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Utilização de perfis pultrudidos de fibra de vidro (GFRP) na construção
1 - Introdução

Nos últimos anos os custos de manutenção e reparação das estruturas construídas com materiais tradicionais (sobretudo betão armado, aço e ferro) aumentaram consideravelmente. Só nos E.U.A. estima-se que 42% das cerca de 575.000 pontes da rede de estradas necessitem de reparação, sobretudo devido a problemas de corrosão dos tabuleiros [1].

Os problemas de durabilidade dos materiais tradicionais e as exigências de ritmos de construção crescentes têm tido um efeito impulsionador no desenvolvimento e na utilização de novos materiais estruturais, mais leves, com menores exigências de manutenção e menos sujeitos à degradação causada pelos agentes ambientais.

Até recentemente o campo de aplicação dos materiais plásticos reforçados com fibras (FRPs ou Fibre Reinforced Polymer) esteve limitado a estruturas com elevados requisitos de desempenho, como as das indústrias aeroespacial e naval. Nos últimos anos as exigências da indústria da construção acima referidas e o próprio desenvolvimento da indústria dos FRPs permitiram a expansão destes novos materiais ao sector da construção. No caso
particular dos perfis pultrudidos de fibra de vidro, ou perfis de GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer), o campo de aplicação tem sido muito diversificado. Inicialmente foram utilizados quase exclusivamente em elementos não estruturais ou em estruturas secundárias, como escadas isolantes, painéis de fachada e plataformas de trabalho de indústrias com requisitos específicos de durabilidade, como a indústria petroquímica ou a do saneamento
básico. No entanto, nos últimos anos começou a surgir um número crescente de aplicações em elementos estruturais de coberturas, edifícios e mesmo em pontes pedonais (Fig.1) e rodoviárias, construídos apenas por perfis de GFRP [2-3].
Fig.1 – Ponte de Lérida [3]


Neste artigo apresentam-se as principais características dos perfis de GFRP, descrevendo-se a sua constituição, o processo de fabrico, as formas estruturais e as principais propriedades mecânicas e físicas. São igualmente apresentados os principais resultados de um estudo realizado no IST [4], que incluiu uma campanha experimental, em que foi analisada a viabilidade da utilização dos perfis de GFRP na construção com funções estruturais.
2- Características gerais dos perfis de GFRP

Os FRPs, em que se integram os perfis de GFRP, são materiais compósitos constituídos por duas fases: as fibras de reforço, que são responsáveis pelo desempenho mecânico do material, garantindo a maior parte da resistência e da rigidez; e a matriz polimérica, que funciona como a “cola” do compósito, garantindo a transferência de cargas entre as fibras e entre o compósito e as cargas aplicadas, e que protege as fibras dos agentes de degradação ambientais. Em geral, a matriz polimérica resulta da mistura de uma resina com material de enchimento (filler) e aditivos, que permitem melhorar certas propriedades específicas, como por exemplo a resistência ao fogo.

Os perfis de GFRP são produzidos por pultrusão utilizando, na maior parte dos casos, fibras de vidro E, combinando filamentos contínuos longitudinais aglomerados em mechas (rovings) e mantas com fios em várias direcções (mats), embebidos numa matriz de poliéster, viniléster ou epóxi [5]. O processo de pultrusão engloba duas fases: numa primeira fase dá-se a impregnação das fibras de reforço e a aquisição da forma final num molde aquecido, enquanto a matriz se encontra no estado líquido. Numa segunda fase ocorre a solidificação da matriz no molde, obtendo-se um perfil com a forma e as dimensões desejadas.

Até há pouco tempo as formas estruturais foram copiadas da construção metálica, produzindo-se sobretudo secções de parede fina aberta (Fig. 2).
Fig.2 – Secções de parede fina aberta [6]
Mais recentemente têm sido desenvolvidas diferentes secções multi-celulares fechadas que, ligadas entre si por colagem, permitem formar sistemas estruturais para lajes, que têm sido utilizados sobretudo em tabuleiros de pontes (figura 3).
Fig.3 – Novos sistemas estruturais para lajes [7]
No quadro 1 apresentam-se intervalos de variação típicos para os valores das propriedades mecânicas e físicas dos perfis de GFRP produzidos pelos principais fabricantes. Os perfis de GFRP possuem um enorme potencial como materiais de construção, apresentando como principais vantagens as elevadas relações resistência/peso próprio e rigidez/peso próprio, o reduzido peso próprio, a durabilidade em ambientes agressivos, a resistência à fadiga, a transparência electromagnética e a possibilidade de produzir qualquer forma [7,8]. Os obstáculos à generalização da sua utilização prendem-se com o elevado custo de produção (ainda pouco competitivo na maior parte das situações), com a inexistência de regulamentação específica e com dificuldades de dimensionamento associadas à tecnologia das ligações, à deformabilidade e à susceptibilidade a fenómenos de instabilidade.
Quadro 1 – Valores típicos das propriedades mecânicas e físicas dos perfis de GFRP produzidos pelos principais fabricantes (adaptado de [1], [6] e [9]).
3- Descrição geral do trabalho experimental realizado

