sexta-feira, 19 de maio de 2017

Saiba tudo sobre reforço estrutural com fibra de carbono

Resistência à tração superior ao aço não garante a indicação do material. As vantagens do uso para reforço de estruturas de concreto dependem de avaliação sistêmica da situação

Por Revista téchine
Bruno Loturco
Edição 242 - Maio/2017

Reforço estrutural com fibra de carbono: o material apresenta resistência à tração quatro vezes superior ao aço
Por vezes, a capacidade de carregamento de uma estrutura de concreto não está adequada às solicitações às quais o elemento em questão está sujeito. A causa para tal situação pode ser variada. Em alguns casos, trata-se de uma patologia ocasionada por erros de projetos, erros de execução, utilização de materiais de baixa qualidade ou uma conjunção desses fatores, incluindo deterioração em razão do uso. Em outros, o que ocorreu foi uma alteração de finalidade da estrutura, com aumento de cargas, modificações estruturais, tais como aberturas em lajes e vigas para passagens, instalação de novos equipamentos, alteração de trem-tipo de pontes e viadutos etc.
Fibra de carbono como reforço estrutural: pode ser colada junto à estrutura original (EBR) ou inserida em lâminas (NSM)
Ou seja, a reavaliação estrutural é necessária sempre que há alteração de uso que impacte nos carregamentos, após algum tipo de sinistro e também quando, por meio de vistoria, é constatado que a estrutura não apresenta o desempenho esperado.
"É diferente, por exemplo, de uma correção de segregações (bicheiras) ou desagregações (ninhos de pedra)", afirma o engenheiro Alain Bertrand, integrante do CT 303 - Comitê Técnico de Concreto Reforçado com Fibras, que reúne representantes da Abece (Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural) e do Ibracon (Instituto Brasileiro do Concreto). Nesses casos, muitas vezes solucionados com grauteamento, não há qualquer alteração no dimensionamento estrutural, apenas o restabelecimento do elemento estrutural à condição inicialmente prevista.
Divulgação / Furacon
A averiguação de necessidade do reforço estrutural se dá por meio da existência de flechas, fissuras e outras manifestações patológicas, conforme resume Bertrand. "O reforço estrutural é feito quando constatamos alguma falta de capacidade da estrutura de resistir aos carregamentos que lhe são impostos", diz. A afirmação vale tanto para a estabilidade estrutural - Estados Limites Últimos -, para as condições de uso - Estados Limites de Serviço - ou para ambos. Nesse caso, pontua ele, diferentemente dos reparos, todo o dimensionamento estrutural é refeito e os elementos de reforço são dispostos de acordo com o dimensionamento na quantidade, posicionamento e detalhamento específico para cada caso, conforme as necessidades indicadas na avaliação. "Definitivamente, é um processo bem mais complexo. O reforço se faz quando essa avaliação indica que a estrutura não apresenta a segurança requerida", resume Bertrand.
Qualquer que seja a causa da patologia, a forma de restabelecer a capacidade de carregamento esperada é por meio do chamado reforço estrutural. Há diversas maneiras de realizar o reforço de uma estrutura: por aumento de seção, colagem de chapas, protensão, uso de perfis metálicos, dentre outros. De acordo com Bertrand, tradicionalmente esses reforços são feitos com chapa de aço colada externamenexternamente na estrutura, podendo ser realizado também o envelopamento da seção com complemento de armadura ou, como tem sido comum em obras de arte especiais, o acréscimo da seção na face superior, a chamada sobrelaje, reforçada com protensão externa, além de modificação das condições ou posições do apoio, dentre outras intervenções. "A adoção de uma ou mais soluções associadas depende muito da criatividade e da experiência do projetista, mas é importante que seu resultado seja o acréscimo de resistência da estrutura no patamar adequado, de forma confiável, com durabilidade compatível à vida útil da obra, exequível, em orçamento e prazos adequados", salienta Bertrand.
