Aplicação Estrutural do Betão Reforçado com Fibras de Vidro (GRC)
João Gomes Ferreira
O QUE É O GRC ?Glass Fiber Reinforced Concrete
Material compósito cimentício consistindo em• Argamassa de cimento• Fibras de vidro curtas dispersas• Aditivos
Principais métodos de fabrico• Spray-up• Premix
UTILIZAÇÃO HABITUAL DO GRC
Elementos não estruturais
• Painéis de fachada (>80%)• Cofragens perdidas decorativas• Barreiras acústicas• Janelas pré-fabricadas• Manilhas de redes de saneamento• Elementos decorativos• etc. Centro Comercial Colombo
Aplicações correntes do GRC
Hotel Atrium - Banguecoque
Centro de Congressos Cervantes – St Louis, Mississipi
Aplicações correntes do GRC
Tunel Heathrow - Londres Dispersores acústicos Painéis decorativos
Aplicações correntes do GRC
Barreiras acústicas Mobiliáio urbano
Aplicações correntes do GRC
Canal de rega Canal de drenagem
• Parede fina (inexistência de inertes grossos,resistência ao choque)
• Peso reduzido- Facilidade/custos de montagem- Redução de forças sísmicas- Poupança de material (custos ambientais)
• Durabilidade (ausência de aço corrente, corrosão)
• Controlo da micro-fendilhação e da desagregação
• Interferências electro-magnéticas reduzidas
VANTAGENS DO GRC FACE ÀS SOLUÇÕES TRADICIONAIS EM AÇO E EM BETÃO ARMADO
• Custos iniciais- Aquisição de equipamento específico- Formação de pessoal
• Controlo de qualidade (dispersão das fibras, compacidade)
• Durabilidade das fibras de vidro - Fibras especiais- Aditivos
INCONVENIENTES DO GRC FACE ÀS SOLUÇÕES TRADICIONAIS EM AÇO E EM BETÃO ARMADO
FABRICO DO GRC
MÉTODO SPRAY-UP
• Pistola de projecção• Fibras cortadas na pistola• Mistura fibras-argamassa no jacto• Compactação com rolo
Composição• Fibras (25 - 40 mm, 5% peso)• Argamassa (A/C -1/1; Ag/C - 0.33) Fase de projecção
MÉTODO SPRAY-UP
• Pistola de projecção• Fibras cortadas na pistola• Mistura fibras-argamassa no jacto• Compactação com rolo
Composição• Fibras (25 - 40 mm, 5% peso)• Argamassa (A/C -1/1; Ag/C - 0.33) Fase de compactação
MÉTODO PREMIX
• Mistura da argamassa• Dispersão das fibras pré-cortadas• Projecção ou injecção de moldes
Composição• Fibras (12 mm; 3.5% peso)• Argamassa (A/C - 0.5/1; Ag/C - 0.35) Fase de dispersão das fibras
DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO GRC
OBJECTIVOS DA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTALDAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO GRC
• Avaliação das propriedades mecânicas do GRC relevantespara a sua aplicação estrutural
• Análise do efeito de diferentes tipos de reforço na resistência à tracção do GRC
• Utilização racional do GRC, garantindo níveis de segurança estrutural adequados
• Obtenção de resultados para utilização em modelos numéricos
Valores obtidosE = 16 - 17 GPa
MÓDULO DE ELASTICIDADEEM COMPRESSÃO
GRC
Argamassa
ENSAIOS DE ROTURAÀ COMPRESSÃO
6
10
13
8
9
Nº
54.611.1572.9Cubos arg. spray-up
63.30.8764.8Cubos arg. premix
64.14.3571.2Cubos spray-up
32.62.9337.4Cilindrosspray-up
36.12.9140.9Cilindrospremix
fckDesvio padrão
fcmSérie
Resistência à compressão (MPa)
Instrumentação Argamassa simples
DETERMINAÇÃODE DIAGRAMAS σ-εEM COMPRESSÃO
GRC
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10
Extensão (x1E-3)
Tens
ão (M
Pa)
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10
Extensão (x1E-3)Te
nsão
(MP
a)
ENSAIOS DE RESISTÊNCIA À TRACÇÃO
EM PROVETES DE GRC
GRC simples
GRC com reforço mistoGRC com varão inox
GRC com fibra carbono
Equipamento de ensaio
Diagramas σ-ε de provetesde GRC simples
Diagramas σ-ε de provetesde GRC com reforço misto
DETERMINAÇÃO DE DIAGRAMAS σ-ε À TRACÇÃO
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
Extensão global (x1E-3)
Tens
ão (M
Pa)
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
Extensão global (x1E-3)
Tens
ão (M
Pa)
Provetes sob carga constante Coeficientes de fluência
ENSAIOS DE FLUÊNCIA E RETRACÇÃO
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 30 60 90 120 150
Idade (dias)
(t)
G3G5G2
Medições de retracção Valores de retracção
0
200
400
600
800
1000
1200
0 30 60 90 120 150
Idade (dias)
Ext
ensã
o (x
1E-6
)
G1G4G6Q1Q2Q3G7
Ensaio com extensões positivas emprovete de GRC com fio de carbono.
