Aplicação Estrutural do Betão Reforçado com Fibras de Vidro (GRC)

João Gomes Ferreira

O QUE É O GRC ?Glass Fiber Reinforced Concrete

Material compósito cimentício consistindo em• Argamassa de cimento• Fibras de vidro curtas dispersas• Aditivos

Principais métodos de fabrico• Spray-up• Premix

UTILIZAÇÃO HABITUAL DO GRC

Elementos não estruturais

• Painéis de fachada (>80%)• Cofragens perdidas decorativas• Barreiras acústicas• Janelas pré-fabricadas• Manilhas de redes de saneamento• Elementos decorativos• etc. Centro Comercial Colombo

Aplicações correntes do GRC

Hotel Atrium - Banguecoque

Centro de Congressos Cervantes – St Louis, Mississipi

Aplicações correntes do GRC

Tunel Heathrow - Londres Dispersores acústicos Painéis decorativos

Aplicações correntes do GRC

Barreiras acústicas Mobiliáio urbano

Aplicações correntes do GRC

Canal de rega Canal de drenagem

• Parede fina (inexistência de inertes grossos,resistência ao choque)

• Peso reduzido- Facilidade/custos de montagem- Redução de forças sísmicas- Poupança de material (custos ambientais)

• Durabilidade (ausência de aço corrente, corrosão)

• Controlo da micro-fendilhação e da desagregação

• Interferências electro-magnéticas reduzidas

VANTAGENS DO GRC FACE ÀS SOLUÇÕES TRADICIONAIS EM AÇO E EM BETÃO ARMADO

• Custos iniciais- Aquisição de equipamento específico- Formação de pessoal

• Controlo de qualidade (dispersão das fibras, compacidade)

• Durabilidade das fibras de vidro - Fibras especiais- Aditivos

INCONVENIENTES DO GRC FACE ÀS SOLUÇÕES TRADICIONAIS EM AÇO E EM BETÃO ARMADO

FABRICO DO GRC

MÉTODO SPRAY-UP

• Pistola de projecção• Fibras cortadas na pistola• Mistura fibras-argamassa no jacto• Compactação com rolo

Composição• Fibras (25 - 40 mm, 5% peso)• Argamassa (A/C -1/1; Ag/C - 0.33) Fase de projecção

MÉTODO SPRAY-UP

• Pistola de projecção• Fibras cortadas na pistola• Mistura fibras-argamassa no jacto• Compactação com rolo

Composição• Fibras (25 - 40 mm, 5% peso)• Argamassa (A/C -1/1; Ag/C - 0.33) Fase de compactação

MÉTODO PREMIX

• Mistura da argamassa• Dispersão das fibras pré-cortadas• Projecção ou injecção de moldes

Composição• Fibras (12 mm; 3.5% peso)• Argamassa (A/C - 0.5/1; Ag/C - 0.35) Fase de dispersão das fibras

DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO GRC

OBJECTIVOS DA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTALDAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO GRC

• Avaliação das propriedades mecânicas do GRC relevantespara a sua aplicação estrutural

• Análise do efeito de diferentes tipos de reforço na resistência à tracção do GRC

• Utilização racional do GRC, garantindo níveis de segurança estrutural adequados

• Obtenção de resultados para utilização em modelos numéricos

Valores obtidosE = 16 - 17 GPa

MÓDULO DE ELASTICIDADEEM COMPRESSÃO

GRC

Argamassa

ENSAIOS DE ROTURAÀ COMPRESSÃO

6

10

13

8

9

Nº

54.611.1572.9Cubos arg. spray-up

63.30.8764.8Cubos arg. premix

64.14.3571.2Cubos spray-up

32.62.9337.4Cilindrosspray-up

36.12.9140.9Cilindrospremix

fckDesvio padrão

fcmSérie

Resistência à compressão (MPa)

Instrumentação Argamassa simples

DETERMINAÇÃODE DIAGRAMAS σ-εEM COMPRESSÃO

GRC

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 10

Extensão (x1E-3)

Tens

ão (M

Pa)

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8 10

Extensão (x1E-3)Te

nsão

(MP

a)

ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À TRACÇÃO

EM PROVETES DE GRC

GRC simples

GRC com reforço mistoGRC com varão inox

GRC com fibra carbono

Equipamento de ensaio

Diagramas σ-ε de provetesde GRC simples

Diagramas σ-ε de provetesde GRC com reforço misto

DETERMINAÇÃO DE DIAGRAMAS σ-ε À TRACÇÃO

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Extensão global (x1E-3)

Tens

ão (M

Pa)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Extensão global (x1E-3)

Tens

ão (M

Pa)

Provetes sob carga constante Coeficientes de fluência

ENSAIOS DE FLUÊNCIA E RETRACÇÃO

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 30 60 90 120 150

Idade (dias)

(t)

G3G5G2

Medições de retracção Valores de retracção

0

200

400

600

800

1000

1200

0 30 60 90 120 150

Idade (dias)

Ext

ensã

o (x

1E-6

)

G1G4G6Q1Q2Q3G7

Ensaio com extensões positivas emprovete de GRC com fio de carbono.

