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Suzel Aline Fortes Duarte

Comportamento sísmico de nós de pórticodebetão armado reforçados com laminadosdeCFRP inseridos no betão de recobrimento

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2013

Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia CivilPerfil de Estruturas e Geotecnia

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor José Sena Cruz

Suzel Aline Fortes Duarte

Comportamento sísmico de nós de pórticodebetão armado reforçados com laminadosdeCFRP inseridos no betão de recobrimento

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte

iii

AGRADECIMENTOS

A presente dissertação foi realizada no Departamento de Engenharia Civil (DEC) da

Universidade do Minho, e está integrada num projeto de investigação subordinada ao

tema “Estudo do comportamento de nós de pórticos de betão armado”, utilizando como

material de reforço os CFRP “(Carbon Fiber Reinforced Polymer)”.

Com a conclusão deste trabalho, gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos

a todos aqueles, que de forma direta ou indireta ajudaram ao longo desta dissertação.

Ao Professor José Sena Cruz, sob cuja orientação decorreu a realização da presente

dissertação, quero expressar o meu profundo agradecimento pelos seus ensinamentos e

orientação dispensada ao longo deste trabalho.

Aos meus colegas Luca Fasan e Fabio Li Prizzi, que também participaram no

desenvolvimento do trabalho, partilha de conhecimentos e disponibilidade.

Aos doutorandos Esmaeel Esmaeeli e Hadi Baghi pelo apoio que deram para a execução

do mesmo.

Ao Laboratório de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em

especial ao Sr. António Matos e ao Engenheiro Marco Jorge pela ajuda prestada na

realização deste trabalho.

Ao laboratório de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro onde decorreram os

ensaios, ao professor Humberto Varum e ao Engenheiro José Melo pela ajuda prestada

na realização dos ensaios.

O presente trabalho contou ainda com a colaboração das seguintes empresas: S&P

Clever Reinforcement Ibérica Lda., Hilty Portugal-Produtos e Serviços, Lda. E Sika

Portugal – Produtos Construção e indústria, S.A.

Ao meu companheiro José Carlos Oliveira, pelo apoio incondicional, ao incentivo, a

motivação e ao carinho prestado durante este trabalho.

À minha família que mesmo à distância sempre me apoiaram.


v

RESUMO

A necessidade de reforço das estruturas de edifícios de betão armado pode resultar de

acidentes, de causas naturais (e.g. sismos), de projeto e/ou construção deficientes,

alteração de critérios regulamentares ou falta de manutenção entre outras causas.

Neste contexto, no âmbito da presente Dissertação, pretende estudar-se a aplicação da

técnica de reforço designada NSM (“Near Surface Mouted”) a nós de pórtico de betão

armado representativos de edifícios do final da década de 70, quando submetidos a

ações cíclicas. Na técnica NSM os reforços em polímeros reforçados com fibras (FRP)

são inseridos em finos entalhes abertos no betão de recobrimento. Normalmente estes

reforços são fixos ao betão com recurso a adesivos de origem epoxídica.

Os edifícios de betão armado do final da década de 70 são caraterizados por

apresentarem betões de baixa resistência, armaduras lisas e ausência de critérios de

dimensionamento adequados à ação dos sismos.

Este trabalho é iniciado com uma revisão bibliográfica sobre o estado do conhecimento

atual no que diz respeito à utilização de materiais compósitos no reforço de estruturas de

betão armado, com particular destaque para as técnicas de reforço em nós de pórtico de

betão.

Segue-se a descrição da técnica de reforço a estudar, bem como a sua aplicação aos nós

de pórtico a estudar por via experimental. Os ensaios experimentais realizados tiveram

como objetivo fundamental validar a técnica de reforço proposta. Para tal foram

ensaiados com quatro nós de pórtico de betão armado, com distintas soluções de

reforço.

Estes quatro nós, foram posteriormente submetidos a ensaio cíclico. Os resultados

destes ensaios revelaram que a técnica proposta constitui uma solução promissora para o

reforço de nós de pórtico quando submetidos a ações desta natureza.


vii

ABSTRACT

The need for strengthening of reinforced concrete buildings can result in accidents,

natural causes (earthquakes), design and / or construction disabled, changing regulatory

criteria or lack of maintenance among other causes.

In this context, the scope of this dissertation aims to study the application of the NSM

strengthening technique called us gantry concrete buildings representative of the late

70s, when subjected to cyclic loads. In technical NSM reinforcements in fiber

reinforced polymers (FRP) are inserted into thin open slots in the concrete cover.

Usually these reinforcements are fixed to concrete using epoxy adhesives source.

The reinforced concrete buildings of the late 70s are characterized by presenting

concrete with low resistance, smooth and no armor design criteria appropriate to the

action of earthquakes.

This paper starts with a literature review on the state of current knowledge regarding the

use of composites in strengthening of concrete structures, with particular emphasis on

the techniques of reinforcement in concrete.

Below is the description of the reinforcement technique to study as well as its

application to the study we gantry via experimental. Experimental tests were performed

to validate the fundamental goal of strengthening technical proposal. To this end we

were tested with four gantry reinforced concrete reinforcement with different solutions.

These were later subjected to cyclic test. The results of these trials showed that the

proposed technique is a promising solution for the enhancement of us gantry when

subject to cyclic loads.


ix

PALAVRAS-CHAVE

Nós de pórtico

Betão Armado

Ligações Viga Pilar

Polímeros Reforçados com Fibras (FRP)

Técnica de reforço NSM (“Near Suurface Mounted”)

Ação Cíclica

KEY WORDS

Frame Joint

Concrete

Beam-column joints

Fiber reinforced polymer (FRP)

NSM Technique

Cyclic load


xi

ÍNDICE

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ....................................................................................... 1

1.1 Contextualização e motivação ................................................................................ 1

1.2. Objetivos ................................................................................................................ 3

1.3. Estrutura da Dissertação ........................................................................................ 4

2.1 Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas ......................................... 6

2.2 Técnicas de reforço de nós de pórtico................................................................... 12

2.2.1 Técnica de reparação com epóxi .................................................................... 13

2.2.2. Remoção e Substituição do betão.................................................................. 15

2.2.3- Encamisamento de secções com betão armado ............................................ 16

2.2.4- Encamisamento de secções com chapas de aço ............................................ 18

2.2.5. Encamisamento com blocos de alvenaria...................................................... 21

2.2.6. Compósitos poliméricos reforçados com fibras ............................................ 21

2.3 Materiais de matriz cimentícia “ECC” ................................................................. 26

2.3.1- Características de desempenho ..................................................................... 27

2.3.2 Propriedades Mecânicas dos ECC.................................................................. 29

CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA ............................................... 33

3.1 Conceção dos protótipos ....................................................................................... 34

3.2 Caraterização dos Materiais .................................................................................. 37

3.3 Configuração do Ensaio ........................................................................................ 38

3.4 Esquema de monitorização ................................................................................... 40

3.5 Pré-danificação dos protótipos .............................................................................. 41

3.6 Reparação e reforço dos protótipos ...................................................................... 44

3.6.1 Soluções de reforço pré-fabricadas ................................................................ 45

3.6.1.1 Solução de reforço 1- JPA-1 ....................................................................... 45

3.6.1.2 Solução de reforço 2 – JPC ......................................................................... 49

3.6.2 Soluções de reforço betonadas in situ ............................................................ 51

3.6.2.1 Solução de reforço 3 - JPA-3 ...................................................................... 51

3.6.2.2 Solução de reforço 4 – JPB ......................................................................... 52

3.7 Descrição e caraterização dos materiais utilizados na reparação/ reforço ............ 55

4.1- Força versus deslocamento .................................................................................. 57

4.2 Energia dissipada .................................................................................................. 60

4.3 Rigidez inicial e degradação de rigidez ................................................................ 62


xii

4.4 Degradação da Força ............................................................................................ 65

4.5 Modos de rotura .................................................................................................... 67

CAPÍTULO 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................ 71

5.1 Conclusões gerais ................................................................................................. 71

5.2 Propostas para Trabalhos Futuros ......................................................................... 72

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 74


xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(Juvantes 2011) . 8

Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008)..................................................... 9

Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008) ....................... 11

Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia

Civil (Sena Cruz 2011) ................................................................................................... 12

Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004) .............. 13

Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011) ........................... 15

Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes)............................... 17

Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes) ........................................................ 17

Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004) ......................................... 19

Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004) ........................................ 20

Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004) ........................................... 20

Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de

confinamentos (Sousa 2008) .......................................................................................... 22

Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011) .......................................................... 23

Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM

(Salvador 2008) .............................................................................................................. 26

Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004) ...... 28

Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009) ..................... 30

Figura 17- Curvas de elementos produzidos com betão com estribos a) sem estribos b)

com estribos (Garcez) ..................................................................................................... 30

Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos

(Garcez 2009) ................................................................................................................. 31

Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012) .............. 34

Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm).

