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Dimensionamento de Reforço em Fibras de Carbono segundo a Norma ACI 440.2R-17 Exemplos de reforço a flexão e ao cisalhamento PhD Gláucia Maria Dalfré Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) Mestre em Engenharia de Estruturas (SET/EESC/USP) Doutora em Engenharia de Estruturas (Universidade do Minho) Membro do Comitê IBRACON/ABECE 303: Uso de Materiais não convencionais para Estruturas de Concreto, Fibras e Concreto Reforçado com Fibras Membro da diretoria regional Ibracon/São Carlos Bolsista Produtividade em Pesquisa – PQ-2/CNPq (2016-2018) O reforço com FRPs... Funciona? RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Beber (2003) Reforço a flexão de vigas – Técnica EBR RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Beber (2003) Reforço a flexão de vigas – Técnica EBR V2 Laminado 1 camada V3 Laminado 1 camada RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Beber (2003) 200 0 1 5 6 0 40 80 F o rç a [k N ] 2 3 4 Deslocamento a meio vão [cm] V1V2 V3 V1 (Referência) 13% 120 160 39% Escoamento da armadura Descolamento do laminadoDescolamento do laminado Fissuração excessiva - Descolamento V4 Laminado 1 camada V5 Laminado 6 camadas RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Beber (2003) 200 0 1 5 6 0 40 80 F o rç a [k N ] 2 3 4 Deslocamento a meio vão [cm] V1 27%120 160 72% V4 V5 V2 V3 Fissuração excessiva - cobrimento V7 Manta 4 camadas V6 Manta 1 camada RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Beber (2003) 200 0 1 5 6 0 40 80 F o rç a [k N ] 2 3 4 Deslocamento a meio vão [cm] V1 120 160 14% V6 V7 55% Fissuração excessiva - cobrimentoDescolamento RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Fortes et. al (2002) Reforço de vigas à flexão – Técnica NSM RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Fortes et. al (2002) 0 5 0 10 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 20 30 40 50 60 70 91% 80 90 100 10 15 20 25 30 V2 V2R2 RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Khalifa (1999) Reforço de vigas ao cisalhamento – Técnica EBR RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Khalifa (1999) 0 5 0 50 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 100 150 200 250 300 350 400 450 500 10 15 20 25 Referência C-BT1 (Referência) Uma camada contínua de manta de CFRP em forma de U com as fibras orientadas a 90º C-BT2 C-BT3 Duas camadas contínuas de manta de CFRP: uma em forma de U com as fibras orientadas a 90º e outra nas faces laterais da viga com as fibras orientadas a 0º RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Khalifa (1999) 0 5 0 50 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 100 150 200 250 300 350 400 450 500 10 15 20 25 Referência C-BT1 (Referência) C-BT6 Uma camada contínua de manta de CFRP em forma de U com as fibras orientadas a 90º tendo-se considerado um sistema de ancoragem do reforço Faixas de manta de CFRP em forma de U com as fibras orientadas a 90º, com 50 mm de largura e espaçadas de 125 mm C-BT4 C-BT5 Faixas de manta de CFRP coladas nas faces laterais da viga com as fibras orientadas a 90º, com 50 mm de largura e espaçadas de 125 mm RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dias (2008) Reforço de vigas ao cisalhamento – Técnica NSM RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dias (2008) 0 5 0 20 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 40 10 15 20 25 30 35 40 60 80 100 120 140 160 180 A10_C (Referência, sem estribos) Estribos de aço A10_S (Estribos) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dias (2008) 0 5 0 20 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 40 10 15 20 25 30 35 40 60 80 100 120 140 160 180 A10_C (Referência, sem estribos) A10_M (Manta) Mantas de CFRP (EBR) A10_S (Estribos) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dias (2008) 0 5 0 20 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 40 10 15 20 25 30 35 40 60 80 100 120 140 160 180 A10_C (Referência) Laminados de CFRP (NSM) A10_VL (Laminado) A10_S (Estribos) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dias (2008) 0 5 0 20 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] 40 10 15 20 25 30 35 40 60 80 100 120 140 160 180 A10_C (Referência) Laminados de CFRP (NSM) A10_IL (Laminado) A10_S (Estribos) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Ferreira (2000) Reforço de pilares – Técnica NSM RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Ferreira (2010) -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -10 -20 -30 -40 -50 0 10 20 30 40 50 F o rç a [k N ] Deslocamento [mm] Referência Reforçado RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dalfré et. al (2017) Reforço de pilares – Técnica EBR Dimensões e configuração do reforço dos pilares curtos de concreto (Medidas em milímetros) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Dalfré et. al (2017) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Oliveira (2019) Reforço de pilares – Técnica EBR Dimensões e configuração do reforço dos pilares curtos de concreto (Medidas em milímetros) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Oliveira (2019) Reforço de pilares – Técnica EBR Configuração do reforço dos pilares curtos de concreto 20 10 0 -10 -20 -30 -40 0 20 40 60 80 100 -0,5 -1,0 -1,5 0 10 20 G30_LAB_6M_2 G30_LAB_6M_1 G30_LAB_6M_0 D.P. Te ns ão (M P a ) Deformação no GFRP (‰) Deformação axial (‰) 0,6*σc0 0,4*σc0 0,2*σc0 RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Bonaldo (2008) Reforço a flexão de faixas de laje Técnica NSM RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Bonaldo (2008) RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Bonaldo (2008) 0 10 0 10 F o rç a [k N ] Deslocamento a meio vão [mm] SL1 SL2 20 30 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 148% SL1 SL2 CONFIGURAÇÃO DE ENSAIO - Faixas de laje com dois vãos e dimensões de 120×375×5850 mm3 2800 1400 1400 2800 5850 S1 S1' S2 S2' 125 As' As S1 S1' F522 F123 125 120 Vista Lateral Região de momento positivo Região de momento negativo Região de momento positivo 14001400 RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Bonaldo (2008) e Dalfré (2013) Reforço a flexão de faixas de laje - Técnica NSM Região de momento negativo CONFIGURAÇÕES DE REFORÇO Região de momento negativo Região de momento positivo Região de momento positivo SÉRIE H Laminados de CFRP aplicados na região de momentos negativos SÉRIE HS Laminados de CFRP aplicados na região de momentos negativos/positivos (Bonaldo, 2008) SL15-H SL15s25-H SL15s50-H SL30-H SL30s25-H SL30s50-H SL45-H SL45s25-H SL45s50-H SL15-HS SL15s25-HS SL30-HS SL30s25-HS SL30s50-HS SL45-HS SL45s25-HS SL45s50-HS(Dalfré, 2013) REFORÇO Reforço na região de momento negativo Laminados de CFRP + 2 5 % i n c re m e n tod a C a p a c id a d e d e c a rg a SL15s25-H SL30s25-H SL45s25-H 1 2 0 2 6 26 375 125 12562.5 62.5 12 0 2 6 26 375 18794 94 12 0 2 6 26 375 187.5 187.5 + 5 0 % d e i n c re m e n to d a c a p a c id a d e d e c a rg a SL15s50-H SL30s50-H SL45s50-H 26.7 (6x53.6) 26.7 12 0 2 6 26 375 37.5 37.5 12 0 2 6 26 375 (4x75) 375 12 0 2 6 26 62.562.5 125 125 SÉRIE H REFORÇO Reforço na região de momento negativo Laminados de CFRP SÉRIE HS + 2 5 % i n c re m e n to d a C a p a c id a d e d e c a rg a SL15s25-HS SL30s25-HS SL45s25-HS 12 0 2 6 26 375 46.8 46.8(3x93.8) 12 0 2 6 26 375 18794 94 375 12 0 2 6 26 18794 94 + 5 0 % d e i n c re m e n to d a C a p a c id a d e d e c a rg a SL30s50-HS SL45s50-HS 62.5 125 62.5125 12 0 2 6 26 375 18794 94 375 12 0 2 6 26 REFORÇO Laminados de