Para a realização da campanha experimental foram utilizados perfis em I (200x100x10 mm) produzidos pela firma TopGlass para caracterizar o material em diversas vertentes: ensaios em provetes para a determinação das propriedades mecânicas; ensaios de elementos estruturais (vigas e colunas); ensaios de diferentes tipos de ligações entre provetes de perfis de GFRP; e ensaios de envelhecimento acelerado, para investigar os efeitos dos principais agentes ambientais de degradação dos perfis de GFRP (água, temperatura, radiação UV). Noutra vertente desse estudo procurou-se ainda analisar
a viabilidade da ligação de perfis de GFRP ao betão, em elementos estruturais híbridos GFRPbetão. Foram realizados ensaios de conexão de corte tendo os resultados desses ensaios sido utilizados para dimensionar e testar à flexão uma viga híbrida GFRP-betão, constituída por um perfil de GFRP ligado a uma laje de betão com conectores metálicos.
4- Ensaios de caracterização do material

A caracterização de um material que é ortotrópico implica a determinação das suas constantes elásticas e resistência, quando submetido a diferentes solicitações e em diferentes direcções. Essa caracterização pode ser efectuada com base na teoria clássica dos compósitos laminados [10] ou, em alternativa, através de ensaios experimentais.

Adoptou-se esta última abordagem, tendo sido reallizados os seguintes ensaios experimentais: Determinação do teor em fibra de vidro (ISO 1172); Ensaio de flexão (ISO 14125); Ensaio de corte interlaminar (ASTM D 2344); Ensaio de tracção (ISO 527-1 e 4); Ensaio de compressão (ASTM D 695).

Apresentam-se no quadro 2 os valores médios obtidos para diferentes propriedades/solicitações: tensão de rotura (σu), módulo de elasticidade (E), extensão na rotura (εu), coeficiente de Poisson (νLT), resistência ao corte interlaminar (Fsbs) e teor em fibra de vidro (TFV).
Quadro 2 – Resultados obtidos nos ensaios de caracterização do material
Em todos os ensaios mecânicos o material apresentou um comportamento elásticolinear até à rotura, o que constitui uma das suas principais características. Por outro lado, são de referir as diferenças entre as propriedades obtidas nos ensaios de tracção e flexão, que não se verificam em materiais homogeneos e isotrópicos como o aço, e que se devem à estrutura interna tipo “sandwich”, com diferentes tipos de reforços, dispostos em várias camadas. No caso do ensaio de compressão são de assinalar os diferentes valores que se registam nas direcções longitudinal e transversal, associados à ortotropia do material. Finalmente, é de referir que a dispersão verificada nos resultados de cada um dos ensaios não é desprezável, sobretudo nas propriedades mais dependentes das características da matriz, em particular as resistências ao corte interlaminar e à compressão, em que se registaram coeficientes de variação de 11% e 18%, respectivamente. Tal facto aponta para a necessidade de melhorar o controlo de qualidade no fabrico.
5- Ensaios em elementos estruturais

O comportamento estrutural dos perfis de GFRP apresenta algumas diferenças relativamente aos materiais tradicionais. Assim, ao contrário do aço que plastifica e do betão que fendilha, os perfis de GFRP mantêm um comportamento elástico-linear para grandes deformações. Por outro lado, o dimensionamento de perfis de GFRP é muitas vezes condicionado pela deformabilidade, não só devido ao reduzido módulo de elasticidade longitudinal, mas também pela importante contribuição do corte, que deve ser sempre considerada na verificação aos estados limites de serviço. Normalmente, a resistência do material não é condicionante para o
dimensionamento aos estados limites últimos. Os modos de rotura devem-se a fenómenos de instabilidade, verificando-se em regra valores das tensões em serviço muito inferiores aos usuais em estruturas metálicas, apesar de em geral, os valores resistentes serem superiores.

O objectivo dos ensaios em elementos estruturais apresentados neste artigo foi a análise do comportamento em serviço de vigas de GFRP e dos seus modos de rotura mais comuns. Estes ensaios permitiram ainda estimar as constantes elásticas mais relevantes para o dimensionamento.

