Materiais de Construção - Ibracon - C44

Livro: Materiais de Construo Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia

Luiz Carlos Pinto da Silva Filho - UFRGSMnica Regina Garcez - UFRGS

Compsitos de Engenharia de Matriz Polimrica

Captulo 43


1 - INTRODUO

Materiais Compsitos vm sendo cada vez mais utilizados na Engenharia Civil. O conhecimento sobre a forma de funcionamento desses materiais tende a se ampliar, com o desenvolvimento de teorias cada vez mais sofisticadas para sua formulao, que permitam otimizar suas propriedades a partir de uma adequada seleo e combinao de seus elementos constituintes

O incremento no nmero de pesquisas e aplicaes verificado nos ltimos anos confirma o levantamento de tendncias realizado em 2001 pela National Science Foundation, nos EUA, que indicou que o desenvolvimento de compsitos de alto desempenho seria uma das reas de maior interesse no incio do sculo XXI.


2.1Definio

Materiais Compsitos so formados pela combinao inteligente e deliberada de dois ou mais materiais, com caractersticas e propriedades diversas, que resulta em um novo material, multifsico, com propriedades superiores s dos seus constituintes.

As diferentes fases do compsito podem ser distinguidas macroscopicamente.

2 CONCEITOS BSICOS


2.2 Componentes

Principais funes da matriz:Envolver os elementos de reforo, protegendo-os de danos fsicos e da ao agressiva do ambiente circundante; unir os elementos de reforo, distribuindo entre eles os esforos.

Elementos de reforo:As propriedades das fibras ou partculas so fundamentais na determinao das propriedades mecnicas do compsito.

2 CONCEITOS BSICOS

CompsitoComponente de reforo (fibras, partculas)

Matriz (metlica, cermica, polimrica)


2.3 ClassificaoOs compsitos so normalmente classificados em funo do tipo de matriz e da natureza e forma de funcionamento do elemento de reforo.

2 CONCEITOS BSICOS

Figura 1 Caractersticas dos compsitos utilizadas na sua classificao.


2.4 FuncionamentoO comportamento e as propriedades dos materiais compsitos dependem da natureza, da forma, do arranjo estrutural e da interao entre seus componentes. Escolhendo-se adequadamente a matriz e o elemento de reforo, um pode-se obter um compsito com propriedades adequadas para aplicao em situaes especficas. Propriedades como mdulo de elasticidade e densidade do compsito podem ser determinadas pela regra das misturas, que, entretanto, no adequada para determinao da resistncia trao, devido s interaes entre oss componentes de reforo.

2 CONCEITOS BSICOS


O mdulo de elasticidade do compsito, utilizando a regra das misturas, se localiza, segundo Callister (2005), entre dois limites:

Limite superior:

Limite inferior:

Os limites so calculados considerando o mdulo de elasticidade (E) e o percentual em volume de cada fase, matriz (m) e reforo (r).Raciocnio idntido pode ser aplicado para a determinao da densidade do compsito.

2 CONCEITOS BSICOS

rrmmu

c VEVEE +=

)( mrrmrml

c EVEVEEE +=


3 - TIPOS E CARACTERSTICAS DOS COMPONENTES MATRICIAIS

Matrizes

Polimricas

Metlicas

Cermicas


3.1 Matrizes MetlicasAs mais utilizadas so formadas por metais leves e resistentes, como o alumnio, o magnsio e o titnio. O cobalto ou as ligas de cobalto-nquel, so usadas quando se espera a ao de temperaturas elevadas. A fabricao de compsitos de matriz metlica envolve duas etapas: a consolidao, ou sntese, e a conformao. A complexidade dessas operaes aumenta o custo de fabricao de matrizes metlicas, o que limita sua aplicao.Uma das principais vantagens dos compsitos de matriz metlica que estes podem, normalmente, ser trabalhados com as mesmas ferramentas e os mesmos processos empregados para os metais.



3.2 Matrizes CermicasA principal matriz cermica empregada na Engenharia Civil a matriz cimentcia, que se caracteriza pela boa resistncia compresso, reduzida resistncia trao, modesto mdulo de elasticidade e comportamento frgil.Alm da cimentcia, tambm so utilizadas matrizes cermicas confeccionadas com xido de alumnio (Al2 O3 , conhecido como alumina) e sulfato de clcio (gesso). As matrizes cermicas, em geral, apresentam boa resistncia ao calor, sendo aplicadas em situaes marcadas pela exposio a altas temperaturas.



