FIBRA DE CARBONO: REFORÇO ESTRUTURAL EM ESTRUTURA

DE CONCRETO ARMADO

RESUMO

As estruturas de concreto armado apresentarem algum tipo de degradação

ao longo da sua vida útil, tais falhas decorrente por má execução ou vícios

construtivo, e sendo assim necessário de reforço. No mercado existem vários tipos

de reforços, todos com a finalidade de reabilitar a estrutura. Este artigo teve como

objetivo demonstrar a fibra de carbono como um reforço em estrutura de concreto

armado. A fibra de carbono é um compósito que possui alta resistência, rápida

execução e na parte estética do local de aplicação do reforço. É importante que a

aplicação seja realizada por mão de obra qualificada e respeitando as

recomendações técnicas dos produtos utilizados para que possa ter um resultado

satisfatório. O trabalho permitiu esclarecer que embora a utilização da fibra de

carbono requeira mão-de-obra especializada e apresente um alto custo da fibra, o

uso da técnica apresenta uma maior vantagem perante as outras tradicionais, sendo

assim sendo um material viável.

Palavras-chave: Compósito. Reforço. Fibra Carbono.

____________________

¹ Graduado em Engenharia Civil – Centro Universitário Fametro. marcus.serra1@outlook.com² Graduado em Engenharia Civil – Centro Universitário Fametro. thiagohenriquelira1@gmail.com

Marcus Vinícius Cardoso Serra¹

Thiago Henrique Lira da Silva²

CARBON FIBER: STRUCTURAL REINFORCEMENT IN REINFORCED

CONCRETE STRUCTURE

ABSTRACT

The reinforced concrete structures are experiencing some kind of

degradation in the course of his life, such a failure due to a bad run unless there is a

hidden good, and it will be necessary to strengthen it. In the market there are several

different types of ribs, all with the goal of rehabilitating the structure. This article is

aimed to show the carbon fiber as a reinforcement in a reinforced concrete structure.

The carbon fiber is a composite material which has a high strength, fast execution,

and on the aesthetics of the location of the reinforcement. It is important that the

application is performed by qualified labor and respecting the technical

recommendations of the products used in order to have a satisfactory result. The

work made it possible to clarify that although the use of carbon fiber requires

specialized labor and has a high cost of fiber, the use of the technique has a greater

advantage over other traditional ones, making it a viable material.

Keywords: Composite. Reinforcement. Carbon Fiber.

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INTRODUÇÃO

A vida útil de uma estrutura de concreto armado é limitada, onde apresenta

falhas ao passar do tempo, sendo assim é necessário de intervenção para aumentar

a sua capacidade de sua resistência, antes de alcançar o seu estado-limite. Após

alcançar o estado-limite a solução é o reforço estrutural para garantir a segurança da

edificação. Segundo Helene (1988) a necessidade de reparar ou reforçar uma

determinada estrutura, restaurando sua segurança e aumentando sua durabilidade,

tem sido cada vez mais comum por uma série de razões: estruturas mais esbeltas,

solicitações mais intensas, ambientes mais agressivos e consciência dos

responsáveis pela construção. De acordo com Gibson (1993) os materiais

estruturais podem ser divididos em quatro grupos: metálicos, cerâmicos, poliméricos

e compósitos.

Segundo Souza e Ripper (1998) a utilização de compósitos reforçados com

fibras de carbono em elementos de concreto, como alternativa ao aço, começou em

meados do século passado. A utilização da fibra de carbono vem crescendo cada

vez mais para o reforço de estruturas e substituição dos métodos tradicionais, uma

vez que apresenta uma maior resistência e também menor massa específica do aço.

A utilização de fibra de carbono na construção civil teve seu início no distrito

de Kobe, Japão, em 1995, após sismos demandarem uma rápida execução de

reforços estruturais em construções da região (SOUZA & RIPPER, 2009). Este

trabalho tem como objetivo mostrar o compósito de fibra de carbono como um

reforço estrutural em estrutura de concreto armado.

2 FIBRAS DE CARBONO

De acordo com Machado (2002), com relação a sua composição, o CFC é

constituído por uma matriz polimérica que mantém as fibras internamente coesas,

favorecendo a transferência das tensões de cisalhamento entre o elemento

estrutural concreto e a fibra de carbono.

O material inicialmente foi utilizado por anos por indústrias, porém é também

bastante utilizado em elemento estruturais, onde sofrem com ataques químicos. As

indústrias aeroespacial e automobilística usaram a fibra de carbono durante muitos

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anos, porém nos últimos tempo vem sendo usado em elemento estruturais,

elementos que sofrem com ataques químicos do ambiente.

