Análise experimental da ancoragem de laminados de PRFC em vigas de concreto armado reforçadas à flexão

Contrapondo-se às técnicas tradicionais de reforço e reabilitação de estruturas de concreto armado, vem sendo utilizado o PRFC (Polímero Reforçado com Fibra de Carbono). De acordo com Beber (2003), esse é o material de reforço mais apropriado devido ao bom desempenho mecânico dessas fibras, permitindo uma significativa redução nas dimensões dos elementos usados para este fim. Além disso, os processos de fabricação de fibras e compósitos encontram-se consolidados e com uma atraente relação custo-benefício.

Contudo, por ser um método que compreende a colagem externa de lâminas com resinas, ainda existe a necessidade de estudos que levem à avaliação mais crítica dos materiais envolvidos, de modo a tornar essa técnica cada vez mais viável. Segundo Araújo (2002), a eficiência de um reforço com PRFC em aumentar a capacidade de carga de uma estrutura e o estabelecimento dos critérios de seu dimensionamento exigem uma boa compreensão sobre a transferência de esforços entre o compósito e o concreto. Assim sendo, foi constatado um ponto básico a ser examinado mais detalhadamente no estudo do reforço com PRFC, o chamado comprimento de ancoragem, bem como sua relação com o desempenho mecânico do reforço, pois diversas pesquisas mostram que falhas na zona de ancoragem levam a rupturas bruscas do sistema e comprometem sua capacidade resistente. Vários parâmetros interferem na aderência do PRFC ao substrato de concreto e, dentre eles, o tipo de ancoragem nas extremidades do elemento. Mais especificamente, o comprimento de ancoragem (ou comprimento de aderência), que corresponde à extensão que vai desde o apoio até o primeiro ponto de aplicação da carga, na região onde o momento fletor é variável (COSTA, 2011). Como os sistemas reforçados com PRFC apresentam ruptura frágil, a atenção para a ancoragem é grande. Teng et al. (2002) defendem que a resistência de ancoragem não necessariamente aumenta com um maior comprimento de aderência, porque uma vez iniciado o processo de descolamento do reforço, este continua até atingir todo o seu comprimento.

Programa Experimental

Características das vigas O estudo experimental caracterizou-se pelo ensaio de 4 vigas de concreto armado, com seção transversal retangular de (120x200) mm, comprimento total de 1400 mm, 1200 mm de comprimento efetivo de ensaio, dimensionadas conforme recomendações da NBR 6118 (2014). O concreto utilizado foi dosado para que atingisse uma resistência à compressão de 20 MPa. A armadura de todas as vigas consistiu de aço CA-50, como mostra a Figura 1. A viga V1 não recebeu reforço com o laminado de PRFC, por ser a peça de referência. Para as demais, o dimensionamento do reforço à flexão foi realizado conforme as recomendações da norma americana ACI 318 (2014). A viga V2 recebeu uma lâmina de 570 mm de comprimento e largura igual à da base da viga, 120 mm, colada em sua face inferior. As vigas V3 e V4 receberam cada uma, em suas faces inferiores, uma faixa de 770 mm de comprimento e largura 120 mm também. Todas as vigas reforçadas receberam reforço adicional em suas ancoragens, caracterizado por faixas em formato de “U”, da própria manta de fibra de carbono, posicionadas exatamente nas extremidades da faixa longitudinal, isto é, nos comprimentos de ancoragem. As vigas V2 e V3 receberam duas faixas de 100 mm de largura e 400 mm de comprimento, cada uma, enquanto V4 recebeu duas faixas de 150 mm de largura e 400 mm de comprimento. A configuração final das vigas reforçadas é mostrada na Figuras 2, tendo a viga V2 como exemplo, e a Tabela 1 apresenta o resumo das informações construtivas de cada viga ensaiada.  