(Fernandes 2012) ............................................................................................................ 35

Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes

2012) ............................................................................................................................... 36

Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes

2012) ............................................................................................................................... 36

Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012) ........................ 37


xiv

Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema

de ensaio. (Fernandes 2012) ........................................................................................... 39

Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012) ........................................................................ 39

Figura 26-Esquema de monitorização dos ensaios realizados (Fernandes 2012) .......... 41

Figura 27- Lei de deslocamentos laterais imposta no topo do pilar (Fernandes 2012) .. 42

Figura 28- Configuração do reforço aplicado a protótipo JPA-1 ................................... 45

Figura 29- Procedimentos de reforço com a técnica NSM no protótipo JPA-1 ............. 47

Figura 30- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nos painéis pré-fabricados .... 48

Figura 31-Preparação dos protótipos pré-fabricados ...................................................... 48

Figura 32- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPC ............................ 49

Figura 33- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPC ................... 50

Figura 34- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPA-3 ........................ 51

Figura 35- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPA-3 ............... 52

Figura 36-Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPB ............................. 53

Figura 37- Solução de ancoragem adotados nos laminados ........................................... 54

Figura 38- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nas faces laterais do protótipo

JPB .................................................................................................................................. 54

Figura 39- Relação Força versus deslocamento: (a) JPA-1, (b) JPA-3, (c) JPC, (d) JPB.

........................................................................................................................................ 59

Figura 40- Energia dissipada em função do número de ciclos para cada protótipo:

(a)JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB ............................................................................ 62

Figura 41- Degradação da rigidez: (a) JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB ................... 64

Figura 42- Degradação da força para os protótipos: (a) JPA-1; (b) JPC; (c) JPA-3; (d)

JPB .................................................................................................................................. 66

Figura 43- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-1-R; (b) JPC-R; .. 68

Figura 44- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-3-R; (b) JPB-R ... 70


xv

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1- Propriedades das Armaduras .......................................................................... 35

Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço .................................................................... 38

Tabela 3- Tabela Resumo dos resultados em termos de Força - Deslocamento dos

respetivos protótipos (Fernandes 2012) .......................................................................... 43

Tabela 4- Resultados obtidos em termos de relação força-deslocamento para os

protótipos ensaiados……………………………………………………………………59


xvi


xvii

Lista de símbolos

NSM – Near Suurfaces Mounted

FRP – Polímeros reforçados com fibras (fiber reinforced polymers)

CFRP – Polímeros reforçados com fibras de carbono (carbon fiber reinforced polymers)

ECC – Engineered cementitious composites

LVDT – transdutor de deslocamentos (linear voltage displacement transformer)

EC – Eurocódigo

ρl – armadura


1

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

1.1 Contextualização e motivação

Ao longo do século XX, o betão armado como material de construção, demonstrou as

suas variadas potencialidades. Consequentemente, observou-se uma utilização massiva

do mesmo. Porém, ao longo dos anos emergiram alguns problemas que vinham sendo

negligenciados. Isto porque, muitos dos edifícios dimensionados e construídos antes da

primeira metade do século XX, apresentavam deficientes características, principalmente

quando solicitados por ações cíclicas devido à utilização de betões de fraca resistência,

armaduras lisas, à fraca aderência das armaduras ao betão e à falta de disposições

construtivas especificas à ação do sismo. Consequentemente, muitos destes edifícios

apresentam elevada vulnerabilidade sísmica.

Uma das causas comum de dano e colapso de edifícios de betão armado desta época,

quando sujeitos à ação sísmica, é devido à ocorrência de mecanismos de

escorregamento das armaduras por consequência da degradação da aderência aço-betão,

conduzindo ao colapso parcial ou global da estrutura.

Em Portugal, a ocorrência de sismos pode dizer-se que não é, nem muito intensa nem

muito frequente. No entanto no passado já ocorreram diversos sismos com elevada

magnitude e intensidade com consequências catastróficas que abalaram o país. Dado o

risco de perdas humanas e de bens materiais devido aos sismos, torna-se necessário o

estudo do comportamento sísmico de modo a assegurar que, quer as novas construções,

quer as existentes apresentam comportamento adequado.

Em Portugal, no final da década de 70 já existiam algumas regulamentações específicas

para as construções de betão armado, destacando-se a publicação em 1961 do RSEP

(Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes) e a publicação do REBA em 1967

(Regulamento de Estruturas de Betão Armado). Anteriormente à publicação destas

regulamentações, os edifícios eram construídos sem se basear em critérios de análise e

caraterização da ação sísmica que permitissem o seu dimensionamento à mesma. Em

virtude dessa conceção estrutural resultou um grande número de edifícios com

deficientes capacidades de resistência, deformações elevadas e danos concentrados nos

nós quando submetidos ao sismo. Nesse contexto, torna-se necessária uma avaliação


2

estrutural da vulnerabilidade sísmica destes edifícios para uma intervenção a nível de

reforço e/ou reabilitação dos mesmos.

Para que estes edifícios possam vir a desempenhar novas funções com segurança, a

necessidade de reparação/reabilitação está diretamente relacionada com uma análise

técnica e económica para se definir o tipo de intervenção a adotar.

As razões que levam às intervenções de reforço num dado elemento estrutural podem

ser devidas: à alteração do tipo de utilização (ações superiores às dimensionadas em

projeto), deterioração dos materiais (o que resulta na diminuição das suas resistências),

à alteração das suas funcionalidades ou erros de projeto/construção (Sena Cruz 2008).

Os projetistas são confrontados, em algumas circunstâncias de intervenções de reforço,

por situações que, devido a condicionantes de projeto, os limitam a nível da solução

estrutural e dos materiais a escolher. Nesta perspetiva demonstra-se claramente a

necessidade de se desenvolver ferramentas no âmbito de avaliação, reabilitação e/ou

reforço dos edifícios existentes de modo a melhorar as suas respostas a nível sísmico.

Nos últimos anos houve um acréscimo significativo de estudo e investigação, tendo já

sido publicados vários estudos e documentos com o objetivo de conceder aos projetistas

informações necessárias para o correto dimensionamento de projetos de reforço

estrutural com materiais compósitos, para responder a tais necessidades (Barros 2007).

O incremento da necessidade de reabilitar e reforçar as estruturas de betão está também

relacionado com as desvantagens apresentadas pelas técnicas de reforço tradicionais

retraindo projetistas e, sobretudo, donos de obra, pelo impacto estético (entre outros)

que estas intervenções impõem.

O aparecimento dos compósitos FRP em projetos de reforço e a sua crescente utilização

deve-se às grandes vantagens deste material, que essencialmente se caraterizam por:

elevada rigidez e resistência à tração, baixo peso específico, elevado comportamento à

fadiga e elevada resistência à corrosão.

Os mesmos compósitos asseguram uma variada oferta a nível de dimensões, quase

ilimitadas em termos de comprimento e entre eles existem também alguns tipos que se

adaptam perfeitamente a superfícies curvas.


3

Outro fator caracterizador das vantagens de utilização dos compósitos FRP é a adequada

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

entre eles, o que permite a construção de estruturas mais leves, mais resistentes e com

maior durabilidade (Dias 2008).

Em termos mecânicos, as suas elevadas vantagens propiciam soluções de reforço que

conseguem garantir aumentos consideráveis na capacidade resistente dos elementos

estruturais, sem infligir alterações significativas na arquitetura da estrutura inicial e com

uso de pequenas quantidades de reforço.

1.2. Objetivos

Uma vez que estes edifícios da década de 70 foram construídos sem considerar a ação

sísmica, estes constituem um risco elevado para a população, tornando imprescindível

uma avaliação consistente das suas vulnerabilidades.

De acordo com a investigação experimental que tem vindo a ser desenvolvida e os

danos observados após os sismos ocorridos, ficou demonstrado que as deficiências na

pormenorização das armaduras dos nós e a inadequada ancoragem das armaduras levam

à rotura frágil das ligações viga-pilar, e consequentemente, de todo o edifício.

