Analysis of Structural Reinforcement with Carbon Fiber
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10205173
Beatriz Lemos Remedi1
Daniel Luca Santos Jesus2
Leonardo Ozias Mascarenhas3
Pedro Giovanni Pereira da Costa4
Ernesto Silva Fortes5
Resumo: De acordo com NBR 6118, o aspecto mais importante que ela traz em consideração é a resistência mecânica do concreto com sua armadura e para este caso é estabelecido uma relação entre o ambiente que este concreto estará exposto e a qualidade necessária, porém em outros casos, apresenta-se a situação de pré-dimensionamento em que não é suportado a carga solicitada do edifício, levando em consideração o fato de que em alguns casos existem modificações de carga de uso mediante a idade média desta construção. Como também, há situações em que há a necessidade de reforço em estruturas onde o ambiente não suporta o dimensionado projetado somente em concreto armado, assim seria possível diminuir sua área de sessão transversal já prevendo certo tipo de reforço e é justamente nesta perspectiva que reside o objetivo deste presente trabalho que é a respeito do reforço estrutural de concreto armado através do uso da manta de fibra de carbono, a fim de comparar sua eficácia em relação à amostra que não foi reforçada. Para esta ocasião, o método de pesquisa utilizado foi a comparação na prática utilizando-se dos ensaios de tração na flexão em corpos de prova, cujos estes, foram feitos de concreto armado, com o traço baseado em Oliveira, D. J. N; Fernandes, E. N. Traços de concreto para obras. Fernandópolis (2022), sendo o traço 1kg de cimento CPII, 1,54 kg de areia, 2,27 kg de brita 1 e 450 ml de água, a fim de se adquirir um concreto de resistência a compressão de 25MPa. Sendo assim, posteriormente, estes corpos de prova fora reforçado com manta de fibra de carbono para verificar-se, através do ensaio de tração na flexão, se o corpo seria mais resistente com a manta do que sem a manta, para a partir destes princípios, verificar-se a viabilidade do uso delas nas situações de reforço em estruturas. Através dos ensaios realizados, foi possível verificar que através do reforço estrutural utilizando-se manta de fibra de carbono, houve um ganho de tração em média de 217%, comprovando-se viável o uso deste método para reforços estruturais na construção civil.
Palavras-chave: Resistencia Mecânica, Reforço Estrutural, Concreto Armado, Fibra de Carbono.
Abstract: According to NBR 6118, the most important aspect that the layout considers is the mechanical resistance of the concrete with its reinforcement. And for this case, a relationship was established between the environment to which this concrete will be exposed and the necessary quality, however in other cases there is a situation of pre-dimensioning as it is not supported by the requested load of the building, taking into account consideration of the fact that in some cases changes in usage load occur through the means of this construction. As there are also situations in which there is a need for reinforcement in structures where the environment does not support the design designed exclusively in reinforced concrete, so it would be possible to reduce its transversal area, I envisage a certain type of reinforcement and it is precisely in this perspective that lies The objective of this work is to respect the structural reinforcement of reinforced concrete through the use of a carbon fiber blanket, in order to compare its effectiveness in relation to showing that it was not reinforced. For this occasion the research method used was the comparison in practice using two flexural tensile tests on specimens which are made of reinforced concrete, for example the trace for 1m³ being 1kg of CPII cement 154 kg of sand 2.27 1 kg of brite and 450 ml of water, to acquire a concrete with a compressive strength of 25Mpa. Thus, subsequently, these test specimens are reinforced with a carbon fiber blanket to verify, through the flexural traction test, that the body would be more resistant with a blanket than without a blanket, in order to, based on these principles, verify the viability of the use of blanket. structures in reinforcement situations. Through two tests carried out, it was possible to verify that through structural reinforcement using carbon fiber blanket there was an average traction rate of 217%, with this method being used for structural reinforcements in civil construction.
Keywords: Mechanical Strength, Structural Reinforcement, Reinforced Concrete, Carbon Fiber.