CFRP SÉRIE HS Reforço na região de momento positivo Reforço na região de momento positivo + 2 5 % i n c re m e n to d a C a p a c id a d e d e c a rg a SL15s25-HS SL30s25-HS SL45s25-HS + 5 0 % d e i n c re m e n to d a C a p a c id a d e d e c a rg a SL30s50-HS SL45s50-HS 12 0 2 6 26 375 75 112.5 112.5 75 12 0 2 6 26 375 62.592.864.492.862.5 12 0 2 6 2626 18794 94 12 0 2 6 26 375 28.9 (57.7x2) (57.7x2)(43.2x2) 28.9 12 0 2 6 2626 3131 (5x62.6) PROGRAMA EXPERIMENTAL – ENSAIO DAS FAIXAS DE LAJE Padrão de fissuração (SL30s25-HS) Ruptura – Região de momentos negativos (SL30s25-HS) APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS – SÉRIE SL45 Laje Esmagamento do betão na região de momentos negativos (εc = -3.5 ‰) Esmagamento do betão na região de momentos positivos (εc = -3.5 ‰) Fy (kN) Fy/Fy,ref (%) η (%) Fy (kN) Fy/Fy,ref (%) η (%) SL45-H 50.89 ----- 46.12 51.31 ----- 43.25 SL45s25-H 52.35 2.87 36.59 53.38 4.03 35.68 SL45s50-H 55.21 8.49 23.21 55.77 8.69 22.45 SL45-HS 43.52 ----- 34.17 50.24 ----- 39.21 SL45s25-HS 52.48 20.59 38.18 62.51 24.42 41.69 SL45s50-HS 65.18 49.77 42.89 68.95 37.24 44.10 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1ª fase SL45 - H Deslocamento vertical (mm) SL45s25 - H F or ç a m é d ia , F (k N ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 F (522) F (123) 82803 60541 82804 19906 18897 3468 SL45s50 - H 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1ª fase 2ª fase SL45 - HS Deslocamento vertical (mm) F (522) F (123) 82803 60541 82804 19906 18897 3468 SL45s25 - HS F o r ça m éd ia , F (k N ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 SL45s50 - HS RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Coelho et. al (2011) Estudo comparativo de diferentes técnicas no reforço à flexão de vigas de concreto armado com uso de CFRP’s Referência RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Coelho et. al (2011) Estudo comparativo de diferentes técnicas no reforço à flexão de vigas de concreto armado com uso de CFRP’s EBR NSMMF-EBR 120 NSM 90 Coelho et. al (2011) Ensaio monotônico 150 EBR 0 5 25 30 0 30 60 REF EBR MF-EBR NSM F o rç a [k N ] 10 15 20 Deslocamento a meio vão [mm] MF-EBR RESULTADOS OBTIDOS EM PROGRAMAS EXPERIMENTAIS Coelho et. al (2011) Coelho et. al (2011) Ensaio cíclico Coelho et. al (2011) Ensaio cíclico Recomendações técnicas “Guidelines” Recomendações técnicas A C I 4 4 0 440.1R-15: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer Bars 440.2R-17: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures 440.3R-12: Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures 440.4R-04: Prestressing Concrete Structures with FRP Tendons (Reapproved 2011) 440.5-08: Specification for Construction with Fiber-Reinforced Polymer Reinforcing Bars 440.6-08(17): Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Bar Materials for Concrete Reinforcement (Reapproved 2017) 440.7R-10: Guide for Design & Constr of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Unreinforced Masonry Structures 440.8-13: Specification for Carbon and Glass Fiber-Reinforced Polymer Materials Made by Wet Layup for External Strengthen 440.9R-15: Guide to Accelerated Conditioning Protocols for Durability Assessment of Internal and External Fiber-Reinforce Requisitos de projeto REQUISITOS BÁSICOS O dimensionamento de sistema de FRP deve ser baseado nos seguintes princípios: 1. As manifestações patológicas devem ser identificadas, removidas e/ou atenuadas; 2. Em caso de uma solicitação severa, a estrutura deverá resistir com danos localizados aceitáveis; 3. O “colapso” do sistema de reforço deverá ser dúctil. Requisitos de projeto REQUISITOS BÁSICOS Assim, no projeto de reforço deve-se: 1. Efetuar uma escolha adequada dos materiais; 2. Escolha criteriosa dos processos de aplicação; 3. Procedimentos de controle de qualidade devem ser adotados quer na fase do projeto quer na fase da execução do reforço. Requisitos de projeto REQUISITOS DE DURABILIDADE O projeto de reforço tem de efetuado atendendo a requisitos de durabilidade. Para tal haverá que atender a: 1. Tipo de uso da estrutura reforçada; 2. Avaliação das condições ambientais; 3. Composição, propriedades e desempenho dos materiais existentes e novos; 4. Escolha adequada da solução de reforço; 5. Qualidade da mão-de-obra e nível de controle; 6. Adoção de medidas protetoras (e.g., fogo, impacto); 7. Plano de inspeção/manutenção. Considerações e conceitos básicos Quando se utiliza para o reforço de estruturas de concreto armado à flexão um sistema compósito de FRP, ele pode ser aderido as faces da peça. Para o cálculo da resistência á flexão de uma estrutura de concreto reforçada com materiais compósitos, algumas considerações devem ser feitas: - Os cálculos devem ser efetuados com base nas dimensões existentes da seção e da quantidade/distribuição das armaduras de aço da mesma, assim como das propriedades e características mecânicas dos materiais constituintes do elemento de concreto a ser reforçado; - Prevalecem os critérios de Bernoulli, ou seja, as seções permanecem planas após carregamentos e as deformações são linearmente proporcionais à sua distância à linha neutra; REQUISITOS DE PROJETO Considerações e conceitos básicos - Despreza-se a resistência à tração do concreto; - A deformação no concreto não pode ultrapassar 3,5‰ quando se utiliza a NBR 6118/Fib Bulletin 14 ou 3‰ segundo as recomendações da ACI440.2R; - Aderência perfeita entre o sistema compósito e o substrato de concreto; e - Deformação linear até a ruptura do compósito. Ensaios de tração 0,00 200,00 400,00 600,00 800,00 1000,00 1200,00 1400,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00T e n s ã o ( M P a ) Deformação (‰) Fibra de vidro Considerações e conceitos básicos - Segundo o Fib Bulletin 14 (2001), o estado da estrutura (reparada) antes do reforço deve ser tomado como referência para o dimensionamento do sistema de reforço; - Por meio de inspeção, revisão de documentos existentes e uma análise estrutural, o real estado do elemento existente deve ser verificado; - Como a aplicação do sistema FRP não se destina a corrigir manifestações patológicas pré-existentes na estrutura (como, por exemplo, corrosão do aço devido a carbonatação ou ingresso de cloretos), possíveis danos ou deterioração devem ser identificados e as causas das manifestações patológicas devem ser conhecidas; - Se necessário, o reparo adequado deve ser realizado antes da aplicação de um sistema de reforço. Ações para dimensionamento Considerações e conceitos básicos É necessário determinar o momento solicitante da estrutura durante a aplicação do sistema de reforço com FRP para avaliação do estado inicial de deformações. Normalmente, este momento é obtido levando-se em conta a carga permanente da estrutura. Ações para dimensionamento Estrutura existente Considerações e conceitos básicos É necessário determinar o momento solicitante da estrutura durante a aplicação do sistema de reforço com FRP para avaliação do estado inicial de deformações. Normalmente, este momento é obtido levando-se em conta a carga permanente da estrutura. Ações para dimensionamento No momento de aplicação do reforçoACI 440.2R Fib Bulletin 14 Considerações e conceitos básicos Posteriormente, faz-se o levantamento de cargas e esforços devido às cargas futuras esperadas. Ações para dimensionamento Novo carregamento esperado Considerações e conceitos básicos Segundo o ACI 440.2R (2017), o elemento estrutural não reforçado deve ter capacidade suficiente para resistir a um certo nível de carregamento. Caso o sistema