Dos vários estudos experimentais que têm investigado o comportamento cíclico da

ligação viga-pilar, poucos estão direcionados à análise do comportamento das ligações

com pormenorização de armaduras típicas da década de 70, deixando assim uma lacuna

nesta área.

De acordo com o exposto anteriormente, a presente dissertação tem como objetivo

desenvolver um trabalho experimental, de uma forma sustentada, que permitisse dar

resposta a esta questão.


4

Assim os principais objetivos definidos para a presente dissertação foram os seguintes:

. Efetuar uma compilação sobre o estado de conhecimento atual do comportamento

cíclico de ligações viga-pilar representativos de edifícios da década de 70, com

deficiente dimensionamento ao sismo, bem como de materiais e técnicas de reforço de

nós de pórtico;

. Realização de um programa experimental que permita validar a técnica de reforço

proposta, de forma que seja garantido o controlo da qualidade de aplicação do reforço

de CFRP (“ Polímeros reforçados com fibras de carbono”);

. Participar na implementação das técnicas de reforço impostas;

. Comparar a eficácia das duas técnicas principais de reforço propostas;

. Tratar e interpretar os resultados obtidos nos ensaios experimentais.

1.3. Estrutura da Dissertação

Incluindo a presente introdução, esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No

primeiro capítulo apresenta-se, de forma resumida, o enquadramento sobre a temática

desta dissertação, os objetivos e a estratégia adotada para alcançar os objetivos

propostos.

No Capítulo 2, descreve-se, de forma resumida, o resultado do trabalho de pesquisa

bibliográfica efetuado sobre a temática desta dissertação. Após o enquadramento da

utilização dos materiais compósitos de CFRP no reforço de estruturas de betão armado,

são apresentadas, de forma genérica, as técnicas de reforço que recorrem aos referidos

materiais, bem como as principais vantagens e desvantagens da técnica de reforço NSM,

utilizada no âmbito da presente dissertação. Tendo em consideração uma base de dados

referente a resultados de trabalhos de investigação experimental já realizados. Numa

fase seguinte é dado particular destaque aos novos materiais de matriz cimentícia

“ECC”, bem como o seu elevado desempenho como material de construção, e sua

potencial aplicação no âmbito da técnica de reforço em análise.


5

No Capítulo 3, são apresentadas as principais características dos materiais usados e as

soluções de reforço adotadas. Este capítulo descreve também a configuração do ensaio e

a instrumentação necessária para a realização dos mesmos.

No Capítulo 4, apresentam-se os resultados e respetiva análise dos ensaios

experimentais realizados, nomeadamente a relação força-deslocamento, a degradação da

rigidez, energia dissipada e os modos de rotura. Estes resultados são relativos aos

protótipos ensaiados antes e após a aplicação do reforço.

No Capítulo 5, apresentam-se as conclusões finais da dissertação e são avançadas

algumas sugestões visando desenvolvimentos futuros.


6

CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE

Este capítulo resulta da pesquisa bibliográfica realizada no âmbito desta dissertação.

Inicialmente é feito o enquadramento da utilização dos materiais compósitos em CFRP

no reforço de estruturas de betão armado. Posteriormente, são apresentadas as técnicas

de reforço para nós de pórtico de betão armado, com particular relevo para a técnica da

inserção de compósitos no betão de recobrimento (NSM). São realizadas algumas

considerações relativamente a alguns aspetos tecnológicos da aplicação dos reforços de

CFRP e ao desempenho estrutural dos elementos reforçados. Uma segunda fase deste

capítulo será dedicada aos novos materiais de matriz cimentícia e ao seu elevado

desempenho na Engenharia.

2.1 Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas

As estruturas de betão armado são projetadas de acordo com exigências e

recomendações, pelo qual devem obedecer requisitos de segurança, funcionalidade e

durabilidade ao longo do seu período de vida útil. No entanto, são observadas

regularmente situações em que as condições de segurança não são atendidas

satisfatoriamente. O cenário descrito deve-se às seguintes causas: alteração do tipo de

utilização num determinado edifício (alteração das cargas a atuar na estrutura);

deterioração dos materiais derivados da diminuição da sua resistência ao longo dos anos

de vida útil; erros de projeto ou de construção; problemas a nível de conceção estrutural,

nomeadamente alteração dos códigos; ocorrência de catástrofes naturais ou vandalismo.

Os problemas anteriormente mencionados podem ser resolvidos com determinados tipos

de intervenção, tais como: demolição do edifício; reforço ao nível dos elementos

estruturais ou alteração dos elementos estruturais. Nestes casos, o tipo de intervenção a

implementar depende de uma avaliação de acordo com as condições de segurança e

económicas da referida situação. De acordo com estudos, tem-se constatado que o

reforço/reabilitação das estruturas tem sido a opção mais utilizada, com enorme

relevância na área da construção civil. Tendo em conta o tipo de solicitação do elemento

estrutural, poderá corresponder a diferentes tipos de sistemas de reforço, como também

ao aumento da resistência à flexão, ao corte, e ainda a necessidade de aumentar o

confinamento do betão (Dias 2008).


7

As técnicas de reforço que foram mais utlizadas em elementos estruturais nos últimos

anos são: colagem exterior de chapas metálicas, o encamisamento das secções e a

aplicação de pré-esforço exterior. A técnica de colagem externa de chapas metálicas

com epóxi tem sido a mais utilizada. Trata-se de uma técnica com algumas vantagens,

tais como: facilidade de execução e ao amplo conhecimento do comportamento do

material, mas também apresenta alguns inconvenientes que possam comprometer a sua

utilização, nomeadamente degradação do material na zona da ligação betão/aço devido à

corrosão do aço, dificuldade de circulação em obra, devido ao seu elevado peso próprio,

limitação a nível de dimensões das chapas e em superfícies curvas.

Outra técnica bastante eficiente no que se diz respeito ao aumento da ductilidade,

resistência e rigidez é a do encamisamento das secções. Porém tem consequências que

possam repercutir no peso próprio da estrutura, devido ao aumento considerável das

suas secções transversais e das cargas a atuar no mesmo. Também pode influenciar o

espaço em obra na zona da operação do reforço.

Para além destas duas técnicas, a técnica de aplicação de pré-esforço exterior foi muito

utilizada no passado. Embora seja uma técnica que permite o controlo simultâneo da

deformação e da capacidade de carga da estrutura, implica a necessidade,

imprescindível, de proteção à corrosão das armaduras de pré-esforço. Os aspetos mais

negativos desta técnica são a exposição exterior ao fogo, ao vandalismo, necessidade de

adoção de sistemas de ancoragem e ao eventual acréscimo de esforços nas zonas não

reforçadas.

Visto que a necessidade de reabilitar, reparar e reforçar as estruturas tem vindo a

aumentar consideravelmente, e dado ao excelente comportamento do material em

diversas industrias, a engenharia civil, tem vindo a despertar cada vez mais o interesse

nos materiais compósitos reforçados com fibras (FRP), devido aos seus benefícios

quando empregue no reforço de estruturas, dos quais podemos citar elevada resistência

mecânica, durabilidade, capacidade de absorver e dissipar energia, resistência ao fogo.

Os materiais compósitos de FRP (Figura 2) são constituídos essencialmente por fibras

embebidas numa matriz polimérica. As fibras são o agente estrutural dos materiais

compósitos de FRP e a matriz a segunda componente. As fibras são dispostas em forma

de filamentos de pequeno diâmetro, apresentando elevado modo de elasticidade e

resistência à tração, uma baixa densidade e um comportamento frágil. Podem ser


8

apresentadas numa direção (compósitos de FRP unidirecionais – sendo que a orientação

unidirecional lhes confere a maximização da resistência e da rigidez na direção

longitudinal) ou em várias direções (compósitos de FRP multidirecionais) (Juvantes

2011).

De facto, constituem boas alternativas às técnicas de reforço tradicionais. Estes sistemas

de reforço são constituídos por três principais componentes: o compósito FRP, o

adesivo responsável pela ligação entre o material e o FRP e a resina de preparação da

camada a reforçar.

De acordo com o agrupamento dos materiais constituintes, a comercialização dos

sistemas de FRP é feita por dois grupos, os sistemas Pré-fabricados e os sistemas

curados in situ (Figura 1).

Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(Juvantes 2011)

Os compósitos de FRP´s que constituem os sistemas Pré-fabricados são resultantes da

consolidação de um processo de pultrusão que integra um conjunto de feixes de fibra

contínuas e unidirecionais repletas de uma resina termoendurecível, em que são

controladas a espessura e a largura em fábrica. Trata-se do produto final a aplicar em

obra, sem necessidade de polimerização para a sua aplicação. A forma comercial mais


9

utilizada é o laminado que se apresenta normalmente com a espessura de 1.2 a 1.4 mm e

largura variável.

