Tecnicas reforço de estruturas

Reabilitação e Reforço de Estruturas

REABILITAÇÃO E REFORÇO

DE ESTRUTURAS

1/2152011/2012

Júlio Appleton; António CostaInstituto Superior Técnico

DE ESTRUTURAS


REFORÇO DE ESTRUTURAS DE BETÃO

Enquadramento

Avaliação do comportamento daestrutura

2/2152011/2012

Concepção e dimensionamento

do reforço

Tipos de reforço estrutural



Enquadramento


3/2152011/2012


do reforço



A intervenção numa estrutura existente com o object ivo de melhorar ou corrigir o seu

comportamento estrutural está geralmente associada às seguintes situações:

−−−− Alteração das acções actuantesEx: −−−− Aumento das acções actuantes devido a uma nova util ização

−−−− Adequação do nível de segurança da estrutura para a s acções especificadas

na nova regulamentação (p.e. sobrecargas rodoviária s e ferroviárias)

−−−− Alteração geometria da estrutura ou modificação do sistema estrutural

4/2152011/2012

Ex: necessidade de eliminar elementos estruturais

−−−− Correcção de anomalias associadas a deficiências de projecto deexecução ou de exploraçãoEx: −−−− Deficiente capacidade resistente para as acções pre vistas

−−−− Deficiente comportamento em serviço (fendilhação, d eformação, vibração,...)

−−−− Danos causados por uma utilização não prevista da e strutura.

−−−− Aumento do nível de segurançaEx: - melhorar o comportamento estrutural para a acç ão sísmica de obras antigas


Principais dificuldades

−−−− Informação relativa ao projecto, execução e explora ção das obras difícil de obter e frequentemente inexistente.

−−−− Com excepção de alguns tipos de intervenção, verifi ca-se uma ausência genérica de regulamentação sobre reforço de estruturas.

−−−− Ausência de documentação de apoio que trate de form a integrada o projecto e execução

5/2152011/2012

−−−− Ausência de documentação de apoio que trate de form a integrada o projecto e execução do reforço nas suas diversas componentes: metodolog ias de intervenção, dimensionamento, procedimentos de execução, especif icação e controlo de qualidade.

−−−− Dificuldades relativas à análise estrutural e avali ação da segurança das obras a reforçar e ao dimensionamento do próprio reforço.

−−−− Em obras de reforço cada caso constitui uma situaçã o particular com as suas próprias especificidades, sendo raro encontrar na literatura situações semelhantes.


Enquadramento Geral de uma Intervenção de Reforço

� Avaliação da situação

Inspecção – Registo e análise das anomalias

Avaliação do comportamento estrutural

Diagnóstico – Causas e explicações das anomalias

Definição dos objectivos a atingir com a intervençã o

6/2152011/2012

Definição dos objectivos a atingir com a intervençã o

� Tipos de Intervenção

Demolição Total ou Parcial

Limitar o Uso

Substituir ou Introduzir Novos Elementos

Reparar os Elementos Danificados

Reforçar os Elementos Existentes


Avaliação da situação

1 −−−− Recolha de informação

Elementos do projectoDesenhos

Cálculos

Especificações técnicas

Controlo de qualidade

7/2152011/2012

Elementos de Obra

Exploração da Obra

Controlo de qualidade

Livro de registo de obra

Alterações ao projecto

Planos de betonagem

….

Acções actuantes

Manutenção e reparação

….



2 −−−− Inspecção Visual

Exame visual da superfície do betão

qualidade do betãodefeitos de execuçãofendilhação deformaçãodeterioração

8/2152011/2012

Percepção do funcionamento estrutural

Registo de danos

erros de concepção e execução

deficiente utilização

tipos de apoios

….

danos estruturais

deterioração do betão

corrosão das armaduras

….



3 −−−− Inspecção detalhada

Dependendo do tipo e extensão das anomalias observa das pode ser necessário

efectuar uma inspecção visual mais minuciosa e real izar diversos tipos de

ensaios.

9/2152011/2012

Principais aspectos a analisar:

•••• Verificação das dimensões dos elementos estruturais (relação projecto/obra)

•••• Propriedades mecânicas do betão e do aço

•••• Resposta estática e dinâmica da estrutura

•••• Avaliação do nível e tipo de deterioração da obra

•••• Avaliação das condições de fundação



4 −−−− Avaliação da segurança da estrutura

•••• Modelo de comportamento estrutural

−−−− Verificação aos estados limites últimos

−−−− Verificação aos estados limites de utilização

10/2152011/2012

−−−− Verificação aos estados limites de utilização

Analisar duas situações:

−−−− Capacidade da estrutura para cumprir as exigências para as quais

foi projectada

−−−− Capacidade da estrutura para cumprir as novas exigê ncias de exploração



Enquadramento


11/2152011/2012


do reforço



� Regulamentação no domínio das acções

1897 – Regulamento para projecto, provas e vigilânci a das pontes metálicas

1929 – Dec. 16781

REGULAMENTAÇÃO ANTIGA

12/2152011/2012

1929 – Dec. 16781

Regulamento das pontes metálicas

(diversas alterações até 1958)

1961 – Dec. 44041

Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes

1983 – Dec. 235/83

Regulamento de Segurança e Acções


Regulamento Sobrecarga Rodoviária

Regulamento das Pontes Metálicas 1897

Sobrecarga uniforme 400 kg/m 2 (l > 30m)Para l < 30 m: sobrecarga mais elevada numa faixa com 2.5 m

Veículos de 12 ton com 4 rodas

Regulamento das Pontes Metálicas 1929

(alterado em 1958)

Sobrecarga uniforme variável com o vão≥ 500 kg/m 2 x coef. dinâmico400 kg/m 2 no passeio

13/2152011/2012

(alterado em 1958)Veículos de 32 ton (alterado em 1958 para 60/45/3 0 ton para as classes A, B e C)

RSEP 1961 Sobrecarga uniforme 300 kg/m 2

Carga de faca 5 ton/m

Veículos de 60/45/30 ton para as classes A, B e C (coef. dinâmico 1.2)

RSA 1983 Sobrecarga uniforme 4 kN/m 2

Carga de faca 50 kN/m

Veículos de 600/300 kN para as classes I e II


� Regulamentação no domínio das estruturas de betão a rmado

1918 – Dec. 4036 de 28/3/1918

Regulamento para o emprego do beton armado

1935 – Dec. 25948 de 16/10/1935

14/2152011/2012

Regulamento do Betão Armado (RBA)

1967 – Dec. 47723 de 25/5/1967

Regulamento de Estruturas de Betão Armado (REBA)

1983 – Dec. 349-c/83 de 30/7/1983

Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esf orçado (REBAP)


1918

Regulamento para o emprego do beton armado

Dec. 4036 de 28/3/1918

— Preparado pela Associação dos Engenheiros Civis Portugueses

— Necessidade de “regulamentar as construções de beton que tinham uma grande aplicação”

15/2152011/2012

Obrigatoriedade de aprovação do projecto

Betão — dosagem tipo

Princípios básicos do betão armado

Critérios de segurança — Tensões limites admissíveis

Execução de trabalhos — …

Recobrimentos - 20 mm (vigas e pilares em geral)

- 40 mm (protecção contra o ataque da água do mar)


1935

Regulamento do Betão Armado

RBA

Dec. 25948 de 16/10/1935

— Preparado por uma Comissão nomeada pelo Ministério das Obras Públicas e Comunicações

— Análise da Regulamentação Europeia (Reg. Francesa, Belga, Suiça, Italiana, E.U.A., Alemanha, …)

16/2152011/2012

— Análise da Regulamentação Europeia (Reg. Francesa, Belga, Suiça, Italiana, E.U.A., Alemanha, …)

— Bases de Cálculo - Acções (cargas)

- Cálculos de Resistência - Tensões limites e admissíveis (limites de fadiga)

- Modelação: análise linear

- Lajes - indicações pormenorizadas

- Encurvadura


RBA - 1935

17/2152011/2012


RBA - 1935

18/2152011/2012


1967

Regulamento de Estruturas de Betão Armado

REBA

Dec. 47723 de 20/5/1967

— Preparado por uma Comissão criada no Conselho Superior de Obras Públicas com base em trabalho preliminar do LNEC

— Nova concepção da verificação da segurança em relação a estados “de ruína”

— Conceitos de valores característicos, …

19/2152011/2012

— Novos tipos de aços

A24/A40/A50/A60

Liso/Nervurado

— Betão - B180 … B400

— Bases de Cálculo

- Cálculo da Resistência - Estados de Rotura

- Modelação - Conceitos de análise não linear, redistribuição, cálculo plástico

- Evolução nos modelos de comportamento do betão armado

- Recobrimentos - baixos


20/2152011/2012


1983

Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado

REBAP

— Estruturas Pré-Esforçadas, tratadas de forma unificado (Betão Armado Pré-Esforçado)

— Sistema Internacional de Unidades e Simbologia (ISO3898)

— Conceito de Níveis de Tolerância da Execução dos Trabalhos e Controlo da Qualidade

21/2152011/2012

— Conceito de Níveis de Tolerância da Execução dos Trabalhos e Controlo da Qualidade