Ensaio com extensões positivasem provete de GRC simples.

ENSAIOS CÍCLICOSEM PROVETES

Ensaio cíclico de compressãoem provete cilíndrico de GRC

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

0 2 4 6 8 10

Extensão global corrigida (x1E-3)

Tens

ão (M

Pa)

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

0 2 4 6 8

Extensão global (x1E-3)Te

nsão

(MPa

)

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

0 2 4 6 8

Extensão global (x1E-3)

Tens

ão (M

Pa)

PROPRIEDADES DE ALGUMAS FIBRAS

Fibra Diâmetro(μm) Densidade

Módulo de Elasticidade

(GPa)

Resistênciaà Tracção

(MPa)

Alongamentona Rotura

(%)

Vidro 9 - 20 2.60 70-80 2000 - 4000 2.0 - 3.5

Aço 5 - 500 7.84 200 500 - 2000 0.5 - 3.5

Crocidolite (asbestos) 0.02 - 0.4 3.40 196 3500 2.0 - 3.0

Crisótile(asbestos) 0.02 - 0.4 2.60 164 3100 2.0 - 3.0

PolipropilenoFibrilado 20 - 200 0.90 5 - 77 500 - 750 8.0

Aramídica 10 1.45 65 - 133 3600 2.1 - 4.0

Carbono 9 1.90 100-600 1000-7000 1.0

Nylon - 1.10 4 900 13.0 - 15.0

Celulósica - 1.20 10 300 - 500 -

Acrílica 18 1.18 14 - 20 400 - 1000 3.0

Polietileno - 0.95 0.3 0.7 10.0

Fibra de madeira - 1.50 71 900 -

Sisal 10 - 50 1.50 - 800 3.0

Matriz cimentícia(para comparação) - 2.50 10 - 45 3-4 0.02

PROPRIEDADES DO GRC

Propriedade GRC spray-up GRC premix

Densidade seca (kN/m3) 19-21 19-20

Resistência à compressão (MPa) 50-80 40-60

Módulo de elasticidade (GPa) 10-20 13-18

Resistência ao choque (Nmm/mm2) 10-25 8-14

Coeficiente de Poisson 0.24 0.24

Flexão:

LOP (MPa) 7-11 5-8

MOR (MPa) 21-31 10-14

Tracção directa:

BOP (MPa) 5-7 4-6

UTS (MPa) 8-11 4-7

Extensão de rotura (%) 0.6-1.2 0.1-0.2

Corte:

Tensão resistente no plano (MPa) 8-11 4-7

Tensão resistente interlaminar (MPa) 3-5 -

FABRICO DE TORRE DE TELECOMUNICAÇÕES EM GRC

5.5

70.0

50.0

( cm )

Anel deneoprene(3 mm)

Ligação entre troços

12m

12m

6m

12m

12m

6m

R

e

R

e

Secção transversal

Vista geral

Geometria da torre

Molde Posicionamento de elementos de reforço

Ancoragem de cabos de pré-esforço Base da torre

Fabrico das torres

Posicionamento da torre Torre em serviço

Montagem da torre

Armazenamento

ENSAIOS EXPERIMENTAISEM TORRES DE GRC

Determinação de coeficientes de forma

ENSAIOS EM TÚNEL DE VENTO

Ensaio de rotura de um troço superior de torre

ENSAIOS DE ROTURA

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800 1000

Deslocamento (mm)

Forç

a (k

N)

Ensaio de rotura de um troço intermédio da torre

0

10

20

30

40

0 200 400 600 800

Deslocamento (mm)

Forç

a (k

N)

ENSAIOS DE CARGA

Resultados de um ensaio de carga

0

50

100

150

200

250

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

v2 ((km/h)2)

Des

loca

men

to (m

m)

D 29 m D 17 m D 5 m

Medição de vibraçãoem regime livre

Registos obtidos

ENSAIOS DINÂMICOS

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)A

cele

raçã

o (m

/s2)

Direcção da excitação Direcção transversal

PRINCIPAIS CONCLUSÕES DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS

SOBRE TORRES DE GRC

• Ensaios de rotura

Identificação dos principais fenómenos envolvidos no comportamento em regime pós-elástico, permitindo a sua consideração nos respectivos modelos numéricos.

• Ensaios de carga

Adequação de modelos simples de comportamento elástico à verificação dos estados limites de utilização (deformação e vibração).