Características da fibra de carbono
Respeitadas as observações do representante do CT 303 acerca da metodologia de reforço estrutural a ser adotada, os reforços com fibras de carbono são mais uma opção de tecnologia à disposição do calculista na hora de definir a solução. Segundo ele, a fibra de carbono apresenta resistência à tração aproximadamente quatro vezes superior ao aço. "O reforço, na realidade, não se faz apenas com a fibra, mas com um compósito formado pelas fibras de carbono imersas em uma matriz polimérica, que pode ser pré-moldada ou moldada in loco", diz.
Utilizadas de forma isolada ou associadas a alguma outra técnica, as fibras de carbono podem ser aplicadas coladas junto aos elementos estruturais, na técnica conhecida como EBR (Externally Bonded Reinforcement), ou por meio da inserção de laminados, técnica conhecida como NSM (Near Surface Mounted), conforme explica Alberto Libânio, diretor-presidente na Furacon Sistemas de Cortes e Perfurações em Concreto. "As fibras são coladas na região tracionada de vigas e lajes submetidas à flexão, embora possam ser utilizadas para reforço de pilares por confinamento", diz Thomas Garcia Carmona, diretor da Carmona Soluções de Engenharia.
Em ambos os casos, a fibra de carbono, fornecida em rolos, é aplicada sem a necessidade de transpasses. Com isso, além de não impactar significativamente na arquitetura - já que não acarreta em acréscimo das seções dos elementos estruturais -, tem aplicação bastante simplificada. "A fibra de carbono apresenta elevada resistência à tração e módulo de elasticidade semelhante ao do aço. A sua principal vantagem é a relativa facilidade, velocidade e limpeza na instalação", explica Carmona.
Além disso, o uso de fibra de carbono para reforço estrutural de elementos de concreto não aumenta o peso próprio da estrutura e dispensa o uso de escoramentos. Assim, lembra Bertrand, "as condições de execução muitas vezes também são decisivas para a utilização da solução". Entretando, ressalta Carmona, "o seu uso é restrito aos casos nos quais a armadura existente é capaz de resistir às solicitações em ocorrências de incêndio e às seções cujo dimensionamento é comandado pelo escoamento da armadura, conhecido como domínios 2 e 3".
Custo sistêmico
Analisado isoladamente e apartado do contexto da patologia, o custo da fibra de carbono pode parecer elevado. Afinal, conforme explica Libânio, "os fios das fibras de carbono são produzidos com tecnologia de ponta e comercializados para diversos países que produzem as telas, mantas e laminados. Esses produtos são em grande parte importados", diz. Entretanto, ele afirma que, desde o fim da década de 80, a produção no mundo aumentou de maneira exponencial e, como consequência, houve uma redução maior de custos.
Mesmo no que diz respeito à aplicação, os custos costumam ser mais elevados, comenta Bertrand. "Há tecnologia e processos ligados às fibras, às resinas, à aplicação que são mais delicados do que a maioria dos processos na construção civil", explica. Entretanto, continua ele, a análise de custos de um reforço estrutural não pode ser feita de forma isolada. "É preciso analisar o custo da solução com esse sistema de maneira global e, nesse caso, o custo do reforço com esses elementos é muitas vezes bastante competitivo, senão mais barato", assegura. Resumidamente, é preciso entender a intervenção como uma solução sistêmica. "Deve-se analisar cada técnica dentro de um projeto de reforço, onde devem ser estudadas variáveis como o ambiente no qual o elemento estrutural será reforçado, prazo para a sua execução, mão de obra utilizada", explica Libânio.
Para Bertrand, entender o custo de cada solução depende de cada obra. "Em alguns casos a solução com fibras de carbono é bem mais econômica, em outros a solução seria economicamente inviável e, em outros, poderia não ser tecnicamente viável. É necessário realizar uma avaliação caso a caso", ressalta.