De acordo com os fabricantes as características mecânicas dos laminados são obtidas

por ensaios e planos que respeitam regras de controlo de qualidade. O adesivo que é

adicionado ao sistema para estabelecer a colagem do material ao laminado, é

normalmente um material do tipo epóxido.

Os sistemas curados in situ são normalmente apresentados com a designação de Mantas

ou Tecidos, que são feixes de fibras contínuas em forma de fios em estado seco ou pré-

impregnado.

As Mantas apresentam-se em folhas com espessuras entre 0.1 a 0.2 mm e larguras entre

25 a 30 cm e são constituídas por fibras unidirecionais.

Os Tecidos são bi ou multidirecionalmente, apresentadas como fibras entrelaçadas com

larguras de aproximadamente 60 cm. A percentagem das fibras é apresentada em peso

do produto por (g/ ).

A resina de saturação que constitui o sistema tem o objetivo de estabelecer a ligação

entre o material a colar e o FRP. Visto que, com a mistura da fibra e a resina só se

obtém o FRP após a execução do reforço in situ, ou seja após a polimerização da resina.

Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008)

Relativamente aos materiais tradicionalmente utilizados na construção, nomeadamente

o aço, o betão e a madeira, os compósitos de CFRP apresentam inúmeras vantagens, das

quais se podem realçar, elevados valores das relações resistência à tração/peso e

rigidez/peso e pela elevada resistência à corrosão. Também tendo em conta o elevado

desempenho e o reduzido peso especifico que apresentam de acordo com as


10

características mecânicas, pode-se obter soluções de reforço leves e vantagens

associados aos aspetos como: facilidade de manuseamento em obra, facilidade de

transporte, aumento pouco significativo das cargas na estrutura inicial e a arquitetura

inicial é minimamente alterada. Dado às elevadas características mecânicas e a elevada

resistência à corrosão, os CFRP podem ser utilizadas em diferentes campos de aplicação

nomeadamente nas zonas costeiras. Acresce que este tipo de material apresenta

características muito importantes como a versatilidade em dimensões e a adaptabilidade

a qualquer tipo de superfície, o que não acontece com as chapas metálicas. Também ao

contrário das chapas metálicas, este material apresenta-se em termos de comprimento,

com dimensões quase ilimitadas, pelo que não é necessário executar emendas no

reforço.

O tipo de reforço pode ser aplicado, dispondo a direção das fibras o mais próximo

possível da direção das tensões principais de tração, de forma a otimizar o seu

desempenho.

Os materiais compósitos de CFRP apresentam vantagens face aos materiais tradicionais

de acordo com o desempenho mecânico e durabilidade, mas quanto ao comportamento à

ação do fogo, quando exposto às altas temperaturas deve-se ter especial atenção, devido

à presença das resinas e adesivos. Como a temperatura de transição vítrea da cola é

aproximadamente de 50 a 60ºC, quando diretamente exposto à ação de temperaturas

elevadas, nomeadamente do fogo, poderá resultar na sua degradação e

consequentemente a diminuição das características mecânicas do CFRP.

Quando avaliado individualmente, o elevado custo dos materiais compósitos de CFRP,

pode ser considerado um obstáculo à sua utilização, mas no âmbito da

instalação/reforço apresenta-se entre as outras técnicas de reforço, como uma das mais

competitivas. Graças ao diminuto peso específico dos CFRP pode-se obter facilidade de

transporte e da operação de reforço.

Pode-se dizer que é uma técnica simples e rápida de executar, mesmo quando se trata de

zonas de difícil acesso ou zonas em que podem não ser asseguradas condições de

segurança (zonas em que o transito possa ser interrompido, conforme representada na

Figura 3).


11

Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008)

Além disso, algumas tarefas para a execução do reforço de CFRP podem ser realizadas

fora do local da obra, em que não exige elementos de suporte, o que poderá reduzir o

tempo de execução do reforço in situ.

Quanto aos custos, se incluirmos os custos de manutenção durante a vida útil da

estrutura reforçada, a técnica dos materiais compósitos de CFRP pode ter uma

significativa vantagem em relação às outras técnicas.

Para além dos aspetos económicos, o sucesso desta técnica de reforço deve-se às

propriedades dos materiais, a simplicidade e a rapidez de execução do reforço, custos de

manutenção após reforço e ao facto de não alterar com significância a geometria inicial

da estrutura.

Face ao que foi anteriormente mencionado, atualmente a técnica de reforço com CFRP é

considerada igualmente ou mais eficaz que as técnicas de reforço tradicionais. O que

explica a sua crescente utilização nas obras de reforço de estruturas (ver Figura 4).


12

Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia Civil (Sena Cruz 2011)

2.2 Técnicas de reforço de nós de pórtico

Existem duas grandes possibilidades de intervenções relativamente às operações de

reparação/reforço de estruturas: a primeira são intervenções ao nível global da estrutura,

que envolvam um aumento significativo da capacidade resistente; e um segundo tipo

mais direcionado para intervenções particulares na estrutura, que privilegiam um

pequeno aumento de resistência, proporcionando o aumento da ductilidade. Este tipo de

reforço incide numa zona particular da estrutura, normalmente incide nas zonas das

rótulas plásticas.

O desempenho das ligações viga-pilar tem vindo a ser reconhecido como uma das

causas significativas que afetam o comportamento geral das estruturas de betão armado

submetido a grandes cargas laterais (Figura 5). Uma vez que os reforços sísmicos nestes

tipos de ligações, mais utilizados não asseguram mecanismos de rotura dúctil

desejáveis, a necessidade de reforçar na zona dos nós de pórtico de betão armado poderá

ser considerada pela necessidade de aumentar a ductilidade, a resistência na zona do nó

(viga e pilar) e por consequência assegurar mecanismos de rotura dúctil (Engindeniz

2004).


13

Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004)

Existem algumas técnicas de reforço com o fim de solucionar os problemas atrás

mencionados e que podem ser agrupadas da seguinte forma: reparação com epóxi

(injeção de resinas epoxídicas nas fendas de elementos pouco degradados), remoção e

substituição do betão em zonas mais degradadas, encamisamento de secções com betão

armado, blocos de alvenaria ou com placas de aço, e ainda reforço com recurso a

materiais compósitos.

2.2.1 Técnica de reparação com epóxi

Estruturas de betão armado têm vindo a ser reparadas usando esta técnica de injeção de

epóxi sob pressão com auxílio de um compressor, com o objetivo de garantir o perfeito

enchimento das fissuras. Mais recentemente, foi proposta uma nova técnica de

reparação de epóxi com impregnação a vácuo, em que a zona a injetar é sujeita a vácuo

e o material é colocado posteriormente sob pressão (Costa 2011).


14

Estas duas técnicas de reforço são dimensionadas de acordo com as características

geométricas da estrutura e com o desempenho desejado, devendo-se levar em conta as

propriedades e características dos materiais que o compõem, a interação destes

materiais, as condições de execução do reforço e profundidade das fendas.

French et al.(1990) estudaram a eficácia de ambas as técnicas de reparação com epóxi,

para reparar duas juntas interiores moderadamente danificadas, devido a ancoragem

inadequada das vigas contínuas. Por impregnação a vácuo os pontos de entrada do epóxi

foram localizadas na parte inferior de cada viga e na zona a reparar na base do pilar. O

vácuo foi aplicado por meio de três tubos ligados na parte superior da zona do pilar a

reparar. Ambas as técnicas de reparação foram bem-sucedidas, ao restaurar mais de 85

por cento da rigidez, resistência e características de dissipação de energia dos provetes

originais. A principal conclusão demonstra que a impregnação de vácuo apresenta um

meio eficaz de reparação de grandes zonas de danos, e em zonas de acessibilidade

reduzida.

Corazao e Durrani (1989) testaram uma ligação viga-pilar-laje reparada através de

injeção de epóxi, com um grande número de fendas de largura inferior a 3,2 mm. Após

a reparação, os padrões de fissuração observados foram semelhantes, exceto que antes

da reparação, as fissuras na zona de ligação viga-pilar foram de maiores dimensões. Isto

devido ao aumento do deslizamento dos varões longitudinais no interior do nó, que

também resultaram na diminuição da rigidez. A força máxima e a capacidade de

dissipação de energia foram relativamente restauradas. Assim concluíram que a injeção

de epóxi é adequada para a reparação de vigas e lajes, mas alertaram que a injeção em

nós de vigas e pilares pode ser muito difícil e a sua eficácia depende muito da qualidade

do trabalho.

