço transverso, definido por (1) aumenta com o parâmetro

32cff fρE até um determinado valor (cerca de 0.05), a partir do qual há uma tendência de

estabilização de acordo com o que se pode observar na Figura 11, ou seja, a partir de uma

determinada percentagem de reforço o acréscimo do ganho de resistência ao esforço transverso tende

a não ser significativo. Este aspecto, naturalmente, apresenta uma importância relevante em termos de

uma análise eficácia/custo da solução de reforço.

A Figura 12 apresenta a relação entre o ganho de resistência ao esforço transverso e o

parâmetro a/d, onde se podem distinguir três zonas: a) a zona correspondente a valores de a/d

menores que 2.0 onde o modo de rotura predominante foi a rotura do CFRP; b) a zona correspondente

a a/d maior que 3.2 onde o modo de rotura predominante foi o descolamento do CFRP; c) a zona de

transição 2.3da0.2 ≤≤ onde ocorreram os dois modos de rotura: descolagem do CFRP e rotura do

CFRP. O ganho de resistência proporcionado pelo CFRP foi mais evidente no caso das vigas

regulares 0.2da ≥ e menos evidente nas vigas baixas 0.2da < . O efeito de arco presente nestas



vigas pode justificar este facto, uma vez que existe a possibilidade da carga se transmitir directamente

para o apoio.

Na Figura 13 encontra-se ilustrado o modo como o valor do ganho da resistência ao esforço

transverso varia com a percentagem de estribos de aço. Tal como Pellegrino e Modena (2002) e

Chaallal et al. (2002) concluíram, o ganho de resistência ao corte proporcionado pelo CFRP diminui à

medida que a relação ffws ρEρE aumenta. Esta tendência é válida quer para os modelos com

rotura por descolamento do CFRP como para os modelos com modo de ruína por rotura do CFRP.

A influência da relação ( ffss ρEρE ) no ganho de resistência ao esforço transverso

conferido pelo CFRP encontra-se ilustrada na Figura 14. De forma a isolar o efeito da percentagem de

armadura longitudinal, nesta análise não foram considerados os modelos com armadura transversal.

Apesar das vigas em análise apresentarem, de um modo geral, uma elevada percentagem de armadura

longitudinal, em virtude da tentativa de impor aos modelos ensaiados a rotura por corte por forma a

avaliar o potencial máximo do reforço ao corte de CFRP, verifica-se que o ganho de resistência ao

corte conferido pelo CFRP diminui à medida que a relação ffss ρEρE aumenta.

Os diversos estudos realizados são unânimes relativamente ao facto da colagem externa de

CFRP (mantas e laminados) permitir aumentos consideráveis da resistência ao corte de vigas de betão

armado. No entanto, para as configurações mais fáceis do ponto de vista de aplicação em obra

(reforço em forma de U ou reforço colado apenas nas faces laterais) o modo de rotura que tipicamente

ocorre é o descolamento prematuro do CFRP (ver Figura 15), ao qual está associado um baixo nível

de tensão mobilizado no reforço (bastante inferior à sua resistência última). Tal como anteriormente

foi referido na secção 1.2, além do desaproveitamento do material, os referidos modos de rotura são

frágeis e existe uma susceptibilidade grande dos CFRP colados externamente à acção do fogo, às

condições ambientais adversas, a actos de vandalismo e ao impacto. Estes aspectos realça a

necessidade de medidas que evitem ou retardem o descolamento do CFRP, como é o caso da adopção

de mecanismos de ancoragem nas configurações de reforço em U (ver Figura 5.e-ii), e de medidas de

protecção do CFRP.

Em alternativa à técnica da colagem externa de CFRP (EBR) aplicado no reforço ao corte, De

Lorenzis e Nanni (2001) utilizaram varões de CFRP inseridos em entalhes efectuados no betão de

recobrimento das faces laterais de vigas de betão armado (Figura 16). Esta técnica de reforço (NSM)

permitiu aumentar significativamente a capacidade de carga das vigas. Além disto, a técnica NSM,

relativamente à técnica EBR, garante uma maior protecção do reforço, pois este encontra-se inserido

no elemento e não colado externamente. Outras vantagens da técnica NSM relativamente à técnica

EBR foram referidas na secção 1.2.



Faixas discretas de manta de CFRP coladas nas faces laterais da viga de

secção em T - Descolamneto do CFRP (Khalifa, 1999). Manta contínua de CFRP colada em forma de U (viga de secção em T) -

Descolamento do CFRP (Khalifa, 1999).