Para melhor entendimento, ele exemplifica uma situação de necessidade de reforço estrutural. No caso fictício em questão, teria havido uma falha no dimensionamento ou alteração de uso na laje de um edifício comercial com laje plana. O reforço com fibras de carbono se faria, portanto, por meio da remoção parcial do forro, tratamento superficial do concreto e colagem das lâminas na face inferior, com posterior recomposição do forro. Soluções mais tradicionais, em comparação, levariam a acréscimo de seção de concreto com necessidade de armadura complementar e consequente carga adicional tanto na estrutura quanto nas fundações, além da necessidade de utilizar concreto projetado. "Apenas considerando a questão da interdição da obra para execução do reforço, muitas vezes já indicaria a fibra de carbono como uma solução mais adequada", afirma. Afinal, é uma solução que não interfere na arquitetura e proporciona agilidade, fatores fundamentais na tomada de decisão.
Vantagens da fibra de carbono para reforço estrutural
Reduzido peso específico
Fácil transporte e manuseio
Elevados valores de resistência à tração
Elevado módulo de elasticidade
Com pequenas quantidades de reforço, aumenta a capacidade de carga dos elementos estruturais
Não produz acréscimo de carga às fundações
Pouco impacto arquitetônico, devido à reduzida espessura
Em reforço de viadutos, a não interdição do tráfego e a rapidez da aplicação
Fonte: Alberto Libânio, diretor-presidente da Furacon Sistemas de Cortes e Perfurações em Concreto
Em outro exemplo fictício, Bertrand sugere a necessidade de reforço estrutural de pontes. A quantidade de reforço necessária é muito maior, com consumo muito elevado de material para contemplar o reforço necessário. "Como a estrutura é aparente e o impacto de uma sobrelaje ou de um cabo de protensão externo é muito menor, essas alternativas normalmente se mostram mais adequadas", considera. Ainda assim, lembra ele, "o que se faz algumas vezes é a complementação do reforço com algum elemento em fibras de carbono".
A viabilização de uso de um material com custo à primeira vista mais elevado se dá, portanto, a partir da avaliação de uma série de fatores. "Essa opção se justifica quando podemos desfrutar de todas as suas qualidades", resume Bertrand. E dentre as vantagens apresentadas pela fibra de carbono para reforço estrutural estão maior resistência por quantidade de material, manutenção do partido arquitetônico, manutenção do uso durante a execução da obra, execução em prazo compatível com o necessário. "Por vezes, faz-se necessário avaliar a fragilização da estrutura durante o processo de reforço ou a urgência para a manutenção da segurança", lembra o representante do CT 303. "É preciso observar o custo de uma obra dessas com todos os impactos pertinentes e, aí sim, avaliar o custo do sistema utilizado para o reforço", conclui Bertrand.
Considerando todos esses argumentos para justificar a opção ou não pela fibra de carbono, Carmona alerta sobre a prescrição de reforços em situações nas quais a técnica não é recomendável, implicando até mesmo risco aos usuários. De acordo com ele, é imprescindível, se for necessário reforço estrutural, consultar empresas e profissionais especializados. A aplicação indevida de reforços com fibra de carbono tem sido feita, diz ele, em situações que nem sequer exigiriam reforço. "É um modismo de aplicadores e projetistas inescrupulosos que gera custos desnecessários aos proprietários ou construtoras", revela Carmona. "Da mesma forma que se faz auditoria do projeto estrutural de obras novas, é extremamente recomendável que seja feita auditoria dos projetos de reforço", afirma.
