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Manual de Reforço das Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono ARI DE PAULA MACHADO
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Ângela Carrilho Palha
1 Manual de Reforço das Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono ARI DE PAULA MACHADO
5 ÍNDICE Capítulo 1 O que são as fibras de carbono? Pag. 1 Capítulo Aplicação dos sistemas compostos. Pag. 9 Capítulo 3 Processo construtivo dos sistemas compostos. Pag. 15 Capítulo 4 Reforço à flexão com tecidos de fibras de carbono. Pag. 7 Capítulo 5 Reforço ao corte com tecidos de fibras de carbono aderidas externamente ao concreto. Pag. 47 Capítulo 6 Reforços com laminados de fibras de carbono. Pag. 55 Capítulo 7 Aumento da resistência axial das peças de concreto. Pag. 69 Capítulo 8 Considerações adicionais para o dimensionamento dos reforços com fibras de carbono. Pag. 91 Capítulo 9 Exemplos de reforços de estruturas de concreto armado com sistemas estruturados com fibras de carbono. Pag. 103 Programa Para o Cálculo de Reforços de Fibras de Carbono Pag. 109 Glossário dos termos técnicos mais utilizados Pag. 11 Produtos SK Wrap System Pag. 17 Bibliografia Pag. 19
6 CAPÍTULO 1 O QUE SÃO AS FIBRAS DE CARBONO? As fibras de carbono resultam do tratamento térmico (carbonização) de fibras precursoras orgânicas tais como o poliacrilonitril (PAN) ou com base no alcatrão derivado do petróleo ou do carvão (PITCH) em um ambiente inerte e, também, através de fibras de rayon. O processo de produção consiste na oxidação dessas fibras precursoras seguido do processamento a elevadas temperaturas (variando de 1.000oC a 1.500oC para as fibras de carbono a até cerca de 3.000oC para as fibras de grafite). Figura 1.1 Diagrama Tensão vs. Deformação das Fibras. Nesse processo térmico as fibras resultantes apresentam os átomos de carbono perfeitamente alinhados ao longo da fibra precursora, característica que confere extraordinária resistência mecânica ao produto final.
7 Quanto maior a temperatura em que o processo industrial se realiza maior será o módulo de elasticidade do material resultante, que varia desde 100GPa a 300GPa para as fibras de carbono até 650 GPa para as fibras de grafite. Quanto maior o módulo de elasticidade maior é o custo do material, o produto de maior módulo de elasticidade (grafite) custando cerca de 15 a 0 vezes mais caro do que a fibra de carbono com o módulo de elasticidade situado no extremo inferior da faixa. Normalmente os sistemas compostos estruturados que utilizam as fibras de carbono como elemento resistente apresentam as seguintes características: Extraordinária resistência mecânica. Extraordinária rijeza. Bom comportamento à fadiga e à atuação de cargas cíclicas. Elevada resistência a ataques químicos diversos. Não são afetados pela corrosão por se tratar de um produto inerte. Estabilidade térmica e reológica. Extrema leveza, devido ao baixo peso específico do sistema (da ordem de 1,6g/cm3 a 1,9g/cm3, cerca de 5 vezes menor do que o do aço estrutural) chega-se ao ponto de não se considerar o seu peso próprio nos reforços. O coeficiente de dilatação térmica dos compostos unidirecionais de carbono varia segundo suas direções longitudinal e transversal e dependem do tipo da fibra, da resina, e do volume de fibra no composto. Apresentamos abaixo tabela com os coeficientes de dilatação térmica para um composto unidirecional de fibra de carbono típico. Direção Longitudinal ( L) Transversal ( T) Coeficiente de Dilatação Térmica -6 o -10 / C a 0 x10 / C a 3x10-6/oC Observe-se que o coeficiente negativo de dilatação térmica indica que o material sofre contração com o aumento de temperatura e dilata com a diminuição da temperatura (somente como referência, o coeficiente de dilatação térmico do concreto é da ordem de 4 a 6x10-6/oC). A temperatura a partir da qual o