1. Introdução
O cenário atual na engenharia estrutural é marcado por uma busca incessante por soluções inovadoras que possam aprimorar a resistência e a ductibilidade dos elementos estruturais. Nesse contexto, a manta de fibra de carbono emerge como uma tecnologia promissora, oferecendo possibilidades significativas de reforço. Como bem destacou Albert Einstein, “a necessidade é a mãe da invenção”, e, diante dos desafios contemporâneos no campo da construção civil, a aplicação da manta de fibra de carbono representa uma resposta engenhosa para fortalecer estruturas existentes. No entanto, é crucial reconhecer que, mesmo com os avanços, enfrentamos desafios complexos. A deterioração de estruturas, decorrente de fatores como envelhecimento, eventos sísmicos e desastres naturais, ressalta a urgência de métodos eficazes de reabilitação. Nesse contexto, a manta de fibra de carbono tem se destacado como uma abordagem inovadora, oferecendo não apenas resistência aprimorada, mas também a capacidade de melhorar a ductibilidade dos elementos estruturais. No campo da pesquisa, diversos estudos têm explorado metodologias para a aplicação eficiente da manta de fibra de carbono, como no estudo conduzido por Souza (2023), no qual foi analisado o reforço com fibra de carbono no combate ao cisalhamento em vigas de concreto armado. Seguindo o mesmo conceito da utilização da manta de fibra de carbono, o estudo feito por Ballesteros (2023), demonstrou resultados baseados em reforços com a manta de fibra de carbono que foram feitos na parte positiva dos prismáticos e os corpos de prova cilíndricos envelopados com a manta. Baseando-se nestas duas citações, a decisão foi introduzir nesta pesquisa experimental, utilizando a metodologia de aplicação da manta de fibra de carbono em corpos de prova prismáticos. Diferenciando-se destas duas pesquisas experimentais citadas acima, foram envelopados em todo o seu perímetro com a manta de fibra de carbono.
1.1 Justificativa
A presente pesquisa se justifica com base no atual cenário da importância de realizar reforços estruturais que visa fortalecer e preservar a integridade de edifícios e outras construções.
Em resumo, reforçar uma estrutura de concreto estrutural é uma medida multifacetada, abordando desafios que vão desde a degradação natural ao avanço das normas de construção. É uma demonstração de responsabilidade na preservação do patrimônio construído e no fornecimento de ambientes seguros e eficientes para as gerações presentes e futuras. Nesse sentido, o investimento no reforço estrutural não apenas prolonga a vida útil das construções, mas também contribui para a sustentabilidade e resiliência das comunidades urbanas.
1.2 Objetivo Geral e Específico
O objetivo desta pesquisa é tratar de maneira específica e isolada o uso do material manta de fibra de carbono como principal solução para reforçar uma estrutura de concreto armado, trazendo resultados de ensaios realizados com foco em tração na flexão dela. Em especial, será apresentado a influência da maneira em que é aplicado a manta de fibra de carbono para reforço estrutural em um elemento composto de concreto armado e analisar a eficiência deste reforço em diferentes aspectos, além de utilizar referencias de estudos anteriores para validar esta pesquisa experimental.
2. Revisões Bibliográficas
O aprimoramento das propriedades estruturais em elementos de concreto tem sido uma constante busca na engenharia civil, impulsionada pela necessidade de estender a vida útil das estruturas existentes e otimizar o desempenho das novas construções. Nesse cenário, o reforço com mantas de fibra de carbono emerge como uma abordagem inovadora e eficaz, oferecendo soluções versáteis para melhorar a resistência à tração, flexão e compressão de diferentes elementos estruturais. No estudo feito por Gouvêa (2023), de reforço estrutural com fibra de carbono com foco na eficiência à flexão em concretos de diferentes resistências, foram utilizados 6 CP’s com concreto de 20 MPa e 6 CP’s com 35 MPa, todas com a dimensão de 10 x 20 x 110cm. Antes da realização do teste foi colocado em 3 corpos de prova prismáticos a manta na parte positiva, já nos corpos de prova cilíndricos, 3 foram totalmente envelopados. Após realizar o ensaio de flexão de 3 pontos foi notado um aumento na carga máxima de 21,8% entre os CP’s de 20MPa e 8,5% nos de 35MPa. Em relação ao ELS (Estado Limite de Serviço) teve um ganho de 