Suzel Aline Fortes Duarte
Comportamento sísmico de nós de pórticodebetão armado reforçados com laminadosdeCFRP inseridos no betão de recobrimento
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
outubro de 2013
Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia CivilPerfil de Estruturas e Geotecnia
Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor José Sena Cruz
Suzel Aline Fortes Duarte
Comportamento sísmico de nós de pórticodebetão armado reforçados com laminadosdeCFRP inseridos no betão de recobrimento
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
iii
AGRADECIMENTOS
A presente dissertação foi realizada no Departamento de Engenharia Civil (DEC) da
Universidade do Minho, e está integrada num projeto de investigação subordinada ao
tema “Estudo do comportamento de nós de pórticos de betão armado”, utilizando como
material de reforço os CFRP “(Carbon Fiber Reinforced Polymer)”.
Com a conclusão deste trabalho, gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos
a todos aqueles, que de forma direta ou indireta ajudaram ao longo desta dissertação.
Ao Professor José Sena Cruz, sob cuja orientação decorreu a realização da presente
dissertação, quero expressar o meu profundo agradecimento pelos seus ensinamentos e
orientação dispensada ao longo deste trabalho.
Aos meus colegas Luca Fasan e Fabio Li Prizzi, que também participaram no
desenvolvimento do trabalho, partilha de conhecimentos e disponibilidade.
Aos doutorandos Esmaeel Esmaeeli e Hadi Baghi pelo apoio que deram para a execução
do mesmo.
Ao Laboratório de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade do Minho, em
especial ao Sr. António Matos e ao Engenheiro Marco Jorge pela ajuda prestada na
realização deste trabalho.
Ao laboratório de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro onde decorreram os
ensaios, ao professor Humberto Varum e ao Engenheiro José Melo pela ajuda prestada
na realização dos ensaios.
O presente trabalho contou ainda com a colaboração das seguintes empresas: S&P
Clever Reinforcement Ibérica Lda., Hilty Portugal-Produtos e Serviços, Lda. E Sika
Portugal – Produtos Construção e indústria, S.A.
Ao meu companheiro José Carlos Oliveira, pelo apoio incondicional, ao incentivo, a
motivação e ao carinho prestado durante este trabalho.
À minha família que mesmo à distância sempre me apoiaram.
iv
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
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RESUMO
A necessidade de reforço das estruturas de edifícios de betão armado pode resultar de
acidentes, de causas naturais (e.g. sismos), de projeto e/ou construção deficientes,
alteração de critérios regulamentares ou falta de manutenção entre outras causas.
Neste contexto, no âmbito da presente Dissertação, pretende estudar-se a aplicação da
técnica de reforço designada NSM (“Near Surface Mouted”) a nós de pórtico de betão
armado representativos de edifícios do final da década de 70, quando submetidos a
ações cíclicas. Na técnica NSM os reforços em polímeros reforçados com fibras (FRP)
são inseridos em finos entalhes abertos no betão de recobrimento. Normalmente estes
reforços são fixos ao betão com recurso a adesivos de origem epoxídica.
Os edifícios de betão armado do final da década de 70 são caraterizados por
apresentarem betões de baixa resistência, armaduras lisas e ausência de critérios de
dimensionamento adequados à ação dos sismos.
Este trabalho é iniciado com uma revisão bibliográfica sobre o estado do conhecimento
atual no que diz respeito à utilização de materiais compósitos no reforço de estruturas de
betão armado, com particular destaque para as técnicas de reforço em nós de pórtico de
betão.
Segue-se a descrição da técnica de reforço a estudar, bem como a sua aplicação aos nós
de pórtico a estudar por via experimental. Os ensaios experimentais realizados tiveram
como objetivo fundamental validar a técnica de reforço proposta. Para tal foram
ensaiados com quatro nós de pórtico de betão armado, com distintas soluções de
reforço.
Estes quatro nós, foram posteriormente submetidos a ensaio cíclico. Os resultados
destes ensaios revelaram que a técnica proposta constitui uma solução promissora para o
reforço de nós de pórtico quando submetidos a ações desta natureza.
vi
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
vii
ABSTRACT
The need for strengthening of reinforced concrete buildings can result in accidents,
natural causes (earthquakes), design and / or construction disabled, changing regulatory
criteria or lack of maintenance among other causes.
In this context, the scope of this dissertation aims to study the application of the NSM
strengthening technique called us gantry concrete buildings representative of the late
70s, when subjected to cyclic loads. In technical NSM reinforcements in fiber
reinforced polymers (FRP) are inserted into thin open slots in the concrete cover.
Usually these reinforcements are fixed to concrete using epoxy adhesives source.
The reinforced concrete buildings of the late 70s are characterized by presenting
concrete with low resistance, smooth and no armor design criteria appropriate to the
action of earthquakes.
This paper starts with a literature review on the state of current knowledge regarding the
use of composites in strengthening of concrete structures, with particular emphasis on
the techniques of reinforcement in concrete.
Below is the description of the reinforcement technique to study as well as its
application to the study we gantry via experimental. Experimental tests were performed
to validate the fundamental goal of strengthening technical proposal. To this end we
were tested with four gantry reinforced concrete reinforcement with different solutions.
These were later subjected to cyclic test. The results of these trials showed that the
proposed technique is a promising solution for the enhancement of us gantry when
subject to cyclic loads.
viii
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
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PALAVRAS-CHAVE
Nós de pórtico
Betão Armado
Ligações Viga Pilar
Polímeros Reforçados com Fibras (FRP)
Técnica de reforço NSM (“Near Suurface Mounted”)
Ação Cíclica
KEY WORDS
Frame Joint
Concrete
Beam-column joints
Fiber reinforced polymer (FRP)
NSM Technique
Cyclic load
x
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
xi
ÍNDICE
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ....................................................................................... 1
1.1 Contextualização e motivação ................................................................................ 1
1.2. Objetivos ................................................................................................................ 3
1.3. Estrutura da Dissertação ........................................................................................ 4
2.1 Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas ......................................... 6
2.2 Técnicas de reforço de nós de pórtico................................................................... 12
2.2.1 Técnica de reparação com epóxi .................................................................... 13
2.2.2. Remoção e Substituição do betão.................................................................. 15
2.2.3- Encamisamento de secções com betão armado ............................................ 16
2.2.4- Encamisamento de secções com chapas de aço ............................................ 18
2.2.5. Encamisamento com blocos de alvenaria...................................................... 21
2.2.6. Compósitos poliméricos reforçados com fibras ............................................ 21
2.3 Materiais de matriz cimentícia “ECC” ................................................................. 26
2.3.1- Características de desempenho ..................................................................... 27
2.3.2 Propriedades Mecânicas dos ECC.................................................................. 29
CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA ............................................... 33
3.1 Conceção dos protótipos ....................................................................................... 34
3.2 Caraterização dos Materiais .................................................................................. 37
3.3 Configuração do Ensaio ........................................................................................ 38
3.4 Esquema de monitorização ................................................................................... 40
3.5 Pré-danificação dos protótipos .............................................................................. 41
3.6 Reparação e reforço dos protótipos ...................................................................... 44
3.6.1 Soluções de reforço pré-fabricadas ................................................................ 45
3.6.1.1 Solução de reforço 1- JPA-1 ....................................................................... 45
3.6.1.2 Solução de reforço 2 – JPC ......................................................................... 49
3.6.2 Soluções de reforço betonadas in situ ............................................................ 51
3.6.2.1 Solução de reforço 3 - JPA-3 ...................................................................... 51
3.6.2.2 Solução de reforço 4 – JPB ......................................................................... 52
3.7 Descrição e caraterização dos materiais utilizados na reparação/ reforço ............ 55
4.1- Força versus deslocamento .................................................................................. 57
4.2 Energia dissipada .................................................................................................. 60
4.3 Rigidez inicial e degradação de rigidez ................................................................ 62
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
xii
4.4 Degradação da Força ............................................................................................ 65
4.5 Modos de rotura .................................................................................................... 67
CAPÍTULO 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................ 71
5.1 Conclusões gerais ................................................................................................. 71
5.2 Propostas para Trabalhos Futuros ......................................................................... 72
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 74
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(Juvantes 2011) . 8
Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008)..................................................... 9
Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008) ....................... 11
Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia
Civil (Sena Cruz 2011) ................................................................................................... 12
Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004) .............. 13
Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011) ........................... 15
Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes)............................... 17
Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes) ........................................................ 17
Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004) ......................................... 19
Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004) ........................................ 20
Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004) ........................................... 20
Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de
confinamentos (Sousa 2008) .......................................................................................... 22
Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011) .......................................................... 23
Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM
(Salvador 2008) .............................................................................................................. 26
Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004) ...... 28
Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009) ..................... 30
Figura 17- Curvas de elementos produzidos com betão com estribos a) sem estribos b)
com estribos (Garcez) ..................................................................................................... 30
Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos
(Garcez 2009) ................................................................................................................. 31
Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012) .............. 34
Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm).
