Referço de Estrura de Concreto Utilizando Fibra de Carbono

1. RESUMO

O propósito deste trabalho é demonstrar de forma sucinta e objetiva a utilização de fibra de carbono em reforços de estruturas de concreto armado, especificamente no reforço a flexão de vigas de concreto comparando com o método convencional. O objetivo é mostrar as vantagens e limitações do uso de fibra de carbono em relação ao método convencional, ou seja, o método mais comumente usado que é a utilização de barras de aço e concreto. O trabalho objetiva também mostrar os três processos de fabricação das fibras através do alcatrão (PITCH), do poliacrilonitril (PAN) e da fibra de rayon; as vantagens da fibra de carbono como elemento resistente e suas desvantagens. Fará menção dos dois elementos que formam os sistemas estruturados, a saber: a matriz polimérica que é o elemento responsável pela união das fibras e as fibras que é o elemento estrutural do sistema; e como estes dois elementos trabalham juntos. O trabalho mostra as etapas de construção do reforço utilizando o sistema com fibras de carbono, bem como as etapas do reforço com a utilização de barras de aço. Neste trabalho também será proposto uma planilha de cálculo de reforço de estruturas de concreto armado utilizando fibra de carbono e barras de aço. E por fim, o presente trabalho demonstra, através de um estudo de caso, as vantagens e as restrições da utilização do CFC. Neste estudo de caso é simulada uma estrutura de concreto armado que será submetida a uma sobrecarga para qual não foi projetada. O estudo de caso abrangerá duas alternativas: a utilização de barras adicionais de aço CA50 e concreto de 30 MPa; e a utilização de fibra de carbono MBrace CF-130. O trabalho mostra como calcular a seção necessária de lâmina de fibra de carbono para o reforço da estrutura em questão, para tanto, apresenta na memória de cálculo as resoluções das fórmulas para chegar ao resultado final. Depois mostra como chegar aos mesmos resultados utilizando a planilha eletrônica, bastando apenas entrar com os dados da estrutura. O trabalho tem também o objetivo de mostrar sucintamente as etapas construtivas de cada método, e por fim apresentar o resultado final da viabilidade técnica-econômica dos dois métodos.

Palavras – chaves: sistema compósito estruturado com fibra de carbono (CFC); reforço com barras de aço; viabilidade técnica-econômica.

2. INTRODUÇÃO

Com o crescente uso do sistema compósito estruturado com fibra de carbono (CFC) na indústria da construção civil no Brasil, e sabendo que muitos profissionais e alunos da engenharia civil desconhecem o seu uso, fomos cativados por este tema. Fomos convencidos de desenvolver o nosso trabalho focando a utilização da fibra de carbono em reforços de estruturas de concreto.

A fibra de carbono é um material muito utilizado na indústria automotiva, aeroespacial e na indústria naval, porém seu uso na construção civil é mais recente. Seu uso é mais difundido nos países da Europa, no Japão e nos Estados Unidos. No Brasil ainda é incipiente o seu uso, contudo podemos destacar algumas estruturas que foram reforçadas com fibra de carbono, entre elas o engenheiro Ari de Paula Machado (2002) destaca o Viaduto de Santa Teresa em Belo Horizonte que foi a primeira aplicação do compósito estruturado com fibra de carbono na America Latina em 1998, e o reforço e recuperação da estrutura do Grande Hotel de Araxá, em Araxá– MG. Machado (2002) ressalta que o uso de fibra de carbono em reforços de estruturas vem crescendo no Brasil e, segundo ele, em 2002 já havia mais de 150 obras somente no Brasil que tiveram suas estruturas reforçadas com o sistema CFC.

Figura 1 - Viaduto de Santa Teresa em Belo Horizonte (Revista Téchne, Edição 125 - Agosto/2007)

3. SISTEMA COMPÓSITO ESTRUTURADO COM FIBRA DE CARBONO (CFC)

Segundo Machado (2002), as fibras de carbono são produtos resultantes de um processo térmico, e para serem formadas é necessária uma temperatura acima de 1000°C. Ele destaca três processos na fabricação de fibra de carbono, a saber:

• Através do alcatrão (PITCH), produto derivado do petróleo;

• Através de fibras precursoras orgânicas, o poliacrilonitril (PAN);

• Através da fibra de rayon.

Essas fibras quando submetidas a temperatura acima de 1000° C são carbonizadas, porém suas estruturas moleculares permanecem, fato que não ocorre com a maioria das fibras sintéticas, estas quando submetidas a alta temperatura derretem. Este processo confere as fibras de carbono elevadíssima resistência.

Conforme destaca Machado (2002), as vantagens das fibras de carbono como elemento resistente são as seguintes:

• Extraordinária resistência mecânica;

• Elevada resistência a ataques químicos diversos;

• Não são afetadas pela corrosão por ser tratar de um produto inerte;

• Estabilidade térmica e reológica;

• Bom comportamento a fadiga e a atuação de cargas cíclicas;

• Peso específico da ordem de 1,8 gr/cm³, o que lhe confere extrema leveza a ponto de não considerar o seu peso próprio nos reforços.

Quanto às desvantagens, Fonseca (2007) destaca:

• Vulnerabilidade ao choques;

• Limitada resistência a abrasão;

• Podem causar corrosão quando em contato com o aço da estrutura (corrosão galvânica);

• Podem ser atacadas pelo oxigênio do ar quando submetidas a altas temperaturas.

Há dois elementos que formam os sistemas estruturados com fibra de carbono (CFC):

• A matriz polimérica que é o elemento responsável pela união das fibras de carbono e pela transferência dos esforços dos elementos estruturados para as fibras.

• E o elemento estrutural do sistema que é constituído pelas fibras. As fibras podem ser alinhadas unidirecionalmente ou bidirecionalmente. Estas fibras absorvem as tensões de tração provocadas pelas solicitações das cargas na estrutura reforçada com CFC.

Figura 2 – Representação