polímero começa a amolecer é conhecida como temperatura de transição vítrea (TG). Acima dessa temperatura o módulo de elasticidade é significativamente reduzido devido a mudanças em sua estrutura molecular. O valor de TG depende fundamentalmente do tipo da resina, mas normalmente se situa na faixa entre 80ºC a 100ºC. Em um material composto as fibras de carbono, que possuem melhores propriedades térmicas do que as resinas podem continuar suportando alguma carga na sua direção longitudinal até que a sua temperatura limite seja alcançada (situada no entorno de 1.500oC). Entretanto, devido à redução da força de transferência por meio da cola entre as fibras, as propriedades de tração do composto como um todo são reduzidas após a ultrapassagem da temperatura de transição vítrea (TG). Experimentos demonstram que para temperaturas da ordem de 40ºC, bastante acima de TG, ocorre uma redução de cerca de 0% na resistência à tração do composto. O ACI 440 indica, genericamente, para os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono, CFC, as seguintes propriedades: Tipo da Fibra de Carbono De uso geral Alta resistência Ultra alta resistência Alto módulo Ultra alto módulo Módulo de Elasticidade (GPa) Resistência Máxima de Tração (MPa) < Deformação de Ruptura (%) > 1, > 1,4 > 1, > >.410 > 0,5 >0, -6 o Figura 1.3 Características genéricas das fibras de carbono. Figura 1. Coeficientes de dilatação das fibras de carbono.
8 Os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono, CFC, são construídos com dois elementos distintos e fundamentais: - a matriz polimérica, a quem cabe a função de manter as fibras que as estruturam coesas, propiciando a transferência das tensões de cisalhamento entre os dois elementos estruturais, concreto e fibra de carbono. - o elemento estrutural, constituído pelas fibras de carbono. As fibras dispostas unidirecionalmente dentro das matrizes poliméricas absorvem as tensões de tração decorrentes dos esforços solicitantes atuantes. após a tensão na fibra ter atingido a sua tensão de ruptura (limite de resistência). Para tanto, os sistemas compostos com fibras de carbono devem trabalhar segundo o critério fibra com ruptura frágil e matriz polimérica com ruptura dúctil, conforme indicado no lado esquerdo da Figura 1.5. Dessa maneira fica descartada a possibilidade de que o sistema composto entre em colapso pela ruptura frágil da matriz, possibilidade de ocorrência que está indicada na parte direita da Figura 1.5. A Figura 1.4 mostra esquematicamente um típico sistema composto estruturado com fibras de carbono. Naquela figura os bastonetes representam as fibras de carbono imersas na matriz polimérica. Nos plásticos, as armaduras (fibras) são responsáveis pela resistência mecânica do sistema, cabendo à matriz polimérica a transferência das tensões de cisalhamento do substrato de concreto para o sistema composto. Figura 1.5 Diagramas tensão vs. deformação para matrizes poliméricas. A Fotografia 1.1 mostra uma ampliação em microscópio eletrônico da matriz polimérica de um sistema composto estruturado com fibras de carbono. É interessante observar que as fibras de carbono do tecido se encontram totalmente impregnadas pelas resinas da matriz polimérica. A sequência para a execução dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono pode ser assim resumida: Recuperação do substrato de concreto armado para que o sistema possa ser aderido com segurança1. Figura 1.4 Representação esquemática de um sistema de fibras de carbono. A matriz polimérica tem necessariamente que ter um alongamento de ruptura muito maior do que o alongamento que ocorre na fibra de carbono, para permitir que a mesma continue a possuir capacidade de carga mesmo 1 - Essa exigência se aplica a qualquer sistema de reforço externo aderido, como, por exemplo, a colagem de chapas de aço através de resinas epoxídicas.
