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Reabilitação e Reforço de Estruturas
Mestrado em Engenharia Civil
2011 / 2012
1/562011/2012
Fernando G. BrancoProf. Aux. DEC/FCTUC
Fernando G. Branco
Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 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 d e tensões, etc.)
• Início da investigação em Portugal
• Fase III
• Anos 90: substituição da chapa de aço por compósito s
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 re sistente (até 50%)
5/562011/2012
• Manutenção da secção geométrica do elemento origina l
• 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 cha pa
• 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 estruturasVantagens:
�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 pneumát ico, jacto areia,…)
• Tratamento das superfícies a colar
- Limpeza da superfície (escovagem, aspiração, ar co mprimido,…)- 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 queas adjacentes, para evitar aparecimento de condensa ção.
• 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 corrent es
- Será possível substituir as armaduras convencionai s por chapas exteriores?
13/562011/2012
- Ensaios em laboratório mostram que o comportamento de vigas com chapascoladas 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 fina l da laje reparada
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Exemplos de aplicação - Ponte sobre canal Saint-Denis (França) [Sevene (197 7)]
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/betã o
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 resistê ncia
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 colag em;
• Influência da geometria da colagem.
• Previsível mau comportamento de juntas coladas face à temperatura
• Necessidade de readaptar ligações coladas (uso de p arafusos)
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 co ladas, 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 - aplicação de pressão
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Esquema de Ensaio
23/562011/2012
F
A B
G
CD
E
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Modelação numérica
σz τzy
τxz
24/562011/2012
Carga
250mm
150mm
z
y
x
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Resultados a frio (20ºC)
100
120
140
ra (
kN)
100
120
140
ra (
kN)
25/562011/2012
0
20
40
60
80
0.27 0.6 1.07 2.4 3.75
Betão DBetão E
Relação largura/comprimento
For
ça d
e ro
tur
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100
Betão EBetão D
Largura de colagem (mm)
For
ça d
e ro
tur
�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)
Str
eng
th (
KN
)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)
Str
engt
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)
Str
engt
h (K
N)
Betão B
Betão C
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Resultados a quente
8
10
12
ABCDEd
ia n
a ro
tura
(M
Pa)
Betão corrente
8
10
12
ABCDEd
ia n
a ro
tura
(M
Pa)
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 condici onante
0
2
4
6
0 30 60 90 120
EFG
Temperatura (ºC)
Ten
são
de c
orte
mé
d
0
2
4
6
0 30 60 90 120
EFG
Temperatura (ºC)
Ten
são
de c
orte
mé
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
Aparafusamentocomplemento 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
For
ça d
e ro
tura
méd
ia (
kN)
ColaCola + HSA 6x65Cola + HSA 8x57Cola + HSA 8x75HSA 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)
For
ça d
e ro
tura
méd
ia (
kN)
HSA 8x57HSA 8x75
Reabilitação e Reforço de Estruturas
Protecção da chapa colada face a aumento de tempera tura
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 tempera tura
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 tempera tura
Tipos de materiais de protecção
• Materiais projectados
• menor custo, dentre todos os sistemas;• maior velocidade de aplicação;• requerem limpeza após aplicação e controle de esp essura na obra;
http://www.tria.pt
34/562011/2012
• requerem limpeza após aplicação e controle de esp essura na obra;• desenvolvidos especificamente para a protecção de estruturas.
Os materiais projectados (ex.: argamassas húmidas) são os mais utilizadosmundialmente para a protecção de estruturas metálicas, sendo especificados para aprotecção 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 áreasinternas e abrigadas de intempérie, reduzem significativamenteprazos 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 tempera tura
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 obr a;
35/562011/2012
• aplicação limpa, sem controle de espessura na obr a;• alguns tipos de acabamentos disponíveis, sempre c om 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 tempera tura
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 tempera tura
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*
dk
F
fSRd*)F(SS
γγγ
Reabilitação e Reforço de Estruturas
• Cálculo de esforços resistentes
Dimensionamento [30]
- Modelação de danos existentes; simulação do element o reforçado
39/562011/2012
- Modelação de danos existentes; simulação do element o reforçado
- Método simplificado dos coeficientes globais
a) assumir elemento reforçado sem defeitos (c/º obr as 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 metálicassb st
gt
ts < 12mmtg < 2mmbs > 80mm
Sem buchas metálicas
ts < 4mmtg < 2mmbs > 50mm
stgt
sb
Reabilitação e Reforço de Estruturas
• Reforço ao esforço transverso
• Requisitos geométricos:
42/562011/2012
Sem buchas metálicas
ts < 3mmtg < 2mmdr > 100 ts
Com buchas metálicas
ts < 8mmtg < 2mmdr > 100 ts
stgt
rd
stgt
rd
Reabilitação e Reforço de Estruturas
• Cálculo do Momento Resistente:
• Semelhante ao do Betão Armado (duas camadas de arma dura)
MM M,nrd γ=
43/562011/2012
rsyd
rrs
isyd
iis
isyd
eqeqsrd fzAfzAfzAM +==
• Camadas de armadura próximas:- “armadura equivalente”
eqsAisydf
=>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
+=≈
isyd
rsydrr
sii
sisyd
isyd
eqeqsrd
f
fd.Ad.Affd.AM 909090
• Armadura de reforço:
−=
r
iisr
eqeqsr
syd
isydr
sd
dA
d
dA
f
fA
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
sydrs
rsd fAF =
2/L 2/L
sdτ
2
LbfAF sd
rsyd
rssd τ≤=
MPa
f min,ctsd
2τ
• Ligação com buchas metálicas
2
LbnFfAF sdb
rsyd
rssd γτ+≤=
MPa.sd 50≈γτ
Reabilitação e Reforço de Estruturas
• Cálculo do Reforço ao Esforço Transverso:
iw
maxrdsd dbVV 2τ=≤
Corte Alçado
Ref. Chapa Contínua:- maior área a tratar
46/562011/2012
+= r
syd
rswri
syd
iswi
V,nwd fs
Ad.f
s
Ad.V 9090γ
wdcdrdsd VVVV +=≤
iwcd 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 melh ores resultados do que o uso de
chapas estreitas e espessas, exigindo menores compr imentos de ancoragem.
Chapas com espessura até 3mm apresentam bom comport amento. A espessura da
47/562011/2012
chapa poderá subir até 10mm, desde que sejam utiliz ados 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 1.5 mm.
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 d e reforço:
1/ 2
G l l
d E t E tω
= +
( )( )
cos h
sin hx
xP
x
ωτ 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 reforç o 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 e xistentes:
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 f
h 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 capacid ade de redistribuição de esforços, a
força média de corte por unidade de comprimento é:
54/562011/2012
, ,,0,
0 0
2 22
S r syd rS rligSd S r
A fFlF 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
( ) ( )
1.5ctm flexão ctm flexão
xm
f fτ
γ≤ =
( )( )
cos h
sin hx
xP
x
ωτ ω
ω=
2)cosh(
xx eex
−+=
c/ τx calculado pela fórmula de Bresson.
2)sinh(
xx eex
−−=
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 semel hante ao do betão
armado.