vigas de concreto armado reforçadas com fibras de carbono

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ADRIANO SILVA FORTES
V
VIGAS DE CONCRETO ARMADO
REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-
Graduação em Engenharia Civil da
Universidade Federal de Santa Catarina,
como parte dos requisitos para a obtenção
do título de Mestre em Engenharia Civil.
Florianópolis
2000
VIGAS DE CONCRETO ARMADO
REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO
ADRIANO SILVA FORTES
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da
Universidade Federal de Santa, Catarina, como parte dos requisitos para a
obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Área de Concentração: Engenharia de Estruturas
Orientador: Prof. Ivo José Padaratz (PhD.).
Florianópolis
2000
FORTES, Adriano Silva. Vigas de concreto armado
reforçadas com fibras de carbono. Florianópolis,
2000. 224p. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Civil) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Civil, Universidade Federal de Santa Catarina.
Orientador: Ivo José Padaratz
Defesa: 02/2000
Neste trabalho estuda-se o comportamento de vigas de
concreto armado reforçadas com polímero reforçado com
fibras de carbono (PRFC). Esse reforço das vigas dá-se
mediante a técnica de colagem,’ com adesivo epoxídico, no
banzo tracionado das peças. Pretende-se, também, verificar a
possibilidade de utilização da fibra de carbono inserida no
concreto fresco, como parte da armadura, apresenta-se um
estudo experimental de nove vigas de concreto armado de
seção transversal “T”, de tamanho real, para avaliar o
comportamento das peças segundo as técnicas propostas. Os
resultados experimentais e numéricos obtidos, indicam a
viabilidade técnica dos procedimentos de reforços propostos,
representando um ganho significativo da capacidade de carga e
da rigidez à flexão das peças.__________________________
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUA ÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
FOLHA DE APROVAÇÃO
Dissertação defendida e aprovada em 29/02/200 pela comissão examinadora
Prof. Roberto Caldas de Andrade Pinto (PhD.) - UFSC
Prof. Dr. Carlos Alberto Szfics - UFSC
“Paciência e senso de oportunidade...tudo vem quando tem que vir.
Uma vida não pode ser apressada, não pode funcionar dentro de
uma programação, como muitas pessoas querem que aconteça.
Temos que aceitar o que chega até nós no momento e não pedir mais.
Mas a vida é interminável, portanto nunca morremos; na realidade
nunca nascemos. Apenas passamos por fases diferentes.
Não existe fim. Os humanos têm muitas dimensões.
Porém o tempo não é como vemos, mas lições que são aprendidas.”
A Divina Sabedoria dos Mestres (Brian Weiss).
Aos meus pais Jorge e Lilita pelo amor e carinho
que sempre me dedicaram.
Às minhas tias Maria, Auxiliadora e Odete pelo
carinho e cuidados durante todos esses anos.
Aos meus irmãos Jorge, Elisa, Maurício e
Sérgio, fortes, acima de tudo humanos, exemplos
de dignidade.
À Ana pelo carinho, compreensão e abdicação
durante essa fase de minha vida.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Ivo José Padaratz, meu reconhecimento pelo apoio, confiança e orientação,
fundamentais à realização deste trabalho.
Aos Professores Daniel Domingues Loriggio e Henriette Lebre La Rovere pelos valiosos
ensinamentos teóricos e pelas sugestões feitas ao trabalho no Exame de Qualificação.
Ao Professor Carlos Alberto Szücs por disponibilizar as instalações e equipamentos do
Laboratório de Experimentação em Estruturas (LEE) da UFSC.
Ao Professor Roberto Caldas de Andrade Pinto pelas sugestões e discussões mantidas
durante a fase final de elaboração do trabalho.
Aos Professores do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFSC.
Ao amigo Flávio dos Santos por me apresentar ao Professor Padaratz e pelo incentivo,
sugestões e convívio familiar durante estes anos.
Aos colegas do CEFET-BA, em especial a Gina Mariocci e Ian Felisberto Freire, irmãos
espirituais, pela amizade e valiosa colaboração dispensadas.
Aos colegas do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFSC e aos bolsistas de
iniciação científica, em especial a Maurício Motta, Juan Moore e Alecsandro Horostecki
pela dedicação e colaboração valiosa durante a realização dos ensaios experimentais.
A Caroline Firmino pela dedicação na revisão da língua portuguesa.
À Maria Cristina Ramos de Carvalho pelo incentivo, amizade e convivência familiar
durante esse período.
Aos técnicos Luís Henrique dos Santos e Renato Santana da Lapa pelo auxílio durante os
ensaios realizados no Laboratório de Materiais de Construção Civil da UFSC.
Ao Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia - CEFET-BA por viabilizar a
realização deste trabalho.
À Universidade Federal da Bahia pela formação acadêmica.
À Ana Regina Teles pelo incentivo durante a graduação e pelo exemplo de dedicação ao
ensino, digno de ser seguido.
À CAPES pelo apoio financeiro, sem o qual esse trabalho seria inviável.
À SUCA S. A. pelo fornecimento dos materiais utilizados no reforço e pelo apoio técnico
dispensado, sem os quais seria impossível a realização desse trabalho.
À Marlena da Silva pelo empenho e amizade dispensada durante a realização desse
trabalho.
À Concreton Serviços Concretagem Ltda pelo fornecimento do concreto.
À Copias pelo fornecimento dos distanciadores plásticos.
À Irizete Meneses pela presteza nos assuntos acadêmicos da Pós-Graduação.
Aos Amigos Agenor Fernandes Boaventura Júnior, Marcelo Raimundo Pinheiro da Silva,
Geraldo Lopes Oliveira e Marcos Alan da Hora Brito pelo incentivo e participação nos
momentos difíceis.
