APLICAÇÃO DE MANTAS DE POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRA DE CARBONO (PRFC) COMO REFORÇO À PUNÇÃO EM LAJES LISAS DE CONCRETO ARMADO GALILEU SILVA SANTOS TESE DE DOUTORADO EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL FACULDADE DE TECNOLOGIA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL APLICAÇÃO DE MANTAS DE POLÍMEROS REFORÇADOS COM FIBRA DE CARBONO (PRFC) COMO REFORÇO À PUNÇÃO EM LAJES LISAS DE CONCRETO ARMADO GALILEU SILVA SANTOS ORIENTADOR: GUILHERME SALES S. A. MELO (Ph.D, UnB) TESE DE DOUTORADO EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL PUBLICAÇÃO: E.TD - 002A/14 BRASÍLIA/DF: MARÇO DE 2014 i UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL APLICAÇÃO DE MANTAS DE POLÍMERO REFORÇADO COM FIBRAS DE CARBONO (PRFC) COMO REFORÇO À PUNÇÃO EM LAJES LISAS DE CONCRETO ARMADO GALILEU SILVA SANTOS TESE SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL. APROVADA POR: BRASÍLIA/DF, 07 DE ABRIL DE 2014 ii FICHA CATALOGRÁFICA SANTOS, GALILEU SILVA Aplicação de Mantas de Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (PRFC) como Reforço à Punção em Lajes Lisas de Concreto Armado [Distrito Federal] 2014. xxiii, 190p., 297 mm (ENC/FT/UnB, Doutor, Estruturas e Construção Civil, 2014). Tese de Doutorado – Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. 1.Punção 2.PRFC 3.Reforço 4.Armadura de Cisalhamento I. ENC/FT/UnB II. Título (Doutor) REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA SANTOS, G. S. (2014). Aplicação de Mantas de Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (PRFC) como Reforço à Punção em Lajes Lisas de Concreto Armado. Tese de Doutorado em Estruturas e Construção Civil, Publicação E.TD-002A/14, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 191p. CESSÃO DE DIREITOS AUTOR: Galileu Silva Santos. TÍTULO: Aplicação de Mantas de Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (PRFC) como Reforço à Punção em Lajes Lisas de Concreto Armado. GRAU: Doutor ANO: 2014 É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta tese de doutorado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta tese de doutorado pode ser reproduzida sem autorização por escrito do autor. ____________________________ Galileu Silva Santos Rua Juraci Magalhães no297, Centro. 46140-000 Livramento de Nossa Senhora – BA – Brasil. iii Aprender não é acumular certezas Nem estar fechado em respostas Aprender é incorporar a dúvida (...) é um exercício constante de renovação (...) é construir e reconstruir pacientemente uma obra que não será definitiva porque o humano é transitório (...) Tem que ser um ato de amor para não ser um ato vazio. Paulo Freire iv AGRADECIMENTO A única forma de ascensão sustentável é com base na educação. Essa é a visão de todos aqueles que se dispuseram a abrir mão da nossa convivência para o meu crescimento. Especialmente meus pais, Analisé e Gilberto, que, todo esse tempo, me instruíram e apoiaram minhas escolhas, mesmo que essas implicassem algum sacrifício momentâneo. Meus irmãos, Gardênia e Gabriel, minha namorada Érica, meus tios, tias, primos e primas, serei eternamente grato. Aos Mestres, Pró Edy, Maria Matias, Fátima Meira, Zé Mar, Zé Carlos Moreira, Zé Luiz e Lauro Gontijo pela orientação adequada em cada fase da vida. Agradeço ao Professor Guilherme, pela confiança na condução deste trabalho, pelo estímulo e, sobretudo, pelo comando, exemplar e bem sucedido. Agradeço ao Professor Nagato, pelo exemplo de dedicação à academia e pela orientação fundamental no programa experimental. Ainda pelo experimento, reconheço a contribuição de todos os técnicos laboratoristas: Severino, Xavier, Leandro, Júlio, Adelmo, Washington, Valderir, Fontinelli e Magno. Agradeço aos colegas Wagner e Wanderley. O primeiro, pela ajuda na fase de pôr em prática algo com poucas referências. O segundo, pelo volume de trabalho e pelo quão deprimente é ir sozinho na Leroy Merlin num sábado à tarde. Aos colegas de doutorado, Carlos Luna, Maurício, Juliano, Honorato, Elaine, Nívea, Mônica, Bernardo, Helder, Uchôa e Nazaré. Aos amigos Admilson, Jacqueline Ward, Kiko e Adriana, pela ajuda pessoal que, certamente, influenciou no sucesso desta pesquisa. À amiga Eva, pelo apoio junto ao Programa de Pós Graduação em Estruturas e Construção Civil. Aos colegas de Viçosa que, como eu, escolheram se aventurar pelo cerrado brasileiro. A condição de afinidade nos