As fibras de carbono são produzidas através de um componente básico

chamado de PAN (Poliacrilonitrila). É possível fabricar as fibras de carbono de

várias formas de resistência e de modulo de elasticidade. O CFC mostra varias

vantagens quando comparamos com os materiais usados para reforço, pode-se

citar: a facilidade e a rapidez de instalação, possui uma grande resistência quando

sofre em corrosão e agentes químicos, elevada resistência à fadiga.

Porém o compósito da fibra de carbono também possui desvantagens, tais

como a incompatibilidade quando houver superfícies irregulares, quando exposta ao

fogo ou a raios ultravioletas a fibra perde a resistência. Na Figura 1 mostra a relação

tensão x deformação de materiais usados como reforço.

Figura 1 – Tensão x Deformação

Fonte: Machado (2002)

Segundo Souza e Ripper (1998), os compósitos de fibras de carbono em

matrizes de resina epoxídica apresentam, em comparação com o aço de construção,

para uma mesma espessura, um quarto do peso e resistência à tração de oito a dez

vezes maior, para o mesmo modo de elasticidade, acrescenta-se ainda, que a

tensão última é da ordem de 3.500 Mpa.

De acordo com Machado (2002), com relação a sua composição, o CFC é

constituído por uma matriz polimérica que mantém as fibras internamente coesas,

favorecendo a transferência das tensões de cisalhamento entre o elemento

estrutural concreto e a fibra de carbono.

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2.1. sistemas de reforços com fibra de carbono

Existem no mercado nacional três sistemas de reforços que utilizam as

(CFRP) [Robery ; Innes, 1997 apud Beber et. al., (1999)]:

fios de fibra de carbono: colados na superfície do concreto sob tensão ou aseco.

Figura 2 – Fios de fibra de carbono

Fonte: Clip Carbono (2009)

chapas pultrudadas: podem apresentar diversos formatos onde são colados na

superfície do concreto através de adesivo, e são perfis contínuos.

Figura 3 – Chapas pultrudadas

Fonte: Clip Carbono (2009)

tecidos de fibra de carbono: são colados na superfície com uma resina epóxi e

com espessura parecida com a de uma parede.

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Figura 4 – Tecidos de fibra de carbono

Fonte: Clip Carbono (2009)

3 REFORÇO ESTRUTURAL COM FIBRA DE CARBONO

Nos anos 80 no Japão ocorriam abalos sísmicos onde ocasionava

danificações às estruturas, sendo assim mostrou a necessidade de recuperar o

mais rápido possível, sendo assim o reforço com fibra de carbono surgiu como uma

opção. Esses foram os principais aspectos considerados para utilização desse

material no confinamento de pilares (Machado, 2002).

As fibras de carbono podem ser também utilizadas para o aumento da

capacidade resistente, à flexão e ao esforço transversal de vigas e lajes, processo

que, no entanto, exige muito cuidado no desenvolvimento dos detalhes que devem

ser adotados para o sistema de amarração do compósito, assim como a mais

detalhada análise das tensões de deslizamento na interface entre o compósito e o

concreto (Ripper e Souza,1998).

A primeira vez no Brasil que foi utilizado a fibra de carbono na construção

civil como um reforço estrutural foi no viaduto Santa Tereza localizado em Belo

Horizonte no ano de 1998. A fibra foi importada dos Estados Unidos da América,

essa matéria-prima era utilizada nas indústrias aeronáutica e espacial, no viaduto

teve como função reforçar as lajes e vigas do viaduto. A escolha da fibra como

reforço estrutural foi pelo fator estético, visto que, o viaduto era tombado pelo

patrimônio histórico. Na figura 5 mostra como foi feito o reforço da estrutura do

viaduto utilizando a fibra.

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Figura 5 – Reforço estrutural do viaduto santa tereza com fibra de carbono

Fonte: Machado (2007, p.80)

Quando a estrutura não suporta mais o aumento das cargas, a fibra de

carbono é um excelente opção para o reforço, pois apresenta uma grande

resistência à tração até dez vezes maior do que o aço.

Estas propriedades variam em função do tipo, tamanho, grau de

concentração e disposição das mesmas na matriz (Araújo, 2002.a; Avilés 2002;

Nordin, 2003). Pode ser usado como reforço em várias partes da estrutura tais

como: lajes, vigas, paredes, pilares e etc.

Figura 6 – Tipos de reforços com fibra de carbono em uma estrutura

Fonte: Borges (2016)

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Para escolher qual fibra deve ser adotada depende das condições

ambientais assim como o tipo de estrutura e principalmente o esforço solicitante. O

quadro 1 mostra o comparativo das fibras.