De acordo Engindeniz et el. e de estudos que fizeram, chegaram à conclusão que a

reparação por injeção de epóxi em ligações ditou que o processo de reparação é

particularmente eficaz em melhorar a resistência, a rigidez e a capacidade de dissipação

de energia do provete.


15

2.2.2. Remoção e Substituição do betão

A técnica de remoção parcial ou total para a substituição de betão (ver Figura 6) é

utilizada para nós fortemente danificadas. Antes da remoção do betão danificado, a

estrutura deve ser temporariamente suportada para assegurar a estabilidade.

Dependendo da quantidade de betão removido e das condições que se encontram as

armaduras, pode ser adicionada ou substituída a armadura longitudinal. Geralmente é

utilizado para substituição um betão de alta resistência e de baixa retração. Deve-se ter

especial atenção, de forma a garantir uma boa ligação entre o novo betão e o existente.

Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011)

Corazao e Durrani (1989) estudaram uma ligação de viga-pilar, removendo e

substituindo o betão no interior da ligação e as porções adjacentes das vigas e pilares. O

provete recuperou completamente a sua resistência e rigidez, mas não a capacidade de

dissipação de energia, o que foi atribuído devido à taxa reduzida do dano, face ao betão

de alta resistência utilizado nos reparos. Os investigadores afirmaram que, quando o

escoramento for assegurado, esta técnica é adequada para a reparação de danos

localizados nos nós, quando submetidos à flexão nas vigas, mas substituir o betão nos

nós pode não ser muito prático numa construção.

De acordo com um programa experimental realizado por Karayannis et al. (1998)

também incluiu seis protótipos de nós exteriores que apresentaram algumas fissuras

concentradas nas ligações viga/pilar e uma perda de quantidade considerável de betão


16

nesta zona. Este tipo de fissuras pode ser atribuído ao fato de 2 dos nós não

apresentarem quaisquer estribos e apresentarem uma resistência à flexão muito baixa.

Primeiro os nós foram reparados com um betão de alta resistência nas zonas com falta

de betão. E, de seguida, com uma injeção de epóxi nas fendas adjacentes. A reparação

não alterou o modo de rotura dos protótipos com ou sem estribos, apesar de um

aumento de 39 a 71% na carga de pico,15 a 39% em rigidez, e 19 a 34% da capacidade

de dissipação de energia. Os dois protótipos com estribos, no entanto, melhoraram

consideravelmente após a reparação e aumentou a carga de pico, a energia dissipada

aumentou em 42% a rigidez.

Por sua vez, Tsonos (1999) reforçou duas ligações viga-pilar exteriores e idênticas

através da remoção do betão em toda a região do nó e da parte das extremidades do

pilar, substituindo-o por uma argamassa de alta resistência. A reparação resultou em

aumentos significativos em resistência, rigidez e capacidade de dissipação de energia,

especialmente no final dos testes. Após a reparação, os provetes exibiram o mesmo

modo de rotura que as mesmas sem reparar. Assim, concluiu que o requisito de

armadura transversal conjunta pode não ser necessária quando a argamassa usada para a

reparação de articulações muito danificados for de alta resistência.

Os resultados da experiência acima mencionados mostram que esta técnica pode ser

utilizada para reparação, por si só, para substituição do betão por outro de alta

resistência.

2.2.3- Encamisamento de secções com betão armado

A técnica de reforço de um elemento estrutural por encamisamento consiste no aumento

da secção transversal pela adição de uma armadura suplementar e de uma camada de

betão que envolve a secção inicial e na qual ficam inseridas as novas armaduras. Esta

técnica de reforço por encamisamento pode ser aplicada em vigas ou pilares. Pode ser

aplicado nas vigas e poderá ser efetuado o reforço apenas para a flexão - Figura7 a) - ou

à flexão e ao esforço transverso - Figura7 b).


17

Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes)

No caso dos pilares (ver Figura 8), pode ser aplicado o reforço ao esforço transverso

e/ou à flexão, e também é possível acrescentar a resistência à compressão e a

ductilidade pela adição da nova armadura devido ao efeito de confinamento.

Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes)

Corazao e Durrani (1989) estudaram três ligações viga-pilar (dois exteriores e um

interior), por encamisamento do pilar e na região do nó. De acordo com as dificuldades

sentidas in situ na região do nó devido aos problemas de flexão, o reforço adicional do

nó foi modificado para um conjunto de buchas e um gancho. O encamisamento da

secção com betão, por si só não era adequado para restaurar o desempenho dos pilares

sem abordar o problema de transferência de carga entre vigas e pilares. A rigidez e

capacidade de dissipação de energia nos três nós viga-pilar foram aumentados e o dano

foi recuperado com sucesso.


18

Testes realizados por Alcocer e Jirsa (1993) em quatro nós de viga- pilar- laje

submetidos à uma carga bidirecional, foi necessário fazer furos nas vigas para soldar e

colocar cantoneiras de aço destinadas a resistir à expansão lateral das barras da

articulação e de garantir confinamento conjunto da estrutura. Sendo que a zona

reforçada era a zona com maiores danos, com os resultados garantiram com sucesso um

maior confinamento.

Tsonos (1999) estudou a utilização de um revestimento de argamassa de cimento para a

reparação e reforço em ligações externas, o qual reforçou a região do nó e o pilar.

Também adicionou cantoneiras de aço espaçadas aos pilares. A relação entre a

resistência a flexão e ao corte, bem como o reforço transversal do conjunto foram

testados, observaram que a rotura por corte no nó não ocorreu após o reforço, houve um

aumento significativo de dissipação de energia.

2.2.4- Encamisamento de secções com chapas de aço

Esta técnica de encamisamento é mais vocacionada para intervenções pontuais ou

localizadas, que em processos de reforço ou reabilitação estrutural pode privilegiar o

aumento da ductilidade, como também proporcionar um pequeno aumento da

resistência. O aumento do confinamento conseguido na zona de formação das rótulas

plásticas é conseguido pela melhoria da ductilidade proporcionada pelo encamisamento

localizado. Sendo que o tipo de material utilizado no encamisamento influencia

fortemente a rigidez do pilar reparado/reforçado.

A técnica de encamisamento de secções utilizando chapas metálicas (“Steel Jacketing”

na nomenclatura inglesa) é aplicada normalmente para reforço de pilares (Figura 9) e

consiste no envolvimento da secção deste por chapas metálicas. Este tipo de reforço

poderá ser aplicado a nível global ou local da estrutura. A nível local pode ser aplicada

nas zonas de secções críticas (nós de pórtico, zonas de emenda de varões).


19

Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004)

A introdução de chapas de aço nas faces dos pilares pode garantir um aumento da

resistência à flexão e do esforço transverso pela inserção da armadura adicional, e

garantir um aumento da rigidez e da ductilidade do elemento reforçado, o que também

poderá favorecer um aumento da resistência à compressão do betão por confinamento

das chapas. Isto se admitirmos uma perfeita ligação entre o material de reforço e a

secção existente. Pois a eficácia desta técnica depende essencialmente da perfeita

ligação entre os dois materiais e também da correta ligação entre as fronteiras das

chapas de reforço.

Quando temos um tipo de reforço local, a ligação entre as chapas metálicas de reforço e

o betão existente é conseguido através da colagem destas à superfície do betão com uma

resina epóxida ou de uma argamassa também epóxida.

Quando se trata de reforços do tipo global a ligação entre os materiais é garantida a

partir de uma injeção de uma calda cimentícia não retráctil ou de uma resina epóxida

líquida no espaço entre a superfície de betão e as chapas de reforço.

Migliacci et al. (1983) estudaram quatro protótipos de ligações viga-pilar exteriores

reforçados com chapas de aço coladas com epóxi às vigas e aos pilares, e tiras de aço

que foram soldadas nos vértices. Duas das amostras foram pré-esforçadas com cintas de

aço. A capacidade de dissipação de energia das amostras sem pré-esforço foi restaurada,

enquanto nas amostras que foram pré-esforçadas a capacidade de dissipação de energia

teve um acréscimo de cerca de 35%.

Corazao e Durrani (1989) reforçaram um nó exterior e um nó interior de uma ligação

viga-pilar-laje, com parafusos e placas de aço ligadas por epóxi em cada pilar e

cantoneiras soldadas e aparafusadas, enquanto na zona das juntas utilizaram uma

argamassa (como mostra a figura 10).


