Cap 6C 2012

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REFORÇO USANDO COMPÓSITO DE FIBRAS DE CARBONO 
 
A evolução na tecnologia de materiais tornou possível substituir as chapas de aço por materiais 
mais leves, resistentes, duráveis e de fácil aplicação conhecidos como:... 
............................... 
POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRAS  PRF 
(Em inglês: Fiber Reinforced Polymer  FRP) 1. 
(Polímero  Plástico) 
 
 
Os PRFs têm sido empregados em estruturas novas e em reforços de estruturas com o objetivo de 
aumentar a ductilidade, a resistência à flexão, ao cisalhamento, dentre outras. 
 
 
Também podem ser aplicados em outros substratos como: MADEIRA, ALVENARIA e AÇO. 
 
 
 
1 Texto baseado nas dissertações de mestrado de Maria Luisa de Faria Simões (UFRJ - 2007) e de Lília Silveira Nogueira Reis (UFMG - 2001) 
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VANTAGENS: 
 
 Possibilidade de fazer o reforço em períodos muito curtos de tempo, sem necessidade de 
interromper completamente a utilização da estrutura. 
 Normalmente é antimagnética  isso amplia seu campo de atuação, por exemplo, no uso em 
hospitais. 
 É leve. 
 O reforço pode ser feito manualmente, sem necessidade de equipamentos pesados. 
 Apresenta alta resistência à tração, módulo de elasticidade moderado e baixa fluência. 
 
 
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DESVANTAGENS: 
 
 
 Possibilidade de vandalismo ou dano ao reforço por falta de conhecimento técnico 
(Ex.: Anos depois da execução da intervenção algum operário cortar a fibra do reforço 
durante uma reforma na edificação por desconhecimento da existência do mesmo); 
 
 Baixa resistência ao fogo  crítico em caso de incêndios; 
 Custo elevado dos materiais; 
 Exigência de mão de obra qualificada para aplicação do produto. 
 Risco de deterioração quando exposto aos raios ultravioletas 
 Dificuldade em obter material em pequenas quantidades 
Este sistema só pode ser usado p/ reforço, não se dispensando o tratamento adequado na área, no 
caso de trincas, corrosão de armaduras e similares, para depois entrar com o reforço da fibra. 
A recuperação estrutural convencional é indispensável nesta situação. 
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O QUE SÃO MATERIAIS COMPÓSITOS? 
 
São aqueles formados por dois ou mais materiais com características mecânicas distintas dos 
componentes individuais. 
 
PRFs são materiais compósitos constituídos por fibras e matriz, na qual as fibras estão inseridas. 
 
 A função principal das fibras é servir de reforço mecânico para a matriz. 
 A matriz (resina) não contribui significativamente na capacidade das barras, sendo 
normalmente desprezada no cálculo da resistência. Tem as seguintes funções: 
 responsável pela união das fibras que compõem o compósito  meio através do qual as 
solicitações externas são transmitidas e distribuídas para as fibras; 
 atua na proteção das fibras, formando uma camada entre as fibras e o ambiente, protegendo-
as contra a abrasão, umidade e agentes agressivos de natureza química e biológica. 
 é responsável por manter as fibras posicionadas corretamente. 
 
 
 
As matrizes usuais são os poliésteres (usados para as fibras de vidro), 
os vinilester e o epóxi (usado para fibras de carbono) 
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As resinas epóxi são bastante usadas nos compósitos de alta performance pela extensa gama de 
propriedades físicas e mecânicas, apesar do alto custo [CEB-FIP, 2001]. 
 
Algumas propriedades físicas e mecânicas de diversos tipos de resina (MATTHYS ,2000 apud ARAÚJO, 2002). 
 
 A resina pouco influi na resistência à tração do polímero, mas influi bastante no 
comportamento do mesmo ao corte e à compressão. 
 A grande influência da resina é nas condições de fabricação do plástico, tais como viscosidade, 
ponto de fusão, temperatura de cura. 
 