de reforço com FRP seja danificado, a estrutura ainda deverá ser capaz de resistir a um nível razoável de carga sem que entre em colapso. Ações para dimensionamento - Observações Assim, espera-se que o elemento reforçado mantenha capacidade estrutural suficiente até que o sistema de reforço seja reparado. O ACI recomenda que a estrutura não reforçada resista a 110% das ações permanentes (DL) mais 75% das sobrecargas (LL), i.e.: Considerações e conceitos básicos Para evitar que uma estrutura a reforçar não colapse sob a atuação do fogo, essa estrutura, antes de ser reforçada, deve ter capacidade resistente suficiente por forma a suster, em segurança, as ações permanentes e as ações das sobrecargas. O ACI recomenda que a estrutura não reforçada resista a 100% das ações permanentes (WAP) mais 100% das sobrecargas (Wsob), i.e.: Ações para dimensionamento - Observações Se ocorrer um incêndio após o reforço da estrutura, esta deve ainda respeitar a Equação acima apresentada. As resinas que se utilizam nos sistemas em FRP perderem significativamente as suas propriedades a partir de temperaturas da ordem dos 60 graus Celsius (temperatura de transição vítrea (Tg)). Considerações e conceitos básicos A ACI 440.2R (2017) ainda apresenta uma nova Equação para verificação da capacidade resistente do elemento não reforçado, tal como abaixo apresentado: onde SDL refere-se à carga permanente, SLL à sobrecarga, SSL a cargas devido a presença de neve e Ak refere-se a um certo carregamento devido/a ser resistido devido a um evento de incêndio da estrutura. Ações para dimensionamento - Observações Dimensionamento ACI 440.2R (2017) Considerações e conceitos básicos ACI 440.2R Propriedades características dos materiais - A não ser que tal seja indicado especificamente, os valores das propriedades dos FRP indicados nos documentos técnicos dos fabricantes não atendem aos efeitos provocados pela exposição dos FRP aos agentes de agressividade ambiental ao longo do tempo de vida dos FRP; - Como as propriedades dos FRP, tais como a resistência à tração e a extensão última, dependem do tipo de ambiente a que o FRP foi acondicionado durante a sua vida, os valores das propriedades indicados pelos fabricantes devem ser encarados como valores iniciais, devendo estes ser corrigidos por fatores que atendem ao tipo de ambiente; - Assim, o ACI 440 propõe que os valores da resistência à tração e da extensão última indicados pelos fabricantes ou obtidos em laboratório sejam afetados por um coeficiente ambiental, CE. Considerações e conceitos básicos ACI 440.2R Propriedades características dos materiais Segundo a ACI 440.2R, o dimensionamento a flexão deve levar em conta as seguintes recomendações de projeto: Onde: ffu = tensão de tração máxima de projeto do compósito de FRP ffu*= tensão de tração máxima de projeto do compósito de FRP (fornecida por ensaio ou fabricante) fu = deformação máxima de projeto do compósito de FRP fu*= deformação máxima do compósito de FRP (fornecida por ensaio ou fabricante) CE = coeficiente de exposição ambiental Considerações e conceitos básicos ACI 440.2R Segundo o ACI 440, no dimensionamento à flexão de sistemas de reforço admite-se as seguintes hipóteses: a) deve-se ter em consideração as atuais dimensões, disposição das armaduras e propriedades dos materiais do elemento estrutural a ser reforçado; b) as extensões no concreto e nas armaduras são diretamente proporcionais às suas respectivas distâncias ao eixo neutro da secção. Secções planas antes da aplicação do carregamento permanecem planas após a sua aplicação (hipótese de Euler-Bernoulli); c) a máxima extensão de compressão no concreto é 0,003 (ou 3‰); d) a resistência à tração do concreto é desprezada; e) assume-se que o diagrama tensão vs. extensão do aço é elástico-linear até o escoamento, seguido de comportamento perfeitamente plástico; f) admite-se que o FRP é caracterizado por uma lei linear e elástica tensão- extensão até à ruptura; g) A deformação de corte na camada de adesivo é desprezada, dado que esta camada é muito fina com reduzidas variações na sua espessura. Hipóteses Básicas do Dimensionamento Considerações e conceitos básicos ACI 440.2R A menos que todo o carregamento seja removido antes da aplicação do reforço, inclusive o devido ao peso próprio, caso pouco comum na prática de reforço estrutural, o substrato onde será aplicado o FRP terá um determinado nível de deformação inicial que deverá ser considerado no dimensionamento. Por esse motivo, para um determinado nível de carregamento, o cálculo da deformação no FRP é efetuado subtraindo a deformação inicial à deformação existente para esse nível de carregamento. A deformação inicial (bi) pode ser determinada assumindo comportamento linear e elástico para os materiais intervenientes, considerando-se todo o carregamento existente no momento da aplicação do reforço. Deformações existentes no concreto Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço Considerações e conceitos básicos Dimensionamento A posição do eixo neutro e os níveis de tensão no aço, concreto e no reforço são determinados por processo iterativo. Arbitrando-se c Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d. Considerações e conceitos básicos Dimensionamento A ruptura controlada pelo descolamento do compósito deve governar os procedimentos de cálculo. Assim, a deformação máxima permitida no FRP para impedir a ruptura por descolamento devido a fissuração não poderá exceder ao indicado naseguinte equação: Onde: fc´= resistência à compressão do concreto n = número de camadas de reforço Ef = módulo de elasticidade do compósito fu = deformação máxima de projeto do compósito de FRP Para aplicações com a técnica de reforço NSM, o valor de fd pode variar de 0,6 fu para 0,9 fu dependendo de muitos fatores, como dimensões dos elementos, percentual de armadura existente e de FRP, dentre outros. O comitê recomenda o uso de fd 0.7 fu. A tensão determinados Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP É muito importante o conhecimento do nível de deformação no reforço executado com FRP no estado limite último. Uma vez que o FRP apresenta comportamento elástico linear até a ruptura, a deformação máxima que poderá ser atingida no reforço de FRP será determinado pelas seguintes situações: - Ruptura do concreto - Ruptura do sistema FRP - Descolamento do sistema de FRP do substrato do concreto Com base nessas avaliações, a deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço é dada por: Onde: c = x = profundidade da linha neutra bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço df = profundidade do reforço Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP A ACI440.2R também limita o nível de tensão que pode ser atingida no reforço com FRP antes da ruptura por flexão. Este nível efetivo pode ser obtido da correlação com o nível de deformação do FRP, assumida a condição de comportamento elástico-linear: Considerações e conceitos básicos Determinação do momento resistente Conhecida a extensão efetiva do FRP, a extensão existente no substrato no instante de aplicação do reforço, bi, e a posição do eixo neutro, c, a tensão no aço pode ser calculada por intermédio da seguinte condição de compatibilização de extensões: Considerações e conceitos básicos Aplicação a seção retangular 𝜀𝑐´ = Máxima deformação do concreto não confinado 𝐸𝑐 = Módulo de elasticidade do concreto Considerações e conceitos básicos Determinação do momento resistente O equilíbrio interno de forças só é obtido se a Equação abaixo apresentada for satisfeita, caso