Avaliação da degradação de Sistemas de reforço de pilares com CFRP sob ação da umidade
Resumo
Polímeros Reforçados com Fibras (PRF ou Fiber Reinforced Polymers, em língua
inglesa) se apresentam como uma opção atrativa para o reforço de estruturas na
construção civil devido às características como baixo peso próprio, facilidade e
versatilidade de aplicação, elevada resistência à tração, à corrosão e à fadiga. Dentre
as principais técnicas de aplicação de reforço com FRP ressalta-se a técnica EBR
(Externally Bonded Reinforcement, em língua inglesa), que consiste na aplicação de
reforço por meio de colagem externa, o que causa sua exposição a agentes
agressivos e a consequente perda de durabilidade quando não protegido. Neste
âmbito, este projeto baseia-se em uma análise experimental e teórica visando avaliar
o comportamento e a degradação de pilares curtos de concreto armado, reforçados
externamente com mantas de fibra de carbono quando expostos à umidade, ao longo
do tempo. Para tal, pilares com e sem armadura, não reforçados e reforçados, com
mantas de fibra de carbono, aplicadas segundo a técnica EBR, por meio de
confinamento contínuo e discreto, com uma e duas camadas de reforço, foram
submetidos à ensaios de compressão axial. Também foi realizada a análise
experimental do comportamento dos materiais constituintes do sistema de reforço por
meio de ensaios de tração uniaxial de corpos de prova de resina epoxídica e de
compósito de CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer, em língua inglesa), os quais
foram expostos a ciclos de umidade e a umidade constante. Os resultados obtidos
indicam que as resinas epoxídicas apresentaram redução de até 76% e 61% nos
valores de tensão máxima e módulo de elasticidade, respectivamente, quando
expostas aos ambientes de degradação estudados nesta pesquisa. Quanto ao
compósito, não se observou degradação independentemente do ambiente analisado.
Constatou-se aumento de capacidade de carga de até 40% nos elementos reforçados
com o aumento do número de camadas de material de reforço. Para além disso, o
reforço aplicado de forma contínua apresentou melhor desempenho comparado ao
elemento reforçado por confinamento discreto, independentemente da variação do
número de camadas. Entretanto, redução de até 10% na tensão média máxima foi
observada após exposição a umidade. Quanto ao modelo analítico, observou-se que
o proposto pela ACI 440.2R (2017) demonstrou bons resultados para previsão de
tensões últimas para os modelos com confinamento contínuo, entretanto, o mesmo não
pode ser observado para os de confinamento discreto, pois a ACI 440.2R (2017) não
considera, em seu modelo de cálculo, o envolvimento parcial. Quanto as deformações
axiais, verificou-se que o modelo não representa satisfatoriamente o observado nos
ensaios experimentais. Para os pilares não confinados, tanto a norma NBR 6118 (ABNT,
2014) quanto a ACI 318 (2019) apresentam tensão de ruptura de projeto de 10 a 20%
inferiores as obtidas experimentalmente quando aplicados os coeficientes de redução. O
estudo corrobora o entendimento acerca da fragilidade do elemento de concreto
reforçado com CFRP frente a exposição à umidade, especialmente para elementos com
confinamento discreto. Fiber-Reinforced Polymers (FRP) are widely used in civil engineering structure
strengthening due to their characteristics such as low weight, use ease and versatility, and
high tensile, corrosion and fatigue strengths. Among the main strengthening methods
using FRP, Externally Bonded Reinforcement (EBR) stands out, which consists of
applying strengthening by means of external bonding, what exposes it to aggressive
agents and consequently loss of durability if not protected. In this regard, this project was
based on experimental and theoretical analyses to assess the behavior and degradation
of short reinforced concrete columns, externally strengthened with CFRP sheets, after
exposed to moisture over time. To this end, axial compression tests were performed on
reinforced and unreinforced columns, strengthened or not with carbon fiber sheets (EBR
technique). The columns were tested in continuous and discrete confinement and with
one or two strengthening layers. It also tested the behavior of EBR constituents
experimentally by uniaxial tensile testing of epoxy resin specimens and CFRP composites
(carbon fiber reinforced polymer), which were exposed to moisture cycles and constant
humidity. The results indicated that, when exposed to the degradation environments,
epoxy resins had reductions of up to 76% and 61% in maximum tension and elastic
modulus, respectively. As for the composite, no degradation was observed regardless of
the environment. Strengthened elements showed a load capacity increase of up to 40%
as the number of reinforcement layers increased. Besides, strengthening applied
continuously showed better performance compared to the element reinforced by discrete
confinement, regardless of the number of layers. After exposure to humidity, maximum
mean strength decreased by up to 10%. The analytical model proposed by
ACI 440.2R (2017) had good results to predict last tensions for continuous confinement;
however, the same was not observed for discrete confinement, as the ACI 440.2R (2017)
model does not consider discrete confinement. Regarding axial strains, the model did not
represent satisfactorily the experimental results. For non-confined columns, both the
NBR 6118 (ABNT, 2014) and ACI 318 (2019) standards show tensile strength 10 to 20%
lower than those obtained experimentally, when reduction coefficients were used. The
study corroborates the understanding about the fragility of a CFRP strengthened concrete
when exposed to moisture, mainly for discrete confinement.