— Disposições Construtivas mais detalhadas e Conceito de Estruturas de Ductilidade melhorada� cintagem adequada nos pilares

— E.L.U. do Punçoamento

— Redes Electrosoldadas

— Conceito de durabilidade ainda não suficientemente desenvolvido (assim como recobrimentoinsuficientes)


ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935)

E REBAP (1983)

FLEXÃO SIMPLES

22/2152011/2012


ANÁLISE COMPARATIVA RBA (1935)

E REBAP (1983)

ESFORÇO TRANSVERSO

23/2152011/2012


ELEMENTOS COM ARMADURAS TRANSVERSAIS

ELEMENTOS SEM ARMADURAS TRANSVERSAIS

ANÁLISE COMPARATIVA REBA (1967)

E REBAP (1983)

24/2152011/2012

Vcd = τ0 bd

τ0 = 1.5MPa

Vcd = 0.6 τ1 (1.6 – d) bd

τ1 = 0.75MPa

ELEMENTOS SEM ARMADURAS TRANSVERSAIS

REBA

REBAP

V - LAJES

B 300τ =V

Vτ1,bd

0.6

0.6

0.96

2.0

d [m]

bd


ANÁLISE COMPARATIVA REBA (1967)

E REBAP (1983)

FLEXÃO SIMPLES

FLEXÃO COMPOSTA

25/2152011/2012


Regulamento Betões Aços Recobrimentos Cálculo

1918

Regulamento para o Emprego

do Beton Armado

Dec. 4036 de 28/3

dosagem c = 300Kg ag = 400 l br = 800 l

σ ≥ 120Kg/cm2 (28d.)

≥ 180Kg/cm2 (90d.)

apiloamento/cura húmida 7 d.

fsu = 3800 a 4600 Kgf/cm2

fsy ≥ fsu/2

εu = 22%

evitar soldaduras

C ≥ 1.5 ∅

2cm (vigas/pil.)

1cm (lajes)

C duplo – junto ao mar

prot. fogo

Tensões (Fadiga)

Limites Admissíveis

1935

Regulamento do Betão

Armado

Dec. 25948 de 16/10

dosagem ≈

σ ≥ 180Kg/cm2 (28d.)

apiloamento ou vibração cura

húmida – 8 d.

fsu = 3700 Kgf/cm2

fsy ≥ 0.6 fsu

εu = 24%

evitar soldaduras

lajes viga/pil. C ≥ 1.0 1.0 1.5 2.0 (ar livre) 2.0 Líquidos, ∆t 4.0 – ág. mar

Tensões Admissíveis

1967

Regulamento de Estruturas de

B180/225/300/350/400

f (Kgf/cm2)

A24/A40/A50/A60

f Kgf/mm2

4cm ≥ C ≥ ∅

1.0

Estados Limites

26/2152011/2012


Betão Armado

Dec. 47723 de 20/5

fck (Kgf/cm2)

+ RBLH (Dec. 404/71 de 23/6)

Betões Tipo B/BD

fsk Kgf/mm2

(Liso/Nervurado)

+ Doc Homol – LNEC

1.0

2.0 – ñ.protegid

C↑ – corrosão/fogo ...

+ RSEP (Tipo I/II)

1983


Betão Armado e Pré-

Esforçado

Dec. 349 – c/83 de 30/7

B15/...B55

fck (MPa)

+ RBLH – cura húmida controlo A/C ...

A235/A400/A500

fsk (MPa)

+ Esp – LNEC

Tipo Ambiente

Pouco agress - 2.0

Moder agress - 3.0

Muito agress - 4.0

B↑ C↓

Estados Limites

+ RSA

2008

Eurocódigo 2 – Parte 1

Projecto de Estruturas de

Betão

DNA

C12/15; ... C90/105

fck (MPa) cil/cubos

+ EN 206

A400/A500

+ Esp – LNEC

+ EN 10080 e 10138

Classes Exposição X0;

XC; XS; XD; XF; XA

C = 15 a 65mm

Qualidade do betão de

recobrimento

Estados Limites

+ EC1/EC8


E.L. UtilizaçãoModelo elástico linear com K ajustado

E.L. Últimos

ELÁSTICO LINEAR S

MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO

27/2152011/2012

Modelo elástico linear

Modelo elástico linear com redistribuição de esforços

Modelo plástico

Modelo não linear

PLÁSTICO

NÃO LINEAR

LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS

δδδδ

LINEAR C/ REDIST. DE ESFORÇOS

NÃO LINEAR


ANÁLISE ELÁSTICA COM REDISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOSExemplos:

E2


28/2152011/2012

E1


ANÁLISE PLÁSTICA – Carga última de uma vigaExemplos:


29/2152011/2012


ANÁLISE PLÁSTICA

Carga última de uma laje

Exemplos:

30/2152011/2012



Exemplo: Avaliação da segurança do tabuleiro de uma ponte

31/2152011/2012

VIGAS

LONG.



Anomalias

32/2152011/2012


MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTOAnálise estrutural – Verificação da segurança

– Momentos flectores - Análise elástica (carga pe rmanente)

-200 KNm 327 KNm -628 KNm

33/2152011/2012

736 KN

-787 KN

– Esforços axiais - Análise elástica



Análise estrutural – Verificação da segurança

-390 KNm0 KNm

-1167 KNm

– Momentos flectores - Análise elástica c/ redis tribuição de esforços

34/2152011/2012

– Esforços axiais - Análise elástica c/ redistri buição de esforços

836 KN

-911 KN


MODELOS DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTOAnálise Não Linear

Modelo de Elementos Finitos

35/2152011/2012

– Fendilhação (carga permanente)



– Momentos flectores [MNm] (carga permanente)

-2.

557E

-02

-2.

891E

-01

7.1

20E

-02

6.1

45E

-02

9.7

42E

-02 -

6.69

7E-0

1

-1.

254E

-01

-4.216E-01

1.419E-01

-1.906E+00

2.4

38E

-02

-2.720E-02 -

2.47

6E-0

2

-6.362E-01

-5.727E-01

4.664E-02

-1.786E-01

– Esforços axiais [MN]

36/2152011/2012

-4.216E-01

1.419E-01

2.4

38E

-02

7.2

10E

-01

7.1

95E

-01

7.2

41E

-01

5.7

12E

-01

6.1

36E

-01

4.6

26E

-01

4.9

76E

-01

-6.

384E

-05 2

.650

E-0

3

7.5

06E

-04

1.2

15E

-03

9.1

81E

-05

2.3

51E

-04

6.0

01E

-06

7.3

90E

-05

-1.102E+00

-1.521E-01

-6.

843E

-01

-6.828E-01

-6.853E-01

-6.790E-01

-6.801E-01

-6.764E-01

-6.794E-01

-1.858E-01 4.890E-02

-2.759E-01

-2.306E-01



Análise Não Linear – avaliação da capacidade de carg a

- Configuração de rotura (CP + 1.7 x VT)

VT

37/2152011/2012


Consideração do efeito do nível de danos na avaliaç ão da segurança

[CEB-Bul. 162]

•••• Método simplificado

Em função do tipo e nível de danos da estrutura são estabelecidos coeficientes

empíricos para redução da resistência e rigidez:

38/2152011/2012

Coeficiente r R e rk

rR = Rres

Ri rk =

Kres

K i

Rres – resistência residual

Ri – resistência inicial

Kres – rigidez residual

K i – rigidez inicial


rR = R res / R i

Construção Nível A Nível B Nível C Nível D

Nova 0.95 0.75 0.45 0.15

Antiga 0.80 0.60 0.30 0

rK = K res / K i = 80% rR

Danos provocados

por sismos

Dan

os li

geiro

s

39/2152011/2012

Dan

os li

geiro

sD

anos

sev

eros

Níveis de danos nos pilares


•••• Nível A – fissuras de flexão isoladas com larguras inferiores a 1 – 2 mm, desde que um cálculo simples demonstre que estas fissuras não sã o devidas a deficiência da armadura para as acções de dimensionamento, mas sim devidas a efeitos localizados (juntas de construção, restrições devidas a paredes divisórias , choques ligeiros, acções térmicas iniciais, retracções, etc.).

•••• Nível B – várias fissuras de flexão largas, ou fissuras de co rte diagonais isoladas com larguras inferiores a cerca de 0.5 mm, não existind o deslocamentos residuais.

•••• Nível C – fissuras de corte bi -diagonais e/ou esmagamento localizados no betão dev idos a

Danos provocados por sismos

40/2152011/2012

•••• Nível C – fissuras de corte bi -diagonais e/ou esmagamento localizados no betão dev idos a corte e compressão, não existindo deslocamentos res iduais apreciáveis; ocorrência de fendilhação em nós de ligação viga/pilar.

•••• Nível D – rotura do núcleo de betão do elemento, encurvadura dos varões (o elemento perdeu a continuidade mas não colapsou), existindo apenas pequenos deslocamentos residuais (verticais e horizontais); ocorrência de danos severos em nós de ligação pilar/viga.

•••• Nível E – colapso parcial de um ou mais elementos verticais.