 É fundamental que a quantidade de resina seja a estritamente necessária à impregnação e/ou 
colagem, para que não haja alteração das características do plástico (quanto mais resina, maior 
o peso e menor a resistência) [RIPPER, 1998]. 
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Atenção ao efeito negativo da AÇÃO DE ALTAS TEMPERATURAS nos polímeros (RESINAS e 
ADESIVOS) e nos compósitos de FRP. 
 
 Na Europa (EUROCOMP) existem recomendações para fixar limites de variação de 
temperatura, em função do tipo de resina usado. 
 
O PROBLEMA MAIOR É NA RESINA! 
 
 
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HOJE EXISTE DISPONÍVEIS COMERCIALMENTE VÁRIOS TIPOS DE FIBRA, 
COM GRANDE VARIEDADE DE PROPRIEDADES. 
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Em função da orientação das fibras, os compósitos podem ser divididos em três grandes grupos: 
 unidirecionais (fibras alinhadas em uma única direção); 
 bidirecionais (fibras alinhadas perpendicularmente em duas direções); 
 multidirecionais (fibras distribuídas aleatoriamente nas várias direções em um mesmo plano). 
 
 
Exemplo de compósito feito com fibras multidirecionais 
Fonte: Preformas para Compósitos Estruturais, 
Autor: Luiz Claudio Pardini - Divisão de Materiais, Instituto de Aeronáutica e Espaço, CTA) 
 
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Em função do tipo de fibra, os polímeros (PRF) podem ser constituídos por: 
 fibras de carbono (PRFC). 
 fibras de aramida (PRFA)  Fabricado pela DuPont com nome de Fibra de Kevlar 
 fibras de vidro (PRFV) 
 
 
Fonte: http://www.sika.com 
 
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Os PRFs apresentam-se ainda na forma de: 
 chapas ou fitas; 
 barras de armadura (tem seção circular); 
 cabos de protensão; 
 lâminas, mantas ou folhas flexíveis: espessura similar a do papel de parede  segue exatamente 
a curvatura do elemento e permite aplicação em “cantos vivos” 
 
 
Fita de fibra de carbono Cabo de protensão de aramida Manta de fibra de carbono 
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VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE DIVERSAS FIBRAS, 
(Comparação do diagrama tensão x deformação das fibras com o do aço convencional e protendido). 
 
(Não há patamar de escoamento  Fibras são frágeis na ruptura!!!!) 
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JUVANDES & FIGUEIRAS (2000) apresentam fatores de redução CE que devem ser aplicados à 
tensão e à deformação última da lâmina de fibra para obtenção de valores de cálculo propostos pelo 
ACI440F. 
 
 
Os valores característicos de resistência à tração e deformação específica última 
fornecidos pelos fabricantes, devem ser considerados como referência inicial, por nãocontabilizarem a exposição ambiental a longo prazo. 
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FIBRA DE VIDRO
2. 
 
 
2 Texto baseado na TESE de doutorado de Andriei José Beber (2003) - UFRGS 
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FIBRA DE ARAMIDA
3
 
 
 
 
 
 
 
3 Texto baseado na TESE de doutorado de Andriei José Beber (2003) - UFRGS 
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FIBRA DE CARBONO
4
 
 
 
ATUALMENTE ESTE É O TIPO DE FIBRA MAIS USADO EM 
REFORÇO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO 
 
 É um sistema de rápida e fácil aplicação, grande leveza (peso específico ≈1,8 kN/m3), elevada 
resistência à tração, grande rigidez, boa resistência a maioria dos tipos de ataques químicos 
(propriedades anti-corrosivas), bom comportamento à fadiga e estabilidade térmica e reológica. 
 
4 Texto baseado na TESE de doutorado de Andriei José Beber (2003) - UFRGS 
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PROCESSO CONSTRUTIVO DOS SISTEMAS COMPOSTOS 
 
1º. PASSO: RECUPERAÇÃO DO SUBSTRATO DE CONCRETO 
 
O substrato ao qual o sistema será aderido deve estar íntegro e são  deve ter resistência mecânica 
suficiente para a transferência de esforços na interface entre o concreto e o sistema composto. 
 
