Desenvolvimento e caraterização de painéis sanduíche híbridos para a reabilitação de pisos de edifícios

Abstract

Nos últimos anos, com a crescente necessidade de elementos estruturais leves, de elevada rigidez e resistência na Engenharia da Construção, nomeadamente na área da reabilitação, tem havido um enorme interesse no estudo e desenvolvimento de soluções compósitas, nas quais se incluem os painéis sanduíche. A presente dissertação insere-se no projeto de investigação “EasyFloor”, que tem como objetivo o de contribuir para o desenvolvimento de painéis sanduíche inovadores que constituem o elemento central de uma nova técnica de reabilitação de pavimentos de piso de edifícios existentes ou em construção nova. Estes painéis serão constituídos por uma lâmina inferior em GFRP ou G/CFRP (glass/carbon fiber reinforced polymer), uma lâmina superior em matriz cimentícia reforçada com fibras de elevado desempenho e um núcleo em espuma de poliuretano (PUR). O trabalho incluí componentes experimentais e numéricas. De modo a proceder à conceção e otimização do painel sanduíche nas suas diversas vertentes, foi necessário conhecer completamente as propriedades de todos os materiais envolvidos. Desta forma, numa primeira fase procedeu-se à caraterização mecânica do PUR à compressão, tração e corte. No que respeita aos ensaios de compressão e tração, foram seguidas as recomendações normativas existentes. Relativamente aos ensaios de corte, tendo por base a bibliografia existente, foi desenvolvida e analisada uma configuração de ensaio alternativa. Na análise da configuração de ensaio proposta foi avaliada a influência da geometria do provete na resposta ao corte do PUR. Posteriormente, a geometria e a metodologia desenvolvidas foram empregues para caraterizar experimentalmente o comportamento ao corte do PUR. Por intermédio de ensaios de tração uniaxial e de flexão, foi ainda caraterizado o comportamento de provetes de GFRP e C/GFRP sob o efeito de tensões normais. Realizaram-se diversas simulações numéricas dos ensaios experimentais efetuados com o objetivo de complementar a análise de resultados e de calibrar modelos numéricos para os estudos paramétricos realizados. Em geral, os resultados experimentais obtidos estão de acordo com o reportado na bibliografia. Relativamente ensaios de corte do PUR constatou-se que existe um efeito de escala nos resultados obtidos, tendo-se observado que quanto maior é a relação comprimento/espessura (L/t) dos provetes, mais elevados são os valores da resistência ao corte. Complementarmente, observou-se que a rigidez inicial é pouco influenciada por este parâmetro (L/t), contrariamente ao que acontece com os modos de rotura observados experimentalmente, que consistentemente se mostraram dependentes desta relação. Quanto aos resultados obtidos a partir dos ensaios de tração e de flexão em lâminas de GFRP, as duas configurações de provetes de GFRP ensaiadas não apresentaram diferenças significativas em termos das respostas experimentais observadas. Por outro lado, os provetes híbridos C/GFRP ensaiados à flexão apresentaram, em geral, um modo de rotura prematuro condicionante da resposta experimental, observando-se a delaminação ao nível da camada de transição entre os dois materiais. Por último, as simulações numéricas conducentes ao dimensionamento do painel sanduíche mostraram que o uso de uma camada superior com melhores propriedades mecânicas aumenta significativamente a rigidez à flexão do painel.

In recent years, with the growing need for light structural elements, of high stiffness and resistance in Construction Engineering, particularly in the rehabilitation domain, there has been a great deal of interest in the study and development of composite solutions, including sandwich panels. The present dissertation is part of the research project "EasyFloor", which aims to contribute to the development of innovative sandwich panels that constitute the central element of a new technique for the rehabilitation of floors in existing buildings or new constructions. These panels will comprise a lower GFRP or G/CFRP (glass / carbon fiber reinforced polymer) flange, a top flange made of a cementitious matrix reinforced with high performance fibers, and a polyurethane foam core (PUR). The work includes experimental and numerical research components. In order to proceed with the design and optimization of the sandwich panel in its several aspects, it was necessary to characterize the properties of all the materials involved. In this way, in a first phase the mechanical characterization of the PUR in compression, tension and shear was carried out. For the compression and tension tests, the existing normative recommendations were followed. With regard to the shear tests, based on the existing literature an alternative testing configuration was developed and analysed. In the analysis of the proposed test configuration, the influence of the geometry of the specimen in the shear response of the PUR was evaluated. Subsequently, the developed geometry and methodology were used to experimentally characterize the shear behaviour of PUR. By means of uniaxial tensile and flexural tests, the behaviour of GFRP and C / GFRP specimens under the effect of normal stresses was also characterized. Numerical simulations of the experimental tests were performed with the objective of complementing the analysis of results and of calibrating numerical models for the parametric studies. In general, the experimental results obtained are in agreement with the ones reported in the literature. With regards to the PUR shear tests, it was found that there is a scale effect on the results obtained, since the higher the length / thickness ratio (L / t) of the test specimens, the higher the shear strength values obtained. Complementarily, it was observed that the initial stiffness of the experimental responses is almost not influenced by this parameter (L / t), in contrast to the experimentally observed rupture modes, which have consistently shown to be dependent on this ratio. As for the results obtained from the tensile and flexure tests on GFRP samples, the two configurations of GFRP specimens tested did not present significant differences in terms of the observed experimental responses. On the other hand, the flexural test on C/GFRP hybrid test specimens showed, in general, that a premature failure mode tends to occur, which consists on the delamination at the level of the transition layer between the two materials. Finally, the numerical simulations leading to the design of the sandwich panel showed that the use of an upper layer with better mechanical properties significantly increases the flexural rigidity of the panel.