Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras ...

191 Pages·2014·8.99 MB·Portuguese

Comportamento ao fogo de vigas de betão armado
reforçadas à flexão com laminados de fibras de
carbono (CFRP)

João Dinis Pereira da Silva

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil

Orientador
Prof. João Pedro Ramôa Ribeiro Correia

Júri
Presidente: Prof. Albano Luís Rebelo da Silva das Neves e Sousa

Vogal: Prof. João Pedro Ramôa Ribeiro Correia
Vogal: Prof. Fernando António Baptista Branco
Dezembro 2013

Resumo

Resumo
Os polímeros reforçados com fibras (FRP) têm tido um número crescente de aplicações na
construção civil, tornando-se necessário conhecer bem as características destes materiais. Se
por um lado o comportamento dos materiais FRP por si só é um assunto bastante estudado, o
seu funcionamento e comportamento em situação de incêndio está pouco estudado.
No presente trabalho apresentam-se os resultados de ensaios com vista a caracterizar o
comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de
polímero reforçado com fibras de carbono (CFRP). Os principais objectivos deste estudo
experimental foram: (i) estudar a influência da técnica de reforço (técnica EBR - Externally
bonded Reinforcement e NSM - Near surface mounted) no comportamento ao fogo das vigas,
(ii) estudar a influência do tipo de adesivo de colagem (epóxido ou cimentício) no
comportamento ao fogo das vigas reforçadas pela técnica NSM e (iii) estudar a geometria do
sistema de protecção ao fogo (placas de silicato de cálcio) mais adequada ao sistema de
reforço com laminados de CFRP.
Foi inicialmente realizado um estudo bibliográfico sobre os materiais compósitos, com
particular destaque para os CFRP, sobre as suas propriedades, características e
comportamento às temperaturas elevadas. Para este efeito, analizaram-se estudos científicos
sobre materiais compósitos realizados por autores nacionais e internacionais. Realizaram-se
ensaios de resistência ao fogo num forno de dimensões intermédias com o objectivo de
estudar o comportamento de vigas de betão armado reforçadas com laminados de CFRP
carregadas e em situação de incêndio simulado pela curva tempo-temperatura definida na
norma ISO 834. Como tal, ensaiou-se uma viga de betão armado sem reforço para servir de
referência e um conjunto de 16 vigas, send\o que 8 destas foram reforças pela técnica EBR e as
restantes 8 pela técnica NSM. Dentro do conjunto de 16 vigas reforçadas com laminados de
CFRP, aplicaram-se diversas geometrias de protecção e, nas reforçadas pela técnica NSM, dois
tipos de adesivo de colagem. Com a realização destes ensaios foi possível avaliar a resposta
térmica e mecânica das vigas reforçadas quando sujeitas a um incêndio, a influência da técnica
de reforço e do adesivo de colagem utilizado nessa resposta e ainda o efeito das geometrias do
sistema de protecção, tendo por base os requisitos legais constantes no regulamento de
segurança conta incêndios em edifícios em vigor em Portugal.
A campanha experimental permitiu concluir que a protecção nas zonas de ancoragem das
vigas é vital para o aumento da sua resistência ao fogo. No entanto, para as vigas NSM, a
protecção na zona central da viga toma uma importância ainda maior. Verificou-se que a
técnica NSM apresenta tempos de resistência ao incêndio superiores à técnica EBR e que a
aplicação de adesivo epóxido permite melhor resposta térmica e, em geral, melhor resposta
mecânica em comparação com o adesivo cimentício. Por fim, concluiu-se também que, na
técnica EBR, a rotura do sistema de reforço ocorre sempre para valores de temperatura nas
zonas de ancoragem muito próximas da temperatura de transição vítrea da resina. Por outro
lado, nas vigas NSM, aquando da rotura do sistema de reforço, atingem-se temperaturas no
adesivo de colagem substancialmente superiores às da temperatura de transição vítrea da
resina.

Palavras-Chave
Betão-armado, CFRP, EBR, NSM, adesivo epóxido, adesivo cimentício, sistemas de protecção
ao fogo, incêndio, temperatura de transição vítrea, rotura do sistema de reforço.
i
Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras de
carbono (CFRP)