Formas de aplicação de fibras poliméricas para reforço estrutural
Tecidos com fibras de carbono que são impregnados pela resina na obra no momento em que são colados à estrutura
As lâminas (réguas) pré-moldadas que são impregnadas de fibra no seu processo de fabricação tornam-se elementos rígidos e então são coladas à estrutura com resina epóxi
As lâminas (réguas) protendidas, que basicamente são réguas pré-moldadas, são pré-tracionadas com o uso de um dispositivo especial e então coladas à estrutura
Durante a construção, pode-se utilizar fibras misturadas ao concreto na fase de dosagem, e a utilização de barras como armaduras não metálicas em substituição ao aço
Divulgação Furacon
Fonte: Alain Bertrand, integrante do CT 303 - Comitê Técnico de Concreto Reforçado com Fibras, que reúne representantes da Abece (Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural) e do Ibracon (Instituto Brasileiro do Concreto)
Obras emblemáticas
Viaduto de Santa Teresa, em Belo Horizonte: primeira obra reforçada com essa tecnologia no Brasil, em 1998
Edifício dos Correios no Rio de Janeiro: recebeu um reforço com fibras protendidas quando implantaram vidros à prova de balas
Estádio do Maracanã: para a Copa de 2014 recebeu reforços com fibras de carbono, solução utilizada em razão do prazo. Trata-se de uma das maiores aplicações de mantas, laminados e telas de fibras de carbono em todo o mundo, com pelo menos 14 mil m² comercializados em telas para reforço em pilares e nas arquibancadas. Além disso, temos a aplicação de laminados para as vigas "PI" que suportavam as arquibancadas, bem como mantas com módulos de elasticidade entre 240 e 640 GPa, esta última para reforço ao cisalhamento
Divulgação
Fontes: Alberto Libânio e Alain Bertrand
Normalização internacional
Uma vez que, conforme conta Carmona, não existem normas nacionais que tratem do reforço de estruturas de concreto com o uso de fibra de carbono, os projetistas brasileiros recorrem a normalizações internacionais para pautar seus projetos. Os textos que servem de referência no Brasil são o Bulletin 14 e o CEB/FIB, da Europa, e o ACI440, dos Estados Unidos.
Atualmente, no entanto, o CT 303 está dividido em quatro grupos de trabalho que, como conta Bertrand, visam apresentar textos-base para as normas junto à ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). "O GT2, que trata do reforço de estruturas existentes de concreto, paralisou seus trabalhos no ano passado com a triste perda do engenheiro Fernando Relvas que o coordenava", diz, ao explicar que, no momento, o grupo está retomando suas atividades para dar continuidade ao trabalho. "Há ainda um longo caminho a ser percorrido e seria muito importante que os colegas interessados entrassem em contato com a Abece para colaborar e participar das discussões, e então chegarmos a um texto-base o mais abrangente possível", convida Bertrand.
Ensaios de desempenho
Carmona explica que a fibra é testada fundamentalmente quanto à sua resistência à tração e ao módulo de elasticidade. No caso dos adesivos, uma série de propriedades é avaliada, tais como tempo de manuseio e cura, resistência à tração, cisalhamento etc. Bertrand afirma ser importante caracterizar o material quanto à resistência à tração, mas principalmente quanto ao módulo de elasticidade, que é determinante no dimensionamento estrutural. "Infelizmente, no Brasil são raros os ensaios de controle das propriedades da fibra e das resinas. Trabalhamos com certificados de procedência e os ensaios de controle do fabricante", diz Carmona. Libânio lamenta que poucos laboratórios no Brasil realizem ensaios dos materiais em fibras, sendo preciso, muitas vezes, confiar apenas nos resultados dos fabricantes. "Porém, podem-se ensaiar corpos de prova de laminados utilizando a Norma ISO-527 para obtenção da resistência à tração, deformação específica e módulo de elasticidade", recomenda. "Aplicado, o reforço com fibras apresenta como ponto crítico a aderência à estrutura", diz Bertrand. Logo, o que se costuma fazer em obra é o ensaio de arrancamento, garantindo a qualidade do substrato. "Por isso, é sempre desejável que a ruptura seja no substrato de concreto, indicando perfeita aderência do sistema", explica Carmona.