3.3 Matrizes PolimricasAs matrizes polimricas podem ser agrupadas em duas categorias bsicas, de acordo com sua resposta mecnica a temperaturas elevadas: Matrizes Polimricas termofixas e termoplsticas.Os polmeros termofixos, assumem forma e rigidez permanentes aps a polimerizao, no amolecendo com subseqentes aquecimentos. Os polmeros termoplsticos, que possuem cadeias moleculares emaranhadas, mas no interconectadas, mantidas primariamente por ligaes qumicas fracas do tipo foras de Van der Waals, se deformam facilmente sob ao da temperatura.



Polmeros termofixos so muito aplicados em engenharia estrutural devido estabilidade trmica em temperaturas de servio, boa resistncia qumica e reduzida deformao lenta e relaxao, quando comparados com a maioria dos polmeros termoplsticos [ISIS, 2003].Resinas de base polister, ster vinlicas, epxi e fenlicas so exemplos de polmeros termofixos. O poliuretano, o metacrilato e a poliamida, tambm so polmeros termofixos, entretanto, dependendo da tcnica utilizada na sua fabricao, possam adquirir caractersticas que os tornem termoplsticos.As principais desvantagens dos polmeros termorrgidos incluem o modo de ruptura frgil, os longos ciclos de cura e a dificuldade de ps-processamento destes materiais.



Exemplos comuns de polmeros termoplsticos so o poli(ter- ter-cetona) ou PEEK, o poli(sulfeto de fenileno), ou PPS; a poli-imida, ou PI; e a poli(ter-imida), ou PEI. Uma das principais vantagens dos polmeros termoplsticos que, depois de fabricados, eles podem ser curvados, admitindo diferentes formatos, o que no acontece com os termorrgidos. A principal desvantagem dos polmeros termoplsticos que a sua elevada viscosidade, duas ordens de grandeza superior dos termofixos, dificulta sua aplicao e pode provocar o desalinhamento das fibras e a formao de bolhas na matriz. Segundo Meier (2001), os modernos processos de produo que utilizam matriz polimrica termoplstica, ao invs de termofixa, podem diminuir os custos e aumentar a competitividade de alguns compsitos.



4 - COMPSITOS REFORADOS COM PARTCULAS

Micropartculas (reforo por disperso de micropartculas) dimenses das partculas entre 10nm e 100nm; a matriz absorve praticamente toda a carga aplicada; as partculas impedem os deslocamentos da estrutura atmica ou

molecular, restringindo as deformaes plsticas, aumentando aresistncia trao e ao escoamento e a dureza.

Macropartculas (reforo com partculas grandes) interaes partculas-matriz consideradas a partir dos princpios da

mecnica do contnuo; se as partculas empregadas tm resistncia e rigidez maior que a

matriz, elas tendem a restringir os movimentos da matriz no seu entorno, recebendo uma parcela maior das tenses aplicadas;

partculas com resistncia menor que a matriz so utilizadas quandose deseja otimizar outras propriedades que no o comportamentomecnico.


5 COMPSITOS REFORADOS COM FIBRAS

A incorporao das fibras permite modificar as caractersticas das matrizes frgeis, gerando compsitos com melhor comportamento em relao ductilidade, tenacidade, resistncia trao e ao impacto.

Figura 2 Concreto reforado com fibras de ao

efeito de costura obtido com a insero de fibras de ao em uma matriz cimentcia

Figura 3 Fibra celulsica envolta em matriz polimrica



5.1Tipos de fibras

A escolha do tipo de fibra depende das caractersticas que se desejam fornecer ao compsito:

Naturais fibras vegetais, minerais (asbesto) ou silicosas (wollastonita)

Sintticas fibras de ao, vidro, carbono e fibras polimricas (polipropileno, nylon, polister, aramida, celulose, PVA, borracha, polietileno e acrlico).



