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Aula_15_FGB_Chapas_coladas.pdf

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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 
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• 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
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aplicação do reforço.
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• 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
=
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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)
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• Zonas de ancoragem:
Distribuição de tensões de corte na chapa de reforço colada com resinas epóxidas 
com diferentes módulo de elasticidade transversal:
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Redução do valor do pico da tensão de corte.
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• 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:
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0.9Sd s Rd t RdV d b h bτ τ≤ ≈ τRd é a tensão limite de cálculo de aderência
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• Dimensionamento da zona de ancoragem
Se se tiver em conta a contribuição das armaduras existentes:
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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:
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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)
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• 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:
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, ,,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
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• Dimensionamento da zona de ancoragem
Recomendação do CEB:
- em chapas coladas em toda a sua extensão:
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( ) ( )
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
−
−
=
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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.
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- 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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