20

Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004)

As placas de aço coladas em cada face das colunas superior e inferior foram

aparafusadas ao betão perto dos ângulos da junta. No caso da junta interior, uma placa

foi também ligada e aparafusada à parte inferior da junta alargada. Para ambas as

amostras não houve evidência de danos nos pilares. Na articulação exterior a resistência,

a rigidez inicial, e dissipação de energia da junta exterior foram aumentadas em cerca

18, 12 e 2%, respetivamente. Os aumentos correspondentes para a articulação interior

foram 21, 34, e 13%, respetivamente.

Beres et al. (1999) consideraram duas diferentes configurações de placa externas

ancoradas e às vigas para uma das suas articulações internas, como apresenta a Figura

11.

Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004)


21

Para evitar o arrancamento dos varões, o nó foi reforçado por meio de parafusos ligados

a duas placas de aço. Verificou-se um aumento de 20% da força de pico, 10 a 20% de

aumento na rigidez, e não houve alteração significativa na dissipação de energia. O

objetivo de aumentar a resistência à flexão e o confinamento foram ambos conseguidos

com sucesso.

2.2.5. Encamisamento com blocos de alvenaria

Tendo em conta estudos realizados por Bracci et al. (1995) que analisaram o reforço de

ligações, utilizando blocos de alvenaria em pilares de betão armado, foi construída uma

faixa em torno dos nós e os espaços existentes entre eles foram rebocados. A capacidade

de corte foi aumentada, devido a um reforço de armadura longitudinal que foi

acrescentado ao longo dos nós. Num segundo método, a alvenaria foi reforçada

verticalmente com armadura pós-tensionada. As ligações viga-pilar foram reforçadas ao

corte por envolvimento com aros retangulares passando por furos nas vigas. Foi feita

uma análise dinâmica não-linear e os resultados demonstraram que o comportamento

viga forte e pilar fraco foi melhorado e foi alcançado um adequado controlo das

fissuras.

Embora, apresente as mesmas limitações que a técnica de encamisamento com betão

armado devido aos enchimentos de alvenaria parciais, tem uma desvantagem funcional

adicionado ao aumento da perda de espaço interno entre os vãos.

2.2.6. Compósitos poliméricos reforçados com fibras

A partir de 1998, a pesquisa sobre o reforço de juntas viga-pilar com a utilização de

polímeros (FRP) compósitos reforçados por fibras tem vindo a aumentar

exponencialmente.

Os estudos desenvolvidos sobre esta técnica têm demostrado a efetividade deste tipo de

reforço e algumas consequências óbvias, tais como: melhoria da ductilidade, o aumento

da resistência à compressão do elemento reforçado e a proteção das armaduras do pilar

contra a corrosão e contra agentes ambientais agressivos.

O confinamento externo contínuo garantido pelo betão e proporcionado pelo colete de

FRP pode relacionar-se com o aumento de resistência à compressão e deformação na

rotura.


22

Na figura seguinte pode-se observar os diagramas de tensão-deformação do betão

quando submetidos a diversos tipos de confinamento, chegando a conclusão que a

ductilidade do elemento é proporcionada pela presença do confinamento com o FRP.

Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de confinamentos (Sousa 2008)

As técnicas mais utilizadas para aplicação de FRP´s são, em geral, baseadas na

utilização de laminados unidirecionais através da (i) aplicação de mantas (sistemas

curados in situ) ou laminados (sistemas pré-fabricados) colados externamente sobre a

superfície do elemento estrutural a reforçar (EBR – “Externally Bonded Reinforcement”

na literatura inglesa); (ii) inserção de laminados (ou varões) em ranhuras abertas no

betão de recobrimento (NSM – “ Near-Surface Mounted”, na literatura técnica inglesa).

A ligação entre os FRP’s e o betão é normalmente garantida por colas, nomeadamente

adesivos epóxi.

No entanto, também são apontados alguns inconvenientes para as duas técnicas

referidas, nomeadamente o elevado custo inicial do sistema de reforço, o facto destes

sistemas de reforço não permitirem a exploração adequada das potencialidades dos

FRP´S à tração (no momento de rotura do elemento reforçado a máxima tensão

instalada no FRP é muito inferior à sua resistência à tração) e a averiguação dos modos

de rotura frágeis antes da formação de rótulas plásticas nos elementos do nó. Também

propicia a concentração de tensões na zona de intervenção e são necessários diferentes

trabalhos de preparação e morosos que podem pôr em causa a competitividade destas

técnicas.


23

Em geral os modos de rotura apresentados pelas duas técnicas acima mencionadas são o

descolamento do FRP quando usada a técnica EBR e destacamento da camada de betão

de recobrimento quando aplicada a técnica NSM.

Tendo em conta os inconvenientes apresentados acima e na tentativa de combater a

rotura precoce do reforço com FRP’s, têm sido feitos alguns estudos e adicionados

alguns complementos, por exemplo a aplicação de sistemas de ancoragem compostos

por chapas de aço aparafusadas nas extremidades do reforço, ou o uso de cintas em

manta de FRP.

Foi desenvolvida uma técnica alternativa à técnica de reforço EBR (ver Figura 13), que

tem como objetivo a utilização de laminados de FRP apenas ancorados ao betão através

de ancoragens mecânicas (MF-FRP - Mechanically Fastened, na literatura técnica

inglesa).

Esta técnica é utilizada no reforço à flexão de elementos de betão armado e foram

evidenciadas melhorias na capacidade resistente à flexão e pouca ou nenhuma perda de

ductilidade.

Também foi proposta recentemente outra técnica de reforço designada MF-EBR

(Mechanically Fastened and Externally Bonded Reinforcement) que utiliza laminados

multidirecionais de CFRP (MDL-CFRP). Os laminados são colados e fixados

mecanicamente através de ancoragens.

Esta técnica tem como objetivo explorar o descolamento prematuro apresentado na

técnica EBR e as falhas locais observadas na técnica MF-FRP.

Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011)


24

Tendo em conta a técnica de reforço NSM proposta no âmbito da presente dissertação

para nós de pórtico de betão armado, o correto funcionamento deste tipo de reforço

depende não só do controlo de qualidade como também dos procedimentos de reforço e

dos materiais aplicados. Para tal, para que se consiga um rigoroso controlo da qualidade

de aplicação da técnica existe um conjunto de procedimentos que o técnico deve

conhecer para garantir as boas práticas de execução desta técnica de reforço. Os

referidos procedimentos são os seguintes (de acordo com a Figura14):

• Após a marcação da posição exata dos entalhes nas faces dos elementos a reforçar,

recorre-se a uma máquina de corte com disco diamantado e que contém um dispositivo

de controlo do alinhamento e da profundidade do entalhe. É essencial garantir que não

se provoquem danos nas armaduras existentes (longitudinais e transversais) que

eventualmente possam ser atravessadas pelo entalhe no momento em que se está a

proceder à abertura dos entalhes.

Portanto, para garantir que tais situações não ocorram em obra, é essencial que nos

desenhos de execução do reforço de CFRP, segundo a técnica NSM, apareça de uma

forma clara, quer a altura que o entalhe deve ter como a localização das armaduras

existentes, e que no momento da execução dos entalhes se tenha em atenção eventuais

desvios entre o que está no projeto de estabilidade (betão armado) e o que foi executado

em obra. Tudo isto justifica uma verificação minuciosa in situ, previamente à

elaboração do projeto do reforço de CFRP, da localização das armaduras e da espessura

do betão de recobrimento.

• De forma a proporcionar a melhor aderência possível na ligação betão-adesivo, deve-

se garantir que a superfície de betão a reforçar esteja seca, isenta de gorduras e que não

apresente partículas soltas. Assim, deve-se verificar antes da aplicação do reforço, se o

betão se encontra seco e proceder à limpeza dos entalhes com a aplicação de ar

comprimido;

• Os laminados de CFRP, fornecidos em rolo, já com a secção transversal definitiva, são

cortados transversalmente ao eixo das fibras de acordo com o comprimento desejado.

Posteriormente, de forma a proporcionar as melhores condições de aderência, entre o

adesivo e o CFRP, devem ser removidas as sujidades que eventualmente os laminados

contenham (gorduras, pó, etc.) por intermédio da limpeza com acetona. Também deve-


25

se ter em conta um aspeto muito importante relativamente aos laminados, que se trata da

necessidade de realização de ensaios previamente à aplicação do reforço, de forma a

garantir que satisfazem os valores das propriedades do material considerado na fase de

projeto.