Nota: se as condições relativas aos deslocamentos residuais não forem cumpridas num dado

nível de dano, este é aumentado para o nível seguin te.


rR = R res / R i

Construção Nível A Nível B Nível C Nível D

Nova 0.95 0.80 0.65 0.40

Antiga 0.90 0.75 0.60 0.30

rK = K res / K i = 80% rR

Danos provocados por incêndios

Dan

os li

geiro

s

41/2152011/2012

Dan

os li

geiro

sD

anos

sev

eros

Níveis de danos nos pilares


Danos provocados por incêndio

•••• Nível A – sem danos, excepto algum descasque mínimo do acabam ento e/ou do betão.

•••• Nível B – acabamento bastante afectado, algum descasque do be tão; microfissuração generalizada da superfície do betão e eventual cor rosada, o que dependerá dos agregados.

•••• Nível C – arranque generalizado do acabamento, descasque sign ificativo do betão e eventual cor cinzento avermelhado/esbranquiçado; os varões ainda estão aderentes ao betão, sem que mais que um varão no caso de pilares ou até 10% da armadura principal

42/2152011/2012

betão, sem que mais que um varão no caso de pilares ou até 10% da armadura principal no caso de vigas e lajes, tenha encurvado.

•••• Nível D – danos severos, descasque generalizado do betão deix ando à vista praticamente toda a armadura; o betão possui uma co r amarelo acastanhado; mais do que um varão no caso de pilares ou até 50% da armadura principal no caso de vigas e lajes encurvou, podendo existir distorção dos pilares; ev entuais fissuras de corte com poucos mm de largura dos pilares; eventuais fissuras de fl exão/corte com vários mm de largura nas vigas e lajes e possíveis flechas apreciáveis.

•••• Nível E – colapso parcial de elementos verticais.


Danos provocados por corrosão de armaduras

•••• Nível A – manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudina l, perda de secção de armadura ≤≤≤≤ 1%.

•••• Nível B – manchas de ferrugem, alguma fendilhação longitudina l e transversal, algum descasque do betão, perda de secção da armadura a ≤≤≤≤ 5%.

•••• Nível C – manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque significativo do betão, perda de secção da armadura a ≤≤≤≤ 10%.

•••• Nível D – manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque do betão em algumas zonas deixando a armadura à vista, perda de secção da armadura a ≤≤≤≤ 25%, eventuais

43/2152011/2012

zonas deixando a armadura à vista, perda de secção da armadura a ≤≤≤≤ 25%, eventuais deslocamentos residuais.

•••• Nível E – manchas de ferrugem, fendilhação extensa, descasque do betão em algumas zonas deixando a armadura à vista, encurvadura da a rmadura em pilares, rotura de algumas cintas e estribos, deslocamentos residuais nítidos.

rR = Rres/Ri Idade do Betão

Nível A Nível B Nível C Nível D

Novo 0.95 0.80 0.60 0.35

Velho 0.85 0.70 0.50 0.25

rk = Kres/K i = 80% rr


Classificação dos elementos estruturais

[CEB – GTG21]

Coeficiente de capacidade: φφφφ = R '

d

S 'd

R'd

S 'd

– Esforço residual resistente

– Esforço actuante

44/2152011/2012

−−−− Não aceitáveis φφφφ ≤≤≤≤ 0.5 é necessário intervir de imediato

−−−− Não reparáveis φφφφ << devem ser demolidos

Em função da importância e tipo de utilização da es trutura e do nível de danos verificado

serão definidos os tipos de intervenção a implement ar.

−−−− Aceitáveis φφφφ ≥≥≥≥ 1

−−−− Toleráveis 0.5 < φφφφ < 1 são aceitáveis sob certas condições, tendo em ate nção aspectos sociais, históricos e económicos. No caso de estrut uras correntes a reparação/reforço deverá ser realizada dentro de 1 a 2 anos.


Aspectos a considerar :

Reforço Selectivo

� Minimizar a intervenção explorando de forma eficien te a ductilidade e a

Concepção da Intervenção

Concepção e Dimensionamento do Reforço

45/2152011/2012

capacidade resistente da estrutura


Dimensionamento do Reforço

Métodos simplificadosMétodo dos coeficientes globais

Concepção e Dimensionamento do Reforço

46/2152011/2012

Modelos numéricos completos

- simulação das tensões iniciais dos materiais existentes

- simulação dos mecanismos de transferência de tensões entre os materiais

de reforço e os existentes


Método dos coeficientes globais

1 −−−− Determinação da resistência como se a estrutura fos se monolítica e

sem danos: Ri

2 −−−− Aplicar coeficiente de monolitismo γγγγn,R : Rr = γγγγn,R Ri

Valores a título indicativo função da tecnologia de reforço

γγγγn,R

47/2152011/2012

Valores a título indicativo função da tecnologia de reforço

Responsabilidade do projectista

γγγγn,R

3 −−−− Verificar a ligação entre o material de reforço e o elemento existente

ττττSd ≤≤≤≤ ττττRd

σσσσSd ≤≤≤≤ σσσσRd


MODELO DE COMPORTAMENTO

ESTADO LIMITE ÚLTIMO DE FLEXÃO

48/2152011/2012

VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA: Msd < M’rd = Mrd + ∆∆∆∆ Mrd

M’rd = γγγγ n,R Mrd (As + Asr)Método coeficientes globais �


MODELO DE COMPORTAMENTO

E. L. ÚLTIMO DA LIGAÇÃO DA ARMADURA DE REFORÇO À ES TRUTURA

O dimensionamento pode ser

realizado adoptando um modelo

plástico ou modelo elástico

dependendo da ductilidade da

ligação

49/2152011/2012

Modelo elástico

4FSR

l0Modelo plástico


B

A

ττττTensões de corte na interface

Avaliação das tensões na interface da ligação

Modelo elástico

50/2152011/2012

p2 (x3)

x1

x2

As

x2

x3

A

B

p2 (x3)

bI

SVστ

1

0,1223 ==

z b

V

b

fτ

2==�Hipótese

Linha Neutra acima da Interface

• A0 é a área da secção acima da interface;

• S0,1 é o momento estático da área A0 em relação ao eixo x1;

• I1 é o momento de inércia da secção em relação ao eixo x1.


1. Ligação entre superfícies de betão existente/be tão novo sem conectores

•••• Aplicação restrita

−−−− Ausência de tracções

−−−− Tensões de corte baixas

−−−− Carregamentos monotónicos

−−−− Necessidade de colocar conectores no perímetro da z ona de ligação

Dimensionamento das ligações

51/2152011/2012

−−−− Necessidade de colocar conectores no perímetro da z ona de ligação

•••• Requer um nível de controlo de qualidade elevado

−−−− Preparação de superfícies

−−−− Composição do betão – baixa retracção

−−−− Cura do betão

A ligação é feita por ADERÊNCIA

Aderência Adesão (natureza química)

Atrito (natureza física)


Adesão

ττττrd,a = ηηηη f'ctd

f'ctd – tensão de rotura à tracção do betão existente

ηηηη = 0.25 a 1.0 consoante o tipo de superfície [EC8-part 1.4, 1995]

ηηηη = [MC90]0.2 superfícies lisas

0.4 superfícies rugosas

Atrito

52/2152011/2012

Atrito

Interfaces lisas ττττRd,f = 0.4 σσσσcd[MC90; EC8]

Interfaces rugosas ττττRd,f = 0.4 (fcd )4/3(σcd)2/3

σσσσcd – tensão de compressão na interface

As parcelas de adesão e atrito não devem ser somada s directamente com os seus valores máximos pois envol vemdeslizamentos diferentes na interface.

ATRITO

ADESÃO S (deslizamento)

ττττ


2. Ligações entre superfícies de betão existente/b etão novo com conectores

•••• Ligação mais fiável

Mecanismos de resistência

−−−− Adesão

−−−− Atrito

−−−− Efeito de costura dos conectores

−−−− Resistência ao corte dos conectores

ττττRd = ηηηη f’ ctd + µµµµ (σσσσcd + ρρρρb fsyd,b ) ≤≤≤≤ 0.25 f’ cd[MC90]

53/2152011/2012

atrito efeito decostura

τ σn

ws

τ

σs

σs

σn

ρρρρb ≥≥≥≥ 0.10% percentagem da área dos conectores

s – Deslizamento entre Facesw – Afastamento entre Facesτ – Tensão de Corte na Interfaceσs – Tensão de tracção nas Armaduras Transversais à Interfaceσn – Tensão de Compressão sobre a Interface.