10,4% nos CP’s de 20MPa e 19,5% nos de 35MPa. Já no estudo feito por Ballesteros (2023) sobre a análise de desempenho do reforço com manta de fibra de carbono em concretos de cimento Portland, foram utilizados corpos de prova cilíndricos na dimensão de 10 x 20cm e prismáticos com 50 x 15 x 15cm. Os reforços com a manta de fibra de carbono foram feitos na parte positiva dos prismáticos e envelopados os cilindros. Feito o ensaio de compressão axial nos corpos de prova cilíndricos e ensaio de flexão de quatro pontos nos corpos prismáticos, foi evidenciado que houve um aumento de 96,92% na resistência a compressão axial, 112,82% à tração simples e 108,42% à tração na flexão comparados aos corpos de prova sem reforço. Na pesquisa realizada por Souza (2023), foi analisado o reforço com fibra de carbono no combate ao cisalhamento em vigas de concreto armado. O ensaio foi em 6 vigas com seção de 12 x 20 x 190cm. Para o experimento foram aplicadas tiras de fibra de carbono na área de maior cisalhamento das vigas usando adesivo estrutural a base de epóxi. Feito o ensaio de flexão na tração de quatro pontos, as vigas apresentaram no deslocamento máximo (l/250), ganhando em média 2,44% na capacidade de carga e no carregamento máximo o aumento foi de 12,19%. Em conformidade com a análise de Santos (2020) sobre análise experimental de uma viga reforçada com manta de fibra de carbono e a outra sem reforço, foi utilizado 2 vigas de concreto armado com seção de 14 x 7 x 130cm. Realizado o ensaio de tração na flexão de quatro pontos em ambas as vigas, sendo uma reforçada com a manta de fibra de carbono na parte positiva do prismático e outra sem o reforço, foram obtidos os resultados de 26,6% de ganho no carregamento na viga reforçada. Considerando os resultados encontrados em por Fontes (2017) referente o ganho a resistência da aplicação de manta de fibras de carbono em vigas de concreto simples, usou-se corpos de prova cilíndricos de 10 x 20cm e prismáticos de 15 x 50cm. O reforço com a manta de fibra de carbono foi aplicado na parte positiva dos prismáticos e em toda área dos cilindros. Após o ensaio de compressão axial feitos nos cilindros e o ensaio de tração na flexão de 4 pontos feito nos prismáticos, foi observado o aumento de 27% com uma única volta e de mais de 56% com duas voltas de manta na compressão axial, além de um ganho de tração na flexão de 206,3% com uma e duas voltas.
3. Materiais e Métodos Um bom material para ser utilizado em uma estrutura, é aquele que apresenta boas características e durabilidade, e com isso, na construção civil muito se utiliza o sistema estrutural concreto armado, que é composto por uma massa de concreto, na qual mistura-se cimento, água e agregados miúdos e graúdos, com peças de aço, combinando assim suas características para ganhar resistência estrutural. A armadura no concreto armado trabalha de modo que as tensões e deformações existentes nela, deverão decorrer exclusivamente das ações exercidas sobre a peça. De acordo com a figura 1 é possível visualizar a diferença entre o trabalho de uma estrutura de concreto sem armadura (Figura 1 a), para uma estrutura de concreto com armadura de flexão (Figura 1 b) supondo que as forças aplicadas tenham um aumento gradativo até a ruptura da viga.
Figura 1 – Viga de concreto: a) sem armadura; b) com armadura.
Fonte: adaptado de Pfeil (1989) apud Bastos (2019)
Como se sabe, o concreto possui baixa resistência à tração, e embora seja um fenômeno natural, porém indesejável, há o surgimento de fissuras no concreto que se deve à baixa resistência de tração, e são estas fissuras que devem ser controladas, pois geralmente até 0,3mm, a fim de atender condições de funcionalidade, estética, durabilidade e impermeabilização; e tudo isso sempre baseando-se nas aberturas limites estabelecidos pela NBR 6118. Dispondo-se barras de aço de pequeno diâmetro e de maneira distribuída, as fissuras terão apenas características capilares, não levando ao perigo de corrosão do aço (LEONHARDT e MÖNNIG, 1982). Nas peças sob esforços de momento fletor e força normal, a armadura tracionada tem a deformação de alongamento limitada ao valor de 10 ‰ (10 mm/m), a fim de evitar fissuração exagerada no concreto. Desprezando o alongamento do concreto tracionado, o valor corresponde a uma fissuração de 1 mm de abertura para cada 10 cm de comprimento da peça. De acordo com a figura, pode-se notar a fissura de uma viga na prática.