9 A Figura 1.6 apresenta a seqüência recomendada para a execução dos sistemas estruturados com fibras de carbono. Fotografia 1.1 Ampliação em microscópio eletrônico de um Sistema composto estruturado com fibras de carbono. Imprimação da superfície sobre a qual será aplicado o sistema para se estabelecer uma ponte de aderência entre o substrato de concreto e o sistema composto. Para tanto se utiliza um imprimador epoxídico (primer) com elevado teor de sólidos que, ao penetrar nos poros do concreto e ao estabelecer uma película sobre a superfície do concreto, cria uma interface altamente eficiente para a transmissão de esforços entre o composto e a peça de concreto. Regularização e correção das imperfeições superficiais do substrato de concreto, de modo a estabelecer um plano adequadamente nivelado. É utilizada uma pasta epoxídica contendo alto teor de sólidos para calafetar eventuais imperfeições superficiais e criar um plano desempenado para a aplicação do sistema composto. Aplicação da primeira camada de resina saturante com alto teor de sólidos que servirá para impregnar (saturar) a lâmina de fibra de carbono e aderi-la à superfície do concreto. Aplicação da lâmina de fibra de carbono que vai reforçar o sistema composto. Aplicação da segunda camada de resina saturante para completar a impregnação da lâmina de fibra de carbono e acabando de conformar a matriz epoxídica que envelopa o sistema. Aplicação (opcional) de película de acabamento com elevado teor de sólidos, alto brilho e resistente à corrosão, com o objetivo de proteção e/ou acabamento estético para o sistema. Figura 1.6 Etapas construtivas dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono. COMPORTAMENTO DO SISTEMA COMPOSTO ANTE A AÇÃO DO FOGO Em qualquer projeto ou construção um dos aspectos mais importantes a ser considerado é aquele que se refere à segurança física dos seus ocupantes, e uma das ocorrências que mais causam preocupação é a possibilidade da ocorrência de incêndio. Como os sistemas compostos com fibras de carbono são aderidos externamente às estruturas de concreto armado para permitir o seu reforço, torna-se imprescindível a verificação da resistência ao fogo da estrutura reforçada. Existem diversos códigos e normas estruturais que especificam os requisitos que devem ser verificados para que se tenha segurança relativamente à resistência da estrutura reforçada ao fogo.
10 Contudo, o comportamento ao fogo dos materiais que constituem o sistema composto ainda escapa ao alcance desses códigos e normas em função do relativamente pouco tempo de aplicação dos mesmos na indústria da construção civil. A análise do comportamento ao fogo dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono deve levar em consideração dois fatores relevantes: As resinas de epoxídicas utilizadas nos materiais dos sistemas CFC aderidos externamente ao concreto são combustíveis, sendo assim fundamental avaliar o seu potencial de geração de fumaça e propagação da chama. Como se utiliza os sistemas compostos como elementos estruturais, deverá ser avaliada a resistência ao fogo da estrutura de concreto reforçada com o mesmo. Propagação da chama e geração de fumaça Costuma-se adotar para essas verificações as recomendações da norma ASTM E84 Características de Combustão de Superfície dos Materiais de Construção. Os ensaios preconizados por essa norma são utilizados para: - determinar a rapidez da propagação da chama em uma área determinada; - densidade da fumaça gerada quando uma superfície é exposta a uma fonte térmica controlada à temperatura de combustão. Os acabamentos de superfície, segundo as recomendações dessa norma devem apresentar: Índice de propagação de chama Classe I < 5 Classe II < 75 Classe III < 00 Já o índice de propagação de fumaça deve ser inferior a 450 para poder classificar o acabamento superficial. Resistência ao fogo A resistência ao fogo dos materiais dos sistemas compostos é basicamente determinada pela qualidade da resina utilizada no composto. Essas resinas são tipicamente classificadas como termoplásticas e termo estáveis (ou termofixas). As resinas termoplásticas podem se fundir e novamente se solidificar repetidas vezes ao serem aquecidas e resfriadas. As resinas termoestáveis experimentam uma reação química para serem curadas, mas não podem regressar ao estado inicial após sofrerem aquecimento. Essas resinas que são utilizadas em praticamente todos os materiais compostos da indústria da construção civil passam a um estado frágil vitrificado quando expostas a altas temperaturas. A temperatura na qual se inicia essa transição á conhecida como temperatura de transição vítrea TG. De