Efeito de Costura


vRd,i = c fctd + µµµµ σσσσn + ρρρρb fyd,b (µµµµ sen αααα + cos αααα) ≤≤≤≤ 0.5 νννν fcd atrito e feito de costura

[EC2]

αααα

Distribuição da armadura de costura

54/2152011/2012

Tipos de

superfície Descrição c µµµµ

Muito lisa Cofragem metálica; plástico; madeira lisa

(Superfícies cofradas) 0.25 0.5

Lisa Superfícies não cofradas ou com cofragem

rugosa 0.35 0.6

Rugosa Superfície com rugosidade mínima de

3mm e espaçamento ∼∼∼∼40mm 0.45 0.7

Indentada Indentações com geometria definida (EC2) 0.50 0.9

Para cargas dinâmicas ou cíclicas os valores de C d evem ser reduzidos a metade


Resistência ao corte dos conectores

VRd,b = φφφφ2b [ ]1 + (1.3 εεεε)2 −−−− 1.3 εεεε fcd fsyd.b (1 −−−− ττττ2) <

As.b fsyd.b

3

εεεε = 3 lφφφφb

fcd

fsyd.b ττττ =

σσσσs.b

fsyd.b As,b =

ππππ φφφφ2b

4

φφφφ – diâmetro do conector

[MC 90]

55/2152011/2012

φφφφb – diâmetro do conector

As,b – área da secção do conector

l – excentricidade da carga

σσσσs,b – tensão de tracção no conector


3. Ligação entre superfícies de betão existente/re sina/chapas metálicas sem conectores

•••• A ligação é feita por ADESÃO

−−−− Adesão resina/betão

−−−− Adesão resina/aço

•••• Aspectos a considerar

56/2152011/2012

• necessário colocar conectores ou outros dispositivo s de amarração nas extremidades

das chapas para absorver as forças de arranque que aí se geram

• amarração fora das zonas críticas de potencial form ação de rótulas plásticas

• protecção contra o fogo

• controlo de qualidade elevado: preparação de superf ícies, resina, injecção ou colagem

ττττrd,g = f 'ctkγγγγm

= f 'ctd [CEB GTG21]


Amarração nas extremidades [EC8]

NSd,r = As,r fsyk ≤≤≤≤ NRd,g + NRd,b,n

NRd,b,n ≥≥≥≥ max

Nsd.r -

23 NRd.g

Nsd.r

2

57/2152011/2012

NRd.g = lg b f 'ctd

lg – comprimento da amarração

b – largura da chapa

NRd,b,n = n NRd,b

n – número de conectores


4. Ligação entre superfícies de betão existente/re sina/chapas metálicas com conectores

Chapas metálicas com conectores

•••• Ligação mais fiável

•••• A ligação é feita por: −−−− Adesão resina/betão

−−−− Resistência ao corte dos conectores

ττττRd = ττττRd,g + ττττRd,b

58/2152011/2012

−−−− ττττRd,g = f 'ctd + 0.2 MPa [CEB – GTG 21]

implica →→→→ 2 conectores por secção com espaçamentos ≤≤≤≤ 200mm

Considerando que a mobilização da resistência das pa rcelas da adesão e conectores envolvem deslizamentos diferentes:

−−−− ττττRd,b = γγγγn,R n VRd.b

Ac

VRd,b – resistência ao corte de cada conector

n – número de conectores

Ac – área da interface

γγγγn,R = [0.7] coeficiente de monolitismo

−−−− ττττRd,g ≈≈≈≈ 0.5 Mpa e ττττRd,b = n VRd.b

Ac [IST]

Alternativa:


TIPOS DE INTERVENÇÃO DE REFORÇO ESTRUTURAL

Reforço por Adição deArmaduras Exteriores

Reforço com Encamisamento (Armaduras e Betão/Argamassas )

Metálicas

Fibras de carbono, vidro, aramida(CFRP; GFRP; AFRP)

59/2152011/2012

Reforço com Encamisamento (Armaduras e Betão/Argamassas )

Pré-esforço Exterior

Substituição por Novos Elementos

Adição de Novos Elementos

Cabos de aço

Laminados de carbono


REFORÇO POR ADIÇÃO DE ARMADURAS EXTERIORES

Reforço por colagem de chapas metálicas

60/2152011/2012


Reforço por colagem de chapas metálicas

•••• Campos de aplicação

−−−− Quando há deficiência de armaduras

−−−− O betão é de boa/média qualidade

−−−− É inconveniente o aumento das secções

61/2152011/2012


−−−− O reforço é moderado

−−−− Reforço em vigas ao momento flector e esforço trans verso

−−−− Reforço em lajes ao momento flector

−−−− Mais adequado para acções monotónicas

−−−− (Não se aplica no reforço à compressão -tendência d as chapas a encurvarem-)

−−−− (Pouco eficaz para o reforço à acção sísmica)


•••• Aspectos principais da solução

−−−− Rapidez de execução e interferência mínima na utili zação da estrutura

−−−− Susceptibilidade à exposição solar, problemas de fl uência para cargas permanentes, mau

comportamento ao fogo e à fadiga

−−−− Requer elevado controlo de qualidade: preparação de superfícies, características da resina, execução dos trabalhos, ...

−−−− Requer empresas e pessoal técnico especializado

62/2152011/2012

−−−− A espessura das chapas varia, em geral, de 3 a 10mm

−−−− O aço deve trabalhar a baixas tensões por forma a n ão serem necessárias deformações

excessivas para mobilizar a sua capacidade resisten te ⇒ Fe 360

−−−− A colagem é feita com resina epóxi aplicada por inj ecção ou por espatulamento

−−−− A ligação deve ser complementada com conectores e a s chapas devem ser

convenientemente amarradas nas extremidades

−−−− As chapas devem ser protegidas contra a corrosão e a acção do fogo.


•••• Características médias da resina

−−−− Resistente à compressão 80 a 120 MPa

−−−− Resistência à tracção 40 a 55 MPa

−−−− Resistência à tracção por Flexão 25 a 35 MPa

−−−− Resistência ao corte 12 a 20 MPa

−−−− Adesão Aço-Resina 1 a 6 MPa

−−−− Adesão Betão -Resina 2 a 8 MPa

63/2152011/2012

−−−− Adesão Betão -Resina 2 a 8 MPa

−−−− Módulo de Elasticidade 2 a 17 GPa

−−−− Coeficiente de Poisson 0.27

−−−− Coeficiente de Fluência para uma compressão

de 40 MPa 12

−−−− A espessura da camada da resina de colagem deverá s er a menor possível por forma

a reduzir as deformações a longo prazo por fluência ⇒ (e ≤ 1 a 3 mm)


1 – Escoramento- Controlar: deformação das secções;

deslocamentos

- Evitar colapsos durante a reparação

2 – Preparação da superfície

� garantir ligação adequada entre as chapas e o betão

EXECUÇÃO

64/2152011/2012

a) tornar as superfícies rugosas – martelo de agulha s;

jacto de areia;

jacto de água de alta pressão

b) limpeza – jacto de água

3 – Colocação das chapas– furação do betão; colocação dos conectores

4 – Colagem das chapas

– selagem e injecção de resina epóxi


EXECUÇÃO

Preparação de superfíciesMartelo de agulhas

Jacto de areia

65/2152011/2012

Jacto de água


EXECUÇÃO

Preparação de superfíciesJacto de água de alta pressão

66/2152011/2012

Diferentes níveis de preparação de superfície


EXECUÇÃO

Preparação de superfícies

Jacto de areia e água

67/2152011/2012


EXECUÇÃO

Colocação e colagem das chapas

68/2152011/2012


CONTROLO DE QUALIDADE

ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA - BETÃO

69/2152011/2012


CONTROLO DE QUALIDADE

ENSAIO DA LIGAÇÃO RESINA – CHAPA METÁLICA

70/2152011/2012


REFORÇO À FLEXÃORecomendações:

71/2152011/2012

SEM CONECTORES COM CONECTORES

ts ≤≤≤≤ 4mm t s ≤≤≤≤ 12mm

tg ≤≤≤≤ 2mm t g ≤≤≤≤ 2mm

50 ≤ bs ≤ 300mm

As,r ≤≤≤≤ 3/4 As,i

∆∆∆∆MRd,r ≤≤≤≤ 0.5 MRd,i ∆∆∆∆MRd,r ≤≤≤≤ MRd,I

La,min ≥≥≥≥ bs ; 200mm

γγγγn,k = γγγγn,M = 1.0 γγγγn,k = 0.9; γγγγn,M = 1.0

80 ≤ bs ≤ (300mm)


REFORÇO À FLEXÃO - Dimensionamento

Modelo de comportamento


72/2152011/2012


admitindo z ≈≈≈≈ 0.9 d obtém-se:

Coeficientes de monolitismo: γγγγn,M = 1.0 (γγγγn,k = 0.9)