Figura 02 – Fissura em uma viga após ensaio experimental em laboratório
Fonte: Próprios autores
As estruturas de concreto têm diversas vantagens e desvantagens, e suas características podem variar dependendo do tipo de aplicação e do contexto em que são usadas. Como aspectos positivos, podemos destacar a durabilidade, onde o concreto é conhecido por sua durabilidade e longa vida útil quando adequadamente projetado, construído e mantido, assim podendo resistir a condições climáticas adversas e ataques químicos moderados. É possível, destacar a versatilidade do concreto, que pode ser moldado em uma variedade de formas e tamanhos, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações, desde edifícios até pontes, barragens e estradas. O concreto é capaz de suportar cargas pesadas e é frequentemente usado em estruturas que precisam suportar grandes pesos, como edifícios altos e pontes. Já os aspectos negativos, pode-se destacar a fragilidade, retração e fissuração. Embora o concreto seja resistente a compressão, ele pode ser frágil quando submetido a forças de tração, isso pode resultar em rachaduras e falhas em estruturas de concreto, sendo ela uma fragilidade. É notável que o concreto é suscetível à retração e a fissuração durante o processo de cura, o que pode afetar a estética e a durabilidade das estruturas. O concreto armado pode sofrer várias patologias ao longo do tempo devido a diversos fatores. Algumas patologias mais comuns do concreto armado incluem:
a) Carbonatação: A carbonatação ocorre quando o dióxido de carbono do ar penetra no concreto e reage com o hidróxido de cálcio presente na matriz de concreto, transformando-o em carbono de cálcio. Isso reduz o pH do concreto, o que pode levar à corrosão das armaduras metálicas, enfraquecendo a estrutura;
b) Corrosão das armaduras: A exposição às intempéries, umidade e agentes agressivos, como cloretos presentes em ambientes marinhos, pode causar a corrosão das armaduras de aço dentro do concreto. Isso enfraquece a estrutura e pode causar fissuras e delaminação;
c) Fissuras: Fissuras podem se desenvolver no concreto armado devido a cargas excessivas, variações de temperatura, retração do concreto durante a cura, entre outros fatores. Fissuras podem permitir a entrada de umidade e agentes agressivos, acelerando a deterioração da estrutura;
d) Desplacamento: O desplacamento ocorre quando a camada superficial do concreto se solta da estrutura subjacente, criando áreas desgastadas ou soltas;
e) Desgaste mecânico: O concreto armado sujeito a cargas pesadas, abrasão ou atrito constante pode sofrer desgaste mecânico, o que resulta em perda de espessura superficial;
f) Falta de manutenção: A falta de manutenção adequada ao longo do tempo pode agravar todas as patologias mencionadas, acelerando a degradação e comprometendo a segurança e a durabilidade da estrutura. A deterioração por “causas mecânicas”, para Souza e Ripper (1998), este tipo provém das solicitações mecânicas que a estrutura está submetida, tendo, por exemplo: choques e impactos, recalque diferencial nas fundações e acidentes imprevisíveis (inundações, grandes tempestades, explosões e abalos sísmicos). Diagnosticar uma patologia é determinar as causas dos mecanismos de formação e da gravidade potencial de uma manifestação patológica, com base na observação dos sintomas e na eventual realização de estudos e ensaios específicos de acordo com REIS; OLIVEIRA; LIMA, (2019). A nível nacional, o tipo de patologia mais encontrado é a fissuração das estruturas e essas fissuras normalmente se manifestam de maneira bem característica. Desta maneira, o profissional destinado a estudar este caso deduz facilmente a sua natureza, origem e mecanismo envolvido, como também suas reais consequências. Neste contexto, é possível falar a respeito dos graus de fissuração que podem ser classificados de acordo com a tabela 01.
Tabela 01 – Definição para fissura trinca, rachadura e fenda
Fonte: adaptado de IBAPE-SP
Estas definições foram provenientes das definições do IBAPE-SP, porém, outras podem ser encontradas em diferentes estados. Quando analisamos de forma geral a fissura, trinca, rachadura, e a fenda, pode-se dizer que se trata da mesma coisa, porém, o que diferencia estes itens entre eles é o tempo de vida e o tamanho delas. De acordo com a figura 03, pode-se verificar o aspecto de abertura superficial que atinge a massa corrida e a pintura, cuja espessura é de 1,0 mm, estreita e alongada, sem apresentar perigos à estrutura caracterizada como fissura. No caso das trincas, é possível verificar algo mais profundo e acentuado, com espessura de até 3,0 mm, onde neste caso, já é possível afetar elementos estruturais, pois ocorreu a ruptura do elemento e apresenta perigo à estrutura, que pode ser observado na figura 04.
No caso da figura 05, pode-se considerar uma rachadura grande, profunda e acentuada, com espessura de 1,0 mm a 3,0 mm, e água, vento e a luz são capazes de passar pela rachadura e por ser considerada altamente perigosa, requer imediata atenção.