tornou ainda mais próximos: Iviane, Cantin, Paôla, Katinha, Jack e Deise. Aos colegas de trabalho do Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes, por promoverem um clima organizacional favorável ao meu crescimento acadêmico. Em v especial, aos colegas Edimarques, Paula Passos, Paulo Moreira, Karoline, Rogério Calazans e Alessandra por não medirem esforços para tornar viável meu afastamento para Portugal. E ao se falar em Portugal, uma vez que me encontro agora na sala de embarque de volta para o Brasil, agradeço ao professor Joaquim Barros pela liberação da estrutura da Universidade do Minho e pela orientação que possibilitou uma evolução considerável do trabalho numa curta temporada. Agradeço ao pessoal do My Hostel: Cristina, Miguel e Ana, também, aos amigos Joci, Rodrigo, Marcos, Claire e Sónia pelo apoio fundamental do lado de cá do Atlântico. Agradeço à BASF S/A, pelo fornecimento do sistema compósito utilizado nesta pesquisa. À Concrecon, pelo fornecimento do concreto da terceira série de ensaios. Ao CNPq e à CAPES pelo financiamento do trabalho. vi RESUMO Esta tese apresenta um estudo experimental e analítico de uma recente técnica de reforço de lajes lisas de concreto armado ao fenômeno da punção. Trata-se da utilização de mantas de polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) como armadura de cisalhamento. A técnica é simples, requer pouco tempo para aplicação e não altera as dimensões da laje. O sistema de reforço consiste na instalação, através de furos verticais nas lajes, de mantas de PRFC, as quais atuam como elemento resistente ao cisalhamento. Serão aplicadas nessa pesquisa duas técnicas de reforço. A primeira, denominada Stitch, foi idealizada por Sissakis (2002) e consiste em se formar um laço completo entre dois furos subsequentes como “pontos de costura”. A segunda técnica foi adaptada nesta pesquisa a partir de um sistema criado por Erdogan (2010). A técnica é denominada Dowel e consiste na fabricação e instalação de um pino de manta de PRFC. Para avaliação do reforço, elaborou-se um programa experimental com 12 modelos em escala real de conexões laje-pilar. A laje tem dimensões de 2500 mm x 2500 mm x 180 mm e os pilares são quadrados de dimensões 300 mm x 300 mm. Um dos modelos não foi reforçado para comparação com os demais. Para os outros 11 modelos, variaram-se a técnica de reforço, a distribuição dos furos, o padrão de ancoragem e o número de camadas de reforço. Além do experimento, a pesquisa consta de um estudo numérico e de uma análise de normas, com a verificação de adaptações dos principais códigos, nacional e internacionais, de dimensionamento à punção – ABNT NBR 6118 (2007), ACI 318 (2011), Eurocode 2 (2004) e fib Model Code 2012 –, associadas às recomendações do ACI 440 2R:02 (2008). Essa última trata do reforço de estruturas de concreto armado utilizando polímeros reforçados com fibras. Experimentalmente, os resultados obtidos mostraram que a técnica aplicada foi eficiente, resultando em ganho tanto na capacidade de carga quanto na ductilidade dos modelos reforçados em relação ao modelo de controle. O reforço aplicado resultou em ganhos na resistência ao cisalhamento de até 93,3% em relação à carga apresentada pelo modelo sem reforço. vii ABSTRACT This thesis presents an experimental and analytical study of a recent technique for punching shear strengthening of reinforced concrete slabs. The use of CFRP laminates as an alternative to punching in flat slabs is simple, requires little time to implement and does not alter the aesthetics of the slab. The reinforcement system consists in pasting reinforced tapes made of CFRP blanket through vertical holes in the slabs. There are two techniques which can be used in this: In the first one, called "stitch", the tapes made of CFRP were applied in order to form a complete bond between two following holes as stitches in the region close to the column. The second one is called "dowel", which is similar to shear studs, but manufactured with CFRP sheet. To evaluate the technique, there was developed an experimental program that provides the implementation and the test of 12 models of slab-column connection. The slab having dimensions of 2500 mm x 2500 mm x 180 mm and the centered columns are in a square form of 300 mm x 300 mm. One model was not enhanced comparing to the other. For the other 11 models varied the technique, the