(Fernandes 2012) ............................................................................................................ 35
Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes
2012) ............................................................................................................................... 36
Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes
2012) ............................................................................................................................... 36
Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012) ........................ 37
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
xiv
Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema
de ensaio. (Fernandes 2012) ........................................................................................... 39
Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012) ........................................................................ 39
Figura 26-Esquema de monitorização dos ensaios realizados (Fernandes 2012) .......... 41
Figura 27- Lei de deslocamentos laterais imposta no topo do pilar (Fernandes 2012) .. 42
Figura 28- Configuração do reforço aplicado a protótipo JPA-1 ................................... 45
Figura 29- Procedimentos de reforço com a técnica NSM no protótipo JPA-1 ............. 47
Figura 30- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nos painéis pré-fabricados .... 48
Figura 31-Preparação dos protótipos pré-fabricados ...................................................... 48
Figura 32- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPC ............................ 49
Figura 33- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPC ................... 50
Figura 34- Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPA-3 ........................ 51
Figura 35- Procedimentos de aplicação da técnica NSM no protótipo JPA-3 ............... 52
Figura 36-Configuração do reforço a ser aplicado no protótipo JPB ............................. 53
Figura 37- Solução de ancoragem adotados nos laminados ........................................... 54
Figura 38- Procedimentos de aplicação da técnica NSM nas faces laterais do protótipo
JPB .................................................................................................................................. 54
Figura 39- Relação Força versus deslocamento: (a) JPA-1, (b) JPA-3, (c) JPC, (d) JPB.
........................................................................................................................................ 59
Figura 40- Energia dissipada em função do número de ciclos para cada protótipo:
(a)JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB ............................................................................ 62
Figura 41- Degradação da rigidez: (a) JPA-1, (b) JPC, (c) JPA-3, (d) JPB ................... 64
Figura 42- Degradação da força para os protótipos: (a) JPA-1; (b) JPC; (c) JPA-3; (d)
JPB .................................................................................................................................. 66
Figura 43- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-1-R; (b) JPC-R; .. 68
Figura 44- Danos observados nos protótipos após o ensaio: (a) JPA-3-R; (b) JPB-R ... 70
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
xv
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1- Propriedades das Armaduras .......................................................................... 35
Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço .................................................................... 38
Tabela 3- Tabela Resumo dos resultados em termos de Força - Deslocamento dos
respetivos protótipos (Fernandes 2012) .......................................................................... 43
Tabela 4- Resultados obtidos em termos de relação força-deslocamento para os
protótipos ensaiados……………………………………………………………………59
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
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Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
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Lista de símbolos
NSM – Near Suurfaces Mounted
FRP – Polímeros reforçados com fibras (fiber reinforced polymers)
CFRP – Polímeros reforçados com fibras de carbono (carbon fiber reinforced polymers)
ECC – Engineered cementitious composites
LVDT – transdutor de deslocamentos (linear voltage displacement transformer)
EC – Eurocódigo
ρl – armadura
xviii
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
1
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização e motivação
Ao longo do século XX, o betão armado como material de construção, demonstrou as
suas variadas potencialidades. Consequentemente, observou-se uma utilização massiva
do mesmo. Porém, ao longo dos anos emergiram alguns problemas que vinham sendo
negligenciados. Isto porque, muitos dos edifícios dimensionados e construídos antes da
primeira metade do século XX, apresentavam deficientes características, principalmente
quando solicitados por ações cíclicas devido à utilização de betões de fraca resistência,
armaduras lisas, à fraca aderência das armaduras ao betão e à falta de disposições
construtivas especificas à ação do sismo. Consequentemente, muitos destes edifícios
apresentam elevada vulnerabilidade sísmica.
Uma das causas comum de dano e colapso de edifícios de betão armado desta época,
quando sujeitos à ação sísmica, é devido à ocorrência de mecanismos de
escorregamento das armaduras por consequência da degradação da aderência aço-betão,
conduzindo ao colapso parcial ou global da estrutura.
Em Portugal, a ocorrência de sismos pode dizer-se que não é, nem muito intensa nem
muito frequente. No entanto no passado já ocorreram diversos sismos com elevada
magnitude e intensidade com consequências catastróficas que abalaram o país. Dado o
risco de perdas humanas e de bens materiais devido aos sismos, torna-se necessário o
estudo do comportamento sísmico de modo a assegurar que, quer as novas construções,
quer as existentes apresentam comportamento adequado.
Em Portugal, no final da década de 70 já existiam algumas regulamentações específicas
para as construções de betão armado, destacando-se a publicação em 1961 do RSEP
(Regulamento de Solicitações em Edifícios e Pontes) e a publicação do REBA em 1967
(Regulamento de Estruturas de Betão Armado). Anteriormente à publicação destas
regulamentações, os edifícios eram construídos sem se basear em critérios de análise e
caraterização da ação sísmica que permitissem o seu dimensionamento à mesma. Em
virtude dessa conceção estrutural resultou um grande número de edifícios com
deficientes capacidades de resistência, deformações elevadas e danos concentrados nos
nós quando submetidos ao sismo. Nesse contexto, torna-se necessária uma avaliação
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
2
estrutural da vulnerabilidade sísmica destes edifícios para uma intervenção a nível de
reforço e/ou reabilitação dos mesmos.
Para que estes edifícios possam vir a desempenhar novas funções com segurança, a
necessidade de reparação/reabilitação está diretamente relacionada com uma análise
técnica e económica para se definir o tipo de intervenção a adotar.
As razões que levam às intervenções de reforço num dado elemento estrutural podem
ser devidas: à alteração do tipo de utilização (ações superiores às dimensionadas em
projeto), deterioração dos materiais (o que resulta na diminuição das suas resistências),
à alteração das suas funcionalidades ou erros de projeto/construção (Sena Cruz 2008).
Os projetistas são confrontados, em algumas circunstâncias de intervenções de reforço,
por situações que, devido a condicionantes de projeto, os limitam a nível da solução
estrutural e dos materiais a escolher. Nesta perspetiva demonstra-se claramente a
necessidade de se desenvolver ferramentas no âmbito de avaliação, reabilitação e/ou
reforço dos edifícios existentes de modo a melhorar as suas respostas a nível sísmico.
Nos últimos anos houve um acréscimo significativo de estudo e investigação, tendo já
sido publicados vários estudos e documentos com o objetivo de conceder aos projetistas
informações necessárias para o correto dimensionamento de projetos de reforço
estrutural com materiais compósitos, para responder a tais necessidades (Barros 2007).
O incremento da necessidade de reabilitar e reforçar as estruturas de betão está também
relacionado com as desvantagens apresentadas pelas técnicas de reforço tradicionais
retraindo projetistas e, sobretudo, donos de obra, pelo impacto estético (entre outros)
que estas intervenções impõem.
O aparecimento dos compósitos FRP em projetos de reforço e a sua crescente utilização
deve-se às grandes vantagens deste material, que essencialmente se caraterizam por:
elevada rigidez e resistência à tração, baixo peso específico, elevado comportamento à
fadiga e elevada resistência à corrosão.
Os mesmos compósitos asseguram uma variada oferta a nível de dimensões, quase
ilimitadas em termos de comprimento e entre eles existem também alguns tipos que se
adaptam perfeitamente a superfícies curvas.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
3
Outro fator caracterizador das vantagens de utilização dos compósitos FRP é a adequada
ligação ao betão, pela compatibilidade de deformações e da perfeita conjugação química
entre eles, o que permite a construção de estruturas mais leves, mais resistentes e com
maior durabilidade (Dias 2008).
Em termos mecânicos, as suas elevadas vantagens propiciam soluções de reforço que
conseguem garantir aumentos consideráveis na capacidade resistente dos elementos
estruturais, sem infligir alterações significativas na arquitetura da estrutura inicial e com
uso de pequenas quantidades de reforço.
1.2. Objetivos
Uma vez que estes edifícios da década de 70 foram construídos sem considerar a ação
sísmica, estes constituem um risco elevado para a população, tornando imprescindível
uma avaliação consistente das suas vulnerabilidades.
De acordo com a investigação experimental que tem vindo a ser desenvolvida e os
danos observados após os sismos ocorridos, ficou demonstrado que as deficiências na
pormenorização das armaduras dos nós e a inadequada ancoragem das armaduras levam
à rotura frágil das ligações viga-pilar, e consequentemente, de todo o edifício.
Dos vários estudos experimentais que têm investigado o comportamento cíclico da
ligação viga-pilar, poucos estão direcionados à análise do comportamento das ligações
com pormenorização de armaduras típicas da década de 70, deixando assim uma lacuna
nesta área.