MODELAÇÃO NUMÉRICA

G

e

R

ε−3.5Ε−3 εt

Diagramas de extensão

X

Y -7000

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Momento flector (kN.m)

Esf

orço

nor

mal

(kN

)z=0.0m

z=3.0m

z=5.5m

z=6.7m

z=12.0m

z=17.5m

z=18.7m

z=24.0m

z=30.0m

Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa

Extensão

Tens

ão

σco

α σco

β σco

σto

εto 0.95εtu εtu

-0.010 εco0.5εco-0.005

-σco

1

Eco

σcd

Etf

1

r

Eco

1s1

s2

C

T

t

u

v

1

Edesc

1

Edesc

w

σc

εc

0.00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.5

0 10 20 30 40 50

Tempo (s)

Des

loca

met

o no

topo

(m)

MODELOS DE SECÇÃO

Diagramas de extensão no colapso

Diagramas de extensão na fendilhação

−3.5Ε−3 εt

G

e

R

ε

X

Y Diagramas de extensão

G

e

R

ε−3.5Ε−3 εt

Diagramas de extensão

X

Y

12m

12m

6m -7000

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Momento flector (kN.m)Es

forç

ono

rmal

(kN

)

z=0.0mz=3.0mz=5.5mz=6.7mz=12.0mz=17.5mz=18.7mz=24.0mz=30.0m

Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa

-7000

-6000

-5000

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Momento flector (kN.m)Es

forç

ono

rmal

(kN

)

z=0.0mz=3.0mz=5.5mz=6.7mz=12.0mz=17.5mz=18.7mz=24.0mz=30.0m

Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa

Diagrama M-1/R de uma secção da torre

Curvas de interacção M-N das secções da torre

0

20

40

60

80

100

120

140

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Curvatura (/m)

Mom

ento

flec

tor(

kN.m

)

40

60

80

100

0.000 0.001 0.002

0

20

40

60

80

100

120

140

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Curvatura (/m)

Mom

ento

flec

tor(

kN.m

)

40

60

80

100

0.000 0.001 0.002

12.9 (base)Erro –4%

12.8 (base)Erro –5%

13.5Frot(kN)

Troço superior

7.6Erro –5%

7.6Erro –5%

8.0Ffend(kN)2º ensaio

-14.5 (base)Erro –3%

15.0Frot(kN)

Troço superior

-7.7Erro –4%

8.0Ffend(kN)1º ensaio

Valor curvas M-θ

Valor curvas M-N

Valor experimental

Modelos de secçãoConfronto com resultados experimentais

Extensão

Ten

são

σc o

α σc o

β σc o

σt o

εt o 0.95εt u εt u

-0.010 εc o0.5εc o-0.005

-σc o

1

Eco

σc d

Etf

1

r

Eco

1s1

s2

C

T

t

u

v

1

Edesc

1

Edesc

w

σc

εc

Envolvente. Regras de carga, descarga e recarga.

MODELO DE COMPORTAMENTO CÍCLICO

0

4

8

12

16

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Deslocamento topo (m)

Forç

a to

po (k

N)

Experimental Numérico fct=2.0 MPa

Numérico fct=1.0 MPa Numérico fct=0.5 MPa

Simulação do comportamento até à rotura de um troço superior de torre de GRC.

Modelo de comportamento cíclico

Modelo de comportamento cíclico.Simulação do comportamento da torre sob acção do vento.

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50Tempo (s)

Vel

ocid

ade

(m/s

) Cota 6.0 m

Cota 12.0 m

Cota 18.0 m

Cota 24.0 m

Cota 30.0 m

Séries de velocidades do vento geradaspara os pontos de aplicação das forças.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 10 20 30 40 50Tempo (s)

Des

loca

met

o no

topo

(m)

Deslocamento do topo Reacção na base

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50Tempo (s)

Rea

cção

na

base

(kN

)

PRINCIPAIS CONCLUSÕESDA MODELAÇÃO NUMÉRICA

• Modelos de secção

Permitem a determinação de curvas M-N e M-θ

Adequados à verificação da segurança de secções.

• Modelo de comportamento cíclico

Permite a simulação do comportamento de elementos estruturais de GRC face a acções dinâmicas.

• Confronto com resultados experimentais

Os resultados numéricos apresentam boa concordânciacom os respectivos valores experimentais

OUTROS ELEMENTOSESTRUTURAIS EM GRC

Elemento de cobertura pré-esforçado

Secção transversal

Elemento de cobertura pré-esforçado

Elemento de cobertura em GRC simples

Elementos de pré-laje

Ponte pedonal – rampas de acesso

Registo dinâmico

Secção transversal

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 2 3 4 5 6 7

Tempo (s)

Des

loca

men

to (

mm

)

Perspectiva

Ensaios experimentais

Ponte pedonal – rampas de acesso

Ensaio de rotura – fendilhação

Solução de laje aligeirada

BetonagemColocação

Solução de laje aligeirada

Ensaio de flexão positiva Ensaio de flexão negativa

CONCLUSÕES GERAIS

• A utilização de GRC como material estrutural é viável, garantindo níveis de resistência e deformabilidadecompatíveis com as exigências de projecto dos elementos estruturais analisados.

• O GRC apresenta vantagens face aos materiais tradicionais alternativos, de que se destacam o reduzido peso próprio e a durabilidade.