distribution pattern of holes and anchor, with a constant area for reinforcing the perimeter of the reinforced. Finite element model using FEMIX program is built to obtain a further insight into the punching behaviour of the test slabs. Results are also compared with recommendations of the major codes, national and international scale in the punching - ABNT NBR 6118 (2007), ACI 318 (2011), EUROCODE 2 (2004) and Model Code (2010) -, associated with the recommendations of ACI 440 2R (2008). The last one deals only with the strengthening of reinforced concrete structures using fiber reinforced polymers. Experimentally, the results showed that the technique applied was efficient, resulting in the increasing of the load capacity and ductility of the reinforced models compared to the control model. Strengthening applied resulted in gains in shear strength of up to 93.3% compared to the load presented by the model without reinforcement. viii SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1 1.1 Considerações Iniciais ............................................................................................ 1 1.2 Objetivos e Metodologia ......................................................................................... 1 1.3 Justificativa ............................................................................................................. 2 1.4 Estrutura do Trabalho ............................................................................................. 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 4 2.1 Punção ..................................................................................................................... 4 2.1.1 Considerações Iniciais ......................................................................................... 4 2.1.2 Histórico .............................................................................................................. 6 2.1.3 Sistemas de Reforço de Lajes contra Punção ...................................................... 7 2.2 Reforço de Estrutura de Concreto Armado com Materiais Compósitos............... 12 2.2.1 Sistema Compósitos .......................................................................................... 12 2.2.2 Materiais Constituintes do Sistema Compósito ................................................ 14 2.2.3 Histórico da Utilização de Materiais Compósitos na Construção Civil ............ 16 2.2.4 Aplicações ......................................................................................................... 17 2.3 Sistemas de Reforço ao Cisalhamento em Lajes com PRFC ................................ 24 2.3.1 Sistema Stitch - (SISSAKIS, 2002) ................................................................... 24 2.3.2 Sistema Dowel - (ERDOGAN, 2010) ............................................................... 25 2.4 Pesquisas Experimentais sobre Utilização de PRFC como Reforço ao Cisalhamento de Lajes Lisas ............................................................................................ 27 2.4.1 Sissakis (2002) .................................................................................................. 27 2.4.2 Binici (2003) ..................................................................................................... 31 2.4.3 Widianto (2006) ................................................................................................ 33 2.4.4 Erdogan (2010) .................................................................................................. 35 2.5 Prescrições Normativas ......................................................................................... 37 2.5.1 Considerações Iniciais ....................................................................................... 37 2.5.2 ACI 318 (2011) ................................................................................................. 39 2.5.3 EUROCODE 2 (2004) ...................................................................................... 40 2.5.4 ABNT NBR 6118 (2007) .................................................................................. 41 2.5.5 Model Code (2010) ........................................................................................... 42 2.5.6 ACI 440.2R (2008) ............................................................................................ 46 ix