5.2 Propriedades das fibrasResistncia trao - a reduzida seo transversal das fibras reduz a possibilidade de que haja muitos defeitos de composio, o que contribui para que as fibras tenham alta resistncia trao.

Mdulo de elasticidade - Fibras com baixo mdulo de elasticidade apresentam uma tenso muito baixa no momento em que a matriz rompe e transfere o esforo para a fibra; Fibras com elevado mdulo de elasticidade j apresentam um elevado nvel de tenso no momento da ruptura da matriz, o que lhe permite atuar como reforo imediatamente, caso sua resistncia no seja superada.



Fator de forma ou relao de aspecto - um dos principais parmetros de caracterizao de uma fibra. definido como a relao entre o comprimento da fibra e o dimetro de uma circunferncia virtual cuja rea seria equivalente seo transversal da fibra. Um aumento no fator de forma pode representar um aumento no comprimento da fibra ou um decrscimo no seu dimetro equivalente.



5.3 Comprimento da fibraOs mecanismos de transferncia de tenses num compsito so influenciados pelo comprimento crtico das fibras, que o menor comprimento necessrio para o desenvolvimento de tenses nas fibras, iguais sua resistncia. Quando o comprimento da fibra menor do que o crtico:a ancoragem no suficiente para gerar tenses de escoamento ou de ruptura nas fibras, ou seja, as fibras no estaro atuando de forma eficiente. Quando o comprimento da fibra maior que o crtico, pode ocorrer o travamento da fibra, o que impede seu arrancamento, ocasionando a elevao da tenso atuante, at que seja alcanada a tenso de ruptura da fibra.



Figura 5 Superfcie de ruptura de compsito com fibras rompidas e arrancadas.

Figura 4 Detalhe de fibra rompida trao.



5.4 Teor de fibra

As propriedades mecnicas dos compsitos reforados com fibras so diretamente dependentes do teor de fibras presente no material.

O aumento do teor de fibras resulta, na maioria dos casos, no aumento do mdulo e da tenso mxima, devido ao aumento da contribuio de resistncia mecnica da fibra nas propriedades mecnicas do material compsito.



Um PRF tipo laminado para reforo formado tipicamente por 30% de matriz e 70% de fibras. Nesse caso, a matriz no contribuir significantemente para o mdulo de elasticidade do compsito, uma vez que os valores da porcentagem em volume e do mdulo de elasticidade das fibras so muito mais elevados que os da matriz. O concreto, um composto hbrido, apresenta normalmente menos de 3% de fibras e cerca de 60% de material particulado (agregados). Mesmo este pequeno teor de fibras j faz com que a matriz cimentcia perca suas caractersticas de fragilidade.



5.5 Volume crticoO volume crtico de fibras, o volume mnimo de fibras que, aps a fissurao da matriz, suportar o carregamento que o compsito suportava antes da fissurao. Para que a incorporao das fibras proporcione uma majorao na resistncia ltima do compsito, necessrio que o teor de fibras empregado resulte num volume de fibras superior ao crtico. Neste caso, o carregamento antes suportado pela matriz transferido para as fibras aps o aparecimento da primeira fissura. Como o volume suficientemente grande para suportar esta carga, o compsito se mantm ntegro. Carregamentos adicionais geram um padro de fissurao mltipla, sem, contudo, levar ruptura do compsito.



5.6 OrientaoA orientao das fibras e o percentual de fibra existente em determinada seo transversal do compsito so determinantes nas resistncias flexo, compresso, trao e ao cisalhamento do compsito. Os compsitos formados por fibras longas apresentam mximo efeito de orientao, porque todas as fibras encontram-se alinhadas na mesma direo, enquanto os compsitos de fibras curtas apresentam orientao em diversas direes, podendo ter ou no uma orientao predominante, em funo dos processos de mistura e adensamento.



Figura 6 Compsito de matriz polimrica com fibras fortemente orientadas.

Figura 7 Compsito de matriz cimentcia com fibras distribudas de forma aleatria.


6 - OUTROS TIPOS DE COMPSITOS

Compsitos naturais - ossos, bambu e outras estruturas vegetais, em que partculas minerais ou fibras vegetais se encontram inseridas numa matriz orgnica.