Mrd ≈≈≈≈ As,eq 0.9 deq fyd,i = fyd,i

As,i 0.9 di + As,r 0.9 dr fyd,rfyd,i

Mrd = As,eq Zeq fyd,i = As,i Zi fyd,i + As,r Zr fyd,r

As,r =

fyd,i

fyd,r

As,eq deqdr

−−−− As,i d idr


Verificação da ligação

73/2152011/2012

Distribuição plástica das tensões de aderência

•••• Ligação sem conectores

FSd = As,r fsyd,r ≤≤≤≤ ττττrd bs L2

ττττRd ≤≤≤≤ fctd

•••• Ligação com conectores

FSd = As,r fsyd,r ≤≤≤≤ n VRd,b + ττττRd bs L2

ττττRd ≈≈≈≈ 0.5 MPa

Mais ancoragem das chapas nas extremidades


REFORÇO AO ESFORÇO TRANSVERSO

Recomendações:

hshs

74/2152011/2012

SEM CONECTORES COM CONECTORES

ts ≤≤≤≤ 3 mm t s ≤≤≤≤ 8 mm

tg ≤≤≤≤ 2 mm t g ≤≤≤≤ 2 mm

hs ≥≥≥≥ 100 ts hs ≥≥≥≥ 100 ts

∆∆∆∆VSd ≤≤≤≤ 1/2 Vsd,i


Verificação da segurança de vigas ao esforço transv erso

Vsd ≤≤≤≤ Vmaxrd = 0.6 fcd bz sen θθθθ cos θθθθ

Vsd ≤≤≤≤ Vrd = γγγγn,v ( )Vrd,i + Vrd,r

75/2152011/2012

Vrd = γγγγn,v

0.9 di Asw,i

s cotg θθθθ fyd,i + 0.9 dr Asw,r

s cotg θθθθ fyd,r

Coeficiente de monolitismo γγγγn,V = 0.9


Soluções de reforço

76/2152011/2012


REFORÇO DE PILARES

Pormenores de ligações

77/2152011/2012

Pormenores de ligação das armaduras nos nós


REFORÇO DE PILARES

Ligação das armaduras à fundação

78/2152011/2012

Verificação da Segurança

As,eq = As,i + As,r fyd,rfyd,i


Coeficiente de monolitismo: γγγγn,V = 0.9


ENSAIO

79/2152011/2012

MRd (KNm)

MR,i (KNm)

MR,r2 (KNm)

Mu (KNm)

1561.2 1034.9 2777 2760


REFORÇO DE ESTRUTURAS COM FRP

80/2152011/2012



−−−− Quando há deficiência de armaduras

−−−− O betão é de boa/média qualidade

−−−− O aspecto estético é importante


−−−− O reforço é moderado


81/2152011/2012


−−−− Reforço em lajes ao momento flector

−−−− Reforço de pilares por confinamento do betão

−−−− Acções monotónicas em vigas e lajes

−−−− Não se aplica no reforço à compressão excepto no re forço por confinamento dobetão

−−−− Pouco eficaz para o reforço à acção sísmica excepto no que se refere ao aumento da ductilidade



−−−− Interferência mínima na utilização da estrutura

−−−− Susceptibilidade à exposição solar, problemas de fl uência para cargas permanentes, mau comportamento ao fogo e à fadiga

−−−− Requer elevado controlo de qualidade: preparação de superfícies, características deresina, execução dos trabalhos, ...

−−−− Requer empresas e pessoal técnico especializado

82/2152011/2012

−−−− O reforço é realizado com laminados ou mantas

−−−− A colagem é feita com resina epóxi aplicada por esp atulamento ou a rolo

−−−− Resistência à tracção muito superior à do aço, ausê ncia de corrosão, baixa densidade, dimensões contínuas

−−−− Grande rapidez e facilidade de execução


Material Módulo de Elasticidade [GPa]

Tensão de Rotura [MPa]

Extensão Última [%]

CarbonoAlta resistênciaRes. ultra elevadaE elevadoE ultra elevado

215 – 235215 – 235350 – 500500 – 700

3500 – 48003500 – 60002500 – 31002100 – 2400

1.4 – 2.01.5 – 2.30.5 – 0.90.2 – 0.4

VidroE 70 1900 – 3000 3.0 – 4.5

MATERIAISFIBRAS

83/2152011/2012

ES

7085 – 90

1900 – 30003500 – 4000

3.0 – 4.54.5 – 5.5

AramidaE baixoE elevado

70 – 80115 – 130

3500 – 41003500 – 4000

4.3 – 5.02.5 – 3.5

LAMINADOS

Incorporam cerca de 50 – 70% de fibras (em volume)

Espessura: 1.2 – 1.4mm

Ef = 150 / 200 / 300 GPa

MANTAS

Incorporam cerca de 25 – 35% de fibras

Espessura: 200 g/m 2 – 0.111mm

300 g/m2 – 0.167mm

Ef = 240 / 390 / 640 GPa


LAMINADOS

84/2152011/2012


MANTAS

85/2152011/2012


REFORÇO À FLEXÃO E ESFORÇO TRANSVERSO

LAMINADOS

86/2152011/2012

LAMINADOS E MANTAS


Tipos de Rotura

Arrancamento na zona de ancoragem

Reforço à Flexão

87/2152011/2012

Arrancamento devido a fendas de corte


Arrancamento nas fendas de flexão

88/2152011/2012

Outros tipos de rotura

Arrancamento devido a Imperfeições no suporteRotura por corte na extremidade do reforço


DIMENSIONAMENTO

Documentos de referência:

•••• Bulletin 14 – fib

•••• Bulletin 55 – Concrete Society

•••• ACI 440

•••• Japanese Standard

•••• ISIS - Canadá

•••• S&P

89/2152011/2012

•••• S&P

Bases para o dimensionamento:

•••• Modelos analíticos ou semi-empíricos

•••• Calibração dos modelos com trabalhos experimentais

•••• Hipóteses semelhantes às utilizadas em B.A.

•••• Filosofia de verificação baseada em Estados Limites


DIMENSIONAMENTOCoeficientes de Segurança

� Bulletin 14 – FIB

ACI 440 –2000

Factores de segurança γ M

CFRP 1,351,2

Tipo de sistemaFRP

SistemasSistemasPré-fabricados "in situ"

90/2152011/2012

� ACI 440 –2000

Os valores nominais da resistência à flexão, M n e ao corte, V n são ainda multiplicados por um factor φφφφ

⇒ Kglobal ≈≈≈≈ 0.8 ⇒ γγγγM ≈≈≈≈ 1.25

Factor C E

Sistemas CFRP

0,950,850,85Ambientes agressivos

Quadro 3.2 - Valores de CE (ACI 440-2000)

Condições de exposição

Ambientes interioresAmbientes exteriores


DIMENSIONAMENTO

� Zonas afastadas da ancoragem

Limitação da extensão última das fibras de CFRP

εf,lim ≤ 0.65% a 0.85%

� Zona de ancoragem

As

fib – bulletin 14 - Abordagem 1

91/2152011/2012

As

Af

Af Ef εf,limctm

ffmáxb, f2

tE l

××=

ctmffcbfmáxm, ftEKKb0,64α T ××××××××××××××××××××××××××××====

[mm]


αααα = 0.9 – 1.0 - factor de redução que tem em conta a influência das fendas de corte na resistência da aderência ( αααα =1 em lajes e vigas com resistência inicial ao esforço transverso suficiente)

Kb - factor que tem em conta a influência da geometria da zona de ancoragem

1≤≤≤≤ Kb ≤≤≤≤1.29

bf / b ≥≥≥≥ 0.3)400/b1/()b/b-(21,06 K ffb ++++××××====

92/2152011/2012

Kc Condições Exemplo

1 Muito boas Condições de laboratório

0.85 – 0.95 Boas Ambientes fechados, boas condições de t rabalho

0.75 – 0.85 Normais Ambientes abertos, boas condições de trabalho

0.65 – 0.75 Más Ambientes poeirentos, húmidos, más condi ções de trabalho


Ensaios de ancoragens de laminados

93/2152011/2012

Existe um comprimento de ancoragem máximo a partir do qual a força

resistente da ancoragem não aumenta mais


Abordagem 1 – Outros documentos

•••• S&P, 2008

εf,lim = 0.75% para E f = 150 Gpa

εf,lim = 0.65% para E f = 200 Gpa

•••• Japanese standard

εf,lim = 0.4 a 0.8% depende de E f

94/2152011/2012

•••• ACI 440

para n E f tf ≤ 214000

para n E f tf ≥ 214000

Reforços com maior rigidez, ⇒ menor εf,lim

ε

428000tnE

1ε fuff

limf, ×−=

ε

tnE107000

ε fu

ff

limf, ×=


Abordagem 1

•••• Método baseado em observações experimentais

•••• Não considera as propriedades do CFRP (espessura e área de colagem), do betão,

espaçamento entre fendas, etc

95/2152011/2012

•••• Diferentes autores ⇒ diferentes valores sugeridos

•••• Apenas o ACI têm explicitamente em conta a rigidez dos sistemas CFRP

•••• Zona de ancoragem ⇔⇔⇔⇔ Método calibrado apenas para sistemas Laminados



• Espaçamento entre fendas de flexão;

• Variação de tensão no CFRP entre duas fendas ( ∆σ∆σ∆σ∆σfd);

• Comparação com valor admissível da variação de tens ão (máx ∆σ∆σ∆σ∆σfd);

96/2152011/2012

•••• É um método fundamentado

•••• Sistemas laminados ε f,lim ≈≈≈≈ 2,6 o/oo

•••• Aplicação prática complexa



Zona de Ancoragem = abordagem 1

Zona de flexão

- εf < εfu - (Extensão última do laminado)

