Estruturas

Reforços de Estruturas com Compósitos de Fibras de Carbono FRP

Os Plásticos Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP) têm sido bastante utilizados para melhorar o funcionamento dos pilares de pontes e viadutos e para o aumento da capacidade de resistência à flexão e ao esforço transverso de vigas e lajes.

O reforço pode ser definido como o melhoramento de estruturas já existentes ou em projecto. A reabilitação pode ser entendida como a recuperação estrutural.

São várias as causas que conduzem ao reforço e/ou reabilitação:
- Aumento de tráfego, no caso de pontes;
- Degradação dos materiais, com o tempo;
- Alteração da arquitectura que obriga à reestruturação inicial;
- Corrosão das armaduras;
- Fragmentação do betão;
- Erros no projecto de estabilidade ou durante a fase de execução;
- Agentes químicos e físicos agressivos;
- Acções acidentais sobre as estruturas, nomeadamente, explosões e incêndios
- Sismos.

Os custos directos e indirectos ligados ao tipo de reforço e/ou reabilitação, a constante busca de novas tecnologias, mais simples, resistentes e duráveis, e o grande volume de trabalhos conduziram a importantes desenvolvimentos das técnicas e materiais utilizados.

O sucesso da técnica de reforço com Fibras de Carbono (CFRP) depende do comportamento da resina (cola) e da ligação do compósito com o elemento de betão, de modo a não reduzir o ganho em resistência e ductilidade do sistema estrutural, por efeitos de excessivo escorregamento entre o reforço e o betão.

Assim, o reforço com compósitos de fibras de carbono tem, actualmente, sido objecto de diversas investigações, com o intuito de aprofundar o conhecimento dos mecanismos que estão envolvidos no melhoramento do comportamento resistente dos elementos de betão reforçados.

A maior exigência de garantia de eficiência e qualidade impõe, com crescente acuidade, o desenvolvimento de soluções numéricas que, com fiabilidade, modelem o comportamento das estruturas reforçadas, permitindo, deste modo, uma avaliação mais rigorosa do respectivo grau de segurança.
Neste contexto, justifica-se, plenamente, o desenvolvimento de modelos computacionais que tenham em consideração as especificidades e a complexidade do respectivo comportamento, através, designadamente, da adopção de relações constitutivas não-lineares.

O Método dos Elementos Finitos constitui, à semelhança do que ocorre nos mais variados domínios das Ciências de Engenharia, uma das técnicas numéricas mais adequadas para servir de suporte ao desenvolvimento de modelos de análise não-linear, para o betão.
Na verdade, ao oferecer a possibilidade de modelar, de uma forma que se insere dentro de padrões reais, alguns dos aspectos fundamentais do comportamento do betão estrutural, os modelos de análise não ­linear, desenvolvidos com base no método dos elementos finitos, constituem uma solução adequada para a análise de estruturas de betão armado, reforçadas por colagem de outros materiais.

Uma das áreas de aplicação dos sistemas de reforço, onde a consideração de modelos de análise não ­linear tem uma reconhecida importância, é representada pelas estruturas laminares planas. Com efeito, em situações problemáticas em que o desempenho dos elementos reforçados possa por em risco a segurança global da estrutura, as limitações, apresentadas pelos métodos tradicionais de análise, tornam especialmente vantajosa a utilização de modelos não-lineares, no estudo e dimensionamento deste tipo de estruturas.

 Estudo Dinâmico de Estruturas de Engenharia Civil

A evolução na construção de estruturascada vez mais complexas e de elevado risco (centrais nucleares,barragens, grandes pontes e reservatórios, etc.), e a maior necessidade de economia e segurança, tomam importante o desenvolvimento de programas de cálculo automático que permitam uma modelação eficiente da geometria, do comportamento e da resposta dessas estruturas. Neste contexto, os modelos de análise dinâmica de estruturas tendo em consideração o comportamento não-­linear, são necessariamente imprescindíveis.