Figura 8 Fibras de bambu


Sanduches possuem camadas externas resistentes e delgadas ligadas a ncleos de material leve, geometricamente disposto deforma a gerar altas resistncias deformao e ao corte (favos de mel).

6 - OUTROS TIPOS DE COMPSITOS

Compsitos estruturais, laminados ou sanduche - Laminados so fabricados por painis com diferentes camadas, empilhadas e firmemente aderidas, para propiciar um comportamento monoltico (madeiras aglomeradas e materiais estruturados usados em equipamentos esportivos como esquis utilizados na neve).

Figura 9 Compsito tipo sanduche[Callister, 2002].


7 APLICAO DE MATERIAIS COMPSITOS

Engenharia aeronutica

Aplicaes estruturais (concreto, elementos de protenso, materiais de reforo)

Indstria automobilstica

Biomedicinacabos

fabricados em PRFC

Figura 10 Ponte com cabo fabricado em PRFC


8 - EXEMPLOS DE MATERIAIS DE MATRIZ POLIMRICA COM ADIO DE PARTICULADOS E FIBRAS

8.1 Compsitos de matriz polister com reforo de fibras de vidro (fiberglass)

Foi o primeiro compsito de engenharia empregado em larga escala, formado por uma matriz polimrica, normalmente resina polister, reforada com fibra de vidro.

As fibras de vidro so normalmente produzidas a partir da slica (SiO2 ), com a adio de xidos de clcio (CaO), boro (B2 O3 ), sdio (Na2 O) e/ou alumnio (Al2 O3 ).

As fibras de vidro podem ser utilizadas para reforo de vrias matrizes termoplsticas e termofixas, com aplicao diversificada na indstria automobilstica, eletroeletrnica e na indstria nutica.



As resinas polister insaturadas so muito usadas como matriz para produo de compsitos de fiberglass, pois podem ser processadas no estado lquido e curadas temperatura ambiente, em moldes simples e baratos, o que viabiliza a produo em pequena escala de peas grandes e complexas.

O fiberglass ganhou inmeras aplicaes, em diversos produtos, tais como barcos, caixas de gua, piscinas, painis de fachada, automveis, entre outros, representando hoje cerca de 65% do volume total de compsitos fabricados.



8.2 Compsitos laminados de matriz melamnica com reforode fibras celulsicas (Frmica)

Dos compsitos de matriz polimrica, a frmica, laminado formado por papel tipo kraft envolto em resina melamnica, aplicada sob alta temperatura e presso, foi um dos que recebeu mais destaque na indstria mundial.As fibras vegetais estruturam e do resistncia ao compsito, enquanto a matriz melannica confere resistncia s altas temperaturas e uma superfcie impermevel e lisa, que pode ser facilmente limpa. A matriz melamnica uma das mais resistentes, o que fornece boa resistncia superficial ao compsito. Como todos os materiais base de fibras vegetais, o laminado se mostra sensvel umidade, podendo sofrer variaes dimensionais.



8.3 Compsitos de matriz melamina-formaldedo com fibrase particulados de madeira

Tipos: MDF (medium-density fiberboard) - fibras menores e mais curtas, sem orientao preferencial. Propores de 10% a 15% de resina e 90% a 85% de fibra de madeira; OSB (Oriented Strand Board) fibrasmais longas e deliberadamente orientadas.A orientao perpendicular das fibrasconfere ao compsito maior resistncia mecnica e rigidez.Aglomerados produzidos com partculas de madeira. Figura 11 Painel OSB mostrando a orientao

das tiras de madeira.



8.4 Tintas com adio de particulados

Nos ltimos anos, foram lanadas formulaes de tintas com elastmeros, com elevada capacidade de deformao, da ordem de 600%, que podem ser aplicadas sobre fissuras ativas e passivas, de forma a vedar a superfcie.

Tintas com incorporao de partculas metlicas tambm foram formuladas para permitir maior brilho e desenvolvimento de capacidade de reao presena de magnetos, o que permite a fixao direta de materiais sobre a pelcula de tinta.