Faixas discretas de manta de CFRP em forma de U (viga de secção em

T) - Descolamento do CFRP (Khalifa, 1999). Faixas discretas de manta de CFRP em forma de U (viga de secção

rectangular) - Descolamento do CFRP (Dias e Barros, 2004).

Manta contínua de CFRP colada em forma de U (viga de secção

rectangular) - Destacamento da parede betão+CFRP (Khalifa, 1999). Faixas discretas de manta de CFRP em forma de U (viga de secção

rectangular) - Destacamento da parede betão + CFRP (Dias e Barros, 2004-b)

Figura 15 – Roturas típicas de vigas reforçadas ao corte com CFRP usando a EBR: CFRP em U ou nas faces laterais.

Varões de CFRP inseridos em entalhes verticais com ancoragem no banzo

(rotura por destacamento do betão de recobrimento das armaduras longitudinais)

Varões de CFRP inseridos em entalhes inclinados a 45º (rotura por deslizamento dos varões de CFRP)

Figura 16 – Reforço ao corte de vigas de betão armado com varões de CFRP inseridos no betão de recobrimento das faces laterais das vigas (De Lorenzis e Nanni, 2001).

Descolamento do CFRP


Rotura do CFRP



Rotura do CFRP

Destacamento da parede bet\ao + CFRP

Destacamento da parede bet\ao + CFRP



Os aspectos menos positivos do recurso a varões de CFRP relacionam-se com a dificuldade da

realização dos entalhes com os equipamentos de corte disponíveis no mercado, atendendo à dimensão

que devem ter de forma a que os varões possam ser inseridos. Por exemplo, os varões utilizados por

De Lorenzis e Nanni (2001) tinham um diâmetro efectivo de 9.5 mm. Outro aspecto que minimiza as

potencialidades da técnica NSM com varões de CFRP é o baixo valor da relação entre o perímetro (de

colagem) e a área da secção transversal do varão.

El-Hacha e Rizkalla (2004), além de efectuarem uma análise comparativa do ponto de vista de

do comportamento estrutural de modelos reforçados com a técnica EBR e de modelos reforçados com

a técnica NSM e que anteriormente foi referida, compararam dois tipos de soluções para a técnica de

reforço por inserção (NSM): laminados de CFRP e varões de CFRP. Os referidos autores concluíram

que em modelos reforçados com a mesma rigidez axial em termos de CFRP, a solução com

laminados foi mais eficaz que a solução de varões. Refira-se ainda que a solução com laminados

proporcionou o máximo aproveitamento do material de reforço, enquanto no caso da solução com

varões ocorreu o descolamento do CFRP. Tal como se referiu anteriormente, o menor desempenho da

solução de varões deveu-se fundamentalmente ao facto do valor da relação rigidez axial/perímetro da

secção transversal do varão de CFRP ser baixo, comparativamente com o valor da mesma relação

para o caso do laminado.

Face ao exposto, tornou-se evidente a necessidade de realizar estudos experimentais para

avaliar o desempenho de novas técnicas de reforço ao corte com compósitos de CFRP de forma a

colmatarem as lacunas existentes nas técnicas desenvolvidas e anteriormente referidas. Atendendo às

vantagens da técnica NSM face à técnica EBR e ao facto dos laminados de CFRP apresentarem,

relativamente aos varões de CFRP as vantagens referidas anteriormente, Dias e Barros (2004-b)

propuseram uma técnica de reforço ao corte para vigas de betão armado baseada em procedimentos

de reforço semelhantes aos utilizados por De Lorenzis e Nanni (2001) mas, em vez de varões de

CFRP, são utilizados laminados de CFRP inseridos em finos entalhes.

Os laminados apresentam uma secção transversal de 1.4×10 mm2 e os entalhes onde são

inseridos têm cerca de 5 mm de largura e 15 mm de profundidade e podem ser facilmente executados

com um equipamento disponível no mercado que dispõe de um disco de corte e dispositivos de ajuste

da profundidade e do alinhamento do entalhe. Refira-se que os laminados são fornecido com as

dimensões acima referidas não sendo necessário efectuar qualquer tipo de corte na direcção

longitudinal das fibras. A fixação dos laminados de CFRP é efectuada por intermédio de um adesivo

epoxídico. Na Figura 17 podem ser observados os principais aspectos desta técnica de reforço ao

corte. Na secção 2.3 serão pormenorizados todos os procedimentos da aplicação desta técnica de

reforço.