Foram ensaiadas 4 vigas com a secção transversal em I descrita acima (200x100x10 mm), simplesmente apoiadas, e submetidas a uma carga concentrada a meio vão. Apresenta-se no quadro 3 o vão e a esbelteza das vigas ensaiadas, calculada a partir da relação entre o vão e o raio de giração. A viga V1 foi contraventada lateralmente em quatro secções para prevenir a ocorrência de encurvadura lateral.
Quadro 3 – Vão e esbelteza das vigas ensaiadas
Para os ensaios das vigas foi utilizado um pórtico metálico, com a viga superior a receber a reação de um macaco hidráulico. O sistema de apoios foi materializado com rótulas cilíndricas com 5 cm de diâmetro assentes em chapas metálicas, estando uma delas fixa, podendo a outra deslizar na direção longitudinal. As vigas foram instrumentadas com um deflectómetro eléctrico na secção de meio vão e os ensaios foram realizados com controlo da carga, que foi aplicada monotonicamente até à rotura.
5.1 Ensaio da viga V1

A rotura ocorreu por instabilidade local do banzo superior para uma flecha a meio vão de 107,3 mm (Fig.4) e uma carga de 60,2 kN, a que corresponde uma tensão longitudinal máxima de 268,2 MPa.
Fig.4 – Deformação global na iminência da rotura
A rotura ocorreu com delaminação do banzo superior, tendo-se desenvolvido fissuras longitudinais ao longo da zona de junção entre o banzo e a alma, que provocaram a separação dos dois elementos na zona central da viga (Fig. 5).
Fig.5 – Delaminação e fissuras na zona de junção banzo-alma
Este ensaio mostrou a importância do fenómeno da encurvadura local em banzos comprimidos de vigas flectidas, que ocorreu para uma tensão longitudinal máxima inferior, em cerca de 2,3, vezes ao valor médio da tensão de rotura obtido no ensaio de flexão em provetes.

5.2 Ensaio da viga V2

Na viga V2 o colapso ocorreu por instabilidade lateral por flexão-torção, para uma carga última de 13,0 kN, a que corresponde uma tensão longitudinal máxima de 58,0 MPa. Este ensaio mostrou a importância do fenómeno do bambeamento em vigas esbeltas flectidas que, na ausência de contraventamento lateral, ocorre para valores das tensões muito inferiores à resistência última do material.

5.3 Ensaio das vigas V3 e V4

Nos ensaios das viga V3 e V4 a rotura ocorreu por esmagamento da alma, para valores da carga de 88,2 kN e 107,5 kN, respectivamente, a que correspondem valores da tensão de compressão transversal de 112,6 MPa e 137,1 MPa.

5.4 Determinação das constantes elásticas

Em todos os ensaios verificou-se um comportamento elástico-linear até à rotura, o que é característico dos perfis de GFRP. As constantes elásticas do perfil à “escala real”, foram estimadas através do método proposto por Bank [11], tendose obtido um módulo de elasticidade de 38,3 GPa e um módulo de distorção de 3,58 GPa. Finalmente, é de referir a importância do corte na deformabilidade total. Mesmo numa viga relativamente esbelta como a viga V1 a deformabilidade por corte representou 12,6% da flecha total. Nas vigas V3 e V4 essa parcela representou 41,1% e 59,1% da flecha total, respectivamente.
6- Ensaios em ligações

As ligações entre perfis de GFRP com maior utilização têm sido as aparafusadas copiando, na maior parte dos casos, as disposições construtivas da construção metálica, embora existam diferenças significativas entre o comportamento dos dois materiais. As ligações coladas, que à partida seriam melhor adaptadas às características específicas dos perfis de GFRP, são menos utilizadas devido às dificuldades associadas à sua análise e dimensionamento e às dúvidas que subsistem quanto ao seu comportamento a longo prazo ou em situação de incêndio.

Os ensaios em ligações tiveram como objectivo o estudo do comportamento dos três tipos de ligações mais utilizados entre perfis de GFRP: aparafusadas, coladas e aparafusadas e coladas. Para qualquer um dos tipos de ligações foi ensaiado um provete com a geometria representada na figura 6, correspondente a um esquema de ligação por sobreposição dupla com cobrejunta.
Fig.6 – Geometria das ligações ensaiadas: em corte (cima) e em planta (baixo) - dimensões em mm
Nas ligações aparafusadas foram utilizados parafusos em aço inox da classe A4 (τu= 480 MPa) com 8 mm de diâmetro colocados em furos com 8,5 mm de diâmetro. O aperto foi realizado manualmente e foram aplicadas anilhas metálicas com 24 mm de diâmetro. Nas ligações coladas foi utilizada uma cola estrutural bicomponente, à base de resina epóxi, da marca Bostik, modelo 7201 A+B.

