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Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil 2011 / 2012 1/562011/2012 Fernando G. Branco Prof. Aux. DEC/FCTUC Fernando G. Branco Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 15: Reforço por colagem de chapas de aço. Reabilitação e Reforço de Estruturas Em que consiste: • Fixação de armaduras exteriores, por colagem, a estruturas pré-existentes: 2/562011/2012 estruturas pré-existentes: - Chapas de Aço - Laminados Compósitos • Reabilitação de edifícios e obras de arte: - Deterioração: diminuição da capacidade resistente - Reconversão: adaptação a novas exigências Reabilitação e Reforço de Estruturas Fases de Desenvolvimento do Método • Fase I • Aparecimento (França): Início dos anos 70. 3/562011/2012 • Uso corrente em diversos países: meados anos 70. • Fase II • Anos 80: estudos teóricos (ligação, distribuições de tensões, etc.) • Início da investigação em Portugal • Fase III • Anos 90: substituição da chapa de aço por compósitos Reabilitação e Reforço de Estruturas Aplicações do método das chapas coladas: • Reforço de Vigas - Flexão Objectivo: Aumentar a capacidade resistente à flexão simples e esforço transverso 4/562011/2012 • Reforço de Vigas • Reforço de Lajes • Reforço de Pilares • Condições de aplicação: - Deficiência de armaduras - Adequadas dimensões dos elementos - Adequada qualidade do betão - Substituição/Complemento de estribos Reabilitação e Reforço de Estruturas Vantagens: Vantagens/Desvantagens do método: • Permite uma melhoria significativa da capacidade resistente (até 50%) 5/562011/2012 • Manutenção da secção geométrica do elemento original • Intervenções sem interrupção do uso da estrutura • Rapidez de execução • Evita demolição • Estados Limites de Serviço: - Controlo da fendilhação - Reposição do monolitismo (eliminação de fendas p/ injecção) • Ausência de ruído excessivo ou pó Reabilitação e Reforço de Estruturas Desvantagens: Vantagens/Desvantagens do método: • Sensibilidade aos agentes atmosféricos - Corrosão das chapas (humidade/sais) - Deterioração da cola (temperatura) 6/562011/2012 • Possibilidade de descolamento da extremidade da chapa • Sensibilidade a erros de construção - Deterioração da cola (temperatura) - Deficiência de rugosidade - Erros de mistura do adesivo - Deficientes condições do suporte • Manuseamento dos elementos de reforço (Peso) Reabilitação e Reforço de Estruturas Alternativas para ligação das chapas ao betão 7/562011/2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas Reabilitação de estruturas Vantagens: �aderência a diferentes tipos de suporte �resistência mecânica 8/562011/2012 uso de adesivos epóxidos �resistência mecânica �resistência à corrosão �rapidez de cura Desvantagens: �sensibilidade do adesivo a aumentos de temperatura Reabilitação e Reforço de Estruturas Características pretendidas no adesivo: • retracção reduzida • baixa fluência sob carga constante ao longo do tempo 9/562011/2012 • bom comportamento face a diferenças de temperatura • adesão perfeita ao aço e betão • estabilidade de características ao longo do tempo • bom comportamento em serviço em atmosferas húmidas ou agressivas • elevadas resistências mecânicas • adequado módulo de elasticidade transversal Reabilitação e Reforço de Estruturas • Determinação das condições do suporte Fases de Execução: - Ensaios de arrancamento de betão - Remoção do betão deteriorado, caso necessário • Descarregamento da estrutura 10/562011/2012 - Produção de rugosidade no suporte (martelo pneumático, jacto areia,…) • Tratamento das superfícies a colar - Limpeza da superfície (escovagem, aspiração, ar comprimido,…) - Decapagem das chapas (remoção da protecção) • Descarregamento da estrutura - Redução de irregularidades Reabilitação e Reforço de Estruturas • Aplicação da resina Fases de Execução: • Colagem: - pintura com resina 11/562011/2012 - pintura com resina - aplicação da chapa (buchas metálicas ou prumos) - aplicação de pressão (0.1 a 0.5 MPa) – controlo da espessura de cola Reabilitação e Reforço de Estruturas • Aplicação da resina Fases de Execução: • Injecção 12/562011/2012 • Injecção - aplicação e fixação da chapa - selagem do contorno e cabeça das buchas (tubos de injecção; saída de ar) -Injecção de resina de baixa viscosidade -Precaução: garantir que a superfície a colar não se encontra mais fria que as adjacentes, para evitar aparecimento de condensação. • Desmontagem do sistema de aperto (após ±±±±7dias) • Aplicar protecção contra corrosão e acção do fogo Reabilitação e Reforço de Estruturas Chapas coladas como alternativa a armaduras correntes - Será possível substituir as armaduras convencionais por chapas exteriores? 