Laminados de CFRP inseridos em entalhes e fixos ao betão por adesivo epoxídico

Varões de aço longitudinais na face de tracção

Adesivoepoxídico

50150050

≅ 15 (entalhe)≅ 10 (largurado CFRP)

Laminados de CFRP inseridos em entalhese fixos ao betão por adesivo epoxídico

A

A

Armaduraslongitudinais

Unidades: mm

150

300

Varões de aço longitudinais na face de compressão

Secção A-A Laminado de CFRP(≅1.4×10)

Figura 17 – Reforço ao corte de vigas de betão armado recorrendo à inserção de laminados de CFRP em entalhes

efectuados no betão de recobrimento (Dias e Barros, 2004-c). A primeira validação experimental da técnica NSM com laminados de CFRP no reforço ao

corte de vigas de betão armado (Dias e Barros, 2004-b) teve como objectivo a comparação directa

com a técnica EBR, aplicada com a configuração de reforço que conjuga a eficácia deste e a sua

executabilidade em termos práticos (mantas de CFRP coladas em forma de U). Assim, foi realizado

um programa experimental em que o comportamento de vigas de betão armado reforçadas ao corte

com CFRP por intermédio da técnica NSM foi comparado com o das mesmas vigas mas reforçadas

ao corte com CFRP por intermédio da EBR.

O programa de ensaios experimentais foi constituído por quatro séries de vigas de betão

armado (séries A10, A12, B10 e B12) representadas na Figura 18. As vigas das séries A10 e A12

tinham uma secção transversal de 0.15x0.3 m2, comprimento de 1.6 m e vão de 1.5 m. As vigas das

séries B10 e B12 tinham secção transversal de 0.15x0.15 m2, comprimento de 1.0 m e vão de 0.9 m.

Todas as vigas tinham um vão de corte igual a duas vezes a altura da secção transversal (a/h = 2). As

vigas das séries A10 e A12 tinham uma relação a/d = 2.2 e as vigas das séries B10 e B12 tinham uma

relação a/d = 2.4. Em termos de armadura longitudinal na face traccionada, as vigas da série A10 e

B10 continham 4φ10 e as vigas da série A12 e B12 continham 4φ12. Em todas as vigas foram

utilizados 2φ6 para armadura longitudinal de compressão.



Cada uma das quatro séries (A10, A12, B10 e B12) englobou vigas sem qualquer armadura

transversal, vigas com estribos de aço verticais, vigas em que o reforço ao corte foi materializado por

intermédio de faixas discretas de manta de CFRP coladas externamente em forma de U, e vigas

reforçadas ao esforço transverso com laminados de CFRP dispostos verticalmente ou inclinados a

45º, inseridos em entalhes efectuados no betão de recobrimento das faces laterais da viga. As vigas

tinham secção transversal rectangular e as que foram reforçadas com CFRP não continham armaduras

transversais de aço. A quantidade de reforço nos vários sistemas utilizados (estribos de aço, faixas

discretas de manta em forma de U usando a EBR, laminados verticais usando a NSM e laminados

inclinados a 45º usando a NSM) foi determinada por forma a que o modo de ruína das vigas fosse por

corte e para valores de carga semelhantes. Na Tabela 4 e na Figura 18 apresentam-se as principais

informações relativamente aos modelos ensaiados.

Na Tabela 5 estão registados para cada uma das vigas ensaiadas os resultados obtidos em

termos de carga máxima (Fmax) e em termos da resistência máxima ao esforço transverso (Vtotal). A

contribuição de cada um dos elementos resistentes ao esforço transverso é também apresentada: betão

(Vc), estribos de aço (Vw) e do CFRP (Vf). A título de exemplo, na Figura 19 apresentam-se as curvas

carga total vs deslocamento central das vigas da série A10. Os modos de rotura observados nas vigas

ensaiadas estão ilustrados nas fotografias da Figura 20.

Tabela 4 – Critérios de reforços ao corte adoptados.