Qualquer um dos provetes foi submetido a um esforço axial de tracção, aplicado monotonicamente até à rotura, apresentando-se na figura 7 os diagramas força-deslocamento obtidos.
Fig.7 – Diagramas força-deslocamento de cada um dos tipos de ligação
Na ligação aparafusada, que apresentou uma rigidez de 3,51 kN/mm na zona de comportamento linear, a rotura ocorreu para uma carga de 29,6 kN. Apesar de a geometria da ligação verificar as disposições sugeridas nos manuais dos fabricantes [5,6], que garantiriam uma rotura por esmagamento (relativamente dúctil), a rotura ocorreu de forma súbita, por corte local numa das peças ligadas, na zona do provete adjacente a um dos parafusos, na direcção da aplicação da carga. Na ligação colada, que apresentou uma rigidez de 9,63 kN/mm na zona de comportamento linear, a rotura deu-se por descolamento das peças, para uma carga de 37,7 kN, o que permitiu estimar uma tensão de aderência média de 5,23 MPa. Na ligação aparafusada e colada, que apresentou uma rigidez de 9,42 kN/mm na zona de comportamento linear, a primeira rotura correspondeu ao descolamento das peças de um dos lados da ligação, que ocorreu para uma carga de 56,5 kN. Houve então uma transferência da carga para o parafuso correspondente, e a rotura final ocorreu por corte local nesse lado da
ligação, para uma carga de 41,8 kN.

Estes ensaios demonstraram que a colagem é um método de ligação melhor adaptado aos perfis de GFPR, tendo conduzido a um aumento da resistência e, sobretudo, da rigidez. Quando a colagem foi complementada com aparafusamento, verificou-se um aumento da resistência, sem ter havido variação da rigidez.
7. Conclusões

Neste artigo apresentaram-se as principais características dos perfis de GFRP, ilustradas com os resultados de uma campanha experimental realizada no IST, em que se procurou analisar a viabilidade da utilização deste material na construção com fins estruturais. Atualmente, a utilização dos perfis de GFRP com fins estruturais resume-se a nichos do mercado da construção, em que os materiais tradicionais apresentam dificuldades associadas ao elevado peso próprio, à durabilidade ou à interferência electro-magnética. Se as diversas vantagens técnicas demonstradas pelos perfis de GFRP, que incluem o elevado desempenho mecânico, a elevada durabilidade, as maiores velocidades de construção permitidas e, em certos casos, os menores custos de ciclo de vida, forem acompanhadas por uma redução dos seus custos de produção e pela criação de regulamentos específicos, tudo aponta para que nos próximos anos se assista a um aumento da sua utilização no sector da construção com fins estruturais.
Referências

[1] Keller, Thomas (2003), “Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge Construction”, Structural Engineering Documents, No.7, IABSE, Zurich, 131 p.
[2] Keller, Thomas (2002), “Overview of FibreReinforced Polymers in Bridge Construction”, Structural Engineering International, IABSE, Vol 12, No 2, 66-70.
[3] Sobrino, Juan; Pulido, Mª Dolores (2002), “Towards Advanced Composite Materials Footbridges”, Structural Engineering International, IABSE, Vol 12, No 2, 84-87.
[4] Correia, J.R. (2004), “Perfis Pultrudidos de Fibra de Vidro (GFRP). Aplicação de Vigas Mistas GFRP-Betão na Construção”, Dissertação de Mestrado em Construção, Instituto Superior Técnico.
[5] Pecce, M. (2001), “Structural behaviour of FRP profiles”, Composites in Construction: A Reality (Proceedings of the ASCE International Workshop), Capri, 250-257.
[6] Fiberline Composites (1995), “Fiberline Design Manual”.
[7] Keller, T. (2002), “Fibre Reinforced Polymer Materials in Bridge Construction”, Towards a Better Built Environment – Innovation, Sustainability, Information Technology, IABSE Symposium, Melbourne, Australia (CD-Rom).
[8] Karbhari, V., Seible, F. (1999), “Fiber-Reinforced Polymer Composites for Civil Infrastructure in the USA”, Structural Engineering International, IABSE, Vol. 9, No. 4, 274-277.
[9] Creative Pultrusions, Inc. (1999), “The New and Improved Pultex Pultrusion Design Manual for Standard and Custom Fiber Reinforced Polymer Structural Profiles”.
[10] Jones, R.M. (1999), “Mechanics of Composite Materials”, Taylor & Francis, Philadelphia, 336p.
[11] Bank, L.C. (1989), “Flexural and Shear Moduli of Full-Section Fiber Reinforced Plastic (FRP) Pultruded Beams”, J. Test. Eval., ASTM, Vol. 17, No. 1, 40.45.
Autores:

João Ribeiro Correia - Assistente Instituto Superior Técnico - jcorreia@civil.ist.utl.pt
Fernando Branco - Professor Catedrático Instituto Superior Técnico - fbranco@civil.ist.utl.pt
João Ferreira - Professor Auxiliar Instituto Superior Técnico - joaof@civil.ist.utl.pt
Data de publicação: 02/10/2013