Resultados

Deslocamento

Em geral, observou-se que todas as vigas reforçadas apresentaram um aumento de rigidez quando comparadas à viga de referência V1, para o mesmo nível de carregamento. As vigas V2 e V3 apresentaram comportamentos semelhantes até suas cargas de ruptura, porém a viga V2, com menor comprimento de ancoragem, apresentou melhor desempenho em sua rigidez, em relação a V3, devido ao descolamento do grampeamento ocorrido nesta. Comparando-se o desempenho de V3 e V4, onde se variou a área de fibra utilizada no grampeamento, a diferença em relação ao deslocamento é mais nítida, de modo que V4 se destaca por apresentar menores deslocamentos, quando comparada às demais, para os mesmos níveis de carga. A Figura 3 reúne as curvas Carga x Deslocamento de todas as vigas.

Deformação no reforço

Observa-se na Figura 4 que a viga V2 apresentou uma curva crescente e uniforme, em comparação com as demais, onde o crescimento da deformação acompanhou o aumento da carga aplicada na viga até sua ruptura. A viga V3 apresentou deformações maiores que V2, chegando à uma deformação máxima de aproximadamente 2,3‰, e a partir da carga de 60 kN, observou-se uma queda brusca da deformação até sua carga de ruptura. Tal evento ocorreu devido ao descolamento do reforço no comprimento de ancoragem, seguido pelo rompimento nas extremidades laterais do grampeamento, levando o compósito a perder contato com o substrato. A viga V4 apresentou tendências a maiores deformações, em relação às demais, a partir de um passo de carga próximo dos 22 kN. Entretanto, partindo do carregamento de 28 kN, suas deformações mostraram um decréscimo, voltando a crescer em 46 kN e seguindo até a carga de ruptura da peça. Um possível motivo da queda nos valores de deformação de V4 foi a presença de uma fissura na região do comprimento de ancoragem, exatamente no ponto de leitura do extensômetro, iniciada no carregamento de 28 kN. Acredita-se que com o seu surgimento, o extensômetro passou por um período de acomodação, variando seus valores e indicando que, ao aumentarem novamente as leituras das deformações, a acomodação tenha sido finalizada.

Carga de ruptura

Tanto para a viga de referência quanto para as vigas reforçadas, foram estimadas as cargas de ruptura (Pflex) e seus momentos fletores resistidos correspondentes (Mn). A Tabela 2 apresenta estes valores, a relação entre a carga de ruptura teórica e a carga de ruptura (Pu) das vigas, e o acréscimo de carga de ruptura de todas as vigas reforçadas em relação à viga de referência. Diante dos dados apresentados, percebeu-se então um acréscimo na carga de ruptura de até 43,1%, de V4 em relação a V1, atribuído à adição das faixas de reforço à flexão nas vigas. Ainda, a viga V4, que tinha tanto seu comprimento de ancoragem quanto sua área de grampeamento superiores, exibiu o melhor desempenho em relação à carga de ruptura atingida pelas demais. Observou-se que V2 e V3, apresentando características de reforço distintas, romperam sob o mesmo carregamento. Isso se deve ao comportamento da faixa de reforço à flexão de ambas as vigas, com resultados extremamente próximos, revelando assim que o aumento do comprimento de ancoragem em V3 contribuiu para o acréscimo de tensões de arrancamento do reforço em sua face inferior. É importante observar também que a adição do reforço às ancoragens das vigas gerou um acréscimo interessante em suas capacidades de carga, pois atuaram contra o cisalhamento em todas as peças, costurando as fissuras.

Modo de ruína

Os modos de ruína das vigas ensaiadas não foram iguais, porém todas sofreram inicialmente escoamento da armadura de flexão. Na primeira viga, que rompeu por flexão, houve o posterior esmagamento do concreto; na segunda, a ruptura se deu por cisalhamento, com o destacamento do concreto na região próxima ao grampeamento; na terceira, a ocorrência do descolamento da lâmina devido ao nível excessivo de fissuração na zona de ancoragem revelou uma falha na interface concreto-compósito; e, ainda, visualizou-se na quarta viga a ruptura do reforço, devido às fissuras de cisalhamento na região do grampeamento, exatamente sob um dos pontos de aplicação de carga. A Figura 5 mostra o aspecto final de cada viga testada.