Designação das vigas * Resistência ao esforço transverso A10_C (VA10) -

A10_S (VAE-30) Estribos de aço verticais (6φ6, 2r *, 300 mm de espaçamento)

A10_M (VAM-19) Mantas de CFRP coladas externamente (forma de U, fibras orientadas a 90º, 8 faixas de 2 camadas com 25 mm de largura e 190 mm de espaçamento)

A10_VL (VACV-20) 16 laminados de CFRP inseridos em entalhes verticais (200 mm de espaçamento) Série

A10

(4

φ10)

A10_IL (VACI-30) 12 laminados de CFRP inseridos em entalhes inclinados a 45º (300 mm de espaçamento)A12_C (VA12) -

A12_S (VAE-15) Estribos de aço verticais (10φ6, 2r *, 150 mm de espaçamento)

A12_M (VAM-9.5) Mantas de CFRP coladas externamente (forma de U, fibras orientadas a 90º, 14 faixas de 2 camadas com 25 mm de largura e 95 mm de espaçamento)

A12_VL (VACV-10) 28 laminados de CFRP inseridos em entalhes verticais (100 mm de espaçamento) Série

A12

(4

φ12)

A12_IL (VACI-15) 24 laminados de CFRP inseridos em entalhes inclinados a 45º (150 mm de espaçamento)B10_C (VB10) -

B10_S (VBE-15) Estribos de aço verticais (6φ6, 2r *, 150 mm de espaçamento)

B10_M (VBM-8) Mantas de CFRP coladas externamente (forma de U, fibras orientadas a 90º, 10 faixas de 2 camadas com 25 mm de largura e 80 mm de espaçamento)

B10_VL (VBCV-10) 16 laminados de CFRP inseridos em entalhes verticais (100 mm de espaçamento) Série

B10

(4

φ10)

B10_IL (VBCI-15) 12 laminados de CFRP inseridos em entalhes inclinados a 45º (150 mm de espaçamento)B12_C (VB12) -

B12_S (VBE-15) Estribos de aço verticais (10φ6, 2r *, 75 mm de espaçamento)

B12_M (VBM-4) Mantas de CFRP coladas externamente (forma de U, fibras orientadas a 90º, 16 faixas de 2 camadas com 25 mm de largura e 40 mm de espaçamento)

B12_VL (VBCV-5) 28 laminados de CFRP inseridos em entalhes verticais (50 mm de espaçamento) Série

B12

(4

φ12)

B12_IL (VBCI-7.5) 24 laminados de CFRP inseridos em entalhes inclinados a 45º (75 mm de espaçamento)* - A designação das vigas que está entre parêntesis foi a adoptada em Dias e Barros (2004-b).



200

300

50

150200200300200200 200 300

300300300300 190 190190

300150300

190 190 190300

1500 50

25

1504∅10

300

F/2a2∅6

A10_R Secção transversal

A10_S

A10_VL

A10_M

A10_IL

F/2

F/2F/2 F/2F/2

F/2F/2F/2F/2

Série A10

50

150

6x95

6x1006x100 300 150

150150150 300150 150150 150150

80150 15015080 150300

6x95300

1500 50

25

1504∅12

a2∅6

A12_R

A12_S

A12_VL

300

A12_M

A12_IL

F/2 F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

Secção transversal

Série A12

150

100100 100

150

50

100100 100300 15080150 80 300

8060150150300 8080 608030080 80

900 50

150

4∅10

25

150


aF/2

2∅6

B10_R

B10_S

B10_VL

B10_M

B10_IL

F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

F/2 F/2

Série B10

4∅12

6x50 300 3x75 406x50 300

4x75 300 7x40 3004x75

90050 50 150

3x7540

7x40

25

150

2∅6a

B12_R

B12_S

B12_VL

B12_M

B12_IL


F/2F/2

F/2 F/2

F/2 F/2 F/2 F/2

F/2 F/2

Série B12

Figura 18 – Modelos ensaiados.



Tabela 5 – Carga máxima, esforço transverso resistente e contribuição do betão, dos estribos de aço e dos CFRP na resistência ao corte das vigas ensaiadas.

Série A10 Reforço ao corte maxF (kN) totalV (kN) cV (kN) wV (kN) fV (kN)

A10_C - 100.40 50.2 - - A10_S Estribos 169.35 84.7 34.5 - A10_M Manta 122.06 61.0 - 10.8 A10_VL Laminados verticais 158.64 79.3 - 29.1 A10_IL Laminados inclinados 157.90 79.0

50.2

- 28.8

Série A12 Reforço ao corte maxF (kN) totalV (kN) cV (kN) wV (kN) fV (kN)

A12_C - 116.50 58.3 - - A12_S Estribos 215.04 107.5 49.2 - A12_M Manta 179.54 89.8 - 31.5 A12_VL Laminados verticais 235.11 117.6 - 59.3 A12_IL Laminados inclinados 262.38 131.2