13/562011/2012 - Ensaios em laboratório mostram que o comportamento de vigas com chapas coladas é semelhante ao de vigas com armaduras convencionais - Mas a substituição integral não se recomenda, por razões económicas (mão de obra e material) e possibilidade de roturas frágeis. Reabilitação e Reforço de Estruturas Exemplos de aplicação [Van Gemert (1989)] Interior do apartamento danificado Estrutura suportada por macacos 14/562011/2012 Laje suportada com chapas de aço coladas Estado final da laje reparada Reabilitação e Reforço de Estruturas Exemplos de aplicação - Ponte sobre canal Saint-Denis (França) [Sevene (1977)] 15/562011/2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas Exemplos de aplicação 16/562011/2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas Exemplos de aplicação 17/562011/2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas • Rugosidade - superfície específica / área de contacto cola/betão Parâmetros que influenciam a resistência da colagem • Temperatura 18/562011/2012 • Temperatura - deterioração da cola (≅≅≅≅ 60ºC) • Resistência do suporte - resistência à tracção (arrancamento das chapas) • Espessura da chapa e da resina - concentração de tensões de arrancamento • Largura da zona de colagem - aumento de largura da colagem =>aumento de resistência Reabilitação e Reforço de Estruturas Influência da Temperatura na Fixação de Chapas de Aço a Betão • Estudo: Resistência ao corte • Comportamento da colagem a esforços de corte; 19/562011/2012 • Comportamento da colagem a esforços de corte; • Influência da temperatura na resistência da colagem; • Influência do tipo de betão na resistência da colagem; • Influência da geometria da colagem. • Previsível mau comportamento de juntas coladas face à temperatura • Necessidade de readaptar ligações coladas (uso de parafusos) Reabilitação e Reforço de Estruturas Esquema do Trabalho: 1. Modelação Numérica • Preparação de ensaios - Interpretação de resultados 20/562011/2012 • Preparação de ensaios - Interpretação de resultados • Estudo da distribuição de tensões • Evolução das temperaturas no interior dos provetes de ensaio. 2. Ensaios Laboratoriais • Evolução da temperatura no interior dos provetes • Ensaios de corte em provetes de betão com chapas coladas, com diferentes geometrias, a diferentes temperaturas. Reabilitação e Reforço de Estruturas Caracterização de Materiais � Betão 21/562011/2012 � Adesivos epóxidos � Aço Reabilitação e Reforço de Estruturas • Fabrico e corte dos blocos de betão • Colagem • Introdução de fios termopares - chapas e betão Preparação dos provetes 22/562011/2012 • Delimitação da zona de colagem • jacto de areia (betão) • Colagem • Mistura dos componentes da cola • Preparação das superfícies de colagem • grenalhagem (aço) • Alinhamento das chapas • Secagem • Aplicação da cola - aplicaçãode pressão Reabilitação e Reforço de Estruturas Esquema de Ensaio 23/562011/2012 F A B G C D E Reabilitação e Reforço de Estruturas Modelação numérica σz τzy τxz 24/562011/2012 Carga 250mm 150 m m z y x Reabilitação e Reforço de Estruturas Resultados a frio (20ºC) 100 120 140 r a ( k N ) 100 120 140 r a ( k N ) 25/562011/2012 0 20 40 60 80 0.27 0.6 1.07 2.4 3.75 Betão D Betão E Relação largura/comprimento F o r ç a d e r o t u r 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 Betão E Betão D Largura de colagem (mm) F o r ç a d e r o t u r �Resistência do betão é factor determinante �Aumento da largura � aumento de resistência Reabilitação e Reforço de Estruturas Ensaios de corte com aquecimento 0 30 60 90 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 120ºC90ºC60ºC30ºCUnheated Displacement (mm) S