Reforço à flexão de vigas de betão armado com laminados de FRP colados à superfície

Abstract

A reabilitação de estruturas existentes, nomeadamente de betão armado, justifica a importância das técnicas de reforço. Uma destas técnicas consiste na aplicação exterior, normalmente por colagem sobre a superfície do elemento estrutural ou inserido nesta, de um compósito de polímero reforçado com fibras elevada resistência, comummente designado pela sigla inglesa FRP (Fiber Reinforced Polymer). As principais vantagens desta técnica são a elevada resistência destes produtos, a sua durabilidade (não apresentam problemas de corrosão), reduzida intrusividade e impacto arquitetónico e ainda a facilidade de aplicação, dispensando qualquer equipamento pesado e bastando usualmente uma equipa de dois técnicos. Estas caraterísticas levaram ao crescimento significativo da opção por esta técnica nos últimos tempos, nomeadamente quando é necessário aumentar a resistência.Os tipos de produtos de FRP mais frequentes são os laminados e os tecidos (e mantas), aplicando-se os primeiros a uma única face do elemento estrutural e os segundos, normalmente, a mais de uma. As fibras mais habituais são as de vidro, empregues nos GFRP, e as de carbono, nos CFRP, sendo as últimas particularmente interessantes para o reforço estrutural em virtude do seu elevado módulo de elasticidade. Para a colagem destes produtos ao elemento a reforçar utilizam-se resinas epóxi. A elevada rigidez das fibras de carbono confere aos laminados de CFRP capacidade para aumentar a resistência das peças lineares, nomeadamente à flexão, mas também para reduzir a sua fissuração e deformação. Os produtos de FRP também podem ser utilizados no reforço ao corte e, por confinamento do betão, no reforço axial e da capacidade de deformação, aspetos não cobertos nesta dissertação.Do ponto de vista do comportamento compósito, a maior dificuldade desta técnica reside na elevada tensão de aderência entre o produto de FRP e o betão, aspeto particularmente crítico porque, em geral, não há cintagem para resistir às trações no betão, perpendicularmente à superfície do laminado. Deve-se ainda notar que na região de reforço o recobrimento já suporta tensões devidas à aderência muito elevadas, associadas à armadura convencional, e, possivelmente, apresenta um nível de fendilhação avançado, o que também compromete o desempenho dos laminados, particularmente, a sua ligação ao substrato de betão. Embora esta técnica ainda não esteja coberta pela atual geração dos Eurocódigos, está em preparação a sua integração na próxima EN 1992. Assim, é interessante e útil a apresentação do futuro procedimento para a análise do reforço à flexão com CFRP da EN 1992.Os principais objetivos desta dissertação são (i) explicar de forma clara a técnica de reforço à flexão com laminados colados à superfície e os métodos de análise aplicáveis, identificando os parâmetros críticos; (ii) estabelecer um Método Geral de análise, dimensionamento e verificação da segurança; (iii) apresentar a resolução de um exemplo prático através desse Método (com um produto disponível no mercado nacional); (iv) realizar um estudo paramétrico, que considera a variação de dois parâmetros essenciais neste tipo de reforço: o módulo de elasticidade do laminado e a resistência à tração superficial do betão in situ.

The rehabilitation of existing structures, namely, of those in reinforced concrete, may require the use of strengthening techniques. One of these techniques consists in the external application, usually by a gluing process on the surface of the structural element or inserted in it, of a polymer composite reinforced with highly resistant fibers, known as FRP (Fiber Reinforced Polymer). The main advantages of this technique are the high strength of these products, the high durability (no corrosion), small intrusiveness and architectonic impact, and the ease of application, commonly requiring a team of only two technicians and avoiding heavy equipment. This strengthening technique has been increasingly chosen for its characteristics, namely when it is necessary to increase the resistance, because of their high modulus of elasticity. The most common types of products of FRP are the laminates and the sheets (usually applying the former to a single surface of the structural element and the later to more than one). The most common are the glass fibers, used on GFRP, and the carbon fibers, used on CFRP. These products are glued to the reinforced concrete elements with an epoxy resin. The high stiffness of the carbon fibers provides the CFRP the capacity to increase the resistance of linear members, not only in bending, but also in shear and to reduce cracking. FRP products are also used to increase the confinement of concrete, which may be required to increase the ductility and energy dissipation capacity at critical zones. As far as composite behaviour is concerned, the greater difficulty is the adherence between the FRP laminate and concrete. This is a critical aspect because there are are no stirrups to resist to the tension in concrete, perpendicular to the surface of the laminate. It is important to notice that because of the presence of the longitudinal reinforcement, the concrete cover already withstands the tension due to the high adherence, and possibly advanced cracking, and this may put at risk the performance of the laminate, namely its bond to the concrete substrate. Although this strengthening technique is not covered yet by the Eurocodes, its integration is being prepared for the upcoming version of EN 1992. Therefore, the presentation of the procedures that will be adopted is worthwhile and this dissertation will focus on the flexural strengthening with FRP. The main goals of this dissertation are: (i) clearly explaining the bending strengthening technique with FRP laminates glued to the surface and identifying the critical parameters; (ii) explaining the general method of analysis, design and safety assessment; (iii) apply this method to solve a practical example (with a product available on the national market); (iv) accomplish a parametric study, by varying two basic parameters for this type of reinforcement, the laminate’s modulus of elasticity and the surface tensile strength of the concrete.