Conclusões

Para os resultados obtidos através dos deslocamentos das vigas, observou-se a eficiência do método de reforço utilizado, com o aumento significativo da rigidez das peças e diminuindo em média 50,7% as flechas sofridas por aquelas reforçadas, em comparação ao carregamento máximo atingido pela viga de referência. Diante das deformações visualizadas no reforço com PRFC, observou-se que, ao se comparar V2 e V3, com comprimentos de aderência diferentes e mesma área de grampeamento, a utilização da lâmina com comprimento de ancoragem mais longo não apresentou desempenho satisfatório, pois sua ruptura se deu por destacamento do PRFC na zona de ancoragem e não houve acréscimo na capacidade de carga da viga. Por outro lado, comparando-se V3 e V4, que tinham mesmo comprimento de aderência e áreas de grampeamento distintas, percebeu-se que a combinação de um comprimento de ancoragem superior ao mínimo necessário com faixas de reforço da ancoragem maiores mostrou-se uma opção de incremento de características mecânicas, que garantiu à viga atingir cargas de ruptura mais elevadas e sem levar ao descolamento da faixa de reforço à flexão. O uso de comprimentos de ancoragem mais longos gerou deformações em novos locais ao longo da faixa colada, o que consequentemente fez com que as tensões de aderência do compósito nas extremidades carregadas da viga reduzissem. Em contrapartida, aliviou as regiões centrais da lâmina de reforço à flexão. Dessa forma, conclui-se que, mesmo alguns trabalhos científicos confirmando que a tensão de arrancamento em vigas reforçadas com PRFC aumenta com o comprimento de ancoragem, a obtenção de um acréscimo da capacidade portante nessas peças com faixas de maior comprimento de aderência também é possível, desde que combinadas a amplas áreas totais de grampeamento. Assim, quanto à otimização do sistema de reforço com PRFC, afirma-se que a utilização do comprimento de ancoragem mínimo necessário na viga V2 representou uma alternativa estrutural e economicamente viável, pois ultrapassou a carga de ruptura teórica em 20,8% com apenas a área mínima de PRFC colado. Em contrapartida, a viga V3, com o aumento apenas do comprimento de ancoragem, atingiu a mesma capacidade de carga de V2, revelando-se como uma opção inviável de reforço. Para V4, o acréscimo de 35,0% no comprimento de ancoragem mínimo mostrou-se aceitável, uma vez que não somente atingiu a carga de ruptura para ela prevista como também a aumentou em 10,6%, quando comparada à V2 e V3, configurando-se como um incremento à segurança do elemento estrutural.

Autor

Aurélio, Ferreira, Eng. Civil pela Universidade Federal do Pará, UFPA Marilia, Freire, Enga. Civil pela Universidade Federal do Pará, UFPA Aarão, Lima Neto, Doutor em Estruturas e Construção Civil, UnB

Referências

ACI – AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Building Code Requirements for Structural Concrete. Farmington Hills, MI: ACI Comittee 318, 2014. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. D 3039/D 3039M: Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2014. ARAÚJO, C. M. Reforço à Flexão e ao Cisalhamento de Vigas de Concreto com Tecidos de fibra de Carbono. Rio de Janeiro: COPPE, 2002. 140 p. Tese (Mestrado) – Coordenação de Pós-Graduação de Engenharia, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2002. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118 (2014): Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. 3. ed. Rio de Janeiro, 2014. 238 p. BEBER, A. J. Comportamento Estrutural de Vigas de Concreto Armado Reforçadas com Compósitos de Fibra de Carbono. Porto Alegre: UFRGS, 2003. 193 p. Tese (Doutorado) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2003. COSTA, N. C. da. S. Análise Experimental de Vigas de Concreto Armado Reforçadas à Flexão com Compósito de Fibra de Carbono – Otimização da Ancoragem. Belém: UFPA, 2011. 101 p. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC), Universidade Federal do Pará, Belém, 2011. TENG, J. G.; CHEN, J. F.; SMITH, S. T.; LAM, L. FRP Strengthened RC structures. West Sussex, England: John and Wiley & Sons, 2002.