modo geral a integridade estrutural de um sistema composto de fibras de carbono começa a se degradar a temperaturas superiores a TG decorrente do fato de que a resina não mais consegue manter inalterada a adesão das fibras individuais no composto. De modo geral a temperatura de transição vítrea (TG) das resinas epoxídicas bicomponentes, curadas à temperatura ambiente, se situam na ordem de 90oC. Entretanto os revestimentos comuns contra incêndio, tais como painéis de gesso, fibras minerais diversas, pinturas intumescentes, etc., não proporcionam isolamento térmico suficiente para manter a temperatura na peça e no sistema composto abaixo de (TG). Diante dessa constatação é prática corrente entre os projetistas desconsiderar totalmente a resistência ao fogo desses materiais compostos e depender exclusivamente da resistência ao fogo da estrutura existente na sua condição de não reforçada. Esta não é uma situação exclusiva para os sistemas compostos, mas comum a reforços estruturais que dependem de adesivos para a sua ancoragem, como é o caso do reforço com lâminas de aço aderidas com resinas epoxídicas. Quando se reforça uma estrutura de concreto armado com a utilização de sistemas compostos estruturados com fibras de carbono recomenda-se
11 avaliar a resistência ao fogo da estrutura existente segundo os procedimentos normativos correntes. Desde que essa estrutura, ao ser verificada através do critério de resistência reduzida dos materiais, suporte as solicitações das demandas de serviço antecipadas a condição fica atendida. Considerando que a maioria das estruturas de concreto armado, quando adequadamente dimensionadas exibem uma resistência ao fogo superior àquela recomendada pelos códigos é possível efetuar-se o reforço estrutural (aumento das cargas) sem confrontar a metodologia corrente que estabelece que a um aumento de carga corresponda uma diminuição da resistência ao fogo. Assim, um sistema de CFC pode ser utilizado para compensar os aumentos de carga sob condições normais. Em situações em que se necessita aumentar as cargas a tal ponto que a resistência ao fogo não ofereça a segurança exigida pode resultar eficaz a utilização de proteção contra incêndios. São viabilizados nesse caso a utilização de fibras minerais isolantes térmicos, painéis de gesso ou pinturas intumescentes que isolem a estrutura existente e reduzam a temperatura na seção. A redução de temperatura aumenta a resistência dos materiais com características mecânicas dependentes da temperatura. Convêm ressaltar que esses meios protegem a estrutura existente e não somente o sistema composto. Finalmente, dado que a estrutura existente proporciona resistência ao fogo existe um limite na quantidade de reforço com o sistema composto que se pode utilizar. Se a estrutura está completamente isolada termicamente, a sua resistência à temperatura ambiente deve exceder a nova demanda não antecipada. PROTEÇÃO INTUMESCENTE RETARDADORA DE FOGO Já foram desenvolvidas proteções visando retardar os efeitos das chamas sobre os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono. A partir de estudos independentes realizados pela empresa Omega Point Research, de San Antonio determinou-se que os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono em sua aplicação padrão (com revestimento convencional) geralmente cumprem com os requisitos mínimos da norma ASTM E84 para a Classe III. Os produtos normalmente aplicados para o revestimento dos sistemas compostos normalmente não satisfazem aos requisitos daquela norma no que se refere à geração de fumaça, portanto não devem ser utilizados esses revestimentos em espaços interiores submetidos a requisitos de geração de fumaça. Para áreas com requisitos restritos de propagação de chama e de geração de fumaça torna-se necessária a utilização de revestimentos intumescentes apropriados, normalmente aplicados em duas camadas, que permitem que sejam atendidas as recomendações da norma ASTM E84 para a categoria Classe I, permitindo o seu uso irrestrito em edificações. Geralmente esses não são produtos utilizados correntemente nos sistemas compostos, devendo, portanto, ser especialmente especificados quando a sua utilização é recomendada. REFORÇO COM SISTEMAS COMPOSTOS DE FIBRAS DE CARBONO EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO SUBMETIDAS A AÇÕES DE ORIGEM TÉRMICA Os sistemas compostos estruturados com plásticos e utilizando matrizes epoxídicas são grandemente afetados na sua capacidade resistente quando trabalham em locais com elevada temperatura ambiente ou quando submetidas a variações térmicas significativas. Omega Point Research San Antonio Texas EUA.