Ensaio com extensões positivasem provete de GRC simples.
ENSAIOS CÍCLICOSEM PROVETES
Ensaio cíclico de compressãoem provete cilíndrico de GRC
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
0 2 4 6 8 10
Extensão global corrigida (x1E-3)
Tens
ão (M
Pa)
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
0 2 4 6 8
Extensão global (x1E-3)Te
nsão
(MPa
)
-8.0
-6.0
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
0 2 4 6 8
Extensão global (x1E-3)
Tens
ão (M
Pa)
PROPRIEDADES DE ALGUMAS FIBRAS
Fibra Diâmetro(μm) Densidade
Módulo de Elasticidade
(GPa)
Resistênciaà Tracção
(MPa)
Alongamentona Rotura
(%)
Vidro 9 - 20 2.60 70-80 2000 - 4000 2.0 - 3.5
Aço 5 - 500 7.84 200 500 - 2000 0.5 - 3.5
Crocidolite (asbestos) 0.02 - 0.4 3.40 196 3500 2.0 - 3.0
Crisótile(asbestos) 0.02 - 0.4 2.60 164 3100 2.0 - 3.0
PolipropilenoFibrilado 20 - 200 0.90 5 - 77 500 - 750 8.0
Aramídica 10 1.45 65 - 133 3600 2.1 - 4.0
Carbono 9 1.90 100-600 1000-7000 1.0
Nylon - 1.10 4 900 13.0 - 15.0
Celulósica - 1.20 10 300 - 500 -
Acrílica 18 1.18 14 - 20 400 - 1000 3.0
Polietileno - 0.95 0.3 0.7 10.0
Fibra de madeira - 1.50 71 900 -
Sisal 10 - 50 1.50 - 800 3.0
Matriz cimentícia(para comparação) - 2.50 10 - 45 3-4 0.02
PROPRIEDADES DO GRC
Propriedade GRC spray-up GRC premix
Densidade seca (kN/m3) 19-21 19-20
Resistência à compressão (MPa) 50-80 40-60
Módulo de elasticidade (GPa) 10-20 13-18
Resistência ao choque (Nmm/mm2) 10-25 8-14
Coeficiente de Poisson 0.24 0.24
Flexão:
LOP (MPa) 7-11 5-8
MOR (MPa) 21-31 10-14
Tracção directa:
BOP (MPa) 5-7 4-6
UTS (MPa) 8-11 4-7
Extensão de rotura (%) 0.6-1.2 0.1-0.2
Corte:
Tensão resistente no plano (MPa) 8-11 4-7
Tensão resistente interlaminar (MPa) 3-5 -
FABRICO DE TORRE DE TELECOMUNICAÇÕES EM GRC
5.5
70.0
50.0
( cm )
Anel deneoprene(3 mm)
Ligação entre troços
12m
12m
6m
12m
12m
6m
R
e
R
e
Secção transversal
Vista geral
Geometria da torre
Molde Posicionamento de elementos de reforço
Ancoragem de cabos de pré-esforço Base da torre
Fabrico das torres
Posicionamento da torre Torre em serviço
Montagem da torre
Armazenamento
ENSAIOS EXPERIMENTAISEM TORRES DE GRC
Determinação de coeficientes de forma
ENSAIOS EM TÚNEL DE VENTO
Ensaio de rotura de um troço superior de torre
ENSAIOS DE ROTURA
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 200 400 600 800 1000
Deslocamento (mm)
Forç
a (k
N)
Ensaio de rotura de um troço intermédio da torre
0
10
20
30
40
0 200 400 600 800
Deslocamento (mm)
Forç
a (k
N)
ENSAIOS DE CARGA
Resultados de um ensaio de carga
0
50
100
150
200
250
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
v2 ((km/h)2)
Des
loca
men
to (m
m)
D 29 m D 17 m D 5 m
Medição de vibraçãoem regime livre
Registos obtidos
ENSAIOS DINÂMICOS
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tempo (s)A
cele
raçã
o (m
/s2)
Direcção da excitação Direcção transversal
PRINCIPAIS CONCLUSÕES DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS
SOBRE TORRES DE GRC
• Ensaios de rotura
Identificação dos principais fenómenos envolvidos no comportamento em regime pós-elástico, permitindo a sua consideração nos respectivos modelos numéricos.
• Ensaios de carga
Adequação de modelos simples de comportamento elástico à verificação dos estados limites de utilização (deformação e vibração).