Figura 05 – Rachaduras
Fonte: Site Suvinil
As manutenções e reforços em estruturas de concreto, são essenciais para garantir a segurança e a durabilidade das edificações. O concreto é um material robusto, mas ao longo do tempo, pode sofrer danos devido a diversos fatores, como sobrecargas, mudanças climáticas, processos de deterioração, entre outros. Desta maneira, é possível realizar inspeções regulares e/ou reparos precoces. Os reforços podem ser feitos em casos de estruturas enfraquecidas, podendo adicionar reforços, tanto na parte interna quanto externa da estrutura para aumentar sua capacidade de carga, também é possível utilizar os reforços nas situações em que a estrutura está comprometida, inserindo novos pilares, vigas ou lajes. Em alguns casos, reforços são necessários para aumentar a capacidade de carga original da estrutura, permitindo que ela suporte mais peso do que inicialmente projetado.
Neste caso em especial, vamos dissertar a respeito do reforço estrutural embasado na utilização de manta de fibra de carbono. A manta de fibra de carbono é um material compósito que desfruta de uma posição proeminente no campo da engenharia civil, especialmente no reforço estrutural. Composta por fibras de carbono notavelmente resistentes, unidas por um polímero, ela é aplicada em superfícies de estrutura de concreto, aço e alvenaria para fortalecer e melhorar sua capacidade de carga e durabilidade. Sua aplicação segue um processo relativamente simples, onde a manta de fibra de carbono é fixada nas superfícies da estrutura, tipicamente utilizado com um adesivo epóxi. Esse revestimento cria uma camada que age como um reforço, ampliando a resistência à tração e fortalecendo a estrutura como um todo. A grande vantagem da manta de fibra de carbono reside na extraordinária resistência das fibras, apesar de sua leveza. Esse atributo permite reforço estrutural sem adicionar uma carga significativa ao peso total da estrutura. Além disso, sua flexibilidade possibilita a adaptação a diferentes formas e tamanhos de estruturas, tornando-a uma opção altamente versátil. Sua aplicação é relativamente simples em comparação a outras técnicas de reforço estrutural, e muitas vezes não exige alterações intrusivas na estrutura original. Isso a torna uma solução atrativa para reforçar pilares, vigas e lajes enfraquecidos, recuperar estruturas danificadas ou incrementar a capacidade de carga em edifícios existentes. Contudo, é crucial ressaltar que a aplicação da manta de fibra de carbono requer conhecimento especializado e planejamento preciso para garantir a sua eficácia e segurança. Sua utilização inadequada pode comprometer a integridade estrutural, enfatizando a importância de profissionais qualificados da sua aplicação. Em suma, a manta de fibra de carbono é uma solução engenhosa e eficaz na engenharia civil, oferecendo um método de reforço estrutural menos invasivo, durável e com potencial para estender significativamente a vida útil das estruturas existentes. O ensaio da tração na flexão é um procedimento essencial na análise de propriedades mecânicas de materiais, oferendo insights valiosos sobre como esses materiais respondem cargas que os dobram. Essa técnica fornece uma compreensão detalhada da capacidade de um material em suportar momentos de flexão, desvendando sua resistência, ductibilidade e comportamento sob condições específicas de tensão. Durante o ensaio, uma amostra do material é submetida a forças que induzem sua flexão, isso gera um momento de flexão que resulta em diferentes regiões da amostra submetidas a tensões de tração e compressão. A medida da carga aplicada e da deformação resultante é fundamental para a construção de um gráfico que correlaciona a tensão e a deformação, revelando o comportamento do material sob flexão, os resultados desse ensaio são cruciais por vários motivos, primeiramente eles determinam a resistência do material à flexão, estabelecendo limites de carga que ele pode suportar antes de se deformar permanentemente ou falhar, além disso, oferecem informações detalhadas sobre como o material absorve energia e se deforma com a aplicação de uma carga de flexão. Engenheiros e projetistas utilizam essas informações para selecionar materiais adequados às aplicações desejadas, levando em consideração suas propriedades específicas de flexão e é um elemento crucial no controle de qualidade, garantindo que os materiais atendam aos padrões necessários de resistência e segurança em processos construtivos. De acordo com NBR 12142:2010, o ensaio de tração da flexão em corpos de prova prismáticos é conduzido com base em garantir a consistência e a compatibilidade dos resultados entre diferentes amostras e laboratórios. Sua interpretação exige conhecimento técnico para extrair informações relevantes sobre o comportamento do material sob condições de flexão, auxiliando na compreensão de como o material responde e se deforma diante das cargas aplicadas. Resumidamente, o ensaio de tração na flexão é um componente fundamental na análise de propriedades mecânicas de materiais, desempenhando um papel crucial no desenvolvimento, seleção e aplicação de materiais em diversas áreas, contribuindo para a segurança e eficiência em projetos de engenharia. Para concretagem dos 7 corpos de prova foram necessárias 7 formas de madeira com as dimensões de 0,47 x 0,10 x 0,10m, 28 barras de aço de ø5mm x 420mm para serem usadas como positivo e negativo dos CP’s, 21 estribos com a dimensão de 70mm x 70mm, 42 espaçadores 25mm e arame para amarração da armadura, o croqui 01 demonstra como a armação foi feita.