De acordo com o exposto anteriormente, a presente dissertação tem como objetivo
desenvolver um trabalho experimental, de uma forma sustentada, que permitisse dar
resposta a esta questão.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
4
Assim os principais objetivos definidos para a presente dissertação foram os seguintes:
. Efetuar uma compilação sobre o estado de conhecimento atual do comportamento
cíclico de ligações viga-pilar representativos de edifícios da década de 70, com
deficiente dimensionamento ao sismo, bem como de materiais e técnicas de reforço de
nós de pórtico;
. Realização de um programa experimental que permita validar a técnica de reforço
proposta, de forma que seja garantido o controlo da qualidade de aplicação do reforço
de CFRP (“ Polímeros reforçados com fibras de carbono”);
. Participar na implementação das técnicas de reforço impostas;
. Comparar a eficácia das duas técnicas principais de reforço propostas;
. Tratar e interpretar os resultados obtidos nos ensaios experimentais.
1.3. Estrutura da Dissertação
Incluindo a presente introdução, esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No
primeiro capítulo apresenta-se, de forma resumida, o enquadramento sobre a temática
desta dissertação, os objetivos e a estratégia adotada para alcançar os objetivos
propostos.
No Capítulo 2, descreve-se, de forma resumida, o resultado do trabalho de pesquisa
bibliográfica efetuado sobre a temática desta dissertação. Após o enquadramento da
utilização dos materiais compósitos de CFRP no reforço de estruturas de betão armado,
são apresentadas, de forma genérica, as técnicas de reforço que recorrem aos referidos
materiais, bem como as principais vantagens e desvantagens da técnica de reforço NSM,
utilizada no âmbito da presente dissertação. Tendo em consideração uma base de dados
referente a resultados de trabalhos de investigação experimental já realizados. Numa
fase seguinte é dado particular destaque aos novos materiais de matriz cimentícia
“ECC”, bem como o seu elevado desempenho como material de construção, e sua
potencial aplicação no âmbito da técnica de reforço em análise.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
5
No Capítulo 3, são apresentadas as principais características dos materiais usados e as
soluções de reforço adotadas. Este capítulo descreve também a configuração do ensaio e
a instrumentação necessária para a realização dos mesmos.
No Capítulo 4, apresentam-se os resultados e respetiva análise dos ensaios
experimentais realizados, nomeadamente a relação força-deslocamento, a degradação da
rigidez, energia dissipada e os modos de rotura. Estes resultados são relativos aos
protótipos ensaiados antes e após a aplicação do reforço.
No Capítulo 5, apresentam-se as conclusões finais da dissertação e são avançadas
algumas sugestões visando desenvolvimentos futuros.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
6
CAPÍTULO 2. ESTADO DA ARTE
Este capítulo resulta da pesquisa bibliográfica realizada no âmbito desta dissertação.
Inicialmente é feito o enquadramento da utilização dos materiais compósitos em CFRP
no reforço de estruturas de betão armado. Posteriormente, são apresentadas as técnicas
de reforço para nós de pórtico de betão armado, com particular relevo para a técnica da
inserção de compósitos no betão de recobrimento (NSM). São realizadas algumas
considerações relativamente a alguns aspetos tecnológicos da aplicação dos reforços de
CFRP e ao desempenho estrutural dos elementos reforçados. Uma segunda fase deste
capítulo será dedicada aos novos materiais de matriz cimentícia e ao seu elevado
desempenho na Engenharia.
2.1 Materiais Compósitos de FRP no reforço de estruturas
As estruturas de betão armado são projetadas de acordo com exigências e
recomendações, pelo qual devem obedecer requisitos de segurança, funcionalidade e
durabilidade ao longo do seu período de vida útil. No entanto, são observadas
regularmente situações em que as condições de segurança não são atendidas
satisfatoriamente. O cenário descrito deve-se às seguintes causas: alteração do tipo de
utilização num determinado edifício (alteração das cargas a atuar na estrutura);
deterioração dos materiais derivados da diminuição da sua resistência ao longo dos anos
de vida útil; erros de projeto ou de construção; problemas a nível de conceção estrutural,
nomeadamente alteração dos códigos; ocorrência de catástrofes naturais ou vandalismo.
Os problemas anteriormente mencionados podem ser resolvidos com determinados tipos
de intervenção, tais como: demolição do edifício; reforço ao nível dos elementos
estruturais ou alteração dos elementos estruturais. Nestes casos, o tipo de intervenção a
implementar depende de uma avaliação de acordo com as condições de segurança e
económicas da referida situação. De acordo com estudos, tem-se constatado que o
reforço/reabilitação das estruturas tem sido a opção mais utilizada, com enorme
relevância na área da construção civil. Tendo em conta o tipo de solicitação do elemento
estrutural, poderá corresponder a diferentes tipos de sistemas de reforço, como também
ao aumento da resistência à flexão, ao corte, e ainda a necessidade de aumentar o
confinamento do betão (Dias 2008).
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
7
As técnicas de reforço que foram mais utlizadas em elementos estruturais nos últimos
anos são: colagem exterior de chapas metálicas, o encamisamento das secções e a
aplicação de pré-esforço exterior. A técnica de colagem externa de chapas metálicas
com epóxi tem sido a mais utilizada. Trata-se de uma técnica com algumas vantagens,
tais como: facilidade de execução e ao amplo conhecimento do comportamento do
material, mas também apresenta alguns inconvenientes que possam comprometer a sua
utilização, nomeadamente degradação do material na zona da ligação betão/aço devido à
corrosão do aço, dificuldade de circulação em obra, devido ao seu elevado peso próprio,
limitação a nível de dimensões das chapas e em superfícies curvas.
Outra técnica bastante eficiente no que se diz respeito ao aumento da ductilidade,
resistência e rigidez é a do encamisamento das secções. Porém tem consequências que
possam repercutir no peso próprio da estrutura, devido ao aumento considerável das
suas secções transversais e das cargas a atuar no mesmo. Também pode influenciar o
espaço em obra na zona da operação do reforço.
Para além destas duas técnicas, a técnica de aplicação de pré-esforço exterior foi muito
utilizada no passado. Embora seja uma técnica que permite o controlo simultâneo da
deformação e da capacidade de carga da estrutura, implica a necessidade,
imprescindível, de proteção à corrosão das armaduras de pré-esforço. Os aspetos mais
negativos desta técnica são a exposição exterior ao fogo, ao vandalismo, necessidade de
adoção de sistemas de ancoragem e ao eventual acréscimo de esforços nas zonas não
reforçadas.
Visto que a necessidade de reabilitar, reparar e reforçar as estruturas tem vindo a
aumentar consideravelmente, e dado ao excelente comportamento do material em
diversas industrias, a engenharia civil, tem vindo a despertar cada vez mais o interesse
nos materiais compósitos reforçados com fibras (FRP), devido aos seus benefícios
quando empregue no reforço de estruturas, dos quais podemos citar elevada resistência
mecânica, durabilidade, capacidade de absorver e dissipar energia, resistência ao fogo.
Os materiais compósitos de FRP (Figura 2) são constituídos essencialmente por fibras
embebidas numa matriz polimérica. As fibras são o agente estrutural dos materiais
compósitos de FRP e a matriz a segunda componente. As fibras são dispostas em forma
de filamentos de pequeno diâmetro, apresentando elevado modo de elasticidade e
resistência à tração, uma baixa densidade e um comportamento frágil. Podem ser
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
8
apresentadas numa direção (compósitos de FRP unidirecionais – sendo que a orientação
unidirecional lhes confere a maximização da resistência e da rigidez na direção
longitudinal) ou em várias direções (compósitos de FRP multidirecionais) (Juvantes
2011).
De facto, constituem boas alternativas às técnicas de reforço tradicionais. Estes sistemas
de reforço são constituídos por três principais componentes: o compósito FRP, o
adesivo responsável pela ligação entre o material e o FRP e a resina de preparação da
camada a reforçar.
De acordo com o agrupamento dos materiais constituintes, a comercialização dos
sistemas de FRP é feita por dois grupos, os sistemas Pré-fabricados e os sistemas
curados in situ (Figura 1).
Figura 1- Compósitos de FRP (formas pré-fabricado e curado in situ).(Juvantes 2011)
Os compósitos de FRP´s que constituem os sistemas Pré-fabricados são resultantes da
consolidação de um processo de pultrusão que integra um conjunto de feixes de fibra
contínuas e unidirecionais repletas de uma resina termoendurecível, em que são
controladas a espessura e a largura em fábrica. Trata-se do produto final a aplicar em
obra, sem necessidade de polimerização para a sua aplicação. A forma comercial mais
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
9
utilizada é o laminado que se apresenta normalmente com a espessura de 1.2 a 1.4 mm e
largura variável.