Aos operários Cícero, Luís e Beto que nos ajudaram na confecção da fôrma e da armadura,
pessoas humildes, geralmente anônimas, cujo trabalho constrói esse precioso país.
A todos aqueles que cruzaram a minha caminhada fazendo de mim o reflexo desse
aprendizado que simplesmente chamamos de VIDA.
SUMÁRIO
Lista de Figuras ...................... ..................................................................................... i
Lista de Tabelas........................................................................................................... v
Lista de Símbolos..................................................................................................... . vii
Lista de Abreviaturas e Siglas..................................................................................... x
Resumo........................................................................................................................ xi
Abstract....................................................................................................................... xii
1. INTRODUÇÃO
1.1. Objetivo Geral................................................................................... ................ 5
1.2. Objetivos Específicos........................................................................................ 6
1.3. Apresentação do Trabalho................................................................................. 7
2. PATOLOGIA E TERAPÊUTICA DAS ESTRUTURAS DE
CONCRETO ARMADO
2.1. Considerações Gerais........................................................................................... 8
2.2. Propriedades dos Materiais.................................................................................. 10
2.2.1. Concreto.................................................... ....................................................... 10
2.2.2. Aço............................................................................................................. ....... 16
2.2.3. Concreto com Fibra....................................... ............................................. ...... 18
2.2.4. Concreto de Alto Desempenho......................................................................... 20
2.3. Patologia das Estruturas de Concreto Armado.................................................... 21
2.4. Técnicas de Recuperação de Estruturas de Concreto Armado............................ 33
2.4.1. Tratamento de Fissuras..................................................................................... 34
2.4.2. Reparos Superficiais e Profundos em Elementos Estruturais........................... 37
2.4.3. Demolição de Estruturas de Concreto.............................................................. 40
2.5. Técnicas de Reforço de Estruturas de Concreto Armado.......................... ......... 41
2.5.1. Aumento da Seção Transversal e Encamisamento por Adição de Concreto ou
Argamassa 41
2.5.2. Adição de Armaduras de Aço........................................................................... 43
2.5.3. Protensão de Cabos Aéreos não Aderentes...................................................... 43
2.5.4. Adição de Chapas Metálicas............................................................................. 44
2.5.5. Adição de Fibras de Carbono............................................................................ 49
3. PESQUISAS REALIZADAS SOBRE REFORÇO DE VIGAS
3.1. Reforço em Vigas de Concreto Armado por Aumento da Seção e Adição de
Armadura Convencional...................................................... ............................... 59
3.2. Reforço de Vigas de Concreto Armado por Colagem de Chapas de Aço........... 71
3.3. Reforço em Vigas de Concreto Armado por Colagem de PRFC........................ 82
4. ANÁLISE NUMÉRICA DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO E
REFORÇADAS COM PRFC
4.1. Vigas de Concreto Armado.................................................................................. 96
4.1.1. Hipóteses Básicas da Teoria da Flexão............................................................. 96
4.1.2. Equações de equilíbrio, de compatibilidade e constitutivas............................. 98
4.1.3. Domínios de Deformações................................................................................ 99
4.2. Vigas de Concreto Armado no Domínio 2 - Caso do Estudo Experimental ....... .100
4.3. Vigas de Concreto Armado Reforçadas com PRFC, no Domínio 2 - Caso do
Estudo Experimental............................................................................................ .104
4.4. Momento e Carga de Fissuração das Vigas Ensaiadas ........................................ .109
4.5. Deslocamentos Verticais das Vigas Ensaiadas .................................................... .113
4.6. Mecanismo de Ruína em Vigas de Concreto Armado......................................... . 120
4.7. Mecanismo de Ruína em Vigas Reforçadas com PRFC..................................... . 123
4.8. Tensões no Concreto e na Armadura Transversal............................................... . 126
4.9. Tensões de Cisalhamento no Concreto................................................................ . 128
4.10. Desprendimento do Reforço (peeling off).......................................................... 129
5. ESTUDO EXPERIMENTAL
.132
5.1. Considerações Gerais...........................................................................................
5.2. Dimensões da Viga...................................................... ........................................ .133
5.3. Materiais............................................................................................................. ... 134
5.3.1. Concreto ................... ........................................................................................ . 134
5.3.2. Aço.................................................................................................................... .136
5.3.3. Fibra de Carbono............................................................................................... . 138
5.3.4. Adesivo Epoxídico........................ ..................................................................... 138
5.4. .Execução das Vigas.............................................................................................. . 140
5.5. Aplicação do Reforço........................................................................................... . 143
5.6. Equipamentos e Instrumentos de Medição .......................................................... . 145
5.7. Modelo e Procedimentos de Ensaio ........................ ............................................ . 146
6. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS
6.1. Considerações Gerais........................................................................................... 149
6.2. Ensaios Complementares............................................................. . ....................... 149
6.2.1. Concreto.,.......................................................................................................... 150
6.2.2. Aço.................................................................................................................... 151
6.3. Modo e Carga de Ruína....................................................................................... 151
6.4. Carga de Fissuração............................................................................................. 159
6.5. Deslocamentos Verticais...................................................................................... 161
7. CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES PARA NOVOS
TRABALHOS
7.1. Conclusões Gerais................................................................................................ 170
7.2. Sugestões para Novos Trabalhos......................................................................... 174
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................ 176
APÊNDICE I - PLANILHAS DE RESULTADOS DA ANÁLISE
NUMÉRICA.................................................................................... 181
APÊNDICE H - PLANILHAS COM DADOS COLETADOS DURANTE OS
ENSAIOS DAS VIGAS................................................................. 204