Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com Compósitos de Fibra de ...

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Comportamento Estrutural de Vigas
de Concreto Armado Reforçadas com

Compósitos de Fibra de Carbono

— Andriei José Beber —

PORTO ALEGRE
2003
Andriei José Beber

Comportamento Estrutural de Vigas
de Concreto Armado Reforçadas com
Compósitos de Fibra de Carbono

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte
dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia

Porto Alegre
Julho 2003
ii
Andriei José Beber
Comportamento Estrutural de Vigas
de Concreto Armado Reforçadas com
Compósitos de Fibra de Carbono

Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obtenção do título de
DOUTOR EM ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelo professor
orientador e pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade
Federal do Rio Grande do Sul.
Porto Alegre 28 de julho de 2003.

Prof. Américo Campos Filho
Dr. pela USP
Orientador/Coordenador do PPGEC-UFRGS
BANCA EXAMINADORA
Prof. Ivo José Padaratz (UFSC)
PhD. pela University of Edinburgh
Prof. Mauro de Vasconcellos Real (FURG)
Dr. pela UFRGS
Prof. Francisco de Paula Simões Lopes Gastal (UFRGS)
PhD. pela North Carolina State University
Prof. João Luiz Campagnolo (UFRGS)
MSc. pela UFRGS
iii
A vitória é metade conquistada quando se desenvolve o hábito de
estabelecer metas e alcançá-las. Mesmo a mais entediante rotina
torna-se suportável quando se marcha convencido que toda tarefa,
não importando sua dimensão, lhe traz cada vez mais perto de
conquistar seus sonhos.
iv
AAGGRRAADDEECCIIMMEENNTTOOSS

O desenvolvimento de uma tese de doutorado experimental representa, acima de
tudo, um exercício de esforço coletivo na busca de um objetivo. Com enorme satisfação,
gostaria de prestar meus mais sinceros agradecimentos a todos aqueles que, de alguma forma,
contribuíram para a concretização deste trabalho.
Primeiramente gostaria de agradecer ao Prof. Américo Campos Filho, entusiasta deste
trabalho desde seu início, pelos seus ensinamentos, rigor científico, disponibilidade e,
principalmente, amizade e incentivo permanente.
Aos professores, colaboradores e bolsistas de iniciação científica do LEME, pelo
incentivo e apoio constantes durante a condução de todas as etapas desta tese. Estendo meu
agradecimento, também, aos demais funcionários do PPGEC e do Departamento de
Engenharia Civil. Em particular, agradeço ao Prof. João Luiz Campagnolo, grande
incentivador deste trabalho.
Aos amigos Eurípedes Martins Fontes e Dirceo Santarosa, grandes companheiros
durante esta jornada, sempre presentes em todos os momentos do desenvolvimento desta
tese. Agradeço, ainda, à querida Liliani Gaeversen que, com sua contribuição “maternal” foi
muito importante, principalmente nos momentos de dificuldade.
Gostaria de agradecer a importante contribuição da Votorantim Cimentos S/A,
Siderúrgica Rio-Grandense S/A e Belgo-Mineira, pela doação de materiais para a realização
dos ensaios desta tese. Além disso, gostaria de prestar meus agradecimentos aos engenheiros
José Eduardo Granato, Paulo Cruz e Fábio André Viecili, funcionários da Master Builders
Technologies do Brasil, pela doação dos sistemas de reforço — CFK 200/2000 e
C-Sheet 240 — empregados nesta tese.
Gostaria de agradecer, ainda, ao CNPq pelo suporte financeiro durante a elaboração
deste trabalho.
A Deus, pela força e graça de poder realizar este trabalho.
v
SUMÁRIO

Lista de Quadros ........................................................................................................................................ x
Lista de Tabelas ......................................................................................................................................... xi
Lista de Figuras ......................................................................................................................................... xii
Notação e Simbologia ............................................................................................................................ xvii
Resumo ...................................................................................................................................................... xx
Abstract ..................................................................................................................................................... xxi
Glossário .................................................................................................................................................. xxii