12 De maneira geral, os sistemas compostos quando utilizados como reforço de estruturas de concreto trabalham em locais onde a temperatura não excede o ponto de transição vítrea da matriz, normalmente situado numa faixa de temperatura entre 80oC e 90oC, em que os projetos de reforço são considerados adequados, sem que se torne necessário maiores considerações sobre a temperatura atuando sobre o sistema, sendo a temperatura ambiente da ordem de 70ºC um valor considerado como o limite prático de dimensionamento. Ou seja, até este valor, não se faz necessária qualquer consideração adicional referente à eficiência do sistema por ação da temperatura. Acima do ponto de transição vítrea as matrizes epoxídicas começam a ser afetadas em sua eficiência, conduzindo a uma diminuição da capacidade resistente do reforço aplicado. Essa perda de eficiência pode ser considerada como uma das maiores desvantagens das técnicas de reforço com a utilização de sistemas compostos estruturados com plásticos. Diversos estudos têm sido realizados com o objetivo específico de estudar o comportamento das matrizes epoxídicas sob a ação de altas temperaturas e fogo (incêndio). As pesquisas, entretanto, estão longe de esgotar o assunto. No V Simpósio Epusp Sobre Estruturas de Concreto foi apresentado o estudo Eficiência do Reforço de CFRP em Estruturas de Concreto Sob o Efeito Térmico 3 do qual transcrevemos alguns comentários e conclusões que reputamos bastante interessantes e que submetemos à apreciação e avaliação dos leitores. A Figura 1.7 mostra o resultado dos ensaios da capacidade resistente dos corpos de prova onde se constatou que essa capacidade apresenta uma maior diminuição no seu valor em temperaturas situadas na faixa entre 30oC e 70oC decrescendo o gradiente de perda após aquele valor limite da faixa, evidenciando que o reforço vai diminuindo a sua colaboração na resistência do conjunto. No caso dos reforços executados com tecidos (mantas) e laminados colados diretamente sobre a superfície do concreto a capacidade resistente da peça reforçada se aproxima mais rapidamente da capacidade resistente decorrente exclusivamente do concreto do que no caso das peças reforçadas com laminados em montagem sub-superficial (near surface mounted). - Eficiência do reforço de CFRP em estruturas de concreto sob efeito térmico A.S. Fortes; I. J. Padaratz; A.O.Barros; I.F.Freire. Uma das conclusões mais interessantes do estudo é que se observou um melhor comportamento mecânico das peças com reforço em montagem subsuperficial comparativamente às peças com aplicação de tecidos e laminados diretamente aderidos à superfície do concreto. As principais conclusões do estudo são as seguintes: A capacidade de carga das peças ensaiadas teve seu valor reduzido em cerca de 15% quando se variou a temperatura de 30oC para 70oC, sendo o valor máximo de redução da ordem de 30% nas proximidades de 150oC. Decorrente dessa constatação é importantíssimo o estabelecimento de um coeficiente de minoração da capacidade resistente do reforço quando do dimensionamento de elementos sujeitos à variações sensíveis de temperatura ou com risco elevado de incêndio. A capacidade resistente das peças reforçadas com montagem subsuperficial de laminados apresentou uma capacidade resistente sensivelmente superior às daquelas reforçadas com sistemas aderidos diretamente à superfície do concreto. Apesar da redução da capacidade resistente com o aumento da temperatura essas peças apresentaram cargas de ruptura superiores às de ruptura daquelas reforçadas com as outras duas técnicas. Segundo a conclusão do estudo pode-se admitir que a técnica de laminado em montagem sub-superficial é a mais eficaz entre as três técnicas consideradas no trabalho apresentado. 3 Figura 1.7 Diagrama de carga de ruptura vs. temperatura.