- Tensão de corte na ligação ττττb ≤≤≤≤ fcbd valor limite

- tensão de corte na ligação - ττττb

Armadura fora da cedência: εs < εydcbd

db f

EA1db95.0

V ≤

+=τ

97/2152011/2012

Armadura fora da cedência: εs < εyd

Armadura em cedência: εs > εyd

Tensão resistente de aderência: f cbd = 1.8 fctk /γγγγc

•••• Expressões de fácil aplicação

•••• Considera um maior número de parâmetros relacionado s com o arrancamento: A s, Af, Es, Ef, bf e fcbd

•••• Constata-se alguma coerência com o proposto pelo AC I 440

•••• Por vezes conduz a valores com tendência conservati va.

ff

s1sf EA

EA1db95.0

+

cbd

f

db f

db95.0V ≤=τ


Reforço à Flexão – Proposta

•••• Zonas afastadas da ancoragem

� Limitação da extensão última das fibras de CFRP

εf,lim ≤ 0.65%

� Tensão de corte na ligação

ττττb ≤≤≤≤ fcbd

Armadura fora da cedência: εs < εydcbd

s1sf

db

f

EAEA

1db95.0

V ≤

+

=τ

98/2152011/2012

Armadura em cedência: εs > εyd

ff

f EA1db95.0

+

cbd

f

db f

db95.0V ≤=τ

Tensão resistente de aderência: f cbd = 1.8 fctk /γγγγc

•••• Zona de ancoragem

ctm

ff

máxb, f2tE

l××=

ctmffcbfmáxm, ftEKKb0,64α T ××××××××××××××××××××××××××××====


Reforço ao Esforço Transverso

Adaptação dos modelos utilizados para armaduras

VRd = Vwd + Vfd

99/2152011/2012

Vwd = (As/s) f yd z cotg θθθθ

Vfd = (2 tf) Ef εεεεfd,e z (cotg θθθθ + cotg αααα ) senαααα

- Armaduras

- Reforço CFRP contínuo


Vfd = (2 tf bf / s f) Ef εεεεfd,e z (cotg θθθθ + cotg αααα ) senαααα

- Reforço CFRP espaçado

100/2152011/2012

Extensão efectiva de cálculo:

εεεεfd,e = εεεεfk,e / γγγγf

γγγγf = 1.2 laminados

γγγγf = 1.35 mantas


(fib – bulletin 14)•••• εεεεf,e pode ser determinada por:

fu

0.3

ffu

2/3

ef, ερE

f0.17 ε

cm ×

×=

� Reforço em forma de U

� Reforço envolvendo a secção

ρf = (2tf/bw) sen α Reforço contínuo

ρf = (2tf/bw) bf/s f Reforço espaçado

56.02/356.02/3 ff 0.3

fcm [MPa]

101/2152011/2012

Proposta: εεεεfk,e ≤ 0.6 %

ACI 440: εεεεfk,e ≤ 0.4 %

××××

××××××××

××××==== −−−−

fu

56.0

ffu

2/3

3

56.0

ffu

2/3

ef, ερE

f0.17 ,10

ρE

f0.65 min ε

cmcm

0.3

descolamento rotura

Efu [GPa]


Ensaios – sistema laminados L

102/2152011/2012


Beam T3

103/2152011/2012


104/2152011/2012


Sistema laminados L

105/2152011/2012


Reforço de Pilares

106/2152011/2012


Reforço de Pilares por Confinamento do Betão

107/2152011/2012


Aplicação de mantas de carbono no confinamento de pilares

108/2152011/2012


Secção tipo do estado actual

Reforço com Mantas CFRP

Pilar com dano originado por corrosão de armaduras

109/2152011/2012

Secção tipo reparada


18,00

20,00

Reforço de pilares por confinamento do betão – juntas de betonagem

110/2152011/2012

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80

εc (%)

fc (

MP

a)

1

2

3

3 camadas2 camadas1 camadaSem

reforço


ENSAIOS

Reforço à Flexão

VIGA DE REFERÊNCIA

111/2152011/2012


VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS CFRP

112/2152011/2012


VIGA REFORÇADA COM LAMINADOS E MANTAS CFRP

113/2152011/2012


VIGA REFORÇADA COM CHAPAS METÁLICAS E MANTAS CFRP

114/2152011/2012


Montagem do ensaio

115/2152011/2012


Rotura do reforço por corte na ligação à viga –interface betão/armadura-

116/2152011/2012


Viga reforçada com laminados e mantas U

117/2152011/2012


Viga reforçada com chapas metálicas

118/2152011/2012


RESULTADOS DOS ENSAIOS

Gráfico P- δδδδ a meio vão das 4 vigas

240,0260,0280,0300,0320,0340,0360,0

Viga εεεε,máx (x10-3) CFRP 7,4

CFRP + U 8,9

119/2152011/2012

0,020,040,060,080,0

100,0120,0140,0160,0180,0200,0220,0

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0

δδδδ (mm)

P (

kN) CFRP e U

CFRP

Referência

Chapa e U


REFORÇO DE PILARES PARA ACÇÕES CÍCLICAS POR CONFINAMENTO DO BETÃO COM CFRP

Resposta de um oscilador à acção sísmica

120/2152011/2012

Resposta elástica

Resposta inelástica

Maior confinamento �

� maior ductilidade �

� maior capacidade de dissipação


ENSAIOS EXPERIMENTAIS

121/2152011/2012

Ref. – “Comportamento de pilares de betão armado reparados ou reforçados com encamisamento local”

António Cardoso, IST, 2003


EXECUÇÃO DO REFORÇO

Preparação da superfície

122/2152011/2012

Aplicação do sistema de reforço com mantas de fibra s de carbono


Diagramas carga – deslocamento

Pilar de referência

P1

123/2152011/2012

Pilar danificado, reparado com argamassa e reforçado com duas camadas de fibra de carbono

P3


Pilar reforçado com duas camadas de fibra de carbono

P4

124/2152011/2012

Pilar reforçado com quatro camadas de fibra de carbono

P7


Energia dissipada acumulada [kNm]

125/2152011/2012


REFORÇO COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOSMetodologiasa) Método Indirecto: Aplicação de contra-flecha à estrutur a

1) Aplicar força vertical para cima utilizando grandes macac os hidráulicos.

126/2152011/2012

2) Colar o FRP à estrutura.

3) Retirar os macacos hidráulicos.

� Não é fácil de controlar o nível de PE instalado

� A relação PE instalado vs esforço para aplicar contra-flech a à estrutura em geral não compensa


1) Colar as extrem. do FRP em ancoragens e aplicar o PE num pórt ico auxiliar.

Metodologiasb.1)Método Directo: PE do FRP contra uma estrutura auxiliar

127/2152011/2012

2) Aplicar o FRP PE à estrutura. Deixar o pórtico aux. até a res ina endurecer.

3) Cortar o FRP PE das ancoragens e transferir o PE para a estru tura.

� Fácil de aplicar em pequenas estruturas

� Necessita de pórtico auxiliar de grandes proporções em estr uturas de grande porte


1) Montar ancoragens na estrutura. 2) Aplicar PE no FRP.

b.2)Método Directo: PE do FRP contra a própria estruturaMetodologias

128/2152011/2012

� As ancoragens são uma vantagem para contrariar o arrancamen to prematuro por corte do FRP

� Este método só necessita de equipamento mais leve pelo que o t orna mais versátil

� É o mais promissor para aplicações in situ

� Encontrados exemplos de aplicações in situ em: Inglaterra, Suiça, Alemanha, Holanda, EUA, Itália,Áustria e Coreia


REFORÇO COM LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS

Tecnologia

129/2152011/2012

1. Ancoragem fixa

Chapa de aço ligada ao elemento estrutural por meio de conectores. O laminado é colado à chapa e ao be tão com resina epóxi.

2. Ancoragem móvel

Laminado colado entre duas chapas de aço ligadas po r parafusos.

3. Sistema de aplicação do pré-esforço

Macaco hidráulico ligado a uma chapa de aço fixada por conectores ao betão que funciona como elemento de reacção. Após a aplicação do pré-esforço esta chapa funciona como ancoragem do laminado.


Aspectos Principais

−−−− Equipamento de aplicação do pré-esforço leve e fáci l de operar

−−−− Possível aplicar pré-esforço correspondente a along amentos do laminado da ordem

de 0.4 a 0.6%

−−−− Forças de pré-esforço da ordem de 50 – 100 kN

−−−− Redução das deformações e abertura de fendas nos el ementos reforçados (reforço activo)

130/2152011/2012

−−−− Redução das deformações e abertura de fendas nos el ementos reforçados (reforço activo)

−−−− Maior exploração da capacidade resistente dos lamin ados

−−−− Melhor comportamento do reforço devido às ancoragen s nas extremidades do laminado

−−−− Aumento de custo do reforço devido às chapas de anc oragem.