Croqui 01 – Dimensionamento das armaduras
Fonte: Próprios autores
Após formas e armaduras concluídas foi rodado um traço de 25MPa onde utilizou-se como referência 1kg de cimento, 1,54kg de areia, 2,27kg de brita e 0,45 litros de água para fazer 0,035m³ de concreto, a figura 06 mostra os corpos de prova durante a concretagem.
Figura 06 – Concretagem dos corpos de prova
Fonte: Próprios autores
Após 2 dias, procedeu-se à desforma e marcação do terço médio nos corpos de prova. Assim que passados 11 dias de cura do concreto iniciou-se a aplicação do reforço, em 4 corpos de prova foram aplicadas 3 faixas de manta de fibra de carbono com a dimensão de 0,45 x 0,11m cada, conforme manual do fornecedor JGtech no anexo 01. Posteriormente, foram lavadas as 7CP’s com água para retirada de todo pó, e após secagem ao tato foi feita a primeira demão do Primer JGPox (Promotor de aderência) após secagem ao tato foi aplicado a demão do Saturante JGPox MFC para colagem da 1° demão da fibra de carbono, passadas 48hs do processo foi aplicada a 2° camada respeitando o mesmo processo da 1° demão. A figura 07 mostra o momento da aplicação do reforço da manta.
Figura 07 – Aplicação da manta de fibra de carbono
Fonte: Próprios autores
Após 28 dias de cura, os testes de tração na flexão foram conduzidos no laboratório de ensaios da Universidade São Judas Tadeu – Unidade Butantã com a assistência do Eng. Renato. Na figura 08 demonstra a marcação do terço médio e na figura 09 após a marcação nos corpos de prova antes do início dos ensaios.
Feito as marcações nos corpos de provas, foi realizado o ensaio de tração na flexão de 4 pontos na máquina de prensa hidráulica (SoloTest – 100 TF) de forma que a força aplicada fosse exatamente no local do terço médio até seu rompimento completo. A figura 10 relata o momento de realização do teste.
Figura 10 – Ensaio de tração na flexão
Fonte: Próprios autores
Foi identificado que para os corpos de prova, sendo os CP 1, 2 e 3 sem manta de fibra de carbono, e os CP 4, 5, 6 e 7 com a manta, as marcações nos corpos de prova garantiram o posicionamento centralizado na máquina de tração, cada corpo de prova recebeu quatro marcações, duas a 2,5cm das extremidades e outras duas a 13,5cm, centralizadas.
3. Resultados Obtidos
O ensaio realizado no CP 1, suportou uma carga máxima de 1,06 toneladas-força (tf). Durante o teste, foram observados dois pontos de rompimento distintos, localizados a 14,5 centímetros da extremidade esquerda e 19 centímetros da extremidade direita do componente, conforme figura 11. Esses pontos de falha indicam a capacidade do CP 1 em resistir à carga aplicada, sendo relevante observar a distribuição e a localização dos pontos de rompimento para análises posteriores e possíveis otimizações de design ou reforços estruturais, caso necessário. No ensaio de carga estática realizado no CP 2, demonstrou resiliência ao suportar uma carga de 1,28 toneladas-força (tf). Durante o teste, foram identificados dois pontos de rompimento, sendo o primeiro localizado a 16 centímetros da extremidade esquerda e o segundo a 12,5 centímetros da extremidade direita do componente, conforme figura 12. Esses pontos de falha destacam áreas específicas onde a resistência do CP 2 foi superada, fornecendo informações cruciais para uma análise mais aprofundada da integridade estrutural. A consideração desses dados é essencial para a avaliação do desempenho do componente e para possíveis refinamentos no design, visando melhorias na resistência e na durabilidade do CP 2 em condições similares de carga.
Durante o ensaio no CP 3, o componente demonstrou notável robustez ao suportar uma carga de 1,49 toneladas-força (tf). No decorrer do teste, foram identificados dois pontos de rompimento distintos, sendo que o primeiro ocorreu a uma distância de 13 centímetros da extremidade esquerda, enquanto o segundo ocorreu a 17,5 centímetros da extremidade direita do componente, conforme figura 13. Esses pontos de falha representam as áreas específicas onde a resistência do CP 3 foi superada, fornecendo informações valiosas para uma análise aprofundada da integridade estrutural do material. A consideração cuidadosa desses dados é de otimizar a resistência e a durabilidade do CP 3 sob condições semelhantes de carga.
