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220 IBRACON Structures and Materials Journal • 2013 • vol. 6 • nº 2
Numerical analysis of reinforced concrete beams strengthened with high strength cement-based
composite material
1. Introdução
O uso dos materiais compósitos à base de fibras sintéticas de
alta resistência tornou-se uma técnica de reforço/recuperação de
estruturas de concreto armado muito difundida nos últimos anos.
Tudo isso devido às suas excelentes propriedades, tais como bai-
xo peso, elevada resistência mecânica, elevada resistência à cor-
rosão, etc. Geralmente, os polímeros reforçados com fibras (PRF)
estão presentes na forma de lâminas ou laminados colados nas
superfícies das estruturas de concreto armado através de adesi-
vos à base de epóxi, melhorando seu desempenho estrutural tanto
em condições de serviço quanto sob cargas últimas.
Embora o uso dos adesivos à base de epóxi possa apresentar
excelente comportamento em termos de aderência ao concreto
e resistência mecânica, alguns problemas podem ser relaciona-
dos ao seu uso. As resinas epóxi possuem baixa permeabilidade,
baixa compatibilidade térmica em relação ao concreto, baixa re-
sistência ao fogo e susceptibilidade à radiação ultravioleta. Para
evitar alguns desses problemas, um sistema compósito à base
de tecidos ou malhas de fibras sintéticas coladas na superfície
de concreto com argamassa de cimento pode ser usado (Ombres
[1]). Diferentes soluções para este sistema podem ser citadas, tais
como: concreto reforçado com material têxtil (TRC), argamassa
reforçada com material têxtil (TRM), concreto reforçado com fibras
(FRC) e tecido de fibras sintéticas em matriz cimentícia (FRCM).
Di Tommaso et al. [2] e Aiello et al. [3] analisaram o comportamen-
to de vigas de concreto armado reforçados com FRCM composto
por tecidos de fibras de carbono em matriz cimentícia. Os resulta-
dos da investigação mostraram a eficiência do sistema compósito
tanto em termos de resistência, rigidez quanto em ductilidade. O
sistema FRCM foi, recentemente, melhorado através do uso de
malhas de fibras de Polypara-phenylene-benzo-bisthiazole (PBO).
As propriedades mecânicas das fibras PBO são, de fato, bastante
superiores às propriedades mecânicas dos tipos mais resisten-
tes de fibras de carbono (Ombres [1]). Adicionalmente, elas têm
grande tolerância ao impacto, capacidade de absorção de energia
superior aos outros tipos de fibras, resistência ao fogo e compati-
bilidade química com argamassas de cimento (Wu et al. [4]).
O uso dos tecidos de fibras PBO (ver Figura 1) na confecção do siste-
ma FRCM ainda está em investigação. Ensaios de vigas de concreto
armado, reforçadas com tecidos de PBO, colados ao concreto com
argamassa de cimento (PBO-FRCM), foram realizados recentemente.
Análises experimentais com CFRP (polímeros reforçados com fibras
de carbono), colados com adesivo epóxi e PBO-FRCM no reforço de
vigas de concreto armado, foram feitas por Di Tommaso et al. [5]. Os
resultados obtidos foram: (i) a falha à flexão das vigas reforçadas com
PBO-FRCM foi mais dúctil em relação às vigas reforçadas com CFRP,
devido à perda gradual da ação do compósito, relacionada ao gran-
de deslizamento fibras/matriz cimentícia. (ii) nas vigas reforçadas com
PBO-FRCMos mecanismos de falha, relacionados à perda da ação do
reforço (descolamento), são governados pela interface concreto/matriz
cimentícia, enquanto que para as vigas reforçadas com CFRP, a falha
por descolamento é governada pelo cisalhamento da camada de co-
brimento de concreto, e (iii) PBO-FRCM provou ser eficaz se utilizado
como reforço ao cisalhamento de vigas de concreto armado.
O objetivo deste trabalho é fazer uma análise numérica de vigas
de concreto armado usando este novo tipo de material (PBO-FR-
CM) no reforço à flexão. O modelo numérico é baseado no método
dos elementos finitos, sendo capaz de acompanhar a resposta es-
trutural desde o início do carregamento até a carga de ruptura. O
modelo numérico também é capaz de prever modos de falha, se-
jam eles dúcteis, por alongamento excessivo da armadura de tra-
ção ou por rompimento do reforço, ou frágeis, por esmagamento
do concreto ou por descolamento do reforço. Os resultados numé-
ricos são comparados aos resultados experimentais apresentados
em Ombres [1], que comprovam tanto a eficácia do material de
reforço quanto às potencialidades do modelo numérico.
2. Caracterização das vigas ensaiadas
Os testes consistiram em ensaios de flexão de vigas simplesmen-
te apoiadas, com duas cargas concentradas a 90cm dos apoios de
extremidade. As vigas possuem 270cm entre apoios, com seção
transversal retangular de 15x25cm (Figura 2). Duas séries de vigas
denominadas S1 e S2 foram testadas. Na série S1 a armadura tracio-
nada, As, consiste de três barras de 12mm (3ø12mm), enquanto que
Figura 1 – Tecido em malha de PBO
Figura 2 – Esquema das vigas ensaiadas
por Ombres [1]