Reforço à flexão de lajes de betão armado com laminados de CFRP pré-esforçados

Abstract

O uso de materiais compósitos reforçados com fibras, fiber reinforcement polymer (FRP) da nomenclatura inglesa, na reabilitação ou reforço de estruturas existentes data a década de 80. Desde então, verificou-se a proliferação da aplicação de materiais compósitos, tais como os materiais compósitos reforçados com fibras de carbono, carbon fiber reinforcement polymer (CFRP), no reforço à flexão de estruturas de betão armado. Associados a estes materiais têm sido propostas técnicas de reforço, tais como, a técnica de colagem externa, Externally Bonded Reinforcement (EBR), e a técnica de inserção no betão de recobrimento, Near-Surface Mounted (NSM). É ainda possível combinar a vantagens associadas a sistemas de reforço passivo, através de laminados FRP com os benefícios da tecnologia de pré-esforço externo, resultando diversas vantagens, quer em serviço, quer em situações de colapso. Relativamente aos sistemas de reforço de pré-esforço externo, as ancoragens desempenham um papel fulcral no comportamento e no desempenho estruturais globais. Ultimamente, dois sistemas de ancoragem despoletaram particular interesse, nomeadamente as ancoragens metálicas, metallic anchorage (MA), e as ancoragens por gradiente, gradient anchorage (GA). Na presente dissertação, os sistemas MA e GA são avaliados e comparados com recurso a lajes de betão armado. De forma a avaliar o desempenho estrutural de ambos os sistemas de ancoragem, foi realizado um estudo, composto por uma parte experimental e uma parte numérica. Em relação à componente procedimento experimental, um conjunto de lajes de betão armado não-reforçadas e lajes de betão armado reforçadas com laminados CFRP (não e préesforçados) foram ensaiadas até a rotura em laboratório, através de ensaios monotónicos à flexão de quatro pontos de carga, sob controlo de deslocamento, permitindo a caracterização do seu comportamento estrutural até à rotura. Além disso, a influência da geometria do laminado CFRP e do comprimento da laje também foram avaliados. No que respeita à componente numérica, simulações das lajes foram realizadas por meio do software SECTION, que é um programa de análise a nível da secção transversal. Outro aspeto crucial na aplicação de laminados CFRP pré-esforçados é o comportamento da aderência entre o laminado e a superfície de betão, sendo influenciadas pelo processo de instalação e durante o seu tempo de vida em serviço. Assim, é importante monitorar a qualidade da aplicação do laminado CFRP. De modo a identificar e quantificar defeitos existentes entre a superfície do laminado e as superfícies de betão, foi utilizada a metodologia termografia, sendo a aplicabilidade e a precisão do método adotado validado através de ensaios adequados.

The use of fiber-reinforced polymers (FRP) in rehabilitation or strengthening of existing structures dates the early 80s. Ever since, it is verified the wide spreading of the application of composite materials, such as carbon fiber-reinforced polymers (CFRP), in the flexural strengthening of reinforced concrete structures. Associated with these reinforcement materials, it have been proposed tecniques such as, the Externally Bonded Reinforcement (EBR) or the Near-Surface Mounted (NSM) techniques. It is possible to combine the advantages of the passive FRP systems with the benefits of the external prestressing, resulting several advantages, whether in serviceability and failure regions. Concerning the external prestressing strengthening systems, the end anchorage plays a major role in the structural behavior and performance of the entire configuration. Lately, two types of anchorages have become particularly interesting, namely the metallic anchorage (MA) system and the gradient anchorage (GA) system. In the present thesis, the MA and the GA systems are evaluated and compared using slabs. In order to evaluate the structural performance of both end anchorage systems, a study, which is composed by a numerical and experimental parts, was conducted. Regarding the experimental procedure, a set of unstrengthen and strengthen (non prestressed and prestressed) CFRP slabs were loaded up to failure in laboratory, through four-point bending monotonic tests under displacement control, allowing the characterization of their structural behavior in failure region. Additionally, the influence of the cross-section geometry of the CFRP strips and the length of the slabs were also investigated. With respect to the numerical part, simulations of the slabs were carried out by using a computer software named SECTION, which is a cross-section program analysis. Another crucial aspect in the application of the prestressed CFRP strips is the bond behavior between the laminate and concrete surface, being influenced by the installation process and during its in-service lifetime. Hence, it is important to monitor the bond quality during the application of the CFRP strip. In order to identify and to quantify the existent defects between the laminate and the concrete surfaces, IR thermography methodology was applied, being the applicability and accuracy of the adopted method validated by suitable tests.