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1
1.1 Considerações iniciais .............................................................................................................. 1
1.2 Reabilitação de estruturas de concreto ................................................................................. 5
1.3 Métodos convencionais de reforço estrutural ..................................................................... 9
1.3.1 Aumento de seção transversal ..................................................................................... 10
1.3.2 Protensão externa .......................................................................................................... 10
1.3.3 Chapa de aço colada com resina epóxi ....................................................................... 11
1.4 Reforço de estruturas de concreto com materiais compósitos ....................................... 13
1.5 Objetivos do trabalho ............................................................................................................ 14

CAPÍTULO 2 – MATERIAIS COMPÓSITOS ........................................................................................... 18
2.1 Considerações iniciais ............................................................................................................ 18
2.2 Histórico .................................................................................................................................. 20
2.3 Composição ............................................................................................................................ 21
2.3.1 Matriz .............................................................................................................................. 21
2.3.2 Fibras ............................................................................................................................... 23
2.3.2.1 Fibras de vidro .......................................................................................................... 24
2.3.2.2 Fibras de aramida ..................................................................................................... 25
2.3.2.3 Fibras de carbono ...................................................................................................... 25
2.4 Compósitos de FRP ............................................................................................................... 26
2.4.1 Propriedades dos compósitos de FRP ....................................................................... 29
2.4.1.1 Resistência e rigidez ................................................................................................... 29
2.4.1.2 Fadiga ....................................................................................................................... 29
vi
2.4.1.3 Fluência .................................................................................................................... 30
2.4.1.4 Coeficiente de expansão térmica .................................................................................. 30
2.4.2 Compósitos de CFRP ................................................................................................... 30
2.4.2.1 Sistemas pré-fabricados .............................................................................................. 31
2.4.2.2 Sistemas curados in situ ............................................................................................. 32
2.4.3 Vantagens e desvantagens do reforço estrutural com compósitos de CFRP ....... 35
2.4.3.1 Resistência ...................................................................................................................... 36
2.4.3.2 Peso próprio ............................................................................................................... 36
2.4.3.3 Transporte ................................................................................................................. 36
2.4.3.4 Versatilidade de projeto ............................................................................................. 36
2.4.3.5 Facilidade de aplicação ............................................................................................... 37
2.4.3.6 Menor necessidade de fixação ..................................................................................... 37
2.4.3.7 Durabilidade ............................................................................................................. 38
2.4.3.8 Resistência à ação do fogo ........................................................................................... 38
2.4.3.9 Manutenção ............................................................................................................... 38
2.4.3.10 Menor tempo de interdição ....................................................................................... 39
2.4.3.11 Protensão ................................................................................................................. 39

CAPÍTULO 3 – COMPORTAMENTO ESTRUTURAL ............................................................................ 40
3.1 Histórico das principais investigações ................................................................................ 40
3.2 Aplicações de compósitos de CFRP ................................................................................... 47
3.3 Modos de ruptura .................................................................................................................. 49
3.4 Comportamento de vigas reforçadas à flexão .................................................................... 53
3.4.1 Condição inicial ............................................................................................................. 54
3.4.2 Análise no estado limite último (ELU) ...................................................................... 56
3.4.3 Verificação de modos de ruptura prematuros ........................................................... 62
3.5 Comportamento de vigas reforçadas ao cisalhamento ..................................................... 67
3.5.1 Generalidades ................................................................................................................. 68
3.5.2 Configurações de um reforço ao cisalhamento ......................................................... 70
3.5.3 Princípios gerais de dimensionamento ....................................................................... 73
3.5.3.1 Contribuição do concreto ............................................................................................. 76
3.5.3.2 Contribuição da armadura transversal ........................................................................ 79
3.5.3.3 Contribuição do reforço externo .................................................................................. 81