De acordo com os fabricantes as características mecânicas dos laminados são obtidas
por ensaios e planos que respeitam regras de controlo de qualidade. O adesivo que é
adicionado ao sistema para estabelecer a colagem do material ao laminado, é
normalmente um material do tipo epóxido.
Os sistemas curados in situ são normalmente apresentados com a designação de Mantas
ou Tecidos, que são feixes de fibras contínuas em forma de fios em estado seco ou pré-
impregnado.
As Mantas apresentam-se em folhas com espessuras entre 0.1 a 0.2 mm e larguras entre
25 a 30 cm e são constituídas por fibras unidirecionais.
Os Tecidos são bi ou multidirecionalmente, apresentadas como fibras entrelaçadas com
larguras de aproximadamente 60 cm. A percentagem das fibras é apresentada em peso
do produto por (g/ ).
A resina de saturação que constitui o sistema tem o objetivo de estabelecer a ligação
entre o material a colar e o FRP. Visto que, com a mistura da fibra e a resina só se
obtém o FRP após a execução do reforço in situ, ou seja após a polimerização da resina.
Figura 2- Materiais compósitos de CFRP (Dias 2008)
Relativamente aos materiais tradicionalmente utilizados na construção, nomeadamente
o aço, o betão e a madeira, os compósitos de CFRP apresentam inúmeras vantagens, das
quais se podem realçar, elevados valores das relações resistência à tração/peso e
rigidez/peso e pela elevada resistência à corrosão. Também tendo em conta o elevado
desempenho e o reduzido peso especifico que apresentam de acordo com as
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
10
características mecânicas, pode-se obter soluções de reforço leves e vantagens
associados aos aspetos como: facilidade de manuseamento em obra, facilidade de
transporte, aumento pouco significativo das cargas na estrutura inicial e a arquitetura
inicial é minimamente alterada. Dado às elevadas características mecânicas e a elevada
resistência à corrosão, os CFRP podem ser utilizadas em diferentes campos de aplicação
nomeadamente nas zonas costeiras. Acresce que este tipo de material apresenta
características muito importantes como a versatilidade em dimensões e a adaptabilidade
a qualquer tipo de superfície, o que não acontece com as chapas metálicas. Também ao
contrário das chapas metálicas, este material apresenta-se em termos de comprimento,
com dimensões quase ilimitadas, pelo que não é necessário executar emendas no
reforço.
O tipo de reforço pode ser aplicado, dispondo a direção das fibras o mais próximo
possível da direção das tensões principais de tração, de forma a otimizar o seu
desempenho.
Os materiais compósitos de CFRP apresentam vantagens face aos materiais tradicionais
de acordo com o desempenho mecânico e durabilidade, mas quanto ao comportamento à
ação do fogo, quando exposto às altas temperaturas deve-se ter especial atenção, devido
à presença das resinas e adesivos. Como a temperatura de transição vítrea da cola é
aproximadamente de 50 a 60ºC, quando diretamente exposto à ação de temperaturas
elevadas, nomeadamente do fogo, poderá resultar na sua degradação e
consequentemente a diminuição das características mecânicas do CFRP.
Quando avaliado individualmente, o elevado custo dos materiais compósitos de CFRP,
pode ser considerado um obstáculo à sua utilização, mas no âmbito da
instalação/reforço apresenta-se entre as outras técnicas de reforço, como uma das mais
competitivas. Graças ao diminuto peso específico dos CFRP pode-se obter facilidade de
transporte e da operação de reforço.
Pode-se dizer que é uma técnica simples e rápida de executar, mesmo quando se trata de
zonas de difícil acesso ou zonas em que podem não ser asseguradas condições de
segurança (zonas em que o transito possa ser interrompido, conforme representada na
Figura 3).
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
11
Figura 3- Vantagem de utilização de compósitos de CFRP (Dias 2008)
Além disso, algumas tarefas para a execução do reforço de CFRP podem ser realizadas
fora do local da obra, em que não exige elementos de suporte, o que poderá reduzir o
tempo de execução do reforço in situ.
Quanto aos custos, se incluirmos os custos de manutenção durante a vida útil da
estrutura reforçada, a técnica dos materiais compósitos de CFRP pode ter uma
significativa vantagem em relação às outras técnicas.
Para além dos aspetos económicos, o sucesso desta técnica de reforço deve-se às
propriedades dos materiais, a simplicidade e a rapidez de execução do reforço, custos de
manutenção após reforço e ao facto de não alterar com significância a geometria inicial
da estrutura.
Face ao que foi anteriormente mencionado, atualmente a técnica de reforço com CFRP é
considerada igualmente ou mais eficaz que as técnicas de reforço tradicionais. O que
explica a sua crescente utilização nas obras de reforço de estruturas (ver Figura 4).
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12
Figura 4- Exemplos de aplicação dos materiais compósitos de CFRP na Engenharia Civil (Sena Cruz 2011)
2.2 Técnicas de reforço de nós de pórtico
Existem duas grandes possibilidades de intervenções relativamente às operações de
reparação/reforço de estruturas: a primeira são intervenções ao nível global da estrutura,
que envolvam um aumento significativo da capacidade resistente; e um segundo tipo
mais direcionado para intervenções particulares na estrutura, que privilegiam um
pequeno aumento de resistência, proporcionando o aumento da ductilidade. Este tipo de
reforço incide numa zona particular da estrutura, normalmente incide nas zonas das
rótulas plásticas.
O desempenho das ligações viga-pilar tem vindo a ser reconhecido como uma das
causas significativas que afetam o comportamento geral das estruturas de betão armado
submetido a grandes cargas laterais (Figura 5). Uma vez que os reforços sísmicos nestes
tipos de ligações, mais utilizados não asseguram mecanismos de rotura dúctil
desejáveis, a necessidade de reforçar na zona dos nós de pórtico de betão armado poderá
ser considerada pela necessidade de aumentar a ductilidade, a resistência na zona do nó
(viga e pilar) e por consequência assegurar mecanismos de rotura dúctil (Engindeniz
2004).
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13
Figura 5- Rotura do nó viga-pilar em 1999 Izmit/Turquia (Engindeniz 2004)
Existem algumas técnicas de reforço com o fim de solucionar os problemas atrás
mencionados e que podem ser agrupadas da seguinte forma: reparação com epóxi
(injeção de resinas epoxídicas nas fendas de elementos pouco degradados), remoção e
substituição do betão em zonas mais degradadas, encamisamento de secções com betão
armado, blocos de alvenaria ou com placas de aço, e ainda reforço com recurso a
materiais compósitos.
2.2.1 Técnica de reparação com epóxi
Estruturas de betão armado têm vindo a ser reparadas usando esta técnica de injeção de
epóxi sob pressão com auxílio de um compressor, com o objetivo de garantir o perfeito
enchimento das fissuras. Mais recentemente, foi proposta uma nova técnica de
reparação de epóxi com impregnação a vácuo, em que a zona a injetar é sujeita a vácuo
e o material é colocado posteriormente sob pressão (Costa 2011).
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
14
Estas duas técnicas de reforço são dimensionadas de acordo com as características
geométricas da estrutura e com o desempenho desejado, devendo-se levar em conta as
propriedades e características dos materiais que o compõem, a interação destes
materiais, as condições de execução do reforço e profundidade das fendas.
French et al.(1990) estudaram a eficácia de ambas as técnicas de reparação com epóxi,
para reparar duas juntas interiores moderadamente danificadas, devido a ancoragem
inadequada das vigas contínuas. Por impregnação a vácuo os pontos de entrada do epóxi
foram localizadas na parte inferior de cada viga e na zona a reparar na base do pilar. O
vácuo foi aplicado por meio de três tubos ligados na parte superior da zona do pilar a
reparar. Ambas as técnicas de reparação foram bem-sucedidas, ao restaurar mais de 85
por cento da rigidez, resistência e características de dissipação de energia dos provetes
originais. A principal conclusão demonstra que a impregnação de vácuo apresenta um
meio eficaz de reparação de grandes zonas de danos, e em zonas de acessibilidade
reduzida.
Corazao e Durrani (1989) testaram uma ligação viga-pilar-laje reparada através de
injeção de epóxi, com um grande número de fendas de largura inferior a 3,2 mm. Após
a reparação, os padrões de fissuração observados foram semelhantes, exceto que antes
da reparação, as fissuras na zona de ligação viga-pilar foram de maiores dimensões. Isto
devido ao aumento do deslizamento dos varões longitudinais no interior do nó, que
também resultaram na diminuição da rigidez. A força máxima e a capacidade de
dissipação de energia foram relativamente restauradas. Assim concluíram que a injeção
de epóxi é adequada para a reparação de vigas e lajes, mas alertaram que a injeção em
nós de vigas e pilares pode ser muito difícil e a sua eficácia depende muito da qualidade
do trabalho.