t r e n g t h ( K N ) 90 Betão A 26/562011/2012 0 30 60 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 120ºC90ºC60ºC30ºCUnheated Displacement (mm) S t r e n g t h ( K N ) 0 30 60 90 120 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 120ºC90ºC60ºC30ºCUnheated Displacement (mm) S t r e n g t h ( K N ) Betão B Betão C Reabilitação e Reforço de Estruturas Resultados a quente 8 10 12 A B C D E d i a n a r o t u r a ( M P a ) Betão corrente 8 10 12 A B C D E d i a n a r o t u r a ( M P a ) Betão alta resistência 27/562011/2012 � Maior temperatura � redução de resistência � Betão alta resistência � quebra de resistência aos 40ºC � Resistência do adesivo passa a ser o factor condicionante 0 2 4 6 0 30 60 90 120 E F G Temperatura (ºC) T e n s ã o d e c o r t e m é d 0 2 4 6 0 30 60 90 120 E F G Temperatura (ºC) T e n s ã o d e c o r t e m é d Reabilitação e Reforço de Estruturas Modos de rotura observados 28/562011/2012 A frio Acima de 60ºC A temperatura destroi a ligação Reabilitação e Reforço de Estruturas Aparafusamento complemento de outros métodos 29/562011/2012 Vantagem: �baixa sensibilidade a aumento de temperatura Desvantagens: �concentrações de tensões � tempo de execução Reabilitação e Reforço de Estruturas Ensaios de tracção F Forno F Forno 30/562011/2012 � Resistência da ligação: �depende da resistência do betão �aumenta com o comprimento embebido do parafuso � Diâmetro do parafuso pouco influente Parafuso BetãoParafuso Betão Reabilitação e Reforço de Estruturas Ensaios de corte F/2 F/2F/2 F/2F/2 F/2 30 40 50 60 70 80 F o r ç a d e r o t u r a m é d i a ( k N ) Cola Cola + HSA 6x65 Cola + HSA 8x57 Cola + HSA 8x75 HSA 6x65 31/562011/2012 Aço Parafuso Betão F Aço Parafuso Betão F Parafuso Betão F � A frio � resistência assegurada pela colagem � Degradação do adesivo com a temperatura � Maior diâmetro � aumento de resistência 0 10 20 30 0 20 40 60 80 100 Temperatura (ºC) F o r ç a d e r o t u r a m é d i a ( k N ) HSA 8x57 HSA 8x75 Reabilitação e Reforço de Estruturas Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Técnicas de protecção Aumento da resistência térmica Própria (ex. lã de rocha) Gerada ou aumentada pelo calor do 32/562011/2012 resistência térmica Gerada ou aumentada pelo calor do incêndio (ex. pinturas intumescentes) Absorção de calor Inércia térmica (betão) Processo físico-químico (gesso) Irrigação (estruturas irrigadas) Retardamento do processo de combustão (ignífugos) Reabilitação e Reforço de Estruturas Efeito do aquecimento Variação de temperatura num elemento de construção Influência da temperatura nas propriedades do aço Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura 33/562011/2012 elemento de construçãopropriedades do aço Tensão de rotura Módulo de elasticidade Reabilitação e Reforço de Estruturas Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção • Materiais projectados • menor custo, dentre todos os sistemas; • maior velocidade de aplicação; • requerem limpeza após aplicação e controle de espessura na obra; http://www.tria.pt 34/562011/2012 • requerem limpeza após aplicação e controle de espessura na obra; • desenvolvidos especificamente para a protecção de estruturas. Os materiais projectados (ex.: argamassas húmidas) são os mais utilizados mundialmente para a protecção de estruturas metálicas, sendo especificados para a protecção dos maiores prédios do mundo. Os materiais de protecção representam uma parcela signifi- cativa do custo das estruturas metálicas. Estes materiais, desenvolvidos, em sua maioria, para áreas internas e abrigadas de intempérie, reduzem significativamente prazos e custos de aplicação da protecção passiva contra fogo. http://www.tria.pt Reabilitação e Reforço de Estruturas Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção • Mantas de fibra cerâmica e painéis de lã de rocha • ideais para edificações em funcionamento; • fornecidos prontos para instalação, necessitam de pinos de ancoragem para fixação; • aplicação limpa, sem controle de espessura na obra; 35/562011/2012 • aplicação limpa, sem controle de espessura na obra; • alguns tipos de acabamentos disponíveis, sempre com baixa resistência mecânica. 