Conexão entre dois apartamentos
Ampliação de seção de concreto
Em edifício residencial foi necessário realizar uma abertura para a colocação de escada de acesso entre dois apartamentos. Devido a questões relativas ao cálculo, foi preciso ampliar também a seção de concreto e, portanto, foi realizado aumento de seção pela face superior e instalação de fibra de carbono na face inferior.
Escada de acesso
Abertura de seção em laje pede cuidado
Em um edifício residencial de alto padrão foi preciso realizar uma abertura para colocação de escada de acesso entre dois apartamentos. Os gráficos de momento indicam concentrações de esforços na região da abertura, criando a necessidade do reforço. O sistema estrutural era em laje plana de concreto armado. A aplicação foi feita com o apartamento em uso e contornando interferências com instalações hidráulicas e elétricas.
Aumento de pé-direito
Diminuição da altura das vigas exige tratamento especial
Para ganhar altura de pé-direito no primeiro pavimento, o projetista diminuiu a altura das seis vigas existentes - de 70 cm para 55 cm. Para compensar a perda de seção, aumentou a bitola do aço. Contudo, o resultado não foi o esperado e, com pouco tempo, ainda na fase de acabamento da obra, começaram a aparecer inúmeras fissuras nas vigas. Algumas eram bem visíveis e outras começavam a se pronunciar, com a possiblidade de ficarem maiores com o tempo. Com o aumento de carga no terceiro piso, as fissuras aumentaram e, numa vistoria mais rigorosa, foram encontradas dezenas de fissuras e microfissuras em todas as vigas. A incidência desse tipo de patologia se deu até mesmo na área junto aos pilares, onde o esforço de cisalhamento é muito maior e o reforço das ferragens deveria compensar o acréscimo de carga sem a aparição dessas fissuras. Como a ideia inicial era diminuir a altura das vigas para ganhar um pédireito maior, o proprietário decidiu, em conjunto com a consultoria, aplicar lâminas de aço carbono em quase toda a extensão das vigas. Isso permitiu eliminar as fissuras provocadas pela falta de reforço da ferragem. Mantas de aço carbono nas extremidades reforçam o cisalhamento junto ao pilar. Nesse momento, a Furacon entrou no processo, lixando a parte inferior das vigas para deixar os agregados aparentes, corrigindo com resina apropriada as bicheiras e as deformidades encontradas, para que o fundo da viga ficasse o mais plano possível. "Isso feito, preparamos a resina, pesando e conferindo cada item dessa receita, que foi processada em misturador mecânico acoplado à furadeira comum", lembra Alberto Libânio, diretor-presidente da Furacon. "Criamos um gabarito de madeira para a aplicação da resina na régua de aço carbono e, em seguida, com todo o cuidado, colamos a régua no fundo da viga", diz. Quando todas as réguas estavam presas, a Furacon aplicou a resina apropriada para a colagem da manta nas extremidades das vigas e iniciou a fixação. Libânio conta que, após a aplicação da manta sobre a resina e depois de alguns minutos de espera, outra demão de resina foi aplicada sobre a manta. Esse procedimento ocorre sucessivamente "até percebermos que a quantidade de resina já é suficiente para um ótimo resultado no trabalho", pontua. "Devemos observar que cada demão de resina deve ser passada em sentido atravessado em relação à demão anterior", comenta.
Identificação dos defeitos e das bicheiras
Aplicando a resina de colagem com a utilização do gabarito
Colagem da régua de aço carbono
Corte da manta do tamanho adequado
Aplicação da manta nas extremidades das vigas
Manta esperando a próxima demão de resina
DADOS TÉCNICOS
Prédio comercial de três andares com um mezanino entre o pavimento térreo e o 1º pavimento. Área total em torno de 1.200 m². Material utilizado para reforço: Laminetes CFK 150/2000 - resina epóxi 220 (régua); manta C-Sheet 240 (300g/m²) FSRC; resina epóxi 230 (massa de regularização) para o fundo das vigas; resina epóxi 55 para impregnação da manta

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