• Deve-se começar por colocar o número exato de laminados a aplicar, junto do

elemento estrutural a reforçar, para que o técnico não se esqueça de inserir um

determinado CFRP, o adesivo epoxídico deve ser produzido de acordo com as

recomendações estabelecidas pelo fabricante. A dosagem é composta por dois

componentes (componente A- a resina e componente B- o endurecedor), deve-se

respeitar o tempo e o modo de utilização do adesivo (“potlife”).

• O adesivo deve ser preenchido nas ranhuras;

• O adesivo também deve ser aplicado nas faces dos laminados;

• Após a introdução dos laminados nas ranhuras, deve ser retirado o adesivo em

excesso. Nesta etapa deve-se ter especial atenção à presença de espaços vazios que

possam criar bolhas de ar e pôr em causa a eficiência da ligação betão-adesivo-CFRP.


26

Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM (Salvador 2008)

2.3 Materiais de matriz cimentícia “ECC”

No contexto das estruturas o betão como material estrutural de construção apresenta

vantagens de fabricação e aplicação, contudo é considerado um material frágil, com

pouca resistência a deformações e reduzida capacidade de suporte de cargas de tração.

Nas últimas décadas tem-se verificado inovações a nível da sua tecnologia de produção.

Isso advém da necessidade de atender às novas exigências e de se conseguir um betão

com características adequadas de eficiência e durabilidade (Barros 2011).

Com os avanços que têm havido na engenharia estrutural, conseguiu-se estabelecer o

conceito de betão reforçado com fibras que consiste num betão que incorpora fibras de

reduzidas dimensões.

Esta ligação conseguida a nível dessas escalas de comprimento preconiza a integração

composta de materiais para melhorar o seu desempenho em termos de resposta de

carga-deformação, absorção de energia, capacidade de deformação, estabilidade

estrutural, tolerância aos danos, eficiência da construção e as necessidades de

reabilitação.


27

Esta abordagem deve beneficiar o custo de estruturas recentes de segurança e do ciclo

de vida, também permitirá desenvolver soluções novas, soluções para aplicações

exigentes com as condições ambientais e de carregamento graves, tais como estruturas

resistentes às ações sísmicas.

Os compósitos cimentícios designados por (ECC) “Engineered cementitious

composites” (na nomenclatura inglesa) são materiais cimentícios reforçados com fibras,

com um comportamento deformacional similar à dos metais. O ECC pode ser composto

por uma variedade de fibras, incluindo poliméricos, de aço e de carbono. As matrizes

utilizadas são compostas na maior parte de cimento, argamassa e cinzas. Até agora, a

maioria das pesquisas tem sido conduzida com uma fibra de polietileno PVA

(polietileno álcool polivinílico) de elevado módulo de elasticidade numa matriz de

cimento. A combinação de um composto de cimento, mais dúctil com reforço estrutural

(FRP), tem tido resultado direto na compatibilidade da tensão e deformação. Este

comportamento obtém-se pela formação de múltiplas fissuras por todo o comprimento

da amostra, assegurando uma maior ductilidade.

Além disso, os elementos de ECC com reforço de FRP longitudinal mostram reduzidos

deslocamentos residuais após a descarga. Além da localização das fissuras no ECC, o

reforço ao confinamento, resistência à deformação e resistência à encurvadura, também

reduz significativamente os requisitos de reforço de aço transversal e levam a uma

dissipação de energia estável (Esmaeeli 2013).

2.3.1- Características de desempenho

O comportamento deformacional de compósitos cimentícios, tais como do betão, betão

reforçado com fibras (FRC) e compósitos reforçados com fibras de alto desempenho são

tipicamente distinguidos de acordo com as suas características de tensão-deformação de

tração e da resposta pós-fissuração em particular (ver figura 15). As matrizes frágeis,

como argamassa e betão simples, perdem a capacidade de carga de tração quase

imediatamente após a formação da primeira fenda. A adição de fibras em betão armado

convencional pode aumentar a tenacidade da matriz de cimento, no entanto, a sua

tensão/força e, especialmente, a capacidade elástica além das primeiras fissuras não são

reforçadas. É, portanto, considerado um material quase frágil com amolecimento do


28

comportamento de tensão/deformação, isto é uma diminuição da carga e localização

imediata da deformação do compósito na primeira fissura da matriz.

Tendo em conta estudos desenvolvidos por Naamã e Reinhardt (1995), o ECC

representa uma classe particular de betões de alto desempenho que são definidos por

uma resistência final maior após a formação das fissuras durante o múltiplo processo de

deformação inelástico. Em contraste com a deformação localizada em betões

convencionais, a deformação do ECC é considerada uniforme a uma macro escala, o

que é uma propriedade do material que não depende da durabilidade.

O ECC tem geralmente uma resistência à tração de 5-8MPa, o espaçamento entre as

múltiplas fissuras do ECC é da ordem de vários milímetros, enquanto a largura das

fendas são limitadas ao fim de 100 m. Além dos ingredientes comuns compósitos

cimentícios, tais como cimento, areia, cinzas, água e aditivos, o ECC utiliza um pouco

aleatoriamente, fibras de PVA orientadas em frações de fibras moderadas (Volume de

fibras = 1,5% a 2%).

Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004)


29

2.3.2 Propriedades Mecânicas dos ECC

Os ECC´s são compósitos reforçados com fibras, caraterizados pela elevada ductilidade

à tração. Uma das características que distinguem e justificam as diferenças de

comportamento estrutural entre os outros materiais são o comportamento de

endurecimento sob deformação e a capacidade de múltipla deformação.

De acordo com Li (2004), são dimensionados para resistir a elevadas cargas de tração e

ao corte. Devido a sua elevada ductilidade, estas possuem elevada capacidade de

absorção de anergia e de deformação sob carregamentos de tração, resultado da

capacidade de formar diversas fissuras e de pequenas dimensões durante o processo de

rotura dos compósitos.

Para se compreender o comportamento dos ECC´s são utilizados os conceitos da

micromecânica, que estabelecem relações entre o comportamento mecânico dos

compósitos e as propriedades individuais dos mesmos e da matriz.

No ECC após a primeira fissura dá-se um aumento ou uma estabilização na capacidade

de carga do compósito, uma vez que apos a abertura da primeira fissura, o carregamento

suportado pela matriz é transferido para um conjunto de fibras de pequeno diâmetro,

com boa resistência à tração e adequada aderência à matriz, que atravessam a fissura.

Estas fibras têm capacidade de suportar e transferir as cargas para outro ponto da matriz,

resultando numa nova fissura, e assim de forma sucessiva resultando em múltiplas

microfissuras ao longo do compósito, assegurando a integridade global e não

permitindo a rotura do elemento. Este comportamento é o responsável pela sua

característica que maior importância que é a ductilidade. Por consequência, uma menor

probabilidade de ocorrer um dano estrutural derivado da rotura dos compósitos num

elemento de ECC.

Li (1998) realizou ensaios à flexão com um elemento de ECC. Salientou que o

comportamento de endurecimento do ECC é o responsável pela sua alta tolerância ao

dano e à tenacidade e também por permitir que o compósito sofra deformações sem

romper (ver Figura 16).


30

Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009)

Também afirmou que os ECC´s possuem uma elevada resistência ao corte, quando

submetidos a este tipo de carregamento, desenvolvendo assim varias fissuras alinhadas

na direção normal à direção das tensões principais de tração. Sendo que o

comportamento à tração é dúctil, então a resposta ao corte também é dúctil. Por isso, os

elementos de ECC podem utilizar uma pequena quantidade de armadura ao corte, ou até

mesmo dispensá-lo.

Para justificar este comportamento pode-se observar na Figura seguinte, os dados

provenientes dos ensaios realizados por Li (1998). Através dos resultados concluiu que

o elemento de ECC sem estribos demonstrou uma elevada capacidade de carga e

elevada capacidade de absorção de energia.

a) b)

Figura 17- Curvas de elementos produzidos com ECC a) com estribos b) sem estribos (Garcez).


31

Também estudou a tolerância aos danos, e verificou que o elemento confecionado com

ECC (sem estribos) é superior ao elemento de betão armado (Figura 18).

Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos (Garcez 2009)

Segundo Li este comportamento derivado do processo de desenvolvimento de várias

fissuras geralmente inferiores a 100 m, pode representar uma causa importante no

aumento da durabilidade das estruturas, quando submetidas à cargas severas.