1 – perfil metálico 2- manta de lã de rocha Imagens retiradas de http://www.guarutherm.com.br/ Reabilitação e Reforço de Estruturas Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecçãoTipos de materiais de protecção • Tintas intumescentes • boas opções (comercialmente, devido ao preço do material), até 60 minutos de protecção; 36/562011/2012 • excelente acabamento visual; • necessidade de mão de obra muito especializada; • requerem controle rigoroso de espessura (300µm a 6mm), condições climáticas e prazos entre as demãos e acabamento; • podem permanecer expostos, tendo excelente resistência mecânica. http://www.tria.pt http://www.unifrax.com.br Reabilitação e Reforço de Estruturas Protecção da chapa colada face a aumento de temperatura Tipos de materiais de protecção • Placas rígidas • acabamento similar às placas de gesso cartonado; • permitem acabamento e pintura; • boa resistência mecânica; 37/562011/2012 • boa resistência mecânica; • ideais para pilares aparentes, com tempo de protecção entre 90 e 120 minutos. • Argamassas à base de vermiculite • ideais para áreas industriais e equipamentos, com testes para petroquímica; • aplicação lenta, requerendo elementos de ancoragem e limpeza posterior à aplicação; • podem permanecer expostos e suportam intempérie. http://www.guarutherm.com.br/ http://www.tria.pt Reabilitação e Reforço de Estruturas • Verificação de segurança da estrutura existente - Estados limites de utilização: Dimensionamento [30] 38/562011/2012 - Estados limites de utilização: -simular danos existentes e reforço - correcção das propriedades (secções, inércia, etc.) - Estados limites últimos: * ≠ projecto de obras novas =≤= * m * RR,n * d k F f SRd*)F(SS γ γγ Reabilitação e Reforço de Estruturas • Cálculo de esforços resistentes Dimensionamento [30] - Modelação de danos existentes; simulação do elemento reforçado 39/562011/2012 - Modelação de danos existentes; simulação do elemento reforçado - Método simplificado dos coeficientes globais a) assumir elemento reforçado sem defeitos (c/º obras novas) b) afectar os resultados por um coef. monolitismo γγγγn,R < 1.0 - coef. monolitismo depende da tecnologia e tipo de reforço Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento de vigas (método dos coeficientes globais) • Assumir: 40/562011/2012 - coef monolitismo flexão: γγγγn,M=1.0 - coef monolitismo esf. transverso: γγγγn,V=0.9 - comportamento monolítico: aderência perfeita - requisitos geométricos Reabilitação e Reforço de Estruturas • Requisitos geométricos: • Reforço à flexão 41/562011/2012 Com buchas metálicass b st gt ts < 12mm tg < 2mm bs > 80mm Sem buchas metálicas ts < 4mm tg < 2mm bs > 50mm st gt sb Reabilitação e Reforço de Estruturas • Reforço ao esforço transverso • Requisitos geométricos: 42/562011/2012 Sem buchas metálicas ts < 3mm tg < 2mm dr > 100 ts Com buchas metálicas ts < 8mm tg < 2mm dr > 100 ts stgt rd stgt rd Reabilitação e Reforço de Estruturas • Cálculo do Momento Resistente: • Semelhante ao do Betão Armado (duas camadas de armadura) MM M,nrd γ= 43/562011/2012 r syd rr s i syd ii s i syd eqeq srd fzAfzAfzAM +== • Camadas de armadura próximas: - “armadura equivalente” eq sA i sydf =>Área de aço “equivalente” =>Resistência de cálculo da armadura equivalente Reabilitação e Reforço de Estruturas • Cálculo da armadura de reforço: • Assumindo: d.z 90≈ rf 44/562011/2012 +=≈ i syd r sydrr s ii s i syd i syd eqeq srd f f d.Ad.Affd.AM 909090 • Armadura de reforço: −= r i i sr eq eq sr syd i sydr s d dA d dAf f A Reabilitação e Reforço de Estruturas • Assumindo: distribuição plástica uniforme das tensões de corte • Verificação de segurança da ligação aço/betão: • Ligação sem buchas metálicas L 45/562011/2012 syd r s r sd fAF = 2/L 2/L sdτ 2 LbfAF sdrsydrssd τ≤= MPa f min,ct sd 2 τ • Ligação com buchas metálicas 2 LbnFfAF sdbrsydrssd γτ+≤= MPa.sd 50≈γτ Reabilitação e Reforço de Estruturas • Cálculo do Reforço ao Esforço Transverso: i w max rdsd dbVV 2τ=≤ Corte Alçado Ref. Chapa Contínua: - maior área a tratar 46/562011/2012 += rsyd r swri syd i swi V,nwd f s Ad.f s Ad.V 9090γ wdcdrdsd VVVV +=≤ i wcd dbV 1τ= Cantoneira Vista inferiorCantoneira Ref. Chapa Descontínua: - dificuldade