13 CAPÍTULO APLICAÇÕES DOS SISTEMAS COMPOSTOS Existe uma grande variedade de elementos de concreto armado em que os sistemas compostos estruturados com fibras de carbono podem ser utilizados para promover reforço estrutural. Essencialmente, em elementos estruturais onde ocorrem momentos fletores, com suas correspondentes tensões de tração e compressão, esforços cortantes e de torção com suas tensões tangenciais e em casos específicos de confinamento os sistemas compostos podem ser utilizados para: Reforço de vigas à flexão e ao corte As fibras de carbono podem ser utilizadas para absorver os esforços de tração decorrentes dos momentos fletores positivos e negativos, bem como das tensões tangenciais (de cisalhamento) decorrentes dos esforços cortantes, como mostrado na Figura.1. Figura.1 Reforço de vigas à flexão e ao corte. Observe-se que para os esforços de corte as lâminas de fibras de carbono podem ser colocadas segundo a direção 90o (vertical) e 0o (horizontal, ou
14 mesmo segundo qualquer inclinação que se faça necessária (α 0). A Fotografia. mostra viga de concreto armado reforçada à flexão e ao corte com sistema de fibra de carbono. Fotografia. Reforço de lajes à flexão nas duas direções. Reforço de pilares e colunas Fotografia.1 Reforço de viga de concreto à flexão e ao corte. O reforço de pilares e colunas pode ser feito de duas maneiras distintas: Aumento de sua resistência à flexão. Aumento da sua resistência à compressão axial por meio de confinamento. Reforço de lajes à flexão Identicamente ao caso das vigas, as lajes podem ser reforçadas à flexão com lâminas de fibras de carbono dispostas segundo as duas direções, como mostra a Figura.. As mesmas considerações apresentadas para o reforço de pilares e colunas podem ser estendidas para as chaminés de concreto armado. A Figura.3 mostra em seu lado esquerdo os reforços possíveis para os pilares e colunas e no lado direito os possíveis para as chaminés. Figura. Reforço de lajes à flexão nas duas direções. A Fotografia. mostra uma laje de concreto armado reforçada com sistema de fibras de carbono. Figura.3 Reforço de pilares à flexão e confinamento.
15 É importante destacar que o reforço por flexão deverá sempre ser instalado antes dos reforços para o corte e para o confinamento, ou seja, os dois últimos reforços serão aplicados sobre o reforço por flexão. Essa sequência executiva tem por objetivo de garantir para o reforço à flexão e para o reforço ao corte a condição denominada colagem crítica, onde é exigida uma aderência íntima entre o concreto e o sistema composto, e para o reforço por confinamento a condição denominada de contato íntimo, onde as necessidades de aderência entre o sistema composto e o concreto não são mandatórias. A Fotografia.3 mostra dois pilares de concreto reforçados por confinamento. Na Figura.4 pode ser observado o fissuramento vertical decorrente da tração radial que ocorre nas paredes de um reservatório. Após a necessária e conveniente obturação das fissuras, por qualquer procedimento convencional, o sistema composto estruturado com fibras de carbono é instalado, dimensionado para absorver os esforços de tração excedentes à capacidade resistente do concreto. Esse envolvimento pode ser total (todo o perímetro da estrutura) ou apenas localizado. É importante destacar que nesse tipo de reforço o sistema composto atua de maneira passiva, ou seja, só inicia o seu trabalho após a deformação da estrutura de concreto armado. Reforço de muros de arrimo, vigas-parede, alvenarias e melhoria da resistência a impactos e explosões Fotografia.3 Reforço de pilares por confinamento. Reforços de tanques, silos e reservatórios As estruturas de tanques, silos e reservatórios podem ser reforçadas tanto à flexão como por confinamento. Uma variada aplicação dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono pode ser conseguida através do reforço de estruturas tais como muros de arrimo, vigas-parede e alvenarias, como indicado na Figura.5. Essas estruturas podem ser reforçadas tanto à flexão como ao corte. Os reforços de alvenarias de tijolos ou blocos de concreto são bastante utilizados preventivamente em casas e edifícios situados em regiões sujeitas à ação de ciclones e furacões, bem como em regiões com atividades sísmicas significativas, aumentando-se consideravelmente a resistência das mesmas aos esforços de flexão e corte decorrentes dessas manifestações naturais. Outra interessante aplicação dos sistemas compostos é o reforço de estruturas de concreto armado sujeitas a impactos e explosões. Com a utilização de sucessivas camadas de fibras de carbono orientadas, cada uma, segundo inclinações diferentes (por exemplo, 0o para a primeira, 45o para a segunda, -45o para a terceira, 90o para a quarta, etc.) se consegue excepcional aumento da resistência da estrutura para impactos diretos e mesmos explosões. As várias camadas de fibras de carbono, orientadas segundo direções diferentes absorvem e diluem as tensões tangenciais antes de transferi-las definitivamente ao substrato de concreto. Figura.4 Reforço de reservatórios e tanques.