 Recuperar e passivar as barras de aço afetadas por processo corrosivo, e remover e 
posteriormente recuperar as superfícies de concreto degradadas pela manifestação; 
 Todas as fissuras com aberturas maiores que 0,25 mm também deverão ser tratadas. Podem ser 
utilizados para essas recuperações os procedimentos convencionais de injeção de epóxi sob 
pressão. Esses procedimentos são mostrados na foto a seguir. 
 Fissuras com aberturas menores que 0,25 mm, expostas ao meio ambiente, podem exigir 
injeção de resinas ou seladores para prevenir futura corrosão da armadura da peça. 
 
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2º. PASSO: PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE PARA RECEBER O PRF 
 Utilizar abrasivos, jatos de areia ou limalhas metálicas para a limpeza da superfície onde será 
aderido o sistema  remover poeira, pó, substâncias oleosas e graxas, partículas sólidas não 
totalmente aderidas, recobrimentos diversos como pinturas, argamassas etc... 
 Caso o reforço exija o recobrimento de mais de uma superfície lateral da peça, há a necessidade 
de arredondamento das quinas envolvidas nessa aplicação, visando evitar concentração de 
tensões na fibra de carbono e eliminar eventuais "vazios" entre o concreto e o sistema por 
deficiência na colagem. 
 
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 As superfícies não podem apresentar concavidades ou convexidades que impeçam o 
carregamento correto do sistema. 
 Irregularidades superficiais expressivas devem ser corrigidas preenchendo-se as concavidades 
(caso de nichos) com material de reparação compatível com as características mecânicas do 
concreto existente ou pela sua remoção (caso das juntas de fôrmas). 
 
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3º. PASSO: APLICAÇÃO DO SISTEMA (Exemplo fornecido pela MBRACE) 
 
1 - Aplicação do imprimador (primer) e do regularizador de superfícies 
Imprimadores primários penetram nos poros do concreto, colmatando-os para que seja estabelecida 
uma ponte de aderência eficiente, sobre a qual será instalado o sistema. 
1 - Primer para a superfície 
2 - Pasta reguladora da superfície 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 - Primeira camada de resina (matriz) 
 
 
4 - Fibra de carbono 
 
 
 
 
 
 
 
 
 5 - Segunda camada de resina 
(matriz) 
 6 - Camada de acabamento estético (opcional) 
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Massas regularizadoras de superfície garantem uma superfície desempenada contínua. Quanto 
maior a irregularidade superficial maior será o consumo desse material. 
 
 
 
 
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2 - Corte e imprimação das fibras de carbono 
 
As lâminas de fibra de carbono são cortadas em bancadas especialmente montadas para isso. 
São usadas régua metálica, tesoura de aço (p/ o corte transversal) e faca de corte ou estilete (p/ o 
corte longitudinal). 
 
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Existem duas maneiras distintas para a imprimação das fibras: 
 saturação via úmida – a lâmina de fibra de carbono é saturada em bancada própria, sendo 
 depois transportada para a sua aplicação na peça a ser reforçada 
 
 saturação via seca – a saturação é feita diretamente sobre o concreto da peça a ser reforçada 
 para em seguida ser colada a lâmina de fibra de carbono. 
 
Figura que mostra a saturação via úmida  opção mais utilizada por facilitar o manuseio e o 
transporte da fibra até o local de sua aplicação. 
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Recomendação: usar estritamente a quantidade de resina necessária à impregnação ou à colagem 
para que não ocorram alterações sensíveis nas características do composto. 
Um excesso de resina acarreta uma menor resistência final! 
 
3 - Aplicação da lâmina de fibra de carbono e segunda camada de saturação 
 
 
A colocação da fibra de carbono, independentemente do tipo de imprimação, deve ser imediata, pois 
o tempo de aplicação da resina saturante é curto, no máximo 25 a 30 minutos. 
 
 nesse intervalo de tempo é possível fazer ajustes de alinhamento e prumo das fibra de carbono. 
 