injecção Reabilitação e Reforço de Estruturas • Zonas de ancoragem: A utilização de chapas largas e finas conduz a melhores resultados do que o uso de chapas estreitas e espessas, exigindo menores comprimentos de ancoragem. Chapas com espessura até 3mm apresentam bom comportamento. A espessura da 47/562011/2012 chapa poderá subir até 10mm, desde que sejam utilizados dispositivos de ancoragem especiais. P/ ex: - ancoragens laterais - aparafusamento Reabilitação e Reforço de Estruturas • Zonas de ancoragem: A espessura da lâmina de cola não dever exceder 1.5mm. Quando existam fendas de flexão na viga, devem ser injectadas com resina antes da 48/562011/2012 aplicação do reforço. Reabilitação e Reforço de Estruturas • Zonas de ancoragem: Distribuição teórica de tensões de corte na chapa de reforço: 1/ 2 G l l d E t E t ω = + ( ) ( ) cos h sin hx x P x ω τ ω ω = 49/562011/2012 Ensaios laboratoriais demonstram que as tensões de corte máximas reais são inferiores às teóricas, mas necessitam de uma maior força global de transmissão e de um maior comprimento de ancoragem 1 1 2 2d E t E t - esforço aplicado por unidade de largura (P) - módulo de elasticidade do aço (E1) e do betão (E2) - espessura da chapa (t1), do betão (t2) e da camada epóxida (d) - módulo de elasticidade transversal da cola (G) - comprimento da chapa (l) e distância ao ponto de tensão de corte nula (x) Reabilitação e Reforço de Estruturas • Zonas de ancoragem: Distribuição de tensões de corte na chapa de reforço colada com resinas epóxidas com diferentes módulo de elasticidade transversal: 50/562011/2012 Redução do valor do pico da tensão de corte. Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento da zona de ancoragem Garantir que não é ultrapassada a tensão limite de aderência para o máximo valor do esforço de corte no extremo da chapa: 51/562011/2012 0.9Sd s Rd t RdV d b h bτ τ≤ ≈ τRd é a tensão limite de cálculo de aderência Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento da zona de ancoragem Se se tiver em conta a contribuição das armaduras existentes: 52/562011/2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento da zona de ancoragem Recomenda-se que a tensão de corte máxima na união seja limitada pelo valor médio da tensão de rotura do betão à tracção por flexão (fctm). De acordo com o REBAP: 53/562011/2012 2 / 3 ( ) ( ) 1/ 4 1/ 4 0.4 0.4 * 0.6 0.30 0.6Rd ctm flexão ctm tracção simples ckf f fh hτ ≤ ≈ + ≈ + 0.9Sd s Rd t RdV d b h bτ τ≤ ≈ fck – resistência à compressão do betão referida a provetes cilíndricos (MPa) h – altura do elemento considerado (m) Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento da zona de ancoragem Se se admitir a utilização de ligadores com capacidade de redistribuição de esforços, a força média de corte por unidade de comprimento é: 54/562011/2012 , ,,0 , 0 0 2 2 2 S r syd rS rlig Sd S r A fFl F F l l = = = lig Sd Rd SF V I = Fs,r – força última resistente de cálculo da armadura de reforço AS,r - Área da secção da armadura de reforço fsyd, r –valor de cálculo da tensão de cedência da armadura de reforço VRd – esforço transverso máximo S – momento estático da secção da armadura a ligar ao elemento existente I – momento de inércia da secção reforçada ou Reabilitação e Reforço de Estruturas • Dimensionamento da zona de ancoragem Recomendação do CEB: - em chapas coladas em toda a sua extensão: 55/562011/2012 ( ) ( ) 1.5 ctm flexão ctm flexão x m f f τ γ ≤ = ( ) ( ) cos h sin hx x P x ω τ ω ω = 2 )cosh( xx ee x −+ = c/ τx calculado pela fórmula de Bresson. 2 )sinh( xx ee x − − = Reabilitação e Reforço de Estruturas Conclusões - Reforço com chapas coladas pode ser eficaz do ponto de vista de incremento da resistência à tracção. - É uma técnica de rápida execução, relativamente bem conhecida. 56/562011/2012 - Campo de aplicação essencialmente em vigas e lajes, principalmente no reforço face a flexão simples - Principais limitações: dificuldade de assegurar uma aderência perfeita e permanente entre chapas e betão, zonas de ancoragem e sensibilidade ao fogo. - Se se garantir monolitismo, o comportamento é semelhante ao do betão armado.
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