16 Fotografia.4 Reforço de tubulações de concreto de grande diâmetro. Aumento da dutibilidade de colunas para a prevenção de efeitos sísmicos Figura.5 Reforço de muros, vigas-parede e alvenarias. Uma aplicação interessante dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono é a possibilidade de se aumentar a dutibilidade (reserva de resistência) de colunas e pilares de concreto armado, por confinamento, para resistir aos efeitos sísmicos. Como se sabe, a alternância das tensões produzidas quando da ocorrência dos abalos sísmicos produz o fendilhamento do concreto nas extremidades superior e inferior das colunas e pilares, como mostrado na Fotografia.5. Reforço de tubulações de concreto de grande diâmetro Figura.6 Reforço de tubulações de grande diâmetro. Tubulações de concreto armado de grande diâmetro podem ser reforçadas, interna ou externamente, com a utilização dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono, como mostra a Figura.6. A Fotografia.4 mostra uma tubulação de água de grande diâmetro, em concreto armado, reforçada com sistemas de fibras de carbono. Fotografia.5 Pilares fendilhados por efeitos sísmicos.
17 Evidentemente o confinamento é instalado preventivamente, de forma a que sejam minimizados os possíveis efeitos dos sismos. O confinamento impede as deformações transversais do concreto, assegurando a integridade da seção. A Fotografia.6 mostra colunas confinadas preventivamente em seus terços superior (esquerda) e inferior (direita). ANOTAÇÕES Fotografia.6 Colunas reforçadas por confinamento para efeitos sísmico. Unidades de Força: 1 kgf = 9,807N 10N 1 N = 0,09807kgf 0,10kgf 1 kn = 98,07kgf = 0,09807tf 100kgf 0,10tf 1 knxcm = 98,07kgfxcm = 0,09807tfxcm 100kgfxm 1 knxm = 98,07kgfxcm 100kgfxm 0,1tfxm Unidades de Tensão (Pressão): 1 MPa = 0,1kN/cm = 100N/cm 1MPa = 1MN/m = 10kgf/cm 1 kn/m = 100 kgf/m = 0,1tf/m 1 kgf/m =9,807 Pa 1 psi 0,0703kgf/cm
18 CAPÍTULO 3 PROCESSO CONSTRUTIVO DOS SISTEMAS COMPOSTOS Para a instalação dos sistemas compostos estruturados com fibras de carbono é utilizada a seguinte seqüência de procedimentos: Recuperação do Substrato de Concreto Para que seja garantida a instalação do sistema composto é fundamental que o substrato ao qual ele será aderido esteja íntegro e são, ou seja, que disponha de suficiente resistência mecânica para que sejam procedidas as transferências de esforços que acontecem na interface concreto armado/sistema composto. Assim, todas as patologias significativas existentes no substrato deverão ser corrigidas. Uma das ocorrências mais freqüentes é a presença de corrosão nas armaduras. Assim, torna-se necessário a recuperação e a passivação das barras de aço afetadas pelo processo corrosivo e a remoção e posterior recuperação das superfícies de concreto degradadas em decorrência daquela manifestação, esquematicamente representada na Figura 3.1. Figura 3.1 Remoção de superfícies degradadas. De modo geral torna-se necessário a execução dos seguintes procedimentos para a recuperação do substrato de concreto:
19 - remoção do concreto desagregado junto às armaduras corroídas. - regularização do perímetro do trecho de substrato a ser recomposto. - limpeza da corrosão das barras da armadura. - passivação das armaduras recuperadas. - recomposição do substrato de concreto. É vital, entretanto, que as causas que favorecem ou induzem a ocorrência da corrosão sejam determinadas e corrigidas para que a manifestação não mais ocorra na peça. Recuperação de Fissuras e Trincas Estruturais Todas as trincas existentes na estrutura a ser reforçada deverão ser recuperadas. Além delas, as fissuras com aberturas maiores que 0,5 mm também deverão ser tratadas. Podem ser utilizados para essa recuperação os procedimentos convencionais