8.5 Outras aplicaes Matria-prima para fabricao de sistemas de vedao: a incorporao de cargas a matrizes de PVC e asfalto permite a fabricao de mantas e perfilados estruturados, com capacidade de deformao, rigidez e resistncia trao compatveis com o uso em juntas de dilatao e impermeabilizao. Telas de material polmero para uso conjunto com argamassas de recuperao, aumentando a capacidade de trao da matriz, reduzindo as deformaes e controlando a fissurao. Insero de fibras de carbono, vidro ou aramida em matrizes epxi ou polister para utilizao como reforo estrutural.


9 - USO DE COMPSITOS DE MATRIZ POLIMRICA COM FIBRAS DE ALTO DESEMPENHO PARA

REFORO ESTRUTURAL

9.1 Fibras empregadas na formao de PRFAs fibras de alto desempenho mais utilizadas para reforar polmeros com fins de reforo estrutural so as de carbono, aramida e vidro, embora fibras de boro, polietileno, polister, poliamida e baslticas sejam tambm utilizadas.A maior parte dos PRF que esto sendo aplicados, atualmente, na construo civil, fabricada com fibras de carbono. A principal vantagem das fibras de carbono em relao s outras fibras resulta de suas propriedades mecnicas: elevada resistncia e rigidez e baixo peso prprio. Entretanto, fibras de vidro e aramida possuem um grande potencial de utilizao quando se requer um reforo de menor custo ou com algumas caractersticas especficas, como resistncia ao impacto e isolamento eltrico.



REFORO ESTRUTURAL

Quadro 1 Propriedades de fibras de carbono, aramida e vidro (Fonte: ACI 440.2R-02, 2002).



REFORO ESTRUTURAL

Quadro 2 Comparao entre fibras utilizadas na formao de PRF aplicados no reforo de estruturas de concreto armado (Garcez, 2007).



REFORO ESTRUTURAL

9.2 Tcnicas de fabricao

Os PRF termofixos podem ser fabricados por meio de diversas tcnicas. As mais empregadas na fabricao de materiais com fins estruturais so a pultruso, a moldagem por contato e enrolamento de filamento.

Outras tcnicas, como pull-winding, resin transfer moulding, vacuum bag moulding e injection moulding tambm podem ser utilizadas na produo de PRF.



REFORO ESTRUTURAL

Pultruso - a tcnica mais utilizada para a produo de elementos de protenso, grelhas e perfis estruturais pr- fabricados, em que as fibras se encontram alinhadas ao longo do eixo do elemento. Esta tcnica mais apropriada para elementos que no apresentam variao na seo transversal e possuem comprimentos elevados.

Figura 12 Desenho esquemtico de um processo de pultruso [Meier U., 2005].



REFORO ESTRUTURAL

Moldagem por contato (wet lay-up ou hand lay-up) - uma tcnica de produo de PRF na qual uma manta ou tecido de fibras impregnado, manualmente, com resinas termofixas. uma das tcnicas mais utilizadas para colagem de PRF em estruturas de concreto armado, madeira, ao e alumnio.

Figura 13 Aplicao de PRFC em pilares de concreto armado com emprego da tcnica de moldagem por contato [Monge, 2004].



REFORO ESTRUTURAL

Enrolamento de Filamento (filament winding) - um processo automatizado no qual fibras impregnadas com resina ou fitas de PRF so enroladas em um mandril de forma geometricamente precisa, com taxa de rotao e posio controladas por computador, para que as fibras possam ser posicionadas com alta preciso em diferentes orientaes.

Figura 14 Representao esquemtica do processo de manufatura por enrolamento

[Callister, 2002].



REFORO ESTRUTURAL

9.3 Formas de comercializaoOs fios, ou rovings, so empregados para formao de cabos, cordoalhas e barras, que podem ser aplicadas em estruturas de concreto externamente, como elementos de protenso, ou internamente, como armaduras. As mantas e os tecidos disponveis no mercado, para aplicao como reparo ou reforo de estruturas existentes, so fornecidos na forma de rolos e podem vir pr- impregnados com resina, para manter o alinhamento das fibras e facilitar o manuseio (sistemas prepreg), ou secos, sem resina (sistemas dry fabric). O fator diferenciador que as mantas so simples aglomerados de fibras, enquanto os tecidos so formados pela tecelagem de fios.