Quadro 1 – Comparativo entre diferentes tipos de fibras

Fonte: Machado (2002)

A fibra de carbono apresenta grande capacidade mecânica, é o material

principal para reforço em vigas de concreto armado. O quadro 2 demonstra as

diferentes propriedades mecânicas das fibras.

Quadro 2 – Propriedades mecânicas das fibras

Fonte: Machado (2002)

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4 METODOLOGIA

Para elaboração deste artigo foi utilizada uma pesquisa descritiva e

bibliográfica. Para Gil (1999), o método científico é um conjunto de procedimentos

intelectuais e técnicos utilizados para atingir o conhecimento.

Para Triviños (1987, p. 110), “o estudo descritivo pretende descrever “com

exatidão” os fatos e fenômenos de determinada realidade”, de modo que o estudo

descritivo é utilizado quando a intenção do pesquisador é conhecer determinada

comunidade, suas características, valores e problemas relacionados à cultura.

Vergara (2000, p. 47), defende que a pesquisa descritiva expõe as

características de determinada população ou fenômeno, estabelece correlações

entre variáveis e define sua natureza. "Não têm o compromisso de explicar os

fenômenos que descreve, embora sirva de base para tal explicação".

Para Lakatos e Marconi (2001, p. 183), a pesquisa bibliográfica,

[...] abrange toda bibliografia já tornada pública em relação aotema estudado, desde publicações avulsas, boletins, jornais,revistas, livros, pesquisas, monografias, teses, materiaiscartográficos, etc. [...] e sua finalidade é colocar o pesquisadorem contato direto com tudo o que foi escrito, dito ou filmadosobre determinado assunto [...].

Este trabalho buscou como fonte em pesquisa bibliográfica mais focado na

parte da aplicação da fibra de carbono em estruturas na construção civil através da

pesquisa em artigos científicos ou artigos publicados.

Segundo Vergara (2000), a pesquisa bibliográfica é desenvolvida a partir de

material já elaborado, constituído, principalmente, de livros e artigos científicos e é

importante para o levantamento de informações básicas sobre os aspectos direta e

indiretamente ligados à nossa temática.

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para aplicar a fibra de carbono em uma estrutura de concreto armado é

importante que seja feita por profissionais que são qualificados e habilitados para

que o serviço tenha um melhor resultado. Machado (2002) descreve como primeiro

passo da aplicação do reforço estrutural com fibra de carbono recuperar o substrato

de concreto, para proporcionar ao sistema uma aderência segura. É necessário que

o substrato esteja íntegro para que possa ter resistência mecânica suficiente para os

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esforços, sendo assim, todas as patologias que se encontram no substratos deverão

ser corrigidos.

Uma das patologias mais comuns em estrutura de concreto armado é a

corrosão nas armaduras, sendo assim é necessário fazer a remoção e a

recomposição das superfícies do concreto degradadas. A figura 7 mostra o

procedimento para a remoção do concreto deteriorado.

Figura 7 – Remoção do concreto deteriorado

Fonte: Cimento Mauá (2018)

As trincas existentes na estrutura a ser reforçada deverão ser recuperadas.

Segundo Souza e Ripper (1998), as fissuras com abertura a partir de 0,1mm devem

ser injetadas, procedimento que é feito sob baixa pressão (≤ 0,1 Mpa). Quando tem

caso de fissuras maior que 3,0mm e quando não é muito profundas, a recuperação

se dá por enchimento da trinca por gravidade.

Figura 8 - Injeção de fissuras

Fonte: Engenharia e recuperação (2015)

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Para a preparação da superfície para receber o composto será determinada

a partir de duas hipóteses do funcionamento estrutural: predominância da condição

crítica de colagem do sistema composto; predominância da condição crítica de

contato íntimo para o sistema composto. Para a colagem crítica, utilizam-se

abrasivos ou jatos de água, areia ou limalhas metálicas para limpeza da superfície e

remoção de partes soltas, para superfície pequena costumam ser utilizadas

politrizes, geralmente acopladas com aspiradores de pó.

Figura 9 - Limpeza de superfície com politriz elétrica

Fonte: Manual fibra de carbono (2015)

Segundo Machado (2002), inicia-se a aplicação com os imprimadores

primários (primmers), que possuem a função de penetrar nos poros de concreto

estabelecendo uma ponte de aderência eficiente juntamente com a película aderida

à superfície do concreto. Após a etapa dos imprimadores primários, será a vez da

aplicação da massa regularizadora de superfície (putty fillers).