58.3

- 72.9

Série B10 Reforço ao corte maxF (kN) totalV (kN) cV (kN) wV (kN) fV (kN)

B10_C - 74.02 37.0 - - B10_S Estribos 120.64 60.3 23.3 - B10_M Manta 111.14 55.6 - 18.6 B10_VL Laminados verticais 131.22 65.6 - 28.6 B10_IL Laminados inclinados 120.44 60.2

37.0

- 23.2

Série B12 Reforço ao corte maxF (kN) totalV (kN) cV (kN) wV (kN) fV (kN)

B12_C - 75.7 37.9 - - B12_S Estribos 159.1 79.6 41.7 - B12_M Manta 143.0 71.5 - 33.6 B12_VL Laminados verticais 139.2 69.6 - 31.7 B12_IL Laminados inclinados 148.5 74.3

37.9

- 36.4

0

40

80

120

160

200

240

280

0 5 10 15 20 25Deslocamento a meio vão (mm)

Car

ga T

otal

(kN

)

Figura 19 – Curvas carga total vs deslocamento das vigas A12_C, A12_S, A12_M, A12_VL e A12_IL (série A12).

A12_M

A12_IL

A12_S

A12 VL

A12_C



De um modo geral os resultados destes ensaios permitiram concluir que a utilização de

compósitos de CFRP como elementos resistentes ao esforço transverso, colados externamente

(mantas) ou inseridos no betão de recobrimento (laminados), permite aumentos significativos da

capacidade máxima de carga de vigas de betão armado com rotura por corte. Comparando as duas

técnicas de reforço com CFRP, a NSM foi mais eficaz em termos de capacidade máxima resistente,

capacidade deformacional e carga residual pós-pico. Tendo por base o comportamento registado nos

modelos não reforçados, verificou-se que a capacidade de carga máxima dos modelos reforçados com

faixas de manta e com laminados inseridos aumentou, em média, 54% e 83%, respectivamente. A

mesma comparação em termos de capacidade deformacional mostrou que os modelos reforçados com

faixas de manta e com laminados inseridos aumentou, em média, 77% e 307%, respectivamente.

As vigas reforçadas com laminados apresentaram carga máxima e capacidade deformacional

semelhantes às registadas nas vigas estribadas. Tendo por base os resultados obtidos nos modelos não

reforçados, verificou-se que os modelos reforçados com estribos de aço e com laminados de CFRP

apresentaram um aumento médio da carga máxima de 82% e 83%, respectivamente. Tendo por base

os resultados obtidos nos modelos não reforçados, verificou-se que os modelos reforçados com

estribos de aço e com laminados inseridos apresentaram uma capacidade deformacional,

respectivamente, 272% e 307% superior.

Os modos de rotura das vigas reforçadas ao corte com laminados inseridos são menos frágeis

que os verificados nas vigas reforçadas com faixas de manta coladas externamente. Com efeito, o

modo de rotura apresentado pelas vigas reforçadas com mantas de CFRP foi por descolamento do

CFRP, após o desenvolvimento da fenda de rotura de corte. Devido ao facto da configuração de

reforço ser em U o processo de descolamento iniciou-se da parte de cima para a parte de baixo da

viga. Nesta zona verificou-se que algumas das mantas atingiram a sua rotura, tal como representado

na Figura 15. A viga B12-M não teve este modo de rotura. A rotura desta viga deu-se com a formação

de duas paredes laterais que se separaram do volume de betão interior (ver inicio deste processo na

Figura 15), onde se formou a fenda de rotura de corte originando o destacamento das referidas

paredes. Este facto está relacionado com a área de reforço e com a área de betão a reforçar. O mesmo

tipo de rotura foi obtido por Khaliffa (1998) tal representado no exemplo da Figura 15. Este modo de

rotura foi também o registado nas vigas B10_IL, B12_VL e B12_IL. As vigas A10_VL e A12_VL

atingiram a rotura após a formação de uma fenda de corte que originou o “pull-out” dos laminados

que a atravessavam. As vigas A12_VL e A12_IL tiveram um modo de rotura por flexão.

Quando comparada com a técnica que recorre à colagem externa de manta de CFRP, a que se

baseia na inserção de laminados de CFRP no betão de recobrimento é mais fácil e rápida de executar,

pelo que mais económica.



Série A10: vigas A10_C, A10_S, A10_M, A10_VL e A10_IL

Série A12: vigas A12_C, A12_S, A12_M, A12_VL e A12_IL

Série B10: vigas B10_C, B10_S, B10_M, B10_VL e B10_IL Série B12: vigas B12_C, B12_S, B12_M, B12_VL e B12_IL

Figura 20 – Modos de roturas das vigas ensaiadas.