REFORO ESTRUTURAL

Os laminados, os tecidos e as mantas so usados externamente, em geral como elementos de reforo. A principal diferena entre eles que os laminados j formam um compsito, que vai ser conectado estrutura de concreto com auxlio de um adesivo compatvel com a matriz polimrica do compsito. As mantas e os tecidos, ao contrrio, so empregados quando se deseja formar o compsito in situ. Por serem rgidos, os laminados pr-fabricados, ou strips, so mais adequados para aplicao em superfcies planas. J as mantas e os tecidos so flexveis e podem ser aplicados como um papel de parede, facilitando a criao de compsitos adaptados a substratos curvos.



REFORO ESTRUTURAL

Cabos, cordoalhas e barras de PRF so, normalmente, fabricados para emprego como elementos de protenso. As barras de PRF empregadas, tipicamente, apresentam dimetros da ordem de 8 mm a 10 mm. As cordoalhas de PRF tm sete elementos, sendo formadas pela disposio de seis barras ao redor de uma barra central. O agrupamento de cordoalhas ou barras forma os cabos, usados na protenso ou estaiamento de pontes.



REFORO ESTRUTURALQuadro 3 Caractersticas bsicas das fibras utilizadas na formao de

compsitos do tipo PRF disponveis no mercado [Garcez, 2007].



REFORO ESTRUTURAL

Quadro 4 Exemplos de elementos de protenso fabricados com PRF[Garcez, 2007].



REFORO ESTRUTURAL

9.4 CustosO alto custo relativo dos PRF, em relao a outros materiais convencionais de mesma finalidade, pode ser considerado como a principal limitao para a disseminao mais intensa de sua utilizao. interessante ressaltar-se que, quando os custos so considerados durante toda a vida til das estruturas, a durabilidade oferecida por esses materiais pode torn- los competitivos em um maior nmero de situaes. Bazin (2002) estima que, em termos comparativos, poder- se-ia considerar que a madeira tem um custo mdio de US$ 1,35 / kg, o concreto de cerca de US$ 2,70 / kg e o ao de US$ 4,05 / kg, enquanto os compsitos poderiam atingir US$ 6,80 / kg.



REFORO ESTRUTURAL

Segundo Garcez (2007), o custo das fibras de carbono do tipo tecido dry fabric no Brasil pode chegar a US$ 50,00/m2. As fibras de vidro, por outro lado, possuem um custo muito mais acessvel (cerca de US$ 10,00/m2) e poderiam, portanto, ser uma alternativa interessante para a produo de reforos de custo mais baixo, adequados a situaes onde requisitos relacionados rigidez sejam mais modestos. J as fibras de aramida, alm de possurem um custo intermedirio (em torno de US$ 24,00/m2), apresentam vantagens principalmente em termos de resistncia ao impacto, o que pode favorecer sua utilizao em determinadas situaes.



REFORO ESTRUTURAL

9.5 Comportamento estruturalUma fibra, quando incorporada em uma matriz qualquer, contribui para aumentar a capacidade de suportar esforos, pois parte da carga transferida pela matriz para a fibra por deformao de cisalhamento na interface matriz/fibra. A transferncia de carga se origina, em geral, de diferenas nas propriedades fsicas da fibra e da matriz e se intensifica aps a fissurao da matriz.Nos PRF, o uso de fibras de alto desempenho vai fazer com que o reforo absorva uma parcela significativa da carga acidental, embora no aumente muito a rigidez, devido reduzida espessura.



REFORO ESTRUTURAL

Os modos de ruptura clssicos podem ser assim detalhados: ruptura do concreto compresso quando a espessura do PRF e/ou a taxa de armadura so elevadas, o esmagamento do concreto ocorre antes do escoamento do ao e a ruptura trao do PRF; escoamento do ao seguido por ruptura compresso do concreto quando o PRF apresenta uma espessura considervel e a taxa de armadura pequena, ocorre o escoamento do ao e, em seguida, a ruptura do concreto por esmagamento; escoamento do ao seguido por ruptura trao do PRF quando a taxa de armadura e a espessura do PRF no so elevadas, pode ocorrer o escoamento do ao seguido por ruptura trao do PRF.