contrário deve-se efetuar o processo iterativo até o equilíbrio ser alcançado. Considerações e conceitos básicos Determinação do momento resistente Tendo em conta a distribuição de extensões e de tensões anteriormente representadas, o momento fletor resistente da seção, na verificação aos estados limite último, pode ser calculado por intermédio da equação seguinte: em que: As é a área da armadura convencional de tração existente na seção; fs é a tensão de tração no aço; h e d são a altura total e altura útil da seção, respectivamente; 1 é o fator de transformação do diagrama de tensões; c é a posição do eixo neutro (linha neutra); f é o coeficiente de minoração da resistência do FRP. Na flexão pode-se adotar o valor de 0,85. Af é a área de FRP; ffe é a tensão de tração efetiva no FRP. A utilização do sistema de reforço com FRP colado externamente reduz a ductilidade do elemento original, pelo que é importante verificar o nível de deformação nas armaduras de aço, no estado limite último, de forma a manter a ductilidade da seção em níveis aceitáveis. Admite-se que após reforçada a peça tem nível aceitável de ductilidade se a extensão no aço, no momento da rotura por esmagamento do concreto em compressão e no momento do descolamento do FRP do substrato, for superior ou igual a 0,005. O ACI 440 segue a mesma filosofia do ACI 318, pelo que o momento resistente de uma seção diminui com a sua menor ductilidade. Verificação da Ductilidade Considerações e conceitos básicos Verificação da Ductilidade Considerações e conceitos básicos Para simular este efeito é definido um fator determinado da seguinte forma: Segundo a ACI 440.2R, os procedimentos de reforço exigem que o dimensionamento estrutural exceda os esforços majorados, conforme indicado abaixo: Onde: = fator de minoração de resistência, relacionado com a ductilidade da seção Mn = resistência fletor resistente de cálculo da seção de estudo Mu = momento fletor solicitante da combinação mais desfavorável para a análise em causa Resistência final da peça reforçada Considerações e conceitos básicos As verificações para os estados limites de utilização em peças reforçadas com FRP podem ser efetuadas aplicando-se o conceito de homogeneização aos materiais da seção (na análise da seção fissurada de concreto reforçado). Essa verificação é feita pela seguinte equação: Onde: Considerações e conceitos básicos Tensões no aço devido a carga de serviço 𝜌 𝑠 = As/b.d 𝜌 𝑓 = Af/b.d 𝑀𝑠 = momento solicitante devido a p+g Para prevenir deformações plásticas excessivas, a tensão na armadura e no concreto para as cargas de serviço deve ser inferior ou igual a 80% e 60%, respectivamente, da tensão de escoamento do aço e de compressão do concreto utilizados. Considerações e conceitos básicos Tensões no aço devido a carga de serviço O nível de tensões na armadura poderá ser calculado baseado na análise da seção fissurada de concreto reforçado. Essa verificação é feita pela seguinte equação: Considerações e conceitos básicos Tensões no FRP devido a carga de serviço Os materiais de FRP submetidos a carregamentos de longa duração podem apresentar ruptura repentina, depois de um período referido como tempo de tolerância. Durante esse período de tempo a resistência à tração do FRP pode diminuir. Aumentando-se a relação entre tensão de tração existente no laminado, ao longo do tempo, e a sua resistência última, diminui-se o tempo de tolerância. O tempo de tolerância também pode decrescer conforme as condições ambientais a que os FRP estejam sujeitos (altas temperaturas, radiação ultravioleta, elevada alcalinidade, ciclos de umidade e secagem, e ciclos de gelo e degelo). Geralmente, o CFRP é menos susceptível às ações de longa duração e de fadiga, as aramidas (AFRP) são moderadamente propícias a essa rotura, enquanto que as fibras de vidro (GFRP) são as mais susceptíveis. Considerações e conceitos básicos Valores limites de tensão para ações de longa duração e de fadiga Assim, para se evitar que um elemento reforçado com FRP rompa devido à atuação de ações de longa duração, devem-se adotar limites para os valores de tensão no FRP quando submetidos a este tipo de condições. O valor da tensão no FRP, ffs , pode ser obtido segundo análise elástica e aplicando o momento que resulta das ações quase permanentes (permanentes mais parte da sobrecarga) e da ação cíclica. Os valores destas tensões devem ficar limitados aos abaixo indicados: Considerações e conceitos básicos Valores limites de tensão para ações de longa duração e de fadiga Fluxograma Determinar a deformação inicial no substrato de concreto Estimar a profundidade de linha neutra, c Determinar o modo de ruptura Calcular a deformação nos materiais Calcular tensões e forças Verificar o equilíbrio (c) c estimado = c obtido no equilíbrio? Calcular o momento fletor resistente Verificar as condições de serviço Não Sim Exemplos de Dimensionamento ACI 440.2R (2017) Escolha – Sistemas FRP Escolha – Sistemas FRP Considere-se que o projetista seleciona dois sistemas de FRP para o reforço de um elemento de concreto e que, junto aos fabricantes, obteve as propriedades destes dois sistemas: - O sistema A é constituído por manta de fibras unidirecionais de carbono. - O sistema B é constituído por laminadosde fibra de carbono. Ambos os sistemas são fixos à superfície do elemento a reforçar por meio de resina epóxi (técnica EBR). Escolha – Sistemas FRP Alguns dos dados disponibilizados na documentação técnico/comercial do fabricante estão indicados na Tabela abaixo apresentada. Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi Tipo de sistema: pré-curado, laminado unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Qual dos sistemas de reforço vocês escolheriam? Escolha – Sistemas FRP Faremos três verificações para a escolha: 1ª verificação: Resistência à tração por unidade de espessura dos Sistemas 2ª verificação: Rigidez à tração por unidade de espessura dos Sistemas 3ª verificação passo: Comparação dos dois sistemas Segundo a resistência à tração: Segundo a rigidez: ffu*: Tensão de tração na ruptura tf: Espessura ffu*: Módulo de elasticidade tf: Espessura Escolha – Sistemas FRP 1ª verificação: Resistência à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi Tipo de sistema: pré-curado, laminado unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Escolha – Sistemas FRP 1ª verificação: Resistência à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Sistema A Sistema B 𝑝𝑓𝑢 ∗ = 3800N/mm2.0,117mm = 444,6 N/mm 𝑝𝑓𝑢 ∗ = 2800N/mm2.1,4mm = 3920 N/mm Escolha – Sistemas FRP 2ª verificação: Rigidez à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Escolha – Sistemas FRP 2ª verificação: Rigidez à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Sistema A Sistema B kf= 245000 N/mm 2.0,117mm = 28665 N/mm kf= 175000 N/mm 2.1,40mm = 245000 N/mm Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Segundo a resistência à tração: Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa 3920 N/mm 444,6 N/mm = 8,81 Segundo a resistência à tração: Para uma dada resistência equivalente à tração, 9 camadas do Sistema A equivalem a uma camada do Sistema B! Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa Segundo a rigidez: Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 1,4 mm ffu* 3800 MPa ffu* 2800 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 175 GPa 245000 N/mm 28665 N/mm = 8,54 Segundo a rigidez: Para uma dada rigidez equivalente, nove camadas do Sistema A equivalem a uma camada do Sistema B! Escolha – Sistemas FRP E.... Considere-se que o projetista seleciona dois sistemas de FRP para o reforço de um elemento de concreto e que, junto aos fabricantes, obteve as propriedades destes dois sistemas: - O sistema A é constituído por manta de fibras unidirecionais de carbono. - O sistema B é constituído por manta de fibras unidirecionais de vidro! Escolha – Sistemas FRP Alguns dos dados disponibilizados na documentação técnico/comercial do fabricante estão indicados na Tabela abaixo apresentada. Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: vidro Resina polimérica: epoxi tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Qual dos sistemas de reforço vocês escolheriam? Escolha – Sistemas FRP 1ª verificação: Resistência à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: carbono Resina polimérica: epoxi Tipo de sistema: curado in-situ, manta unidirecional Tipo de fibra: vidro Resina polimérica: epoxi tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 1ª verificação: Resistência à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A Sistema B 𝑝𝑓𝑢 ∗ = 3800N/mm2.0,117mm = 444,6 N/mm 𝑝𝑓𝑢 ∗ = 1200N/mm2.0,39mm = 468 N/mm Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 2ª verificação: Rigidez à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 2ª verificação: Rigidez à tração por unidade de espessura dos Sistemas Sistema A Sistema B kf= 245000 N/mm 2.0,117mm = 28665 N/mm kf= 75000 N/mm 2.0,39mm = 29250 N/mm Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Segundo a resistência à tração: Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas 468 N/mm 444,6 N/mm = 1,05 Segundo a resistência à tração: Para uma dada resistência equivalente à tração, uma camada do Sistema A equivale a uma camada do Sistema B! Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas Segundo a rigidez: Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mmffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Escolha – Sistemas FRP 3ª verificação: Comparação dos dois sistemas 29250 N/mm 28665 N/mm = 1,02 Segundo a rigidez: Para uma dada rigidez equivalente, uma camada do Sistema A equivale a uma camada do Sistema B! Sistema A (dados do documento técnico) Sistema B (dados do documento técnico) tf 0,117 mm tf 0,39 mm ffu* 3800 MPa ffu* 1200 MPa fu* 15,5‰ fu* 16‰ Ef 245 GPa Ef 75 GPa Exemplos – Técnica EBR A viga representada faz parte de uma estrutura, para a qual se pretende que passe a resistir a uma sobrecarga 50% superior à que tinha sido utilizada no seu dimensionamento. fc´ 34,47 MPa fs 414 MPa As 1935 mm 2 A armadura de resistência ao esforço transverso que a viga dispõe garante a não ocorrência de ruptura por cisalhamento após o acréscimo de carga. A verificação da flecha e de abertura de fissuras está também assegurada, mas a viga necessita de ser reforçada à flexão. Exemplos – Técnica EBR Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m Exemplos – Técnica EBR Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.m Esta etapa de verificação seguirá as recomendações da ABNT NBR 6118 (ABNT, 2014) e ACI 318 (2014). Dimensionamento – Técnica EBR 1º passo: Levantamento da real capacidade portante do elemento frente a geometria e materiais existentes AÇO (barras tracionadas) CONCRETO (elementos submetidos à flexão simples) • Valores últimos da deformação específica dos materiais: 3,5‰εε cucc 10‰εε sust C20 a C50 C50 a C90 4 ckcu ]100/)f -[(90 35‰‰6,2ε Representa vários diagramas de deformação de casos de solicitação diferentes, com as deformações limites de εcu para o máximo encurtamento do concreto comprimido e 10‰ para o máximo alongamento na armadura tracionada 3,5‰εε cucc Classes C20 a C50 Classes C50 a C90 4 ckcu ]100/)f -[(90 35‰‰6,2ε Classes C20 a C50 • Região da parábola: vértice na fibra com εc = 2‰ • Região da reta: εc = 3,5‰ Distribuição de tensões no concreto: → Diagrama Parábola-Retângulo c fcd Distribuição de tensões no concreto: Zona comprimida constante Zona comprimida decrescente 𝛼c = 0,85 1,0 − fck − 50 200 Classes C55 a C90 Classes C20 a C50 Distribuição de tensões no concreto: Alternativamente, permite-se a substituição do diagrama por um retângulo de altura: y = λ . x Onde: x = altura da linha neutra; = 0,8. c fcd .x Classes C55 a C90 Distribuição de tensões no concreto: → Diagrama CURVO-Retângulo Permite-se ainda a substituição do diagrama constante (retangular) de altura: y = λ . x tal que: λ = 0,8 − [(fck − 50) /400], para fck > 50 MPa Profundidade da linha neutra e condições de ductilidade (ABNT NBR 6118:2014) x = x/d 0,45 x = x/d 0,35 “ A capacidade de rotação dos elementos estruturais é função da posição da linha neutra no ELU. Quanto menor for x/d, tanto maior será essa capacidade. Para proporcionar o adequado comportamento dúctil em vigas e lajes, a posição da linha neutra no ELU deve obedecer a: C20 a C50 C50 a C90 Ductilidade Dimensionamento Dimensionamento à flexão - NBR 6118 (ABNT, 2014) x = 0,136m Domínio 2 Md concreto = 341,4 kN.m Md aço = 342,4 kN.m Dimensionamento Dimensionamento à flexão - ACI 318 (2014) Os cálculos da resistência das seções transversais devem ser realizados com base nas seguintes premissas: ● Deformação no concreto e a barra de aço é proporcional à distância do eixo neutro (isto é, uma seção plana antes do carregamento permanece plana após o carregamento); ● A máxima deformação de compressão utilizada no concreto é assumida como sendo 0,003; ● A resistência do concreto à tração é ignorada; ● Perfeita aderência entre o concreto e a armadura. Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 (2014) Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 c = 0,111m a = 0,0896m Mn = 401,50 kN.m 𝜺𝒔 = 0,0117 = 11,7‰ = 0,90 Mu = 361,35 kN.m O ACI recomenda que a estrutura não reforçada (referência) resista a 110% das ações permanentes (WAP) mais 75% das sobrecargas (Wsob). A seção transversal apresenta capacidade portante de 360 kN.m. Como: = 239 kN.m, ok! O ACI recomenda que a estrutura não reforçada/reforçada resista a 100% das ações permanentes (WAP) mais 100% das sobrecargas (Wsob). Como: , 360 kN.m> 214 ou 273 kN.m, ok! Exemplo – Técnica EBR Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.m Esta etapa de verificação seguirá as recomendações da ABNT NBR 6118 (ABNT, 2014) e ACI 318 (2014). Dimensionamento – Técnica EBR 1º passo: Levantamento da real capacidade portante do elemento frente a geometria e materiais existentes 2º passo: Determinação da deformação no concreto tracionado (𝜺𝒃𝒊) Iniciaremos a resolução do problema proposto determinando a deformação da viga frente somente ao seu peso próprio. Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? n = 200000MPa/27594,24MPa= 7,25 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ B = 305mm/7,25.1935mm2= 0,021747mm kd = [(2.546mm.0,021747mm+1)^0,5-1]/0,021747mm kd = 182,77 kd = 182,77 → k = 0,334 Icr = (305.0,3343.5463)/3+7,25.1935(546-0,334.546)2 = 616.589.200,50+1.855.037.612,00=2.471.626.810 mm4 Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? Exemplo – Técnica EBR Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.mConsiderações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? k = 0,334 Icr = 2.471.626.810 mm4 Ec = 27594,24397 N/mm 2 WAP = 98 kN.m = 98.000.000,00 N.mm 𝜀𝑏𝑖 = 0,61‰ = 0,00061 df = 610mm (ou 611,016mm - até o CG do sistema de reforço) A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última da manta de CFRP Exemplos – Técnica EBR Espessura por camada, tf 0,117 mm Resistência última à tração da manta, ffu* 3800 MPa Extensão de ruptura, εfu* 15,5‰ Módulo de elasticidade, Ef 245 GPa Propõe-se que a viga seja reforçada com o sistema FRP abaixo descrito. O sistema curado “in situ” (manta) é constituído por uma camada de manta unidirecional de 305 mm de largura por 7010 mm de comprimento. A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última da manta de CFRP Como temos a manta de CFRP e viga interna: 𝑓𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑓𝑢 = 0,95.3800MPa = 3610𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑢 = 0,95.15,5‰ = 14,73‰ Dimensionamento 2º passo: Determinação da deformação máxima permitida no FRP Dimensionamento 2º passo: Determinação da deformação máxima permitida no FRP 𝑓𝑑 = 0,41. 