ii
Abstract

Abstract
With the latest increasing use of fiber reinforced polymer (FRP) materials in construction, it
becomes necessary to understand their characteristics and behavior when used separately or
in combination with the other construction materials. In one hand, in many aspects the
behavior of FRPs is well known and has been studied in the last decades; in the other hand its
behavior when subjected to fire situation is unknown.
This dissertation presents the results obtained in an experimental study aimed at
characterizing the performance of reinforced concrete beams flexurally strengthened with
CFRP (carbon fiber reinforced polymers) laminates when subjected to fire. The main goals of
this study were: (i) to study the influence of the strengthening technique used (EBR- Externally
bonded reinforcement vs. NSM- Near surface mounted), (ii) to study the influence of the type
of adhesive used in the NSM strengthening technique (epoxy vs. cement base) and (iii) to find
the most adequate system and protection geometry given the regulation requirements.
Initially, a bibliographical study was made about composite materials, particularly CFRP, and
their properties, characteristics and performance to high temperatures. Several international
and national articles, studies and thesis were revised to increase the knowledge and
understanding about this subject. Subsequently, fire resistance tests were conducted in an
intermediate size oven with the purpose to study the behavior of reinforced concrete beams
flexurally strengthened with CFRP laminates. These tests were performed on loaded beams
subjected to the ISO 834 time-temperature curve. The experimental work consisted of testing
one reinforced concrete beam (standard or reference), eight reinforced concrete beams
flexurally strengthened with EBR technique and eight reinforced concrete beams flexurally
strengthened with the NSM technique. All the beams were protected with various geometries
of calcium silicate plates, and in the NSM flexurally strengthened beams two types of adhesive
(epoxy and cement base) were used.
With the tests performed it was possible to analyze and assess the mechanical and thermal
responses in a fire situation of each beam individually and the mechanical and/or thermal
responses provided by the different adhesives and strengthening techniques used. This
experimental study also allowed determining the geometry of the fire protection system to
utilize given the requirements of the regulations in Portugal.
Finally, the present dissertation allowed concluding that the protection in the anchorage zone
of the laminate (its extremities), is vital given the objective of increasing the fire resistance
time. In the NSM beams, the importance of protecting de central area of the beam is higher
than that of protecting the extremities. Results also allow concluding that the NSM technique
grants higher fire resistance times in comparison to the EBR technique and that the epoxy
adhesive provides better thermal and, generally, mechanical response in relation to the
cement base adhesive. In the EBR technique the temperatures attained in the resins at the
moment of rupture were very similar to the glass transition temperature of the resin used. In
opposition, in the NSM technique, the temperature attained in the resins at the moment of
rupture was much higher than the glass transition temperature of the resin used.

Key-words
Reinforced concrete, CFRP, NSM, EBR, epoxy adhesive, cement base adhesive, fire protection
systems, fire, glass transition temperature, strengthening system rupture.
iii
Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras de
carbono (CFRP)
iv
Dedico este trabalho ao meu avô. Este é por si. Beijinho.
Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras de
carbono (CFRP)

vi
Agradecimentos

Agradecimentos
Com a escrita destas últimas palavras chega ao fim uma das épocas mais marcantes da minha
vida. O meu trajecto no Instituto Superior Técnico e a realização do presente trabalho só foi
possível devido a um grupo de pessoas que, de uma maneira ou de outra, deram o seu
contributo e incentivo ao longo destes últimos anos de curso e último ano de realização da
dissertação.
Ao professor João Ramôa Correia, orientador, agradeço profundamente pela disponibilidade e
amizade, pelo apoio científico, por acreditar no meu valor como estudante ao me atribuir o
tema da dissertação e acreditar na qualidade do meu trabalho no decorrer da mesma,
proporcionando uma orientação exemplar.
Ao João Pedro Firmo, colega de curso e de investigação, agradeço a companhia nas manhãs e
tardes passadas no laboratório, a disponibilidade e partilha de conhecimentos, a amizade
criada e o papel de co-orientador assumido.
Ao Instituto Superior Técnico agradeço os anos de alegria, de desafios pessoais e estudantis,
de formação de amizades e de ensinamentos dos mais diversos professores com quem tive o
prazer de conviver
Ao pessoal técnico do LERM e do LC, nomeadamente, ao Fernando Alves e Fernando Costa,
agradeço toda a dedicação e apoio prestado. Ao Fernando Alves, em especial, agradeço não só
por todo o apoio prestado, mas também pela amizade com que me acompanhou ao longo do
trabalho experimental.
Aos meus colegas de curso e amigos, agradeço toda a amizade e companheirismo nos
momentos bons e menos bons, em especial ao Augusto, Daniel e Filipe, companheiros de
estudo e trabalho na realização da dissertação.
Às minhas tias, Ana e Teresa, agradeço todo o apoio, compreensão, paciência, amor, que nos
momentos mais importantes da minha vida, altos e baixos, estiveram presentes e me
souberam indicar e aconselhar o caminho certo.
Ao meu pai agradeço toda a amizade, apoio e crença depositada em mim sem a qual este
trabalho não seria possível.
À minha irmã agradeço os momentos de brincadeira e diversão proporcionados em momentos
de maior cansaço e desgaste.
À minha avó dirijo um profundo agradecimento por todos os anos passados na minha
companhia, pelo amor incondicional, pela amizade e por preencher na perfeição o papel de
mãe.
Aos meus tios e aos meus primos, agradeço os momentos de convívio e aprendizagem, apoio e
amizade demonstrada ao longo da minha vida e percurso académico.
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Comportamento ao fogo de vigas de betão armado reforçadas à flexão com laminados de fibras de
carbono (CFRP)

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