MODELAÇÃO NUMÉRICA
G
e
R
ε−3.5Ε−3 εt
Diagramas de extensão
X
Y -7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Momento flector (kN.m)
Esf
orço
nor
mal
(kN
)z=0.0m
z=3.0m
z=5.5m
z=6.7m
z=12.0m
z=17.5m
z=18.7m
z=24.0m
z=30.0m
Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa
Extensão
Tens
ão
σco
α σco
β σco
σto
εto 0.95εtu εtu
-0.010 εco0.5εco-0.005
-σco
1
Eco
σcd
Etf
1
r
Eco
1s1
s2
C
T
t
u
v
1
Edesc
1
Edesc
w
σc
εc
0.00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.5
0 10 20 30 40 50
Tempo (s)
Des
loca
met
o no
topo
(m)
MODELOS DE SECÇÃO
Diagramas de extensão no colapso
Diagramas de extensão na fendilhação
−3.5Ε−3 εt
G
e
R
ε
X
Y Diagramas de extensão
G
e
R
ε−3.5Ε−3 εt
Diagramas de extensão
X
Y
12m
12m
6m -7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Momento flector (kN.m)Es
forç
ono
rmal
(kN
)
z=0.0mz=3.0mz=5.5mz=6.7mz=12.0mz=17.5mz=18.7mz=24.0mz=30.0m
Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Momento flector (kN.m)Es
forç
ono
rmal
(kN
)
z=0.0mz=3.0mz=5.5mz=6.7mz=12.0mz=17.5mz=18.7mz=24.0mz=30.0m
Aço inox 6mm//15cmfck=55MPa
Diagrama M-1/R de uma secção da torre
Curvas de interacção M-N das secções da torre
0
20
40
60
80
100
120
140
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
Curvatura (/m)
Mom
ento
flec
tor(
kN.m
)
40
60
80
100
0.000 0.001 0.002
0
20
40
60
80
100
120
140
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
Curvatura (/m)
Mom
ento
flec
tor(
kN.m
)
40
60
80
100
0.000 0.001 0.002
12.9 (base)Erro –4%
12.8 (base)Erro –5%
13.5Frot(kN)
Troço superior
7.6Erro –5%
7.6Erro –5%
8.0Ffend(kN)2º ensaio
-14.5 (base)Erro –3%
15.0Frot(kN)
Troço superior
-7.7Erro –4%
8.0Ffend(kN)1º ensaio
Valor curvas M-θ
Valor curvas M-N
Valor experimental
Modelos de secçãoConfronto com resultados experimentais
Extensão
Ten
são
σc o
α σc o
β σc o
σt o
εt o 0.95εt u εt u
-0.010 εc o0.5εc o-0.005
-σc o
1
Eco
σc d
Etf
1
r
Eco
1s1
s2
C
T
t
u
v
1
Edesc
1
Edesc
w
σc
εc
Envolvente. Regras de carga, descarga e recarga.
MODELO DE COMPORTAMENTO CÍCLICO
0
4
8
12
16
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Deslocamento topo (m)
Forç
a to
po (k
N)
Experimental Numérico fct=2.0 MPa
Numérico fct=1.0 MPa Numérico fct=0.5 MPa
Simulação do comportamento até à rotura de um troço superior de torre de GRC.
Modelo de comportamento cíclico
Modelo de comportamento cíclico.Simulação do comportamento da torre sob acção do vento.
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40 50Tempo (s)
Vel
ocid
ade
(m/s
) Cota 6.0 m
Cota 12.0 m
Cota 18.0 m
Cota 24.0 m
Cota 30.0 m
Séries de velocidades do vento geradaspara os pontos de aplicação das forças.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 10 20 30 40 50Tempo (s)
Des
loca
met
o no
topo
(m)
Deslocamento do topo Reacção na base
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50Tempo (s)
Rea
cção
na
base
(kN
)
PRINCIPAIS CONCLUSÕESDA MODELAÇÃO NUMÉRICA
• Modelos de secção
Permitem a determinação de curvas M-N e M-θ
Adequados à verificação da segurança de secções.
• Modelo de comportamento cíclico
Permite a simulação do comportamento de elementos estruturais de GRC face a acções dinâmicas.
• Confronto com resultados experimentais
Os resultados numéricos apresentam boa concordânciacom os respectivos valores experimentais
OUTROS ELEMENTOSESTRUTURAIS EM GRC
Elemento de cobertura pré-esforçado
Secção transversal
Elemento de cobertura pré-esforçado
Elemento de cobertura em GRC simples
Elementos de pré-laje
Ponte pedonal – rampas de acesso
Registo dinâmico
Secção transversal
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 2 3 4 5 6 7
Tempo (s)
Des
loca
men
to (
mm
)
Perspectiva
Ensaios experimentais
Ponte pedonal – rampas de acesso
Ensaio de rotura – fendilhação
Solução de laje aligeirada
BetonagemColocação
Solução de laje aligeirada
Ensaio de flexão positiva Ensaio de flexão negativa
CONCLUSÕES GERAIS
• A utilização de GRC como material estrutural é viável, garantindo níveis de resistência e deformabilidadecompatíveis com as exigências de projecto dos elementos estruturais analisados.
• O GRC apresenta vantagens face aos materiais tradicionais alternativos, de que se destacam o reduzido peso próprio e a durabilidade.