de injeção das mesmas com epóxi sob pressão, como mostrado esquematicamente na Figura 3.. As fissuras com aberturas menores que 0,5mm expostas ao meio ambiente podem exigir injeção de resinas ou seladores para prevenir futura corrosão da armadura da peça. Preparação da Superfície Para o Recebimento do Sistema Composto A preparação das superfícies de concreto onde será aplicado o sistema composto será determinada em função das duas hipóteses possíveis de funcionamento estrutural: - predominância da condição crítica de colagem do sistema composto. - predominância da condição crítica de contato íntimo para o sistema composto. As aplicações com o objetivo de reforço para os esforços de flexão e de cisalhamento em vigas, lajes ou pilares de concreto armado exigem que seja estabelecido um sistema de colagem bastante eficiente para que seja possível uma adequada transferência de esforços entre os meios aderidos, caracterizando a condição crítica de colagem. O confinamento de colunas, por sua vez, exige mais uma condição de contato eficiente entre o concreto e o sistema composto, caracterizando a condição de contato íntimo. No caso da colagem crítica a superfície do concreto sofre as seguintes preparações mostradas na Figura 3.3: Figura 3.3 Limpeza da superfície de instalação do sistema. Figura 3. Injeção de fissuras. - utilização de abrasivos ou jatos de areia ou limalhas metálicas para a limpeza da superfície onde deverá ser aderido o sistema composto. Para superfícies pequenas ou limitadas costumam ser utilizadas politrizes, geralmente acopladas com aspiradores de pó, que permitem a limpeza sem a contaminação do ambiente. Esta limpeza deve contemplar a remoção de poeira, pó, substâncias oleosas e graxas, partículas sólidas não totalmente
20 aderidas, recobrimentos diversos como pinturas, argamassas, etc. Também deverão ficar totalmente expostas quaisquer brocas ou imperfeições superficiais significativas. A Fotografia 3.1 mostra a limpeza da face inferior de uma laje com a utilização de politriz elétrica com aspirador de pó acoplado. No caso em que o sistema composto exigir o recobrimento de mais de uma superfície lateral da peça ocorrerá a necessidade de arredondamento das quinas envolvidas nessa aplicação, visando com isso evitar concentração de tensões na fibra de carbono e eliminar eventuais vazios entre o concreto e o sistema por deficiência na colagem. Esse arredondamento é mostrado na Figura 3.4. Os cantos rugosos devem ser suavizados com aplicação de massa regularizadora apropriada com acabamento lixado. Fotografia 3.1 Limpeza de superfície com politriz elétrica. Figura 3.4 Arredondamento dos cantos vivos. A Fotografia 3. mostra detalhes da politriz elétrica e do aspirador de pó. Fotografia 3. Detalhe da politriz elétrica e do aspirador de pó. Para que as demais etapas possam ser implantadas, todas as superfícies sobre as quais será implantado o sistema composto deverão estar secas, sem umidade intersticial, uma vez que a presença de água pode inibir a penetração das resinas e reduzir drasticamente a eficiência da ponte de aderência necessária. No caso de contato crítico, nas aplicações que envolvam o confinamento das peças de concreto armado, a preparação das superfícies deve ser fundamentalmente direcionada no sentido de que seja estabelecido um contato íntimo e contínuo entre as superfícies envolvidas. Essas superfícies não podem apresentar concavidades ou convexidades que impeçam o carregamento correto do sistema composto. As irregularidades superficiais expressivas devem ser corrigidas através do seu preenchimento (caso de brocas) com material de reparação compatível com as características mecânicas do concreto existente ou através da sua remoção (caso das juntas de formas).