Terminado o posicionamento da lâmina de fibra de carbono, é feita a segunda saturação sobre a 
lâmina instalada, para garantir que a fibra de carbono esteja totalmente imersa (encapsulada). 
Normalmente, espera-se cerca de 30 minutos para a segunda operação de saturação (foto 6). 
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Como pode ser necessário aplicar várias camadas de lâminas de fibra de carbono, essas operações 
são repetidas sucessivamente para cada camada adicional 
 
 Cada lâmina exige duas imprimações independentes, não podendo a última camada de 
imprimação da lâmina anterior ser utilizada para a colocação da próxima lâmina. 
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4 - Aplicação de camada protetora ou estética 
 
O sistema do reforço pode ser recoberto por camada protetora ou estética (material disponibilizado 
em diversas cores e texturas)  se for necessário atender condições específicas de agressões físicas, 
mecânicas e ambientais, o revestimento pode ser projetado especialmente para cada caso.Disciplina: Reabilitação de Estruturas de Concreto Armado - CMEC - Profa. Andréa Prado Abreu Reis Liserre 75 
CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE PROJETOS DE REFORÇO USANDO PRF 
 
De forma geral, observam-se na literatura, resultados positivos quanto ao uso do CFRP no reforço de 
peças sob esforços de flexão e cisalhamento (VIGAS, LAJES), através da colagem de mantas nas 
faces solicitadas, obtendo-se incrementos de resistência à flexão em alguns casos de mais de 70%. 
 
Quanto ao reforço de pilares, observa-se facilidade da execução dos serviços de reforço, dada à 
flexibilidade das mantas e tecidos de FRP. Estes podem ser reforçados de forma a aumentar sua 
capacidade resistente, através do envolvimento da seção pelas fibras. O confinamento assim obtido 
resulta num aumento da resistência e ductilidade do concreto. 
 
O dimensionamento de elementos reforçados com fibra de carbono baseia-se nos MÉTODO DOS 
ESTADOS LIMITES, cuja metodologia define níveis de segurança aceitáveis em relação aos 
estados limites de utilização (deformação e fissuração) e estados limites últimos (ruptura e fadiga). 
 
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Para maiores informações, consultar as seguintes bibliografias: 
 Reforço de Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono. Ari de Paula Machado, 
Editora PINI, 2002. 
 
 Fibras de Carbono – Manual Prático de Dimensionamento. Ari de Paula Machado – Edição 
da BASF – The Chemical Company, 2006. 
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MODOS DE RUPTURA DE VIGAS REFORÇADAS COM COMPÓSITOS 
 
Alguns desses modos de ruptura são semelhantes aos de vigas reforçadas com chapas de aço. 
 
Onde: (a) Escoamento da armadura interna seguido de ruptura do reforço. 
 (b) Escoamento da armadura interna seguido de esmagamento do concreto. 
 (c) Esmagamento do concreto. 
 (d) Falhas nas extremidades (ancoragem) do compósito por descolamento ou destacamento 
 (e) Descolamento do compósito próximo às fissuras inclinadas. 
 (f) Descolamento do compósito provocado por fissuras de flexão. 
 (g) Descolamento do compósito provocado por irregularidades na superfície do concreto. 
 
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Ruptura (a): pode acontecer quando as taxas de aço e de reforço forem baixas, assim como a 
deformação de ruptura do compósito, ou devido a elevada resistência à compressão do concreto. 
 
Ruptura (b): alvo do dimensionamento ótimo do reforço, onde a ruína é governada pelo escoamento 
do aço seguida de esmagamento do concreto  RUPTURA DUCTIL. 
 
Ruptura (c): ocorre quando as taxas de reforço e de aço são elevadas. A fissuração da peça se 
desenvolve diminuindo a zona comprimida, até o momento no qual a tensão de compressão no 
concreto atinja seu valor máximo, o que leva à ruptura brusca.  PEÇA SUPERARMADA 
 
Modos de ruptura (d), (e), (f) e (g), representam ruptura prematura e ocorrem de MANEIRA 
FRÁGIL, impossibilitando o total aproveitamento das propriedades resistentes à tração da 
fibra  EVITAR!! 
 