Yang et al. (2008), realizaram ensaios com protótipos com 3 dias de idade, que foram

pré-carregados até atingirem deformações específicas. De acordo com os resultados

evidenciaram que a rigidez diminui drasticamente devido a presença das fissuras

provocadas pelo pré-carregamento.

Aspeto importante que serve de diferenciação do ECC em relação aos betões

convencionais, porque durante o processo de carregamento o elemento de ECC sofre

uma diminuição da sua rigidez, isto entre a fase transitória da elástica para a inelástica,

sem comprometer a redução da sua capacidade de carga. Portanto torna-se possível tirar

proveito da ductilidade do material na resposta final de uma estrutura, sem ter em conta

apenas o reforço promovido pelas armaduras ou confinamentos externos (Garcez 2009).


32

2.3.3 ECC no reforço/reabilitação de estruturas

Após os avanços conseguidos no desenvolvimento deste material de alto desempenho, e

do seu excelente comportamento, este demonstra uma boa opção para utilização em

intervenções de reabilitação/reforço.

Normalmente as reabilitações/reforços efetuadas em elementos de betão convencional

perdem durabilidade. Isto deve-se à uma má escolha do material utilizado. Dos vários

estudos desenvolvidos relativamente ao ECC, também demonstra um elevado

desempenho quanto à durabilidade sob diversas condições ambientais.

Também, graças a sua elevada capacidade de deformação à flexão, este possui grandes

vantagens quanto ao reforço sísmico, pela necessidade dos elementos estruturais

resistirem a grandes esforços de flexão, ao corte e à fadiga, como também prolongar a

sua vida útil em serviço.


33

CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA

Este capítulo tem como objetivo apresentar, de forma sucinta, a aplicação da técnica de

reforço proposta para o reforço de nós dos pórticos de betão armado submetidos a ações

sísmicas e descrever a configuração de ensaio usada para a realização dos ensaios.

São apresentadas as propriedades dos materiais aplicados nos ensaios experimentais

efetuados e descreve-se de forma concisa a conceção dos protótipos adotados e os

procedimentos para a aplicação do reforço.

O trabalho experimental desenvolvido foi realizado em duas fases. A primeira,

executada numa fase anterior a esta dissertação, sob coordenação e execução da

Universidade de Aveiro, cujo objetivo principal era compreender o comportamento de

nós de pórtico de betão armado pertencentes a estruturas de edifícios do final da década

de 70. Quatro nós deste programa experimental serviram de base à segunda fase do

trabalho.

A segunda fase, no qual foram reforçados quatro nós de pórtico de betão armado, com

duas soluções de reforço principais e distintas.


34

3.1 Conceção dos protótipos

Para avaliar a eficácia da técnica NSM no reforço de nós de pórtico de betão armado à

ação sísmica, foram estudados quatro protótipos à escala real (cujas designações são

JPA-1, JPA-3, JPB e JPC), e cuja geometria em planta se representa na figura seguinte.

Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012)

Estes protótipos pretendem simular a partir do centro do nó, 2 meios vãos de vigas e

meios vãos de pilares. Os pilares têm secção transversal quadrada ,

enquanto que as duas vigas apresentam uma secção transversal retangular de

.

A tabela seguinte apresenta informação diversa relativamente às armaduras utilizadas

em cada protótipo, nomeadamente: diâmetro, percentagem longitudinal de armadura (ρl)

e percentagem transversal de armadura (ρl). Estes parâmetros foram calculados de

acordo com o Eurocódigo 2.


35

Tabela 1- Propriedades das armaduras

Viga Pilar

Armadura Longitudinal Armadura Transversal Armadura Longitudinal Armadura Transversal

Protótipo Diâmetro (mm)

ρl, viga

(%) Diâmetro

(mm) ρw, viga

(%) Diâmetro

(mm)

ρl, pilar

(%) Diâmetro

(mm) ρw, pilar

(%)

JPA-1

12

0.6

8

0.17

12

0.5

8

0.13

JPA-3 0.6 0.17 0.5 0.13

JPC 0.6 0.34 1.0 0.34

JPB 0.6 0.17 1.0 0.13

Nas figuras que se seguem apresentam-se os detalhes relativos à pormenorização das

armaduras.

Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm). (Fernandes 2012)


36

Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes 2012)

Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes 2012)


37

Secção A-A Secção C-C Secção E-E

Secção B-B Secção D-D Secção F-F

Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012)

3.2 Caraterização dos Materiais

Foram realizados ensaios de caraterização do betão aos 28 dias de idade, de acordo com

o especificado na norma NP EN1992-1-1. Para tal efetuaram-se ensaios de compressão

uniaxial com cubos de 0,15 × 0,15 × 0,15 m3 que permitiu concluir que a resistência

média à compressão é igual a 23,8 MPa, à qual corresponde a classe C16/C20 do betão

de acordo com a classificação da NP EN1992-1-1.

Na tabela seguinte apresentam-se as propriedades mecânicas médias do aço da

armadura longitudinal usadas no âmbito do presente programa experimental.


38

Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço

Propriedades Valor

Tensão de Cedência 590 (MPa)

Tensão Máxima 640 (MPa)

Módulo de Elasticidade 198 (GPa)

3.3 Configuração do Ensaio

Na Figura 24 são representadas as condições de apoio e as solicitações aplicadas

(esforço axial N e força lateral FP), de acordo com o funcionamento estrutural projetado,

assim como o esquema de ensaio adotado para simular as condições de ligação e de

carregamento. A força no topo do pilar (dP) foi aplicada por um servo atuador

(SVACT), ao qual corresponde um valor de força FP. O esforço axial foi aplicado no

pilar por recurso a um atuador (ACT) no topo do pilar que faz reação num sistema

estrutural composto por dois varões de aço ligados transversalmente ao pilar,

constituindo assim, um sistema autoequilibrado. Sendo que, o provete é ensaiado na

horizontal. Para minimizar eventuais esforços e deformações verticais consequentes do

peso próprio do provete, este é apoiado verticalmente por quatro pontos, com recurso a

esferas com reduzido atrito. Os apoios deslizantes nas vigas são executados com recurso

a um sistema de rolamentos que têm como objetivo impedir o deslocamento transversal

da viga, mas não o longitudinal. Testes realizados anteriormente, comprovam que o

conjunto dos atritos desenvolvidos nas esferas de apoio do provete e nos rolamentos de

apoio das vigas correspondem a uma diferença entre forças horizontais (diferença entre

a reação horizontal registada no apoio transversal do pilar e a força aplicada pelo servo-

atuador) de valor igual a 1KN (2.5% da carga lateral máxima aplicada) (Fernandes

2010).


39

Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema de ensaio. (Fernandes 2012)

Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012)


40

Os ensaios cíclicos foram realizados, tendo em conta o controlo de deslocamento e

consistiram na imposição de uma lei de deslocamentos (dP) laterais no topo do pilar. A

lei de deslocamentos impostos para os quatro provetes é representada na Figura 27.

Consiste, na imposição de ciclos completos com inversão de sinal para dezoito níveis de

deslocamento, com amplitude crescente até atingir o máximo de 120 mm. Para cada

nível de deslocamento, repetem-se três ciclos de igual amplitude e completos. No

mesmo topo do pilar onde foram impostos os deslocamentos laterais (dP), foi também

aplicado o esforço axial de valor aproximadamente constante, igual a 200 kN para o

protótipo JPA-1, correspondendo a uma carga axial normalizado igual a 9,4%, e de 450

kN para os protótipos JPA-3, JPB e JPC, correspondendo a uma carga axial

normalizado igual a 21,3%. Estes ensaios foram realizados pelo Laboratório do

Departamento de Engenharia Civil em Aveiro.

3.4 Esquema de monitorização

A monitorização dos ensaios foi realizada através da colocação de um conjunto de

sensores, nomeadamente transdutores de deslocamento (LVDTs), extensómetros (SG –

Strain Gauges) e potenciómetros. Os LVDT´s são destinados à medição dos

deslocamentos verticais e horizontais na zona do apoio no pilar e nas vigas, como

também de rotações. Nos potenciómetros pretendem registar-se os deslocamentos

relativos ocorridos na zona central dos protótipos. A extensometria está fora do âmbito

desta dissertação, embora de acordo com os resultados obtidos podem-se verificar que o

nível de extensões obtido foi significativo, dado que se observou a rotura dos

laminados.


41

Figura 26-E

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