vii
CAPÍTULO 4 – PROGRAMA EXPERIMENTAL ...................................................................................... 93
4.1 Considerações iniciais ............................................................................................................ 93
4.2 Características das vigas ........................................................................................................ 94
4.2.1 Vigas reforçadas à flexão .............................................................................................. 96
4.2.2 Vigas reforçadas ao cisalhamento ............................................................................... 97
4.3 Concreto .................................................................................................................................. 99
4.3.1 Dosagem ....................................................................................................................... 100
4.3.2 Mistura .......................................................................................................................... 101
4.3.3 Moldagem ..................................................................................................................... 101
4.3.4 Adensamento ............................................................................................................... 101
4.3.5 Retirada das fôrmas e cura ......................................................................................... 102
4.3.6 Controle tecnológico ................................................................................................... 103
4.4 Aço ......................................................................................................................................... 103
4.5 Compósitos de CFRP .......................................................................................................... 104
4.5.1 Sistema pré-fabricado ................................................................................................. 104
4.5.2 Sistema curado in situ .................................................................................................. 104
4.5.3 Aplicação do reforço ................................................................................................... 105
4.5.3.1 Preparação da superfície ........................................................................................... 105
4.5.3.2 Aplicação do compósito de CFRP ............................................................................ 107
4.6 Metodologia de ensaio ................................................................................................... 113
4.6.1 Instrumentação ............................................................................................................ 116
4.6.1.1 Cargas ..................................................................................................................... 116
4.6.1.2 Deslocamentos verticais ............................................................................................ 116
4.6.1.3 Deformações específicas do concreto ............................................................................ 117
4.6.1.4 Deformações específicas da armadura e reforço ........................................................... 121
4.6.2 Sistema de aquisição de dados ................................................................................... 123

CAPÍTULO 5 – AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................................................. 125
5.1 Vigas reforçadas à flexão .................................................................................................... 125
5.1.1 Avaliação da resistência: cargas e modos de ruptura .............................................. 126
5.1.2 Avaliação da rigidez: deslocamentos e deformações específicas .......................... 132
5.1.2.1 Deslocamentos verticais ............................................................................................ 132
5.1.2.2 Deformações específicas na armadura ........................................................................ 136
5.1.2.3 Deformações específicas no concreto ............................................................................ 140
viii
5.1.3 Avaliação do comportamento do reforço: deformações específicas e tensões .. 146
5.1.4 Modelos analíticos para a previsão do desempenho das vigas reforçadas .......... 151
5.2 Vigas reforçadas ao cisalhamento ...................................................................................... 156
5.2.1 Avaliação da resistência: cargas e modos de ruptura .............................................. 156
5.2.2 Deslocamentos verticais ............................................................................................. 174
5.2.3 Deformações específicas ............................................................................................ 175
5.2.4 Modelos analíticos para a previsão do desempenho das vigas reforçadas .......... 178

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES .................................................................................... 187
6.1 Conclusões ............................................................................................................................ 187
6.2 Sugestões para trabalhos futuros ....................................................................................... 192

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................ 194

APÊNDICE .............................................................................................................................................. 206

ix
LISTA DE QUADROS

QUADRO 1-1 — Possíveis causas para o surgimento de manifestações patológicas no concreto ............. 6
QUADRO 2-1  Tipos de fibra de vidro e suas principais aplicações .......................................................... 25
QUADRO 2-2  Descrição das mantas e tecidos empregados nos sistemas FRP curados in situ ............ 34
QUADRO 2-3 — Principais características e aspectos de instalação de sist. de reforços com CFRP ...... 35
QUADRO 3-1 — Modos de ruptura possíveis [Juvandes, 1999; Hollaway & Leeming, 1999] .................. 51
QUADRO 4-1  Esquema de reforço das vigas do grupo F .......................................................................... 97
QUADRO 4-2  Esquema de reforço das vigas do grupo C ......................................................................... 99
QUADRO 4-3  Consumo de materiais para 1 m3 de concreto .................................................................. 101
QUADRO 4-4  Propriedades do laminado pré-fabricado CFK 200/2000 – S&P Reinforcements ......... 104
QUADRO 4-5  Propriedades da manta flexível Replark 20 – Mitsubishi Chemical Corporation ............. 105
QUADRO 4-6  Propriedades da manta flexível C-Sheet 240 – S&P Reinforcements ............................... 105
QUADRO 4-7  Valores aceitáveis de irregularidade da superfície de concreto ...................................... 106
QUADRO 4-8  Coordenadas de posicionamento dos strain gages da armadura e reforço (grupo F) ... 122

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