ENSAIOS

131/2152011/2012


Resultados

dos ensaios

132/2152011/2012


TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS

PRÉ-ESFORÇADOS

133/2152011/2012


TECNOLOGIA DE APLICAÇÃO DOS LAMINADOS

PRÉ-ESFORÇADOS

134/2152011/2012


135/2152011/2012


LAMINADOS PRÉ-ESFORÇADOS

NÃO ADERENTES

136/2152011/2012


Aplicação no reforço de uma laje

137/2152011/2012


Ensaio do sistema de pré-esforço S&P

0,145

3,80

4,60

6,00

0,10

0,40

0,70 0,40

0,35

Laminado CFRP0,220

0,40 0,70

0,35 [m]

Chapas de ancoragem(400 x 220 x 8 mm ³)

8 Buchas metálicas(M10)

138/2152011/2012


Resultados dos ensaios

139/2152011/2012


Ensaio do sistema de pré-esforço SIKA

140/2152011/2012



141/2152011/2012


REFORÇO DE ESTRUTURAS POR ENCAMISAMENTO

DE SECÇÕES

Aumento da secção transversal através da adição de armaduras suplementares e betão

142/2152011/2012



−−−− Aumentar a resistência de zonas comprimidas

−−−− Necessidade de grande aumento de resistência/rigide z

−−−− Necessidade de garantir boa protecção ao fogo das a rmaduras de reforço

−−−− Reforço de lajes, vigas, pilares e paredes para tod os os esforços, em especial os devidos à acção sísmica

143/2152011/2012


−−−− Implica um aumento das dimensões das secções transv ersais

−−−− Grande interferência na utilização da estrutura

−−−− Relativamente ao reforço com chapas metálicas apres enta as vantagens do reforço

à acção sísmica, melhor protecção ao fogo e à corro são das armaduras de reforço

−−−− Requer preparação de superfície cuidada do betão ex istente


Execução de um Encamisamento

1 – Escoramento- Controlar: deformação das secções;

deslocamentos- Evitar colapsos durante a reparação

2 - Preparação da superfície

- garantia de melhor ligação entre o material de adi ção e o inicial;

- remoção de betão alterado

144/2152011/2012

a) tornar as superfícies rugosas – martelo de agulha s; jacto de areia;jacto de água de alta pressão

b) limpeza – jacto de água


3 - Colocação das armaduras adicionais(reposição no caso de deterioração das armaduras in iciais)

4 - Betonagem

Materiais: betãoargamassa

Tecnologia de aplicação: CofradoProjectadoAplicação directa (à colher)

145/2152011/2012

(Utilização de resinas de colagem)

50 mm – betão projectado

emin = 70 a 100 mm – betão cofrado

30 a 50 mm – argamassa especial

5 - Cura


Ensaios relativos ao desempenho de diferentes tipos de preparação de superfície

146/2152011/2012

Martelo de agulhas Martelo de guilho

Jacto de água de alta pressãoJacto de areia e água


80

100

120

140Poly. (ADS-PS1-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-Prov_2)

Poly. (ADS-PS2-Prov_1) Poly. (ADS-PS2-Prov_2)



Poly. (ADS-PS1-R1-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-R1-Prov_2)

Poly. (ADS-PS1-R2-Prov_1) Poly. (ADS-PS1-R2-Prov_2)


Ligação por adesão

Jacto de areia e água

Martelo de agulhas

147/2152011/2012

0

20

40

60

80

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040

s (mm)

V (

kN)

Jacto de água de alta pressão

Martelo de agulhas

Martelo de guilho


Materiais de Encamisamento

Materiais de alta qualidade- elevada resistência à compressão

- boa aderência

- boa trabalhabilidade

- baixa retracção

- compatibilidade de deformações com os materiais in iciais

Betões e argamassas moldados

- materiais à base de ligantes hidráulicos

148/2152011/2012

- materiais à base de ligantes hidráulicos

- materiais à base de ligantes sintéticos (resinas)

• sensibilidade à humidade

• retracção por vezes elevada

• não passivam as armaduras

• baixa resistência ao fogo

• preço elevado

Betões e argamassas projectadas• fácil de colocar • acabamento irregular

• boa aderência • sujidade

• elevada resistência


Disposição de armaduras adicionais

Reforço de vigas

149/2152011/2012


Amarração dos varões nos nós

150/2152011/2012

Amarração dos varões nos nós


Verificação da segurança de vigas à flexão

Modelo de comportamento

151/2152011/2012


Mrd = γγγγn,M { }Aeqs zeq f i

syd = A is zi f i

syd + A rs zr f r

syd


Aeqs = A i

s + A rs

f rsyd

f isyd

zeq = A i

s zi f isyd + A r

s zr f rsyd

A is f i

syd + A rs f r

syd

Verificação da segurança de vigas à flexão

Admitindo z ≈≈≈≈ 0.9 d obtém-se:

M rd ≈≈≈≈ γγγγn,M

Aeqs 0.9 deq f i

syd = f isyd

A is 0.9 di + Ar

s 0.9 dr f rsyd

f isyd

Utilização de tabelas correntes de dimensionamento de armaduras

152/2152011/2012

Utilização de tabelas correntes de dimensionamento de armaduras

Ars =

f rsyd

f isyd

Aeqs

deq

dr - Ais

di

dr

Coeficientes de monolitismo

Resistências – γγγγn,M

Deformabilidade – γγγγn,K

Em vigas – γγγγn,M = 0.90 e γγγγn,k = 0.85

Em lajes – γγγγn,M = 1.00 e γγγγn,k = 1.00EC 8 (parte 1.4, 1995)


Ligação entre o betão existente e o material de adi ção

O funcionamento e eficiência de um reforço por enca misamento depende fundamentalmente da aderência entre os materiais

153/2152011/2012

Os valores das tensões tangenciais são dados por:

ττττ1 = Vsd

br zeq ττττ2 =

Vsd

br zeq ××××

A rs f r

syd

A rs f r

syd + A is f r

syd

ττττrd,a = ηηηη f'ctd

ηηηη =

[MC90]

0.2 superfícies lisas

0.4 superfícies rugosas


Verificação da segurança de vigas ao esforço transv erso

V ≤≤≤≤ Vmax = 0.6 f b izi sen θθθθ cos θ + θ + θ + θ + 0.50.50.50.5 ∗ ∗ ∗ ∗ 0.6 f (br- b i) zr sen θθθθ cos θ θ θ θ

154/2152011/2012

Vsd ≤≤≤≤ Vmaxrd = 0.6 fcd b izi sen θθθθ cos θ + θ + θ + θ + 0.50.50.50.5 ∗ ∗ ∗ ∗ 0.6 fcd (br- b i) zr sen θθθθ cos θ θ θ θ

Vsd ≤≤≤≤ Vrd = γγγγn,v ( )V ird + V r

rd

Vrd = γγγγn,v

0.9 d i A i

sw

s cotg θθθθ f iyd + 0.9 dr

A rsw

s cotg θθθθ f ryd

Coeficiente de monolitismo

[Eurocódigo 8 – parte 1.4, 1995]γγγγn,V = 0.80 ; γγγγn,k = 0.75

Recomendação: VfinalRd < 2 V i

Rd


Disposições de armaduras adicionais

Reforço de pilares

155/2152011/2012


Verificação da segurança de pilares

γγγγn,M N = 0.90


156/2152011/2012

- reforço ligeiro:

- reforço significativo:

A fc < 2 Ai

c

A fc > 2 Ai

c (a secção inicial é desprezável)


Aumento da resistência à compressão devido à cintag em (confinamento)

σσσσ*c = fcd (1.000 + 2.50 αααα ωωωωw) para:

σσσσ2fcd

< 0.05

σσσσ*c = fcd (1.125 + 1.25 αααα ωωωωw) para:

σσσσ2fcd

> 0.05

ou:

Resistência à compressão [MC90]

157/2152011/2012

fcd

σσσσ2 – tensão de confinamento: σσσσ2fcd

= 12 ωωωωw

ωωωωw = volume de estribosvolume de betão =

2 (b0 + h0) φφφφ 2

est4

1s

b0 h0

α - factor de eficiência (forma da secção e espaçament o das cintas)

(no caso de pilares rectangulares com cintas no con torno)


EFEITO DO CONFINAMENTO LATERAL NO COMPORTAMENTO DO BETÃO À COMPRESSÃO

158/2152011/2012

CONFINAMENTO DEVIDO ÀS CINTAS


EMENDA DE VARÕES LONGITUDINAIS

- emenda através de soldadura topo a topo

- emenda por sobreposição simples

- emenda por sobreposição lateral dupla

- emenda por sobreposição com uma cantoneira

159/2152011/2012


COMPORTAMENTO DE PILARES REFORÇADOS SUJEITOS A ACÇÕES CÍCLICAS

160/2152011/2012

Ref - A. Gomes, IST


161/2152011/2012

Pilar reparado

Varões emendados por soldadura

Pilar reforçado por encamisamento


Pilar reparado (P1R)

162/2152011/2012

Pilar reforçado (P2R)


163/2152011/2012

Modelo P1R Coeficiente de monolitismo Modelo P2R Coeficiente de

monolitismo

Rigidez 0.69 Rigidez 0.90

Força máxima 0.96 Força máxima 0.98

Energia dissipada 0.91 Energia dissipada 0.62

Ductilidade 1.00 Ductilidade 0.88


Reforço dos pilares de uma ponte

164/2152011/2012


Reforço dos pilares por encamisamento

165/2152011/2012


Teste piloto

166/2152011/2012


Aspecto final dos pilares

167/2152011/2012


REFORÇO COM PRÉ-ESFORÇO EXTERIOR

168/2152011/2012

� Alteração do sistema estrutural

� Aumento da capacidade resistente

� Correcção do comportamento em serviço

Aplicação


Exemplos – Alteração do sistema estrutural

Eliminar um apoio

Introduzir um apoio elástico

169/2152011/2012

Alterar o sistema de pilares


Exemplos – Corrigir comportamento deficiente

170/2152011/2012

Controlo da fendilhação e deformação

Aumento da capacidade resistente


Exemplo: aplicação de pré-esforço exterior no refor ço do tabuleiro de uma ponte em caixão