34,47𝑀𝑃𝑎 1.245000𝑀𝑃𝑎. 0,117𝑚𝑚 ≤ 0,9.14,73‰ 𝑓𝑑 = 0,0142 = 14,2‰ ≥ 13,26‰- ok Como a tensão de dimensionamento é maior do que a tensão de ruptura, o esmagamento do concreto controla o dimensionamento do sistema FRP. Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Arbitrando-se c Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d. c= 0,20.54,6cm = 10,92 cm Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝑓𝑒 = 3‰ 61𝑐𝑚 − 10,92𝑐𝑚 10,92𝑐𝑚 − 0,61‰ ≤ 13,26‰ Arbitrando-se c Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d. c= 0,20.54,6cm = 10,92 cm 𝑓𝑒 = 13,15‰ < 13,26‰ 𝑓𝑒 = 13,15‰𝑚𝑚/𝑚𝑚 Portanto, 𝑓𝑓𝑒 = 13,15.245𝐺𝑃𝑎 =3221,75MPa Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝜀𝑠 = (13,15‰+ 0,61‰) 54,6 − 10,92 61 − 10,92 𝜀𝑠 = 12‰ Por semelhança de triângulos, encontra-se a deformação no concreto 12‰ 10,92𝑐𝑚 43,68𝑐𝑚 12‰ 43,68 = 𝜀𝑐 10,92 𝑐 𝜀𝑐 = 3,0‰ Portanto, aço escoando! 𝑓𝑠 = 414𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: 𝜀𝑐 = (13,15‰+ 0,61‰) 10,92 61 − 10,92 𝜀𝑐 = 3‰ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝛽1 = 4.2,1‰− 3‰ 6.2,1‰− 2.3‰ = 0,818 𝜀𝑐´ = 1,71. 34,47𝑀𝑃𝑎 27594,24𝑀𝑃𝑎 = 0,0021 = 2,1‰ 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ = 4700 34,47𝑀𝑃𝑎 = 27594,24𝑀𝑃𝑎 1 = (3.2,1‰.3‰ -3‰2)/3.0,818. 2,1‰2= 0,915 Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝑐 = 1935𝑚𝑚2. 414𝑁 𝑚𝑚2 + 35,68𝑚𝑚2. 3221,75 𝑁 𝑚𝑚2 0,915.34,470𝑁/𝑚𝑚2.0,818.305𝑚𝑚 = 116,4𝑚𝑚 Como c calculado é diferente do c inicial 116,4mm 109,2 mm Não convergiu!!!! Arbitrar novo c! Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Arbitrando-se c c= 11,56 cm Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝑓𝑒 = 3‰ 61𝑐𝑚 − 11,56𝑐𝑚 11,56𝑐𝑚 − 0, 61‰ ≤ 13,26‰ Arbitrando-se c c= 11,56 cm 𝑓𝑒 = 12,22‰‰ < 13,26‰ 𝑓𝑒 = 12,22‰ Portanto, 𝑓𝑓𝑒 = 12,22‰. 245𝐺𝑃𝑎 =2994MPa Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝜀𝑠 = (12,22‰+ 0, 61‰) 54,6 − 11,56 61 − 11,56 𝜀𝑠 = 11,16‰ Por semelhança de triângulos, encontra-se a deformação no concreto 11,16‰ 11,56𝑐𝑚 43,04𝑐𝑚 11,16‰ 43,04 = 𝜀𝑐 11,56 𝑐 𝜀𝑐 = 3,00‰ Portanto, aço escoando! 𝑓𝑠 = 414𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: 𝜀𝑐 = (12,22‰+ 0,61‰) 11,56 61 − 11,56 𝜀𝑐 = 3‰ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝛽1 = 4.0,0021 − 0,003 6.0,0021 − 2.0,003 = 0,818 𝜀𝑐´ = 1,71. 34,47𝑀𝑃𝑎 27594,24𝑀𝑃𝑎 = 0,0021 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ = 4700 34,47𝑀𝑃𝑎 = 27594,24𝑀𝑃𝑎 1 = 3.0,0021.0,003 − 0,0032 3.0,818.0,00212 = 0,914 Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝑐 = 1935𝑚𝑚2. 414𝑁 𝑚𝑚2 + 35,68𝑚𝑚2. 2994𝑁 𝑚𝑚2 0,914.34,470𝑁/𝑚𝑚2.0,818.305𝑚𝑚 = 115,5𝑚 Como c calculado é diferente do c inicial 115,5mm = 115,6 mm Convergiu!!!! Dimensionamento 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão Dimensionamento 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 450,65𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛1 = 1935𝑚𝑚 2. 414𝑁 𝑚𝑚2 546 − 0,818,115,5 2 = 399,55𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛2 = 0,85.35,68𝑚𝑚 2. 2994𝑁 𝑚𝑚2 610 − 0,818,115,5 2 = 51,10𝐾𝑁.𝑚 Dimensionamento 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 450,65𝑘𝑁.𝑚 0,90.450,65=405,59KN.m 405,59 KN.m > 398,11 kN.m Portanto, ok! 𝜀𝑠 = 11,16‰ Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝜌 𝑠 = 𝐴𝑠 𝑏. 𝑑 = 19,35𝑐𝑚2 30,5𝑐𝑚𝑥54,6𝑐𝑚 = 0,0116 𝜌 𝑓 = 𝐴𝑓 𝑏. 𝑑 = 35,68𝑚𝑚2 305𝑚𝑚𝑥546𝑚𝑚 = 0,00021 𝐸𝑐 = 27,59𝐺𝑃𝑎 𝐸𝑠 = 200𝐺𝑃𝑎 𝐸𝑓 = 245𝐺𝑃𝑎 𝑑 = 0,546𝑚 𝑑𝑓 = 0,60𝑚 𝑘 = 0,338 𝑘 = 0,084 + 0,00186 2+ 2(0,084 + 0,0020) − (0,084 + 0,00186) 𝑘𝑑 = 0,338.546=184,55mm Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Ms = Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Exemplo – Técnica EBR Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.m Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝑀𝑠 = 273,23 kN.m = 273230000N.mm (Cargas não majoradas (WAP+Wsob)) 𝜀𝑏𝑖 . 𝐴𝑓.𝐸𝑓. 𝑑𝑓− 𝑘𝑑3 = 0,00061.35,68𝑚𝑚2.245000N/mm2.(610-184,55mm/3)=2924719,36 (𝑑 − 𝑘𝑑). 𝐸𝑠 = (546 − 184,55). 200000N/mm2=72290000 𝐴𝑠. 𝐸𝑠 𝑑 − 𝑘𝑑 3 𝑑 − 𝑘𝑑 = 1935.200000MPa.(546-184,55/3) .(546-184,55)=6,77.1013 𝐴𝑓. 𝐸𝑓 𝑑𝑓 − 𝑘𝑑 3 𝑑𝑓 − 𝑘𝑑 = 35,68.245000MPa.(610-184,55/3) .(610-184,55)= 2,03.1012 𝑓𝑠, 𝑠 = 286,29 𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 286,29 𝑀𝑃𝑎<414MPa*0,8 286,29 𝑀𝑃𝑎 <331MPa –ok! Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 286,29 𝑀𝑃𝑎<414MPa*0,8 286,29 𝑀𝑃𝑎 <331MPa –ok! Dimensionamento 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝑓𝑓, 𝑠 = 286,29𝑀𝑃𝑎. 245000𝑀𝑃𝑎 200000𝑀𝑃𝑎 . 610 − 184,55 546 − 184,55 − 0,00061. 245000𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑓, 𝑠 = 263,35𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑓, 𝑠 = 263,35𝑀𝑃𝑎0,55𝑓𝑓𝑢 𝑓𝑓, 𝑠 = 263,35𝑀𝑃𝑎0,55.(0,95.3800)=1985,5MPa – ok! 286,29 𝑀𝑃𝑎<414MPa*0,8 286,29 𝑀𝑃𝑎 <331MPa –ok! kd=184,55 Considerações e conceitos básicos 𝑓𝑠, 𝑠 = 286,29 𝑀𝑃𝑎 Es = 200 GPa kd=184,55 ? ‰ 𝑘𝑑 ? 𝑐 Considerações e conceitos básicos 𝑓𝑠, 𝑠 = 286,29 𝑀𝑃𝑎 Es = 200 GPa kd=184,55 1,43‰ 184,55 546 − 184,55 361,45 𝑐 𝑐 = 0,73‰ f𝑐, 𝑠 = 0,73‰*27,59 GPa=20,14 MPa Considerações e conceitos básicos kd=184,55 1,43‰ 184,55 546 − 184,55 361,45 𝑐 𝑐 = 0,73‰ f𝑐, 𝑠 = 0,73‰*27,59 GPa=20,14 MPa 𝑓𝑐, 𝑠 = 20,14𝑀𝑃𝑎0,6𝑓𝑐´ 𝑓𝑐, 𝑠 = 20,14𝑀𝑃𝑎0,6.34,47𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑐, 𝑠 = 20,14𝑀𝑃𝑎20,68𝑀𝑃𝑎 − 𝑜𝑘! Exemplo – Técnica NSM Uma viga existente de concreto armado deve ser reforçada utilizando barras de FRP aplicadas segundo a técnica NSM. Especificamente, três barras CFRP de nº 3 (Af = 64,5mm 2/barra) devem ser usadas a uma distância de 602,1 mm da fibra superior extrema da viga. Aqui, será considerado o mesmo levantamento de cargas do exercício anteriormente apresentado. fc´ 34,47 MPa fs 414 MPa As 1935 mm 2 Af 193,5 mm 2 ffu* 1725 MPa fu* 0,013 mm/mm Dimensionamento – Técnica NSM Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.m Esta etapa de verificação seguirá as recomendações da ABNT NBR 6118 (ABNT, 2014) e ACI 318 (2014). Dimensionamento – Técnica NSM 1º passo: Levantamento da real capacidade portante do elemento frente a geometria e materiais existentes 2º passo: Determinação da deformação no concreto tracionado (𝜺𝒃𝒊) Iniciaremos a resolução do problema proposto determinando a deformação da viga frente somente ao seu peso próprio. Dimensionamento Dimensionamento à flexão - NBR 6118 (ABNT, 2014) x = 0,136m Domínio 2 Md concreto = 341,41 kN.m Md aço = 342,45 kN.m Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 c = 0,111m a = 0,0896m Mn = 401,50 kN.m 𝜺𝒔 = 0,0117 = 11,7‰ = 0,90 Mu = 361,35 kN.m Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? k = 0,334 Icr = 2.471.626,81mm4 Ec = 27594,24397 N/mm 2 WAP = 98 kN.m = 98.000.000,00 N.mm 𝜀𝑏𝑖 = 0,61‰ = 0,00061 df = 602mm 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ O ACI recomenda que a estrutura não reforçada (referência) resista a 110% das ações permanentes (WAP) mais 75% das sobrecargas (Wsob). A seção transversal apresenta capacidade portante de 360 kN.m. Como: = 239 kN.m, ok! O ACI recomenda que a estrutura não reforçada/reforçada resista