De acordo Engindeniz et el. e de estudos que fizeram, chegaram à conclusão que a
reparação por injeção de epóxi em ligações ditou que o processo de reparação é
particularmente eficaz em melhorar a resistência, a rigidez e a capacidade de dissipação
de energia do provete.
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15
2.2.2. Remoção e Substituição do betão
A técnica de remoção parcial ou total para a substituição de betão (ver Figura 6) é
utilizada para nós fortemente danificadas. Antes da remoção do betão danificado, a
estrutura deve ser temporariamente suportada para assegurar a estabilidade.
Dependendo da quantidade de betão removido e das condições que se encontram as
armaduras, pode ser adicionada ou substituída a armadura longitudinal. Geralmente é
utilizado para substituição um betão de alta resistência e de baixa retração. Deve-se ter
especial atenção, de forma a garantir uma boa ligação entre o novo betão e o existente.
Figura 6- Exemplo de remoção e substituição do betão (Costa 2011)
Corazao e Durrani (1989) estudaram uma ligação de viga-pilar, removendo e
substituindo o betão no interior da ligação e as porções adjacentes das vigas e pilares. O
provete recuperou completamente a sua resistência e rigidez, mas não a capacidade de
dissipação de energia, o que foi atribuído devido à taxa reduzida do dano, face ao betão
de alta resistência utilizado nos reparos. Os investigadores afirmaram que, quando o
escoramento for assegurado, esta técnica é adequada para a reparação de danos
localizados nos nós, quando submetidos à flexão nas vigas, mas substituir o betão nos
nós pode não ser muito prático numa construção.
De acordo com um programa experimental realizado por Karayannis et al. (1998)
também incluiu seis protótipos de nós exteriores que apresentaram algumas fissuras
concentradas nas ligações viga/pilar e uma perda de quantidade considerável de betão
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16
nesta zona. Este tipo de fissuras pode ser atribuído ao fato de 2 dos nós não
apresentarem quaisquer estribos e apresentarem uma resistência à flexão muito baixa.
Primeiro os nós foram reparados com um betão de alta resistência nas zonas com falta
de betão. E, de seguida, com uma injeção de epóxi nas fendas adjacentes. A reparação
não alterou o modo de rotura dos protótipos com ou sem estribos, apesar de um
aumento de 39 a 71% na carga de pico,15 a 39% em rigidez, e 19 a 34% da capacidade
de dissipação de energia. Os dois protótipos com estribos, no entanto, melhoraram
consideravelmente após a reparação e aumentou a carga de pico, a energia dissipada
aumentou em 42% a rigidez.
Por sua vez, Tsonos (1999) reforçou duas ligações viga-pilar exteriores e idênticas
através da remoção do betão em toda a região do nó e da parte das extremidades do
pilar, substituindo-o por uma argamassa de alta resistência. A reparação resultou em
aumentos significativos em resistência, rigidez e capacidade de dissipação de energia,
especialmente no final dos testes. Após a reparação, os provetes exibiram o mesmo
modo de rotura que as mesmas sem reparar. Assim, concluiu que o requisito de
armadura transversal conjunta pode não ser necessária quando a argamassa usada para a
reparação de articulações muito danificados for de alta resistência.
Os resultados da experiência acima mencionados mostram que esta técnica pode ser
utilizada para reparação, por si só, para substituição do betão por outro de alta
resistência.
2.2.3- Encamisamento de secções com betão armado
A técnica de reforço de um elemento estrutural por encamisamento consiste no aumento
da secção transversal pela adição de uma armadura suplementar e de uma camada de
betão que envolve a secção inicial e na qual ficam inseridas as novas armaduras. Esta
técnica de reforço por encamisamento pode ser aplicada em vigas ou pilares. Pode ser
aplicado nas vigas e poderá ser efetuado o reforço apenas para a flexão - Figura7 a) - ou
à flexão e ao esforço transverso - Figura7 b).
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17
Figura 7- Soluções de encamisamento em vigas e pilares (Gomes)
No caso dos pilares (ver Figura 8), pode ser aplicado o reforço ao esforço transverso
e/ou à flexão, e também é possível acrescentar a resistência à compressão e a
ductilidade pela adição da nova armadura devido ao efeito de confinamento.
Figura 8- Soluções de reforço em pilares (Gomes)
Corazao e Durrani (1989) estudaram três ligações viga-pilar (dois exteriores e um
interior), por encamisamento do pilar e na região do nó. De acordo com as dificuldades
sentidas in situ na região do nó devido aos problemas de flexão, o reforço adicional do
nó foi modificado para um conjunto de buchas e um gancho. O encamisamento da
secção com betão, por si só não era adequado para restaurar o desempenho dos pilares
sem abordar o problema de transferência de carga entre vigas e pilares. A rigidez e
capacidade de dissipação de energia nos três nós viga-pilar foram aumentados e o dano
foi recuperado com sucesso.
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18
Testes realizados por Alcocer e Jirsa (1993) em quatro nós de viga- pilar- laje
submetidos à uma carga bidirecional, foi necessário fazer furos nas vigas para soldar e
colocar cantoneiras de aço destinadas a resistir à expansão lateral das barras da
articulação e de garantir confinamento conjunto da estrutura. Sendo que a zona
reforçada era a zona com maiores danos, com os resultados garantiram com sucesso um
maior confinamento.
Tsonos (1999) estudou a utilização de um revestimento de argamassa de cimento para a
reparação e reforço em ligações externas, o qual reforçou a região do nó e o pilar.
Também adicionou cantoneiras de aço espaçadas aos pilares. A relação entre a
resistência a flexão e ao corte, bem como o reforço transversal do conjunto foram
testados, observaram que a rotura por corte no nó não ocorreu após o reforço, houve um
aumento significativo de dissipação de energia.
2.2.4- Encamisamento de secções com chapas de aço
Esta técnica de encamisamento é mais vocacionada para intervenções pontuais ou
localizadas, que em processos de reforço ou reabilitação estrutural pode privilegiar o
aumento da ductilidade, como também proporcionar um pequeno aumento da
resistência. O aumento do confinamento conseguido na zona de formação das rótulas
plásticas é conseguido pela melhoria da ductilidade proporcionada pelo encamisamento
localizado. Sendo que o tipo de material utilizado no encamisamento influencia
fortemente a rigidez do pilar reparado/reforçado.
A técnica de encamisamento de secções utilizando chapas metálicas (“Steel Jacketing”
na nomenclatura inglesa) é aplicada normalmente para reforço de pilares (Figura 9) e
consiste no envolvimento da secção deste por chapas metálicas. Este tipo de reforço
poderá ser aplicado a nível global ou local da estrutura. A nível local pode ser aplicada
nas zonas de secções críticas (nós de pórtico, zonas de emenda de varões).
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19
Figura 9- Exemplos de soluções de reforço (Cardozo 2004)
A introdução de chapas de aço nas faces dos pilares pode garantir um aumento da
resistência à flexão e do esforço transverso pela inserção da armadura adicional, e
garantir um aumento da rigidez e da ductilidade do elemento reforçado, o que também
poderá favorecer um aumento da resistência à compressão do betão por confinamento
das chapas. Isto se admitirmos uma perfeita ligação entre o material de reforço e a
secção existente. Pois a eficácia desta técnica depende essencialmente da perfeita
ligação entre os dois materiais e também da correta ligação entre as fronteiras das
chapas de reforço.
Quando temos um tipo de reforço local, a ligação entre as chapas metálicas de reforço e
o betão existente é conseguido através da colagem destas à superfície do betão com uma
resina epóxida ou de uma argamassa também epóxida.
Quando se trata de reforços do tipo global a ligação entre os materiais é garantida a
partir de uma injeção de uma calda cimentícia não retráctil ou de uma resina epóxida
líquida no espaço entre a superfície de betão e as chapas de reforço.
Migliacci et al. (1983) estudaram quatro protótipos de ligações viga-pilar exteriores
reforçados com chapas de aço coladas com epóxi às vigas e aos pilares, e tiras de aço
que foram soldadas nos vértices. Duas das amostras foram pré-esforçadas com cintas de
aço. A capacidade de dissipação de energia das amostras sem pré-esforço foi restaurada,
enquanto nas amostras que foram pré-esforçadas a capacidade de dissipação de energia
teve um acréscimo de cerca de 35%.
Corazao e Durrani (1989) reforçaram um nó exterior e um nó interior de uma ligação
viga-pilar-laje, com parafusos e placas de aço ligadas por epóxi em cada pilar e
cantoneiras soldadas e aparafusadas, enquanto na zona das juntas utilizaram uma
argamassa (como mostra a figura 10).