O modo de ruptura (d) é semelhante ao que já foi apresentado no caso de reforço de vigas por meio 
de chapas de aço, e evidencia que... 
 O sucesso deste tipo de reforço está no detalhamento da amarração ao concreto 
(ANCORAGEM), visto que a capacidade da camada de cobrimento deverá contribuir na 
efetivação da transferência de tensões. 
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SILVA & MORENO JR. (2000), propõem um arranjo de ancoragem da manta nos apoios, usando 
laços constituídos pela própria manta, formando um “X” nas extremidades da manta longitudinal, 
com ângulo de 45º . 
 
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SHEHATA et al. (2000) propõem sistemas de ancoragem especial para as extremidades, feitas com 
a própria lâmina cobrindo a extremidade superior e inferior das mesmas. 
 
 
 
 
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Shehata et al. (2000) apresentaram um estudo feito sobre reforço de vigas de concreto armado 
utilizando lâminas de fibras de carbono. Segundo eles... 
 
 ruptura por descolamento ocorre quando a deformação do compósito alcança valor em 
torno de 5‰, devendo-se, considerar essa deformação limite da lâmina de carbono no 
dimensionamento do reforço. 
 
 para evitar o destacamento do compósito, é sugerido que a tensão de cisalhamento na ligação 
do compósito com o concreto não ultrapasse valor igual à resistência à tração do concreto 
minorada por fator que leva em consideração a menor qualidade do concreto do cobrimento e a 
possível existência de fissuras nesse concreto. 
 
 
 
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CASE: EXECUÇÃO DE REFORÇO ESTRUTURAL EM FLAT 
 
A Engecal- Engenharia e Cálculos Ltda, empresa especializada em Recuperação, Reforço e 
Consultoria Estrutural, aplicadora da BASF do sistema MBRACE nos Estados do Rio Grande do 
Norte e Paraíba, executou o reforço estrutural em um Flat, situado na Praia de Ponta Negra em 
Natal-Rio Grande do Norte. 
Foi constatado pela ENGECAL em Laudo Técnico solicitado pelos empreendedores, um 
sub-dimensionamento das peças de concreto armado no projeto estrutural realizado, sendo 
necessária a execução de vários tipos de reforços em suas estruturas. 
 
Pilares: em decorrência da forma das seções (quadrada e retangular) existentes e dimensões das 
peças, foi descartado o reforço através de compósitos, executando-se um encamisamento com 
concreto adicionado com super-plastificante e ancoragem de armaduras de reforço através de 
adesivo estrutural, estendendo-se desde as fundações até ao nível da última laje. 
 
Fundações diretas em sapatas: receberam reforço estrutural com aumento das áreas das bases e 
incorporação de concreto e armaduras adicionais. 
 
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Lajes e Vigas: realizou-se reforço estrutural com a Manta de Fibra de Carbono CF-130 da BASF, 
com o objetivo de aumentar a resistência das lajes à flexão, introduzindo-se faixas dispostas nas 
duas direções e nas vigas com a introdução de faixas positivas e negativas, além de faixas verticais 
destinadas ao combate ao cisalhamento. Estes reforços abrangeram os três primeiros pavimentos da 
edificação (onde já havia sido executada a estrutura), com elaboração por parte da ENGECAL do 
projeto estrutural de reforço, bem como, a execução dos serviços. 
 
SISTEMA MBRACE APLICADO EM LAJE DO FLAT 
 
 a) vista geral do reforço à flexão em laje do flat b) detalhe da manta de fibra de carbono aplicada em laje 
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SISTEMA MBRACE APLICADO EM VIGAS DO FLAT 
 
Vista e detalhe do reforço ao cisalhamento e à flexão executado nas vigas do flat 
 
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vista do reforço de viga com faixas negativas detalhe do reforço de viga com faixas negativas 
APLICAÇÃO DAS MANTAS DE FIBRA DE CARBONO 
 
Detalhe da aplicação doMBrace primer e do MBrace saturant em viga reforçada ao cisalhamento