Figura 10 - Regularização da superfície com massa regularizadora

Fonte: Machado (2002)

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A fibra de carbono deve ser cortada conforme o projeto estrutural do reforço,

e deverá ser cortada em bancadas especialmente para o corte. O material para o

corte serão: uma régua metálica, tesoura de aço e faca de corte ou estilete.

Figura 11 – Corte da fibra de carbono

Fonte: Machado (2002)

Após o corte as lâminas de fibras de carbono deverão ser aderidas às peças

a serem reforçadas.

Nessa etapa existe duas maneiras distintas para se executar esse

procedimento: saturação via úmida onde a lâmina de fibra de carbono é saturada em

bancada própria, sendo depois transportada para a sua aplicação na peça a ser

reforçada. Conforme mostra a figura 12.

Figura 12 – Saturação da fibra na bancada

Fonte: Manual fibra de carbono (2015)

12

A saturação via seca é feita diretamente sobre o concreto da peça a ser

reforçada para após ser colada a lâmina de fibra de carbono.

Figura 13 – Saturação no concreto

Fonte: Manual fibra de carbono (2015)

Segundo Souza e Ripper (1998), o processo de aplicação da lâmina de fibra

de carbono deve ser imediato e independe do tipo de imprimação utilizado. O tempo

de aplicação da resina saturante (pot-life) é muito curto, no máximo 25 a 30 minutos.

Figura 14 – Aplicação da fibra de carbono

Fonte: Projeto engenharia (2002)

Após a colocação da lâmina de fibra de carbono, é feito o procedimento

chamado de rolagem de bolhas de ar, o objetivo desse procedimento é a eliminação

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das bolhas de ar que ficam presas no substrato, esse procedimento usa os

pequenos roletes de aços denteados.

Figura 15 – Rolagem das bolhas de ar

Fonte: Treinotec engenharia (2005)

Depois de ter finalizado todas as etapas da colocação da fibra de carbono

pode ser possível a aplicação de revestimento estético ou de proteção (mecânica e

química) que ajuda a prevenir as agressões as ações. Diferentes tipos de camadas

de acabamento podem ser utilizados, como concreto projetado ou pintura.

Essas camadas de acabamento devem ser aplicadas de acordo com as

especificações indicadas por cada fabricante (FIB, 2001). As figuras a seguir

mostraram alguns exemplos de reforços de estruturas de concreto armado com

sistemas estruturados com fibras de carbono.

Figura 16 – Reforço estrutural em laje de cobertura com fibra de carbono

Fonte: Manual fibra de carbono (2015)

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A fibra de carbono é muito utilizada como reforço em lajes, vigas e pilares,

pois é um material muito resistente.

Figura 17 – Reforço estrutural em pilares com fibra de carbono

Fonte: Manual fibra de carbono (2015)

CONSIDERAÇÕES FINAIS

É bastante comum as estruturas de concreto armado apresentarem algum

tipo de degradação ao longo da sua vida útil, tais falhas decorrente por má execução

ou vícios construtivo, e sendo assim necessário de reforço. A fibra de carbono surge

como uma opção de reforço estrutural no mercado atual, pois é um compósito que

possui alta resistência, rápida execução e na parte estética do local de aplicação do

reforço. Este artigo apresentou como o material pode ser utilizado como reforço

estrutural e o procedimento construtivo.

Para a aplicação do material na estrutura é importante que seja feita por

mão de obra qualificada, seguindo o procedimento que foi mostrado no artigo para

que possa ter um resultado satisfatório. Com o resultado do artigo pode-se perceber

que o material é bastante eficiente e eficaz para estruturas de concreto armado.

É muito importante lembrar que o reforço da fibra de carbono não se aplica

em certas situações, como por exemplo, quando a peça do concreto já estiver em

estado de degradação avançada, cabe ao engenheiro de estrutura saber em qual

situação usá-la. Novos materias e novas técnicas vem surgindo no passar dos anos,

proporcionando novas oportunidades de ter opções para solucionar situações,

problemas que demandam grande custo operacional e de tempo, a fibra de carbono

surge como uma ótima opção pois sua aplicação é muito rápida.

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O elevado custo da matéria prima acrescido da falta de conhecimento por

parte dos profissionais do ramo dificultam a consolidação e a ampla aplicação

destes materiais na indústria da construção civil, sendo assim, é preciso de novas

pesquisas e a vontade de desenvolvimento neste campo para que possa no futuro

desenvolver modos eficientes e principalmente atrativo financeiramente, pois

atualmente é um material que no mercado se encontra com um preço elevado.

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