Figura 13 – Rompimento CP 3
Fonte: Próprios autores
No ensaio de carga aplicado ao CP 4, o componente demonstrou uma notável capacidade de suporte ao resistir a uma carga de 3,51 toneladas-força (tf). Durante o teste, foi observado um ponto de rompimento localizado a 29,5 centímetros da extremidade esquerda do componente, e outro ponto de falha a 17,5 centímetros da extremidade direita, situado entre as mantas central e lateral direita, conforme figura 14. Estes pontos específicos de ruptura indicam áreas críticas onde a integridade estrutural do CP 4 foi comprometida. Para o CP 5 demonstrou uma notável resistência ao suportar uma carga de 2,77 toneladas-força (tf). O ponto de rompimento ocorreu a uma distância de 29,5 centímetros da extremidade esquerda e a 17,5 centímetros da extremidade direita, especificamente entre as mantas central e lateral direita, conforme figura 15. Este desempenho evidencia a robustez e a capacidade estrutural do CP 5 em condições de carga, destacando sua eficácia em suportar forças consideráveis.
O CP 6 demonstrou grande capacidade estrutural ao suportar uma carga de 2,42 toneladas-força (tf). O ponto de ruptura foi identificado a uma distância de 27 centímetros da extremidade esquerda e 20 centímetros da extremidade direita, entre as mantas central e lateral direita, conforme figura 15. Esses dados indicam a resistência efetiva do material e a distribuição assimétrica de forças ao longo do comprimento do CP 6 durante o ensaio. Durante o teste de carga realizado no CP 7, foi observado que o material suportou uma carga significativa de 2,33 toneladas-força (tf). O ponto de rompimento foi identificado a uma distância de 17 centímetros a partir da extremidade esquerda e 30 centímetros a partir da extremidade direita do material, conforme figura 16. Este rompimento ocorreu entre as mantas central e lateral esquerda, indicando a região específica do componente que sofreu o colapso sob a carga aplicada. Esses resultados fornecem informações valiosas sobre as propriedades de resistência e comportamento estrutural do CP 7.
Tabela 01 – Resultados referentes ao ensaio N° 01
Fonte: Próprios autores
De acordo com o gráfico 01, o mesmo ilustra os momentos obtidos por corpo de prova, sendo os representados na cor preta os corpos com a manta aplicada e na cor amarela sem manta aplicada, o momento de rompimento foi obtido utilizando a mesma equação utilizada na tabela 01.
Gráfico 01 – Momentos
Fonte: Próprios autores
Com base na investigação de Santos (2020), o mesmo a expandiu ao realizar uma análise experimental de vigas reforçadas com manta de fibra de carbono em comparação com vigas sem reforço. Os resultados demonstraram um ganho notável de 26,6% no carregamento na viga reforçada, reforçando a aplicabilidade da manta na melhoria da resistência estrutural em vigas de concreto armado. Já nos achados dos estudos de Souza (2023) que se aprofundou na aplicação de tiras de fibra de carbono. os resultados indicaram ganhos médios de 2,44% na capacidade de carga no deslocamento máximo (l/250) e um aumento de 12,19% no carregamento máximo, revelando a eficácia da manta não apenas em situações de flexão, mas também no reforço contra esforços de cisalhamento. Nesse contexto, a aplicação da manta de fibra de carbono permite que a estrutura existente seja fortalecida para atender aos novos requisitos de carga. Por isso, após verificado na presente pesquisa que o rompimento dos corpos de prova com a manta aplicada ocorreu entre as mantas, foi tomada a decisão de realizar outro ensaio em que fosse concretado 3 corpos de prova, onde 1 deles seria aplicado a manta em 100% do seu comprimento e os 2 demais seria ensaiado até a sua fissuração, após seria aplicado a manta para verificar a viabilidade do reforço em estruturas já comprometidas se o ganho continuaria viável de recuperação da mesma. Na primeira etapa foi executado a concretagem dos corpos de prova com a mesma armadura de ⌀5mm, utilizamos o seguinte traço para concreto FCk 25 de acordo com o gráfico da tabela 03. Na figura 17 pode-se ver os corpos após a concretagem.
Tabela 03 – Traço utilizado
Fonte: Traços de concreto para produção na obra (2022)
Figura 17 – Concretagem dos corpos de prova
Fonte: Próprios autores
Após transcorridos os sete dias desde a conclusão do processo de concretagem, procedeu-se à realização do ensaio de tração da flexão em dois corpos, culminando na manifestação de uma fissura, conforme ilustrado na figura 18.