Efectivamente, a análise dinâmica toma-se essencial para estruturas sujeitas a acções dependentes do tempo, sendo de considerável importância prática o estudo em regime transitório, quando as acções são de curta duração (impactos e explosões), de tipo harmónico (acções cíclicas), ou de carácter determinístico (ventos e sismos traduzidos por acelerogramas), pois que nestes problemas a parcela transitória da resposta da estrutura é importante em relação á parcela estacionária da mesma, sendo bastante provável que naquelas circunstâncias, as estruturas apresentem a resposta mais próxima do colapso, permitindo assim predizer o comportamento nas condições mais desfavoráveis.

Quanto à análise não-­linear, toma-se necessária por motivos de economia e de segurança, dado que a análise supondo comportamento linear origina normalmente grandes reservas de resistência, além de não modelar satisfatoriamente o comportamento do material e da estrutura, no decurso da sua deformação ao longo do tempo, pois como é evidente, dado o carácter excepcional de muitas das acções dinâmicas, torna-se normalmente inevitável que na resposta da estrutura surjam deformações no domínio plástico.

A grande divulgação e desenvolvimento nos últimos anos do método dos elementos finitos, a sua versatilidade na modelação de geometrias complexas e a simplicidade de implementação em programas de cálculo automático permitindo explorar as grandes vantagens dos computadores (memória e rapidez), explicam a sua grande utilização em análise estrutural, tendo em muitos casos de problemas de análise dinâmica ou não-­linear, permitido a obtenção de maior precisão que outros métodos aproximados, o que explica a sua escolha para o tipo de análise em questão.

O facto de cada tipo de estrutura ter características de geometria e de comportamento diversos, implica a utilização de vários tipos de elementos finitos e de diferentes relações constitutivas do comportamento material.

O problema da análise dinâmica de estruturas, normalmente resume-se á intenção do conhecimento dos valores de deslocamentos e tensões, ao longo do tempo, em pontos de interesse da estrutura, com vista ao seu dimensionamento, de modo a resistir á acção dinâmica em causa.

A solução do problema é possível através da resolução da equação que traduz, em cada instante, o equilíbrio das diversas forças desenvolvidas no movimento do ponto da estrutura em questão, quando sujeita a carregamento dinâmico. As soluções analíticas exactas dessa equação diferencial de segunda ordem, são apenas possíveis para problemas com geometrias regulares, condições de fronteira e de carregamento simples e com comportamento linear, de modo que há necessidade de utilizar técnicas numéricas para a maioria dos problemas.

Os procedimentos a utilizar para a obtenção da solução numérica da equação de equilíbrio, podem ser divididos em dois grupos:
- O método da sobreposição modal, em que a resposta dinâmica é obtida a partir da sobreposição das respostas separadas de cada modo de vibração da estrutura.
- O método de integração directa, onde é utilizado um procedimento numérico incremental para as soluções no tempo. É necessário admitir em cada incremento, as variações de aceleração, velocidade e deslocamento, originando-se assim vários métodos de integração, com diferentes características de convergência, estabilidade e eficiência.

Esses métodos podem ser considerados como explícitos ou implícitos, tendo surgido também vários métodos mistos.

Quanto à consideração do problema do comportamento não-linear de estruturas, deve-se a dois factores. Primeiro, porque os materiais normalmente utilizados em estruturas, apenas para valores baixos de tensões apresentam comportamento linear pelo que, dadas as características dos carregamentos dinâmicos, neste tipo de problemas é normal a ocorrência de deformações no domínio plástico, e consequentemente há necessidade de estabelecer teorias de comportamento fisicamente não-linear. São normalmente considerados na análise dinâmica de estruturas dois tipos de comportamento, um elasto­plástico no qual a deformação depende do estado de tensão atingido, outro elasto­viscoplástico, o qual é dependente da velocidade de deformação. Para o estabelecimento destas teorias de comportamento é necessária a definição de três conceitos: o critério de cedência, a regra ou lei de escoamento e a regra de endurecimento.
O segundo factor, para a consideração de comportamento não-linear, refere-se à possibilidade de poderem ser atingidos grandes valores de deslocamentos, o que pode implicar instabilidade, e daí ser importante o estabelecimento de critérios de análise geometricamente não-linear.