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
20
Figura 10- Soluções de reforço adotadas. (Engindeniz 2004)
As placas de aço coladas em cada face das colunas superior e inferior foram
aparafusadas ao betão perto dos ângulos da junta. No caso da junta interior, uma placa
foi também ligada e aparafusada à parte inferior da junta alargada. Para ambas as
amostras não houve evidência de danos nos pilares. Na articulação exterior a resistência,
a rigidez inicial, e dissipação de energia da junta exterior foram aumentadas em cerca
18, 12 e 2%, respetivamente. Os aumentos correspondentes para a articulação interior
foram 21, 34, e 13%, respetivamente.
Beres et al. (1999) consideraram duas diferentes configurações de placa externas
ancoradas e às vigas para uma das suas articulações internas, como apresenta a Figura
11.
Figura 11- Solução de reforço adotada. (Engindeniz 2004)
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
21
Para evitar o arrancamento dos varões, o nó foi reforçado por meio de parafusos ligados
a duas placas de aço. Verificou-se um aumento de 20% da força de pico, 10 a 20% de
aumento na rigidez, e não houve alteração significativa na dissipação de energia. O
objetivo de aumentar a resistência à flexão e o confinamento foram ambos conseguidos
com sucesso.
2.2.5. Encamisamento com blocos de alvenaria
Tendo em conta estudos realizados por Bracci et al. (1995) que analisaram o reforço de
ligações, utilizando blocos de alvenaria em pilares de betão armado, foi construída uma
faixa em torno dos nós e os espaços existentes entre eles foram rebocados. A capacidade
de corte foi aumentada, devido a um reforço de armadura longitudinal que foi
acrescentado ao longo dos nós. Num segundo método, a alvenaria foi reforçada
verticalmente com armadura pós-tensionada. As ligações viga-pilar foram reforçadas ao
corte por envolvimento com aros retangulares passando por furos nas vigas. Foi feita
uma análise dinâmica não-linear e os resultados demonstraram que o comportamento
viga forte e pilar fraco foi melhorado e foi alcançado um adequado controlo das
fissuras.
Embora, apresente as mesmas limitações que a técnica de encamisamento com betão
armado devido aos enchimentos de alvenaria parciais, tem uma desvantagem funcional
adicionado ao aumento da perda de espaço interno entre os vãos.
2.2.6. Compósitos poliméricos reforçados com fibras
A partir de 1998, a pesquisa sobre o reforço de juntas viga-pilar com a utilização de
polímeros (FRP) compósitos reforçados por fibras tem vindo a aumentar
exponencialmente.
Os estudos desenvolvidos sobre esta técnica têm demostrado a efetividade deste tipo de
reforço e algumas consequências óbvias, tais como: melhoria da ductilidade, o aumento
da resistência à compressão do elemento reforçado e a proteção das armaduras do pilar
contra a corrosão e contra agentes ambientais agressivos.
O confinamento externo contínuo garantido pelo betão e proporcionado pelo colete de
FRP pode relacionar-se com o aumento de resistência à compressão e deformação na
rotura.
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22
Na figura seguinte pode-se observar os diagramas de tensão-deformação do betão
quando submetidos a diversos tipos de confinamento, chegando a conclusão que a
ductilidade do elemento é proporcionada pela presença do confinamento com o FRP.
Figura 12- Diagrama Tensão- Deformação do betão submetido a diferentes tipos de confinamentos (Sousa 2008)
As técnicas mais utilizadas para aplicação de FRP´s são, em geral, baseadas na
utilização de laminados unidirecionais através da (i) aplicação de mantas (sistemas
curados in situ) ou laminados (sistemas pré-fabricados) colados externamente sobre a
superfície do elemento estrutural a reforçar (EBR – “Externally Bonded Reinforcement”
na literatura inglesa); (ii) inserção de laminados (ou varões) em ranhuras abertas no
betão de recobrimento (NSM – “ Near-Surface Mounted”, na literatura técnica inglesa).
A ligação entre os FRP’s e o betão é normalmente garantida por colas, nomeadamente
adesivos epóxi.
No entanto, também são apontados alguns inconvenientes para as duas técnicas
referidas, nomeadamente o elevado custo inicial do sistema de reforço, o facto destes
sistemas de reforço não permitirem a exploração adequada das potencialidades dos
FRP´S à tração (no momento de rotura do elemento reforçado a máxima tensão
instalada no FRP é muito inferior à sua resistência à tração) e a averiguação dos modos
de rotura frágeis antes da formação de rótulas plásticas nos elementos do nó. Também
propicia a concentração de tensões na zona de intervenção e são necessários diferentes
trabalhos de preparação e morosos que podem pôr em causa a competitividade destas
técnicas.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
23
Em geral os modos de rotura apresentados pelas duas técnicas acima mencionadas são o
descolamento do FRP quando usada a técnica EBR e destacamento da camada de betão
de recobrimento quando aplicada a técnica NSM.
Tendo em conta os inconvenientes apresentados acima e na tentativa de combater a
rotura precoce do reforço com FRP’s, têm sido feitos alguns estudos e adicionados
alguns complementos, por exemplo a aplicação de sistemas de ancoragem compostos
por chapas de aço aparafusadas nas extremidades do reforço, ou o uso de cintas em
manta de FRP.
Foi desenvolvida uma técnica alternativa à técnica de reforço EBR (ver Figura 13), que
tem como objetivo a utilização de laminados de FRP apenas ancorados ao betão através
de ancoragens mecânicas (MF-FRP - Mechanically Fastened, na literatura técnica
inglesa).
Esta técnica é utilizada no reforço à flexão de elementos de betão armado e foram
evidenciadas melhorias na capacidade resistente à flexão e pouca ou nenhuma perda de
ductilidade.
Também foi proposta recentemente outra técnica de reforço designada MF-EBR
(Mechanically Fastened and Externally Bonded Reinforcement) que utiliza laminados
multidirecionais de CFRP (MDL-CFRP). Os laminados são colados e fixados
mecanicamente através de ancoragens.
Esta técnica tem como objetivo explorar o descolamento prematuro apresentado na
técnica EBR e as falhas locais observadas na técnica MF-FRP.
Figura 13- Técnicas de reforço (Sena Cruz 2011)
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24
Tendo em conta a técnica de reforço NSM proposta no âmbito da presente dissertação
para nós de pórtico de betão armado, o correto funcionamento deste tipo de reforço
depende não só do controlo de qualidade como também dos procedimentos de reforço e
dos materiais aplicados. Para tal, para que se consiga um rigoroso controlo da qualidade
de aplicação da técnica existe um conjunto de procedimentos que o técnico deve
conhecer para garantir as boas práticas de execução desta técnica de reforço. Os
referidos procedimentos são os seguintes (de acordo com a Figura14):
• Após a marcação da posição exata dos entalhes nas faces dos elementos a reforçar,
recorre-se a uma máquina de corte com disco diamantado e que contém um dispositivo
de controlo do alinhamento e da profundidade do entalhe. É essencial garantir que não
se provoquem danos nas armaduras existentes (longitudinais e transversais) que
eventualmente possam ser atravessadas pelo entalhe no momento em que se está a
proceder à abertura dos entalhes.
Portanto, para garantir que tais situações não ocorram em obra, é essencial que nos
desenhos de execução do reforço de CFRP, segundo a técnica NSM, apareça de uma
forma clara, quer a altura que o entalhe deve ter como a localização das armaduras
existentes, e que no momento da execução dos entalhes se tenha em atenção eventuais
desvios entre o que está no projeto de estabilidade (betão armado) e o que foi executado
em obra. Tudo isto justifica uma verificação minuciosa in situ, previamente à
elaboração do projeto do reforço de CFRP, da localização das armaduras e da espessura
do betão de recobrimento.
• De forma a proporcionar a melhor aderência possível na ligação betão-adesivo, deve-
se garantir que a superfície de betão a reforçar esteja seca, isenta de gorduras e que não
apresente partículas soltas. Assim, deve-se verificar antes da aplicação do reforço, se o
betão se encontra seco e proceder à limpeza dos entalhes com a aplicação de ar
comprimido;
• Os laminados de CFRP, fornecidos em rolo, já com a secção transversal definitiva, são
cortados transversalmente ao eixo das fibras de acordo com o comprimento desejado.
Posteriormente, de forma a proporcionar as melhores condições de aderência, entre o
adesivo e o CFRP, devem ser removidas as sujidades que eventualmente os laminados
contenham (gorduras, pó, etc.) por intermédio da limpeza com acetona. Também deve-
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
25
se ter em conta um aspeto muito importante relativamente aos laminados, que se trata da
necessidade de realização de ensaios previamente à aplicação do reforço, de forma a
garantir que satisfazem os valores das propriedades do material considerado na fase de
projeto.