A12_M

A12_VL

A12_IL

A12_S

A12 C

A10_M

A10_VL

A10_IL A10_C

A10_S

B10_C

B10_S

B10_IL

B10_VL

B10_M

B12_C

B12_S

B12_IL

B12_VL

B12_M



020406080

100120140160

0 0.2 0.4 0.6 0.8

ρ f (%)

∆Fm

ax (k

N)

T écnica EBR: h = 0.3 m

Técnica NSM - 90º: h = 0.3 m


Técnica EBR: h = 0.15 m



a)

020406080

100120140160

0.00 0.15 0.30 0.45

h (m)

∆Fm

ax (k

N)

T écnica EBR: 4fi10

Técnica NSM - 90º: 4fi10


Técnica EBR: 4fi12



b)

020406080

100120140160

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

ρ sl (%)

∆Fm

ax (k

N)

T écnica EBR: h = 0.3 m



Técnica EBR: h = 0.15 m



c)

Figura 21 – Influência da: a) percentagem de CFRP, b) altura da viga, c) percentagem de armadura longitudinal, na eficácia das técnicas de reforço testadas.



Na Figura 21 apresenta-se a influência da percentagem de CFRP ( fρ ), da altura da viga (h) e

da percentagem de armadura longitudinal ( slρ ) no ganho de resistência conferido pelos reforços de

CFRP testados. As percentagens fρ e slρ foram obtidas por intermédio das expressões (3) e (6),

respectivamente. O parâmetro ∆Fmax (diferença entre a capacidade máxima de carga da viga com

reforço de CFRP e a da viga de referência sem qualquer reforço ao corte) corresponde ao dobro da

contribuição do CFRP na resistência ao esforço transverso da viga (Vf), ou seja, ∆Fmax = 2 Vf. De

forma a atender ao facto dos CFRP terem módulos de elasticidade distintos, as percentagens de

reforço fρ das mantas de CFRP foram convertidas em percentagens equivalentes em termos de

laminados, multiplicando a sua percentagem pelo parâmetro Ef_M/Ef_L, em que Ef_M e Ef_L são o

módulo de elasticidade da mantas e do laminado, respectivamente.

Da análise da Figura 21-a é possível concluir que o valor de ∆Fmax aumenta com a

percentagem de reforço, fρ , sendo este aumento mais significativo nas vigas mais altas e que foram

reforçadas com a técnica NSM. A Figura 21-b permite verificar que para as vigas reforçadas usando a

técnica EBR o valor de ∆Fmax diminui com o aumento da altura da viga, enquanto nas vigas

reforçadas com a técnica NSM o parâmetro ∆Fmax aumenta com o aumento da altura da viga. Este

aumento foi mais pronunciado nas vigas com a maior percentagem de armadura longitudinal (4φ12),

principalmente as vigas reforçadas com laminados a 45º. Da análise da Figura 21-c é possível

verificar que o valor de ∆Fmax aumenta com a percentagem de armadura longitudinal ( slρ ) e este

aumento é mais pronunciado nas vigas reforçadas com a técnica NSM. Independentemente da

variação dos parâmetros fρ , h e slρ a técnica NSM foi sempre superior à técnica EBR.

Os resultados obtidos no âmbito da campanha de ensaios (Dias e Barros, 2004-b) realizada

com o objectivo de validar a técnica de reforço ao corte de vigas de betão armado que se baseia na

inserção de laminados de CFRP em entalhes efectuados no betão de recobrimento das faces laterais

das vigas (NSM com laminados de CFRP), associados aos vários aspectos focadas nesta secção assim

como nas secções 1.1 e 1.2 (informação complementar pode ser recolhida em Dias e Barros (2004-

a)), motivaram a realização de um ambicioso programa experimental com vigas T (geometria que

melhor simula o cenário real de uma intervenção de reforço). O objectivo fundamental deste

programa experimental será avaliar a influência que os seguintes parâmetros têm no desempenho da

técnica NSM com laminados de CFRP no reforço ao corte de vigas de betão armado: classe de

resistência do betão; relação a/d; percentagem de CFRP; orientação dos CFRP; percentagem da

armadura transversal (estribos de aço). Nas próximas secções será apresentado a primeira série de

vigas T ensaiadas em que percentagem e orientação de CFRP foram os parâmetros avaliados.

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