REFORO ESTRUTURAL

Alguns modos de ruptura prematuros esto associados perda de aderncia entre o concreto e o compsito. Rupturas prematuras tambm podem ocorrer em vigas de concreto com baixa resistncia trao ou com cobrimento de armadura reduzido. Nesse caso, so ocasionadas pela combinao de tenses tangenciais e normais no concreto no plano longitudinal das barras de armadura. A ruptura ocorre devido propagao de uma fissura horizontal que se inicia nas extremidades do reforo, causando a separao da camada de concreto.



REFORO ESTRUTURAL

Os deslocamentos diferenciais nas bordas de fissuras de flexo ou flexo-cisalhamento, que ocasionam o cisalhamento ou as concentraes de tenses no PRFC, tambm propiciam a ocorrncia de rupturas prematuras.

As rupturas prematuras ocorremsem aviso e sem que a capacidade de carga do sistema de reforo tenha sido completamente atingida;

Figura 15 Ruptura do PRF devido a movimentaes diferenciais nas bordas de

fissuras de flexo [Garcez, 2007].



REFORO ESTRUTURAL

Quando a estrutura reforada est submetida a carregamentos cclicos, a falha da estrutura passa a ser definida, preferencialmente, pela ruptura prematura, por fadiga, das barras de ao da armadura longitudinal de trao.

No se descarta, todavia, a possibilidade de que carregamentos cclicos sejampotencialmente capazes de gerar rupturas prematuras na resina ou no adesivo, trazendoefeitos negativos nas interfaces concreto-adesivo e adesivo-PRF. Figura 16 Resultado de inspeo em

viga de concreto armado aps ruptura em teste de fadiga[Garcez, 2007].



REFORO ESTRUTURAL

9.6 PropriedadesO comportamento trao de polmeros reforados com apenas um tipo de fibra caracterizado por uma relao tenso versus deformao elstico-linear at a ruptura, podendo ser alterado quando os PRF so fabricados com coquetis de fibras com caractersticas diferentes. A ao da maioria dos PRF mais efetiva quando estes so solicitados trao na direo das fibras, uma vez que a resistncia trao na direo perpendicular s fibras muito inferior resistncia trao na direo longitudinal.



REFORO ESTRUTURAL

A resposta de um PRF submetido trao quanto ruptura largamente dependente das deformaes ltimas da fibra e da matriz.

Quadro 5 Variao dos modos de ruptura trao de um PRF em funo da capacidade de deformao da matriz e do volume de fibras [Garcez, 2007].



REFORO ESTRUTURAL

A resistncia compresso ltima de um PRF , geralmente, controlada pela microflambagem, que ocorre em escala microscpica, devido a falhas transversais na matriz ou falhas de cisalhamento. O modo de falha depende do tipo de fibra, percentagem em volume de fibras, tipo de resina, impregnao das fibras pela matriz e aderncia entre fibra e matriz. Fibras com boa resistncia compresso resultam em PRF com boa resistncia compresso. As resistncias compresso axial de polmeros base de fibra carbono, vidro e aramida equivalem a 78%, 55% e 20% da resistncia trao desses materiais, respectivamente (ISIS, 2003).



REFORO ESTRUTURAL

O mdulo de elasticidade, na direo das fibras, de um PRF unidirecional pode ser expresso em termos dos mdulos de elasticidade dos seus componentes e de suas respectivas porcentagens em volume. J o mdulo de elasticidade na direo perpendicular s fibras , geralmente, muito baixo. A determinao do mdulo de elasticidade de laminados de PRF realizada de forma simples, por meio de ensaios de trao direta, com determinao da curva carga versus deformao, e da queima do compsito, para determinao das porcentagens de fibra e resina existentes no laminado. Nos compsitos fabricados manualmente, como o caso dos tecidos de PRF utilizados no reforo de estruturas, a determinao do mdulo de elasticidade se torna mais complicada.



REFORO ESTRUTURALDentre as fibras de alto desempenho mais empregadas nos sistemas PRF, as de carbono so as que possuem mdulo de elasticidade mais elevado, com valores comparveis ou at superiores aos do ao.PRF com baixos mdulos de elasticidade, muitas vezes, no apresentam a rigidez necessria para aplicaes estruturais, como o reforo estrutural de pontes, em que se torna necessrio um elevado incremento de carregamento com restrio de deformao. Elevados mdulos de elasticidade tambm so necessrios em estruturas reforadas, nas quais o PRF utilizado em substituio armadura interna. Entretanto, para aplicaes que exigem materiais com altos nveis de deformabilidade, prefervel a aplicao de PRF com baixos mdulos de elasticidade.