• Deve-se começar por colocar o número exato de laminados a aplicar, junto do
elemento estrutural a reforçar, para que o técnico não se esqueça de inserir um
determinado CFRP, o adesivo epoxídico deve ser produzido de acordo com as
recomendações estabelecidas pelo fabricante. A dosagem é composta por dois
componentes (componente A- a resina e componente B- o endurecedor), deve-se
respeitar o tempo e o modo de utilização do adesivo (“potlife”).
• O adesivo deve ser preenchido nas ranhuras;
• O adesivo também deve ser aplicado nas faces dos laminados;
• Após a introdução dos laminados nas ranhuras, deve ser retirado o adesivo em
excesso. Nesta etapa deve-se ter especial atenção à presença de espaços vazios que
possam criar bolhas de ar e pôr em causa a eficiência da ligação betão-adesivo-CFRP.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
26
Figura 14- Exemplificação dos procedimentos a aplicar na técnica de reforço NSM (Salvador 2008)
2.3 Materiais de matriz cimentícia “ECC”
No contexto das estruturas o betão como material estrutural de construção apresenta
vantagens de fabricação e aplicação, contudo é considerado um material frágil, com
pouca resistência a deformações e reduzida capacidade de suporte de cargas de tração.
Nas últimas décadas tem-se verificado inovações a nível da sua tecnologia de produção.
Isso advém da necessidade de atender às novas exigências e de se conseguir um betão
com características adequadas de eficiência e durabilidade (Barros 2011).
Com os avanços que têm havido na engenharia estrutural, conseguiu-se estabelecer o
conceito de betão reforçado com fibras que consiste num betão que incorpora fibras de
reduzidas dimensões.
Esta ligação conseguida a nível dessas escalas de comprimento preconiza a integração
composta de materiais para melhorar o seu desempenho em termos de resposta de
carga-deformação, absorção de energia, capacidade de deformação, estabilidade
estrutural, tolerância aos danos, eficiência da construção e as necessidades de
reabilitação.
Dissertação de Mestrado – Suzel Duarte
27
Esta abordagem deve beneficiar o custo de estruturas recentes de segurança e do ciclo
de vida, também permitirá desenvolver soluções novas, soluções para aplicações
exigentes com as condições ambientais e de carregamento graves, tais como estruturas
resistentes às ações sísmicas.
Os compósitos cimentícios designados por (ECC) “Engineered cementitious
composites” (na nomenclatura inglesa) são materiais cimentícios reforçados com fibras,
com um comportamento deformacional similar à dos metais. O ECC pode ser composto
por uma variedade de fibras, incluindo poliméricos, de aço e de carbono. As matrizes
utilizadas são compostas na maior parte de cimento, argamassa e cinzas. Até agora, a
maioria das pesquisas tem sido conduzida com uma fibra de polietileno PVA
(polietileno álcool polivinílico) de elevado módulo de elasticidade numa matriz de
cimento. A combinação de um composto de cimento, mais dúctil com reforço estrutural
(FRP), tem tido resultado direto na compatibilidade da tensão e deformação. Este
comportamento obtém-se pela formação de múltiplas fissuras por todo o comprimento
da amostra, assegurando uma maior ductilidade.
Além disso, os elementos de ECC com reforço de FRP longitudinal mostram reduzidos
deslocamentos residuais após a descarga. Além da localização das fissuras no ECC, o
reforço ao confinamento, resistência à deformação e resistência à encurvadura, também
reduz significativamente os requisitos de reforço de aço transversal e levam a uma
dissipação de energia estável (Esmaeeli 2013).
2.3.1- Características de desempenho
O comportamento deformacional de compósitos cimentícios, tais como do betão, betão
reforçado com fibras (FRC) e compósitos reforçados com fibras de alto desempenho são
tipicamente distinguidos de acordo com as suas características de tensão-deformação de
tração e da resposta pós-fissuração em particular (ver figura 15). As matrizes frágeis,
como argamassa e betão simples, perdem a capacidade de carga de tração quase
imediatamente após a formação da primeira fenda. A adição de fibras em betão armado
convencional pode aumentar a tenacidade da matriz de cimento, no entanto, a sua
tensão/força e, especialmente, a capacidade elástica além das primeiras fissuras não são
reforçadas. É, portanto, considerado um material quase frágil com amolecimento do
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comportamento de tensão/deformação, isto é uma diminuição da carga e localização
imediata da deformação do compósito na primeira fissura da matriz.
Tendo em conta estudos desenvolvidos por Naamã e Reinhardt (1995), o ECC
representa uma classe particular de betões de alto desempenho que são definidos por
uma resistência final maior após a formação das fissuras durante o múltiplo processo de
deformação inelástico. Em contraste com a deformação localizada em betões
convencionais, a deformação do ECC é considerada uniforme a uma macro escala, o
que é uma propriedade do material que não depende da durabilidade.
O ECC tem geralmente uma resistência à tração de 5-8MPa, o espaçamento entre as
múltiplas fissuras do ECC é da ordem de vários milímetros, enquanto a largura das
fendas são limitadas ao fim de 100 m. Além dos ingredientes comuns compósitos
cimentícios, tais como cimento, areia, cinzas, água e aditivos, o ECC utiliza um pouco
aleatoriamente, fibras de PVA orientadas em frações de fibras moderadas (Volume de
fibras = 1,5% a 2%).
Figura 15- Comportamento tensão-deformação de matrizes cimentícias (Li 2004)
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2.3.2 Propriedades Mecânicas dos ECC
Os ECC´s são compósitos reforçados com fibras, caraterizados pela elevada ductilidade
à tração. Uma das características que distinguem e justificam as diferenças de
comportamento estrutural entre os outros materiais são o comportamento de
endurecimento sob deformação e a capacidade de múltipla deformação.
De acordo com Li (2004), são dimensionados para resistir a elevadas cargas de tração e
ao corte. Devido a sua elevada ductilidade, estas possuem elevada capacidade de
absorção de anergia e de deformação sob carregamentos de tração, resultado da
capacidade de formar diversas fissuras e de pequenas dimensões durante o processo de
rotura dos compósitos.
Para se compreender o comportamento dos ECC´s são utilizados os conceitos da
micromecânica, que estabelecem relações entre o comportamento mecânico dos
compósitos e as propriedades individuais dos mesmos e da matriz.
No ECC após a primeira fissura dá-se um aumento ou uma estabilização na capacidade
de carga do compósito, uma vez que apos a abertura da primeira fissura, o carregamento
suportado pela matriz é transferido para um conjunto de fibras de pequeno diâmetro,
com boa resistência à tração e adequada aderência à matriz, que atravessam a fissura.
Estas fibras têm capacidade de suportar e transferir as cargas para outro ponto da matriz,
resultando numa nova fissura, e assim de forma sucessiva resultando em múltiplas
microfissuras ao longo do compósito, assegurando a integridade global e não
permitindo a rotura do elemento. Este comportamento é o responsável pela sua
característica que maior importância que é a ductilidade. Por consequência, uma menor
probabilidade de ocorrer um dano estrutural derivado da rotura dos compósitos num
elemento de ECC.
Li (1998) realizou ensaios à flexão com um elemento de ECC. Salientou que o
comportamento de endurecimento do ECC é o responsável pela sua alta tolerância ao
dano e à tenacidade e também por permitir que o compósito sofra deformações sem
romper (ver Figura 16).
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30
Figura 16- Padrão de fissuração de um elemento de ECC (Garcez 2009)
Também afirmou que os ECC´s possuem uma elevada resistência ao corte, quando
submetidos a este tipo de carregamento, desenvolvendo assim varias fissuras alinhadas
na direção normal à direção das tensões principais de tração. Sendo que o
comportamento à tração é dúctil, então a resposta ao corte também é dúctil. Por isso, os
elementos de ECC podem utilizar uma pequena quantidade de armadura ao corte, ou até
mesmo dispensá-lo.
Para justificar este comportamento pode-se observar na Figura seguinte, os dados
provenientes dos ensaios realizados por Li (1998). Através dos resultados concluiu que
o elemento de ECC sem estribos demonstrou uma elevada capacidade de carga e
elevada capacidade de absorção de energia.
a) b)
Figura 17- Curvas de elementos produzidos com ECC a) com estribos b) sem estribos (Garcez).
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Também estudou a tolerância aos danos, e verificou que o elemento confecionado com
ECC (sem estribos) é superior ao elemento de betão armado (Figura 18).
Figura 18- Comportamento de elementos a) de betão armado; b) de ECC sem estribos (Garcez 2009)
Segundo Li este comportamento derivado do processo de desenvolvimento de várias
fissuras geralmente inferiores a 100 m, pode representar uma causa importante no
aumento da durabilidade das estruturas, quando submetidas à cargas severas.
Yang et al. (2008), realizaram ensaios com protótipos com 3 dias de idade, que foram
pré-carregados até atingirem deformações específicas. De acordo com os resultados
evidenciaram que a rigidez diminui drasticamente devido a presença das fissuras
provocadas pelo pré-carregamento.