a 100% das ações permanentes (WAP) mais 100% das sobrecargas (Wsob). Como: , 360 kN.m> 214 ou 273 kN.m, ok! Dimensionamento – Técnica NSM Ação/Momento Ações existentes Novas ações Ações permanentes, WAP Momento devido a WAP 14,6 kN/m 98 kN.m 14,6 kN/m 98 kN.m Sobrecargas, Wsob Momento devido a Wsob 17,5 kN/m 117 kN.m 26,25 kN/m 175,58 kN.m Cargas não majoradas (WAP+Wsob) Serviço 32,1 kN/m 214 kN.m 40,85 kN/m 273,23 kN.m Combinação viga de referência (1,1WAP+0,75Wsob)) ------- 35,75 kN/m 239 kN.m Cargas majoradas (1,2WAP+1,6Wsob)) 45,5 kN/m 305 kN.m 59,52 kN/m 398,11 kN.m A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento – Técnica NSM 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última do laminado de CFRP A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento – Técnica NSM 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última das barras de CFRP Como temos as barras de CFRP e viga interna: 𝑓𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑓𝑢 = 0,95.1725MPa = 1638,75𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑢 = 0,95.13‰ = 12,35‰ Dimensionamento – Técnica NSM 2º passo: Determinação da deformação máxima permitida no FRP Para aplicações com a técnica de reforço NSM, o valor de fd pode variar de 0,6 fu para 0,9 fu dependendo de muitos fatores, como dimensões dos elementos, percentual de armadura existente e de FRP, dentre outros. O comitê recomenda o uso de fd 0.7 fu. 𝑓𝑑 ≤ 0,7.12,35‰ = 8,65‰ Dimensionamento – Técnica NSM 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝑓𝑒 = 0,003 602𝑚𝑚 − 109mm 109𝑚𝑚 − 0,00061 ≤ 0,00865 Arbitrando-se c Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d. c= 0,20.54,6cm = 10,92 cm = 109mm 𝑓𝑒 = 0,013 > 0,00865 − 𝐾𝑂 𝑓𝑒 = 0,00865 𝑚𝑚/𝑚𝑚 Portanto, 𝑓𝑒=𝑓𝑑 𝑓𝑓𝑒 = 8,65.132,7𝐺𝑃𝑎 =1147,19MPa 𝐸𝑓 = 1725𝑀𝑃𝑎 13‰ = 132,7𝐺𝑃𝑎 Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝜀𝑠 = (0,00865 + 0,00061) 546 − 109 602 − 109 𝜀𝑠 = 0,0082mm/mm = 8,2‰ Por semelhança de triângulos, encontra-se a deformação no concreto 0,0082 109 𝑚𝑚 437 𝑚𝑚 0,0082 437 = 𝜀𝑐 109 0,002 𝜀𝑐 = 0,002 Portanto, aço escoando! 𝑓𝑠 = 414𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: 𝜀𝑐 = (0,00858 + 0,00061) 109𝑚𝑚 602𝑚𝑚 − 109𝑚𝑚 𝜀𝑐 = 0,002 Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c 𝛽1 = 4.0,0021 − 0,002 6.0,0021 − 2.0,002 = 0,744 𝜀𝑐´ = 1,71. 34,47𝑀𝑃𝑎 27594,24𝑀𝑃𝑎 = 0,0021 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ = 4700 34,47𝑀𝑃𝑎 = 27594,24𝑀𝑃𝑎 1 = 3.0,0021.0,002 − 0,0022 3.0,744.0,00212 = 0,873 Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c Como c calculado é diferente do c inicial 149,82 mm 109 mm Não convergiu!!!! Arbitrar novo c! 𝑐 = 1935𝑚𝑚2. 414𝑁 𝑚𝑚2 + 193,5𝑚𝑚2. 1147,19𝑁 𝑚𝑚2 0,873.34,47𝑁/𝑚𝑚2.0,744.305𝑚𝑚 = 149,82 𝑚𝑚 Dimensionamento– Técnica NSM 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝑓𝑒 = 0,003 602𝑚𝑚−133mm 133𝑚𝑚 − 0,00061 ≤ 0,7.0,01245 Arbitrando-se c c= 133mm 𝑓𝑒 = 0,0096 > 0,00865 − 𝐾𝑂 𝑓𝑒 = 0,00865 𝑚𝑚/𝑚𝑚 Portanto, 𝑓𝑒=𝑓𝑑 𝑓𝑓𝑒 = 8,65.132,7𝐺𝑃𝑎 =1147,19MPa 𝐸𝑓 = 1725𝑀𝑃𝑎 13‰ = 132,7𝐺𝑃𝑎 Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝜀𝑠 = (0,00865 + 0,00061) 546 − 133 602 − 133 𝜀𝑠 = 0,0082mm/mm = 8,2‰ Por semelhança de triângulos, encontra-se a deformação no concreto 0,0082 133 𝑚𝑚 413 𝑚𝑚 0,0082 413 = 𝜀𝑐 133 0,0026 𝜀𝑐 = 0,0026 Portanto, aço escoando! 𝑓𝑠 = 414𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento – Técnica NSM 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: 𝜀𝑐 = (0,00865 + 0,00061) 133𝑚𝑚 602𝑚𝑚 − 133𝑚𝑚 𝜀𝑐 = 0,0026 Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c 𝛽1 = 4.0,0021 − 0,0026 6.0,0021 − 2.0,0026 = 0,783 𝜀𝑐´ = 1,71. 34,47𝑀𝑃𝑎 27594,24𝑀𝑃𝑎 = 0,0021 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ = 4700 34,47𝑀𝑃𝑎 = 27594,24𝑀𝑃𝑎 1 = 3.0,0021.0,0026 − 0,00212 3.0,75.0,00212 = 0,928 Dimensionamento – Técnica NSM 5º passo: Verificação de c Como c calculado é diferente do c inicial 133,41 mm = 134 mm Convergiu!!!! 𝑐 = 1935𝑚𝑚2. 414𝑁 𝑚𝑚2 + 193,5𝑚𝑚2. 1147,19𝑁 𝑚𝑚2 0,928.34,47𝑁/𝑚𝑚2.0,783.305𝑚𝑚 = 133,41 𝑚𝑚 Dimensionamento – Técnica NSM 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão Dimensionamento – Técnica NSM 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 499,06 𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛1 = 1935𝑚𝑚 2. 414𝑁 𝑚𝑚2 546 − 0,783.134 2 = 395,37𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛2 = 0,85.193,5𝑚𝑚 2. 1147,19𝑁 𝑚𝑚2 602 − 0,783.134 2 = 103,69𝐾𝑁.𝑚 Dimensionamento – Técnica NSM 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 499,06 𝐾𝑁.𝑚 0,90.499,06 𝐾𝑁.𝑚 =449,15 KN.m 449,15 KN.m > 398 kN.m Portanto, ok! 𝜀𝑠 = 0,0082mm/mm = 8,2‰ Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝜌 𝑠 = 𝐴𝑠 𝑏. 𝑑 = 1935𝑚𝑚2 305𝑚𝑚𝑥546𝑚𝑚 = 0,0116 𝜌 𝑓 = 𝐴𝑓 𝑏. 𝑑 = 193,5𝑚𝑚2 305𝑚𝑚𝑥546𝑚𝑚 = 0,00116 𝐸𝑐 = 27,59𝐺𝑃𝑎 𝐸𝑠 = 200𝐺𝑃𝑎 𝐸𝑓 = 132,7𝐺𝑃𝑎 𝑑 = 0,546𝑚 𝑑𝑓 = 0,602𝑚 𝑘 = 0,335 𝑘 = 0,084 + 0,0056 2+ 2(0,084 + 0,0062) − (0,084 + 0,0056) 𝑘𝑑 = 0,335.546=182,91mm Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝑀𝑠 = 273,23 kN.m = 273230000N.mm 𝜀𝑏𝑖 . 𝐴𝑓.𝐸𝑓. 𝑑𝑓− 𝑘𝑑 3 = 0,00061.193,5𝑚𝑚2. 132700 MPa.(602-182,91mm/3)= 8474285,17 (𝑑 − 𝑘𝑑). 𝐸𝑠 = (546 − 182,91). 200000N/mm2= 72618000 𝐴𝑠. 𝐸𝑠 𝑑 − 𝑘𝑑 3 𝑑 − 𝑘𝑑 = 1935.200000MPa.(546-182,91/3) .(546-182,91)=6,81.1013 𝐴𝑓. 𝐸𝑓 𝑑𝑓 − 𝑘𝑑 3 𝑑𝑓 − 𝑘𝑑 = 193,5. 132700 MPa.(602-182,91/3) .(602-182,91)= 5,82.1012 𝑓𝑠, 𝑠 = 276,74 𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 276,74 𝑀𝑃𝑎 <414MPa*0,8 276,74 𝑀𝑃𝑎<331MPa –ok! Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 276,74 𝑀𝑃𝑎 <414MPa*0,8 276,74 𝑀𝑃𝑎<331MPa –ok! Dimensionamento – Técnica NSM 7º passo: Verificação das tensões em serviço na armadura de aço e no FRP 𝑓𝑓, 𝑠 = 276,74𝑀𝑃𝑎. 132700𝑀𝑃𝑎 200000𝑀𝑃𝑎 . 602 − 182,91 546 − 182,91 − 0,00061. 132700𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑓, 𝑠 = 130,99𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑓, 𝑠 = 130,99𝑀𝑃𝑎0,55𝑓𝑓𝑢 𝑓𝑓, 𝑠 = 130,99𝑀𝑃𝑎0,55.(0,95.1725)=901,32MPa – ok! 276,74 𝑀𝑃𝑎 <414MPa*0,8 276,74 𝑀𝑃𝑎<331MPa –ok! k.d=182,91 Considerações e conceitos básicos 𝑓𝑠, 𝑠 = 276,74𝑀𝑃𝑎 Es = 200 GPa ? ‰ 𝑘𝑑 ? 𝑐 k.d=182,91 Considerações e conceitos básicos 𝑓𝑠, 𝑠 = 276,74𝑀𝑃𝑎 Es = 200 GPa 1,38‰ 182,91 546 − 182,91 363,09 𝑐 𝑐 = 0,69‰ f𝑐, 𝑠 = 0,69‰*27,59 GPa=19,03 MPa k.d=182,91 Considerações e conceitos básicos kd=184,55 1,43‰ 184,55 546 − 184,55 361,45 𝑐 𝑓𝑐, 𝑠 = 19,03𝑀𝑃𝑎0,6𝑓𝑐´ 𝑓𝑐, 𝑠 = 19,03𝑀𝑃𝑎0,6.34,47𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑐, 𝑠 = 19,03𝑀𝑃𝑎20,68𝑀𝑃𝑎 − 𝑜𝑘! 𝑐 = 0,69‰ f𝑐, 𝑠 = 0,69‰*27,59 GPa=19,03 MPa 250 115 11510 10 20 F 2Ø6.3mm 2Ø10.0mm20, 00 17, 50 12 24Ø5.0mm c/ 10cm 1,5 Levantar a capacidade portante do elemento atual e após a aplicação do sistema de reforço. A viga possui dimensões de 12x20x250 cm, vão livre entre os apoios de 230 cm e concreto com resistência a compressão de 28,5 MPa (d=17,5cm). As vigas de concreto armado foram produzidas com armadura longitudinal composta por 2 barras de aço CA-50 com diâmetro de 10mm (taxa de armadura longitudinal de 0,75%). 