171/2152011/2012


g + q

PP

g, q

Efeito do Pré-esforço

172/2152011/2012

γγγγg g + γγγγq q

γγγγg g + γγγγq q’

g

g + P

(N = P; ∆σP)

P

(1)

(2)

δδδδ

Estrutura inicial

Estrutura reforçada

(1) Antes do reforço

(2) Após o reforço

� Aumento da capacidade de carga

� Melhoria do comportamento em serviço

Métodos de análise

Aná

lise

da s

ecçã

o

Aná

lise

da e

stru

tura

esfo

rço

com

o el

emen

tos

estr

utur

ais)

Mét

odos

sim

plifi

cado

s(c

arga

s eq

uiva

lent

es)

Aná

lise

da e

stru

tura

(cab

os d

e pr

é-es

forç

o co

mo

elem

ento

s es

trut

urai

s)

Mét

odos

sim

plifi

cado

s(c

arga

s eq

uiva

lent

es)


Pré-esforço exterior (não aderente)Dimensionamento

174/2152011/2012

Pré-esforço interior (aderente)


Tensões antes do reforço Tensões após do reforço

Exemplo

Reforço com Pré-esforço exterior

175/2152011/2012

Ref: Pederson H. et al “Strengthening of concrete bridges by use of external prestressing”


Ancoragem dos cabos

176/2152011/2012

Ref: Pederson H. et al “Strengthening of concrete bridges by use of external prestressing”


Exemplo de reforço com pré-esforço exterior

Desviadores

177/2152011/2012


Ancoragens

178/2152011/2012


Exemplo de reforço de silos e depósitos com

pré-esforço exterior

179/2152011/2012


REFORÇO DE ESTRUTURAS PARA A ACÇÃO SÍSMICA

Causas que originam o reforço:

� edifícios com valor patrimonial elevado

� edifícios estratégicos (hospitais, centrais de tele comunicações, ...)

180/2152011/2012

� pontes e viadutos em vias de acesso estratégicas

� estruturas dimensionadas com base em regulamentos a nteriores

– valor de projecto da acção sísmica inferior ao ac tual

� estruturas com fraca resistência à acção sísmica de vido a deficiências

de concepção, projecto e/ou execução


Deficiências observadas no comportamento de estrutu ras em sismos anteriores:

� cintagem das zonas críticas

� resistência e ductilidade do betão confinado

� encurvadura dos varões longitudinais

� resistência ao esforço transverso – roturas frágeis

181/2152011/2012

� amarração das cintas

� amarração dos varões longitudinais – emendas nos nós

� concepção geral dos edifícios

� resistência global insuficiente


Reforço de estruturas para a acção sísmica

� Aumento da capacidade resistente

� Aumento da ductilidade

� Redução dos efeitos da acção

182/2152011/2012

Redução dos efeitos da acção:

� sistemas de isolamento de base

� sistemas de dissipação de energia


Sistemas de isolamento de base

183/2152011/2012

Aparelhos de atrito tipo pendular

Aparelhos de neoprene de alta distorção


Introdução do isolamento

de base em pilares

184/2152011/2012


Introdução do isolamento de base num edifício antig o

185/2152011/2012


Sistemas de dissipação de energiaAmortecedores Viscosos

186/2152011/2012


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Ace

lera

ção

Se/

a g

2%

5%

10%15%

20%30%

Influência do isolamento de base e do amortecimento

187/2152011/2012

Período T (s)

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

Período T (s)

Des

loca

men

to S

De/

a g

2%

5%

10%15%

20%30%


Reforço baseado no acréscimo da capacidade resisten te

e de ductilidade face à acção sísmica

� Cuidados básicos na concepção do reforço

•••• Não aumentar as assimetrias

•••• Não fragilizar zonas da estrutura

•••• Tentar colmatar as deficiências encontradas

188/2152011/2012

� O reforço pode ser realizado por:

•••• Introdução de novos elementos resistentes

paredes de betão armado

pórticos de betão armado

pórticos metálicos

•••• Reforço de elementos existentes

encamisamento

adição de chapas ou perfis metálicos


Introdução de novos elementos resistentes

� Paredes de betão armado

� Têm uma resistência e rigidez elevada

� Reduzem a deformabilidade

� Fáceis de introduzir junto às paredes de empena ou no núcleo de escadas

� Dificuldade na fundação

� Pórticos de betão armado

189/2152011/2012

� Pórticos de betão armado

� Distribuição mais uniforme da resistência

� Em geral não se colocam problemas de fundação

� Obrigam a intervir num maior número de locais

� Pórticos metálicos e sistemas treliçados

� Menor acréscimo de massa à estrutura

� Maior ductilidade

� Podem surgir problemas de fundação


Reforço de elementos existentes

� Encamisamento

� Bom funcionamento à tracção e compressão

� Intervenção trabalhosa e com significativa interfer ência na utilização da estrutura

190/2152011/2012

� Adição de chapas ou perfis metálicos

� Menor interferência na utilização da estrutura

� Comportamento à compressão menos eficiente

� Problema de ligação do reforço nos nós


AUMENTO SIGNIFICATIVO:

� DUCTILIDADE

� CAPACIDADE DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA

� Reforço por confinamento do betão

� Aumento da ductilidade e da resistência ao esforço transverso

� Influência reduzida na resistência à flexão

� Intervenção fácil e com pouca interferência na util ização da estrutura

191/2152011/2012


REFORÇO DE FUNDAÇÕES

Situações tipo:

1. Transformação de edifícios existentes� Ampliação em altura

� Aumento de cargas

� Supressão de pilares

192/2152011/2012

2. Reforço de fundações deficientes

� Degradação da capacidade de suporte do terreno

� Sapatas superficiais com área insuficiente

� Deterioração ou defeitos em estacas

- apodrecimento de estacas de madeira

- corrosão de estacas metálicas

- estacas mal executadas ou calculadas

3. Escavação para a execução de caves sob o edifício ou em terreno confinante


TÉCNICAS DE REFORÇO DE FUNDAÇÕES

1. Reforço de fundações sem alterar o nível da transmi ssão das cargas ao terreno

� Consolidação das fundações por melhoramento das qua lidades mecânicas do solo de fundação

� Consolidação das fundações por aumento da superfíci e de apoio das sapatas

193/2152011/2012

2. Reforço de fundações por transporte das cargas para um terreno mais resistente

e mais profundo

� Poços

� Estacas

� Micro-estacas

� Jet-grounting


Reforço por aumento da superfície das sapatas

Sem aumento de espessura

194/2152011/2012

Com aumento de espessura

Sem aumento de espessura


Reforço sem aumento da superfície das sapatas

195/2152011/2012


Reforço com estacas ou micro-estacas

196/2152011/2012


Reforço da fundação de paredes de alvenaria

Reforço com

micro-estacas

197/2152011/2012


Exemplo

198/2152011/2012


Exemplo

199/2152011/2012


Recalçamento de fundações de paredes de alvenaria

Faseamento da execução

200/2152011/2012


Reforço com estacas

201/2152011/2012

Reforço da fundação com encamisamento de betão


Anomalias em estacas

202/2152011/2012



1

4

3

Ensaios diagrafia sónica (cross hole)

203/2152011/2012

3

2



1

4

3

204/2152011/2012

2



205/2152011/2012


REPARAÇÃO DE ESTACAS

206/2152011/2012


Estaca danificada por deficiência de betonagem

Reparação/reforço com jet-grout

207/2152011/2012


Ensaio prévio

208/2152011/2012

Estaca reforçada


INFRA-ESCAVAÇÃO

REFORÇO DE FUNDAÇÕES

209/2152011/2012

INFRA-ESCAVAÇÃO

Belbetões – Ponte Almirante Sarmento Rodrigues sobre o rio Douro


210/2152011/2012


REFORÇO DE LAJES FUNGIFORMES AO PUNÇOAMENTO

211/2152011/2012

� Reforço por adição de armaduras

� Reforço por espessamento da laje

� Reforço por adição de capitel de betão

� Reforço por adição de capitel metálico


REFORÇO POR ADIÇÃO DE ARMADURAS

212/2152011/2012


REPARAÇÃO / REFORÇO POR ESPESSAMENTO DA LAJE

213/2152011/2012

� Aumento da resistência ao punçoamento

� Aumento da resistência à flexão

� Redução da deformação


REFORÇO POR ADIÇÃO DE CAPITEL DE BETÃO

214/2152011/2012


REFORÇO POR ADIÇÃO DE CAPITEL METÁLICO

215/2152011/2012

Tecnicas reforço de estruturas

Engineering

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