Aspeto importante que serve de diferenciação do ECC em relação aos betões
convencionais, porque durante o processo de carregamento o elemento de ECC sofre
uma diminuição da sua rigidez, isto entre a fase transitória da elástica para a inelástica,
sem comprometer a redução da sua capacidade de carga. Portanto torna-se possível tirar
proveito da ductilidade do material na resposta final de uma estrutura, sem ter em conta
apenas o reforço promovido pelas armaduras ou confinamentos externos (Garcez 2009).
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2.3.3 ECC no reforço/reabilitação de estruturas
Após os avanços conseguidos no desenvolvimento deste material de alto desempenho, e
do seu excelente comportamento, este demonstra uma boa opção para utilização em
intervenções de reabilitação/reforço.
Normalmente as reabilitações/reforços efetuadas em elementos de betão convencional
perdem durabilidade. Isto deve-se à uma má escolha do material utilizado. Dos vários
estudos desenvolvidos relativamente ao ECC, também demonstra um elevado
desempenho quanto à durabilidade sob diversas condições ambientais.
Também, graças a sua elevada capacidade de deformação à flexão, este possui grandes
vantagens quanto ao reforço sísmico, pela necessidade dos elementos estruturais
resistirem a grandes esforços de flexão, ao corte e à fadiga, como também prolongar a
sua vida útil em serviço.
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CAPÍTULO 3. TÉCNICA DE REFORÇO PROPOSTA
Este capítulo tem como objetivo apresentar, de forma sucinta, a aplicação da técnica de
reforço proposta para o reforço de nós dos pórticos de betão armado submetidos a ações
sísmicas e descrever a configuração de ensaio usada para a realização dos ensaios.
São apresentadas as propriedades dos materiais aplicados nos ensaios experimentais
efetuados e descreve-se de forma concisa a conceção dos protótipos adotados e os
procedimentos para a aplicação do reforço.
O trabalho experimental desenvolvido foi realizado em duas fases. A primeira,
executada numa fase anterior a esta dissertação, sob coordenação e execução da
Universidade de Aveiro, cujo objetivo principal era compreender o comportamento de
nós de pórtico de betão armado pertencentes a estruturas de edifícios do final da década
de 70. Quatro nós deste programa experimental serviram de base à segunda fase do
trabalho.
A segunda fase, no qual foram reforçados quatro nós de pórtico de betão armado, com
duas soluções de reforço principais e distintas.
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3.1 Conceção dos protótipos
Para avaliar a eficácia da técnica NSM no reforço de nós de pórtico de betão armado à
ação sísmica, foram estudados quatro protótipos à escala real (cujas designações são
JPA-1, JPA-3, JPB e JPC), e cuja geometria em planta se representa na figura seguinte.
Figura 19- Geometria dos protótipos (dimensões em mm). (Fernandes 2012)
Estes protótipos pretendem simular a partir do centro do nó, 2 meios vãos de vigas e
meios vãos de pilares. Os pilares têm secção transversal quadrada ,
enquanto que as duas vigas apresentam uma secção transversal retangular de
.
A tabela seguinte apresenta informação diversa relativamente às armaduras utilizadas
em cada protótipo, nomeadamente: diâmetro, percentagem longitudinal de armadura (ρl)
e percentagem transversal de armadura (ρl). Estes parâmetros foram calculados de
acordo com o Eurocódigo 2.
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Tabela 1- Propriedades das armaduras
Viga Pilar
Armadura Longitudinal Armadura Transversal Armadura Longitudinal Armadura Transversal
Protótipo Diâmetro (mm)
ρl, viga
(%) Diâmetro
(mm) ρw, viga
(%) Diâmetro
(mm)
ρl, pilar
(%) Diâmetro
(mm) ρw, pilar
(%)
JPA-1
12
0.6
8
0.17
12
0.5
8
0.13
JPA-3 0.6 0.17 0.5 0.13
JPC 0.6 0.34 1.0 0.34
JPB 0.6 0.17 1.0 0.13
Nas figuras que se seguem apresentam-se os detalhes relativos à pormenorização das
armaduras.
Figura 20- Detalhes da armadura dos protótipos JPA-1 e JPA-3 (dimensões em mm). (Fernandes 2012)
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Figura 21- Detalhes da armadura do protótipo JPB (dimensões em mm). (Fernandes 2012)
Figura 22- Detalhes da armadura do protótipo JPC (dimensões em mm). (Fernandes 2012)
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Secção A-A Secção C-C Secção E-E
Secção B-B Secção D-D Secção F-F
Figura 23- Pormenorização das secções transversais (Fernandes 2012)
3.2 Caraterização dos Materiais
Foram realizados ensaios de caraterização do betão aos 28 dias de idade, de acordo com
o especificado na norma NP EN1992-1-1. Para tal efetuaram-se ensaios de compressão
uniaxial com cubos de 0,15 × 0,15 × 0,15 m3 que permitiu concluir que a resistência
média à compressão é igual a 23,8 MPa, à qual corresponde a classe C16/C20 do betão
de acordo com a classificação da NP EN1992-1-1.
Na tabela seguinte apresentam-se as propriedades mecânicas médias do aço da
armadura longitudinal usadas no âmbito do presente programa experimental.
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Tabela 2- Propriedades Mecânicas do Aço
Propriedades Valor
Tensão de Cedência 590 (MPa)
Tensão Máxima 640 (MPa)
Módulo de Elasticidade 198 (GPa)
3.3 Configuração do Ensaio
Na Figura 24 são representadas as condições de apoio e as solicitações aplicadas
(esforço axial N e força lateral FP), de acordo com o funcionamento estrutural projetado,
assim como o esquema de ensaio adotado para simular as condições de ligação e de
carregamento. A força no topo do pilar (dP) foi aplicada por um servo atuador
(SVACT), ao qual corresponde um valor de força FP. O esforço axial foi aplicado no
pilar por recurso a um atuador (ACT) no topo do pilar que faz reação num sistema
estrutural composto por dois varões de aço ligados transversalmente ao pilar,
constituindo assim, um sistema autoequilibrado. Sendo que, o provete é ensaiado na
horizontal. Para minimizar eventuais esforços e deformações verticais consequentes do
peso próprio do provete, este é apoiado verticalmente por quatro pontos, com recurso a
esferas com reduzido atrito. Os apoios deslizantes nas vigas são executados com recurso
a um sistema de rolamentos que têm como objetivo impedir o deslocamento transversal
da viga, mas não o longitudinal. Testes realizados anteriormente, comprovam que o
conjunto dos atritos desenvolvidos nas esferas de apoio do provete e nos rolamentos de
apoio das vigas correspondem a uma diferença entre forças horizontais (diferença entre
a reação horizontal registada no apoio transversal do pilar e a força aplicada pelo servo-
atuador) de valor igual a 1KN (2.5% da carga lateral máxima aplicada) (Fernandes
2010).
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Figura 24- a) Esquema estrutural e condições de apoio adotadas no ensaio; b) Esquema de ensaio. (Fernandes 2012)
Figura 25- Vista geral (Fernandes 2012)
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Os ensaios cíclicos foram realizados, tendo em conta o controlo de deslocamento e
consistiram na imposição de uma lei de deslocamentos (dP) laterais no topo do pilar. A
lei de deslocamentos impostos para os quatro provetes é representada na Figura 27.
Consiste, na imposição de ciclos completos com inversão de sinal para dezoito níveis de
deslocamento, com amplitude crescente até atingir o máximo de 120 mm. Para cada
nível de deslocamento, repetem-se três ciclos de igual amplitude e completos. No
mesmo topo do pilar onde foram impostos os deslocamentos laterais (dP), foi também
aplicado o esforço axial de valor aproximadamente constante, igual a 200 kN para o
protótipo JPA-1, correspondendo a uma carga axial normalizado igual a 9,4%, e de 450
kN para os protótipos JPA-3, JPB e JPC, correspondendo a uma carga axial
normalizado igual a 21,3%. Estes ensaios foram realizados pelo Laboratório do
Departamento de Engenharia Civil em Aveiro.
3.4 Esquema de monitorização
A monitorização dos ensaios foi realizada através da colocação de um conjunto de
sensores, nomeadamente transdutores de deslocamento (LVDTs), extensómetros (SG –
Strain Gauges) e potenciómetros. Os LVDT´s são destinados à medição dos
deslocamentos verticais e horizontais na zona do apoio no pilar e nas vigas, como
também de rotações. Nos potenciómetros pretendem registar-se os deslocamentos
relativos ocorridos na zona central dos protótipos. A extensometria está fora do âmbito
desta dissertação, embora de acordo com os resultados obtidos podem-se verificar que o
nível de extensões obtido foi significativo, dado que se observou a rotura dos
laminados.
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Figura 26-E