Figura 18 – Ensaio de tração na flexão
Fonte: Próprios autores
Na Figura 19, exibe-se detalhadamente a condição dos corpos de prova após a superação do estado limite de serviço, momento em que se tornou perceptível o fenômeno de fissuração. A aplicação da manta de fibra de carbono foi realizada em 100% do comprimento dos 3 corpos de prov, conforme evidenciado na figura 20. E na figura 21, pode-se verificar que o ensaio foi conduzido até a completa ruptura do corpo de prova.
Figura 21 – Corpos de prova rompidos
Fonte: Próprios autores
Após a realização do ensaio obtivemos os valores conforme tabela 02 e desprovemos das mesmas fórmulas que foram utilizadas na tabela 01, obtendo a força de resistência a tração (FTC) e os momentos respectivos de cada corpo.
Tabela 02 – Resultados referente ao ensaio N° 02
Fonte: Próprios autores
No gráfico 02 ilustramos os momentos obtidos, onde a linha preta determina os corpos após aplicação da manta e a linha amarela demonstra qual foi o momento de estado limite de serviço.
Gráfico 02 – Momentos
Fonte: Próprios autores
Após a execução de todos os ensaios previstos, é possível se fazer uma comparação de ganho de resistência com a manta aplicada conforme ilustra o gráfico 03.
Gráfico 03 – Cargas aplicadas em porcentagem
Fonte: Próprios autores
Utilizamos dos mesmos resultados para executar o comparativo na grandeza de cargas aplicadas para rompimento, conforme gráfico 04.
Gráfico 04 – Cargas aplicadas em toneladas força
Fontes: Próprios autores
Com estes resultados, pode-se concluir que mesmo fissurados a manta fez com que os corpos reestabelecessem a resistência obtida até o rompimento do estado limite de serviço (ELS). As rupturas das mantas foram observadas no mesmo local que havia a presença da fissura no concreto, já no corpo de prova que não estava fissurado foi possível notar que a resistência dobrou do previsto inicial, pois os corpos já haviam fissurado aos 2000 Kgf e este corpo suportou 5590 Kgf. Sendo assim, com os resultados obtidos ficaram conforme a tabela 02.
Tabela 02 – Resultados referentes ao ensaio N° 01
Fonte: Próprios autores
Gráfico 01 – Momentos
Fonte: Próprios autores
5. Conclusão
A utilização da manta de fibra de carbono tem revelado diversas aplicações, destacando-se duas situações que merecem especial atenção no campo da engenharia estrutural. No primeiro cenário, encontramos as recuperações estruturais em que a edificação já apresenta fissuras significativas. Nesses casos, a aplicação da manta de fibra de carbono surge como uma alternativa eficiente, simplificando todo o processo de restauração. Sua aplicação não compromete o ambiente, uma vez que não gera volume excessivo, e é notavelmente conveniente para os ocupantes da construção. Ao contrário da abordagem convencional de reforço em concreto na própria estrutura, que exigiria a quebra e reconstrução da peça, a manta oferece uma solução prática e de fácil implementação. No segundo contexto, o foco está nos reforços estruturais necessários devido à redução da seção da viga, motivada por fatores construtivos ou arquitetônicos. Em situações em que o espaço é limitado e a criação de um elemento estrutural de grande escala torna-se inviável, a manta de fibra de carbono se revela uma opção viável. Ao dimensionar a estrutura de forma reduzida e aplicar a manta, é possível atender às necessidades estruturais de maneira eficaz. Além dessas aplicações específicas, destaca-se a capacidade da manta em lidar com estruturas sujeitas a cargas superiores às originalmente projetadas. Um exemplo prático seria a necessidade de reforçar uma residência que não teve o cálculo adequado para suportar o peso de uma piscina. Resultados ensaiados nesta pesquisa indicam que a aplicação da manta pode resultar em um aumento impressionante de até 336% na resistência à tração em comparação com estruturas convencionais. Esses dados reforçam a viabilidade e eficácia da manta de fibra de carbono no mercado da construção civil. Ainda assim, observa-se que muitos construtores não exploram plenamente os benefícios que essa tecnologia pode proporcionar, o que sugere um amplo campo para sua adoção em projetos arquitetônicos que, de outra forma, seriam inviáveis devido à falta de dimensionamento estrutural.
6. Referências Bibliográficas
Internet
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7. ANEXO
FILIAÇÃO