REFORO ESTRUTURAL

Em termos de ductilidade, o comportamento tenso versus deformao de um compsito tipo PRF diferente do comportamento do ao, que sofre escoamento quando submetido a tenses de trao que causem deformaes superiores a 2o/oo. Os PRF de carbono, aramida e vidro, quando submetidos a esforos de trao, apresentam um comportamento tenso versus deformao elstico-linear at prximo da tenso ltima, resultando em uma ruptura brusca, sem patamar de escoamento. Segundo Lees e Burgoyne (1999), a diferena no comportamento tenso versus deformao do ao e do PRF impede a aplicao do tradicional conceito de ductilidade em estruturas de concreto armado que recebem esse tipo de reforo.



REFORO ESTRUTURAL

Visando melhorar a ductilidade dos PRF, sistemas hbridos, ou PRFH, comearam a ser investigados. Estes sistemas so construdos com combinaes de fibras de carbono, aramida e vidro, posicionadas em uma, duas ou trs direes. Segundo Grace et al. (2005), PRFH fabricados com fibras de carbono e vidro possuem um comportamento similar ao do ao, quando submetidos a esforos de trao. Estes sistemas j esto sendo bastante utilizados no reforo de elementos estruturais submetidos a aes ssmicas, j que, combinando o baixo mdulo de elasticidade das fibras de vidro com o elevado mdulo de elasticidade das fibras de carbono, pode-se obter boa ductilidade e aumento na capacidade de carga aos elementos reforados.



REFORO ESTRUTURALA aplicao de reforos com PRFC favorece a resistncia fadiga dos elementos reforados, j que proporcionam uma reduo na fissurao e melhoram a distribuio das fissuras ao longo do elemento, antes da ruptura. PRFC exibem excelente resistncia fadiga. O desempenho mais modesto fadiga dos PRFV atribudo baixa rigidez das fibras de vidro, que resulta em menor transferncia de tenses e maior exposio da matriz a grandes tenses e deformaes. Embora as fibras de aramida possuam rigidez intermediria, entre as fibras de carbono e de vidro, o mesmo no pode ser dito em relao ao seu comportamento fadiga, j que essas fibras so sensveis a danos causados por um processo chamado desfibrilao, que eventualmente pode levar rupturas por fadiga (ISIS, 2003).



REFORO ESTRUTURAL

Os tipos de fibra e matriz empregados na fabricao do PRF, assim como suas porcentagens em volume, aliados a fatores como temperatura e presena de umidade influenciam de forma significativa o comportamento quanto fluncia, podendo ocasionar um fenmeno chamado ruptura por fluncia ou deformao lenta, fadiga esttica ou, ainda, corroso sob tenso. Estudos indicam que as fibras de carbono no so susceptveis fadiga esttica, enquanto as fibras de aramida apresentam um comportamento intermedirio entre as fibras de vidro e carbono (FIB, 2001).



REFORO ESTRUTURAL

O consrcio ISIS (2003) recomenda que, para evitar problemas de ruptura por fadiga esttica, o nvel de tenso permanente considerada no dimensionamento seja de, no mximo, 20% para PRFV, 30% para PRFA e 50% para PRFC, em relao s suas resistncias ltimas.

Mesmo que as fibras que formam os PRF apresentem baixa fluncia, as matrizes dos PRF, por serem materiais visco- elsticos, fazem com que o PRF sofra deformao lenta quando submetido a carregamentos constantes. Entretanto, se as tenses constantes aplicadas aos PRF forem limitadas, a fluncia no ser significante na maioria dos PRF utilizados na Engenharia Civil.


CONTATO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULESCOLA DE ENGENHARIA

LABORATRIO DE ENSAIOS E MODELOS ESTRUTURAIS

Prof. PhD. Luiz Carlos Pinto da Silva [email protected]

Dra. Mnica Regina [email protected]

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Materiais de Construção - Ibracon - C44

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