15 15 F Camada de CFRP 220 Largura da manta de CFRP (11 cm) No reforço foi utilizada manta de fibra de carbono, aplicada em 1 camada, com módulo de elasticidade de 248 GPa, resistência a tração de 3150 MPa, deformação última de 1,28%, espessura de 0,176mm e largura de 11cm. Estimativa c = 4,82 cm Esta etapa de verificação seguirá as recomendações da ABNT NBR 6118 (ABNT, 2014) e ACI 318 (2014). Dimensionamento – Técnica EBR 1º passo: Levantamento da real capacidade portante do elemento frente a geometria e materiais existentes 2º passo: Determinação da deformação no concreto tracionado (𝜺𝒃𝒊) Iniciaremos a resolução do problema proposto determinando a deformação da viga frente somente ao seu peso próprio. Dimensionamento Dimensionamento à flexão - NBR 6118 (ABNT, 2014) x = 0,041 m Domínio 2 Md concreto = 10,80 kN.m Md aço = 10,82 kN.m M = F.2,3/4 10,8 = 2,3.F/4 F = 18,78 kN Dimensionamento Dimensionamento à flexão – ACI 318 c = 0,0319 m a = 0,027 m Mn = 12,67 kN.m 𝜺𝒔 = 13,46‰ = 0,90 Mu = 11,40 kN.m M = F.2,3/4 11,4 = 2,3.F/4 F = 19,83 kN Dimensionamento 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Deslocamento (mm) Fo rç a (K N ) V1_REF_0 V2_REF_0 NBR 6118 (2014) ACI 318 (2014) Exemplos – Técnica EBR Espessura por camada, tf 0,176 mm Resistência última à tração da manta, ffu* 3150 MPa Extensão de ruptura, εfu* 12,8 ‰ Módulo de elasticidade, Ef 248 GPa Propõe-se que a viga seja reforçada com o sistema FRP abaixo descrito. O sistema curado “in situ” (manta) é constituído por uma camada de manta unidirecional de 110 mm de largura por 220 mm de comprimento. Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? Considerações e conceitos básicos Nível de deformação do reforço com FRP bi = deformação inicial da seção devido as cargas instaladas no ato do reforço 𝜀𝑏𝑖 = ? n = 210000MPa/25091MPa=8,37 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ B = 120mm/8,37.157mm2= 0,0913mm kd = [(2.175mm.0,0913mm+1)^0,5-1]/0,0913mm kd = 51,92 kd = 51,92 → k = 0,297 Icr = (120.0,2973.1753)/3+8,37.157(175-51,92)2 = 5616211,90+19906737,31=25522949,21mm4 A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última do laminado de CFRP A partir deste instante o problema será resolvido com a utilização das recomendações da norma ACI 440.2R (2017). Dimensionamento 1º passo: Estimativa da tensão e deformação última da manta de CFRP Como temos a manta de CFRP e viga interna: 𝑓𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑓𝑢 = 0,95.3150MPa = 2992,5 𝑀𝑃𝑎 𝑓𝑢 = 𝐶𝐸𝑓𝑢 ∗ 𝑓𝑢 = 0,95.12,8‰ = 12,16‰ Dimensionamento 2º passo: Determinação da deformação máxima permitida no FRP Dimensionamento 2º passo: Determinação da deformação máxima permitida no FRP 𝑓𝑑 = 0,41. 28,50𝑀𝑃𝑎 1.248000𝑀𝑃𝑎. 0,176𝑚𝑚 ≤ 0,9.12,16‰ 𝑓𝑑 = 0,01048 = 10,48‰ < 10,94‰- ok Como a tensão de dimensionamento é menor do que a tensão de ruptura, a ruptura do FRP controla o dimensionamento do sistema FRP. Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Arbitrando-se c c= 4,82 cm Dimensionamento 3º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝑓𝑒 = 3‰ 20𝑐𝑚 − 4,82𝑐𝑚 4,82𝑐𝑚 − 0,092‰ ≤ 10,48‰ Arbitrando-se c Uma estimativa inicial razoável de c é 0,20d. c= 4,82 cm 𝑓𝑒 = 9,35‰ < 10,348‰ 𝑓𝑒 = 9,35‰ Portanto, 𝑓𝑒=𝑓𝑑 𝑓𝑓𝑒 = 9,35‰. 248𝐺𝑃𝑎 =2318,80MPa Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP 𝜀𝑠 = (9,35‰+ 0,092‰) 17,5 − 4,82 20 − 4,82 𝜀𝑠 = 7,88‰ Por semelhança de triângulos, encontra-se a deformação no concreto 7,88‰ 4,82𝑐𝑚 12,68𝑐𝑚 7,88‰ 12,68 = 𝜀𝑐 4,82 𝑐 𝜀𝑐 = 3,0‰ Portanto, aço escoando! 𝑓𝑠 = 500𝑀𝑃𝑎 Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: Dimensionamento 4º passo: Determinação da deformação efetiva que pode ser atingida pelo reforço de FRP A deformação no concreto também pode ser calculada pela seguinte formulação: 𝜀𝑐 = (9,35‰+ 0,092‰) 4,82 20 − 4,82 𝜀𝑐 = 3‰ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝛽1 = 4.1,9‰ − 3‰ 6.1,9‰ − 2.3‰ = 0,852 𝜀𝑐´ = 1,71. 28,5𝑀𝑃𝑎 25091,13𝑀𝑃𝑎 = 0,0019 = 1,9‰ 𝐸𝑐 = 4700 𝑓𝑐´ = 4700 28,5𝑀𝑃𝑎 = 25091,13𝑀𝑃𝑎 1 = (3.1,9‰.3‰ -3‰2)/3.0,852. 1,9‰2= 0,877 Dimensionamento 5º passo: Verificação de c 𝑐 = 157𝑚𝑚2. 500𝑁 𝑚𝑚2 + 19,36𝑚𝑚2. 2318,80𝑁 𝑚𝑚2 0,877.28,5𝑁/𝑚𝑚2.0,852.120𝑚𝑚 = 48,3𝑚𝑚 Como c calculado é diferente do c inicial 48,3mm = 48,2 mm Convergiu!!!! Dimensionamento 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 19,02𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛1 = 157𝑚𝑚 2. 500𝑁 𝑚𝑚2 175 − 0,852.48,3 2 = 12,17𝐾𝑁.𝑚 𝑀𝑛2 = 0,85.19,36𝑚𝑚 2. 2318,80𝑁 𝑚𝑚2 200 − 0,852.48,3 2 = 6,85𝐾𝑁.𝑚 Dimensionamento 6º passo: Contribuição do aço e reforço para a flexão .𝑀𝑛 = 19,02𝑘𝑁.𝑚 0,90.19,02=17,11KN.m 𝜀𝑠 = 7,88‰ M = F.2,3/4 17,11 = 2,3.F/4 F = 29,76 kN Dimensionamento 0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Deslocamento (mm) F o rç a (K N ) V1_REF_0 V2_REF_0 V1_REF_CFRP V2_REF_CFRP NBR 6118 (2014) ACI 318 (2014) ACI 440,2R(2017) Viga de referência (sem reforço): 27kN Viga reforçada com 1 camada de manta: 41kN MODOS DE RUPTURA (Cont.) MODOS DE RUPTURA (Cont.) Pesquisa Resumo das configurações de reforço TCC: Influência do uso de FRPs no reforço à flexão de vigas de concreto armado De Oliveira (2017) Pesquisa Pesquisa Pesquisa 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 IR (% ) s,eq (%) GFRP 20MPa 30MPa 40MPa Incremento de capacidade de carga com a utilização de compósitos de CFRP Pesquisa Momento resistido pela armadura longitudinal e pelo sistema de reforço com a utilização de compósitos de CFRP segundo o número de camadas de reforço 0 10 20 30 40 50 60 70 M om en to re sis tid o (k N. m ) Número de camadas Momento resistido - CFRP M (longitudinal) M (FRP) 20MPa 30MPa 40MPa 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 250 115 11510 10 20 F 2Ø6.3mm 2Ø10.0mm20, 00 17, 50 12 24Ø5.0mm c/ 10cm 1,5 Para a viga experimentalmente analisada... 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 camada 2 camadas 3 camadas 4 camadas 5 camadas M u (k N .m ) Taxa de armadura equivalente (%) Dimensionamento ao cisalhamento – ACI 440.2R Da mesma forma que utilizamos estribos metálicos para resistir ao corte nas estruturas de concreto, o reforço ao corte pode ser obtido com a aplicação de mantas ou laminados de FRP, os quais funcionarão como estribos adicionais. Neste curso, somente o dimensionamento proposto pela norma ACI 440.2R (2017) será abordado. Dimensionamento ao cisalhamento – ACI 440.2R Esquemas de envolvimento das peças Os compósitos de FRP podem ser aplicados nas estruturas de concreto armado segundo três esquemas de envolvimento: (Envolvimento Completo) (Colagem lateral) (Envolvimento Em “U”) Segundo a ACI 440.2R, com base nas recomendações apresentadas na ACI 318, a resistência do sistema de reforço deve ser calculada multiplicando-se a resistência nominal por um fator de redução, tal como apresentado na expressão abaixo apresentada: A capacidade nominal resistente de uma peça reforçada é determinada pela soma de três parcelas distintas: Vc = resistência do concreto ao corte Vs = resistência da armadura transversal Vf = resistência ao corte do sistema compósito, onde ainda deve ser considerada a utilização de um coeficiente de redução (f), o qual depende do esquema de envolvimento da seção. Resistência nominal da peça Dimensionamento ao cisalhamento – ACI 440.2R =0,75 for shear Coeficiente de redução (f) Resistência nominal da peça Dimensionamento ao cisalhamento – ACI 440.2R Segundo a ACI 318 (2014), Vc e Vs são calculados utilizando as seguintes expressões: Dimensionamento ao cisalhamento Dimensionamento ao cisalhamento – ACI 440.2R 𝑉𝑐 = 0,17. 𝑓𝑐 ´. 𝑏𝑤 . 𝑑 𝑉𝑠 = 𝐴𝑠. 𝑓𝑦𝑡 . 𝑑 𝑠 Verificação da ruptura por tração diagonal (Modelo I) (armadura transversal + mecanismos complementares) A força cortante resistente de cálculo VRd3 deve ser no mínimo igual à força solicitante de cálculo VSd. Portanto: Condição de segurança: VSd ≤ VRd3 = Vsw + Vc – Vsw: força cortante resistida pela armadura transversal – Vc: força cortante resistida por mecanismos complementares VRd3 = VSd ∴ Vsw = VSd − Vc Verificação da ruptura por tração diagonal (armadura transversal + mecanismos complementares) Lembrando que: com fck e fctd em MPa. Vc = 0,6 ⋅ fctd ⋅ bw ⋅ d • Parcela resistida pelos mecanismos complementares: fctd = fctk,inf γc
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