Reforço em fibra de carbono

1. Visão geral do projeto

O projeto Zhuanghe Xintiandi Commercial City tem três pisos acima do solo, uma área construída de 49.606 metros quadrados e uma estrutura de betão armado. O projecto teve início em Outubro de 2006 e a construção em Março de 2007. A construção do projecto estrutural principal foi concluída em Agosto de 2007. Em Outubro de 2007, durante o processo de promoção do investimento, o proprietário alterou a função de utilização. A carga útil de cerca de 5.000 metros quadrados no terceiro piso aumentou de 5 kN/m² para 7 kN/m², de acordo com o projeto original.. 

Após a verificação e o cálculo pela unidade de projeto original, a fundação e as colunas têm capacidade de suporte suficiente, e as vigas e lajes têm capacidade de flexão e cisalhamento insuficiente, sendo necessário reforço.

Após discussão e pesquisa por todas as partes envolvidas no projeto, foi decidido utilizar tecnologia de reforço de fibra de carbono para reforçar as vigas e lajes do segundo piso original numa grande área.

2. Desempenho do material

A fibra de carbono possui a maior resistência entre os materiais de engenharia conhecidos no mundo, e é particularmente notável pela sua elevadíssima resistência à tracção e módulo de elasticidade. A densidade do tecido de fibra de carbono feito de material compósito é reduzida a um quinto da do aço. É um material muito leve e, ao mesmo tempo, um novo material com excelentes propriedades mecânicas. A fibra de carbono utilizada na engenharia é feita de poliacrilonitrilo (PAN) de alta pureza como matéria-prima, processada em filamentos de fibra muito finos através de processos especiais, como a carbonização a alta temperatura, que aumenta significativamente a área superficial de uma determinada quantidade de fibra e é mais propícia ao fortalecimento da ligação com a goma. Durante a construção, a cola de resina penetra completamente entre as fibras para envolver completamente cada filamento de fibra e formar um material compósito com excelentes propriedades físicas. Os testes comprovaram que a resistência à tracção da fibra de carbono pode atingir mais de 4500N/mm e, após a formação de um material compósito, é superior a 3500N/mm, o que é cerca de 9 vezes e 7 vezes superior ao aço estrutural de liga comum. O módulo de elasticidade do compósito de fibra de carbono é ligeiramente superior ao do aço comum e apresenta também uma excelente resistência à corrosão. É especialmente adequado para projetos de reforço estrutural em zonas costeiras com um elevado teor de iões cloreto no ar.

3. Princípios

3.1 Princípios gerais do design de fibras de carbono

(1) Durante o projeto, o tecido de fibra de carbono é convertido na quantidade de varões de aço de acordo com a resistência, e a secção sintetizada é calculada de acordo com o mesmo método do cálculo de flexão dos elementos de betão armado para resistir conjuntamente à carga dinâmica provocada pela força externa do projeto e ao aumento da carga estática;

(2) A teoria de cálculo adota o método do estado limite para calcular o estado limite de capacidade de suporte e o estado limite de utilização:

(3) A fibra de carbono está disposta ao longo da direção do reforço principal onde a resistência do elemento de betão armado é insuficiente;

(4) Podem ser utilizados tipos fechados, em forma de U ou de fixação lateral para reforço de cisalhamento; a direção da fibra deve ser perpendicular à direção do eixo.

3.2 Hipóteses básicas para o cálculo da capacidade de suporte final de elementos de flexão

(1) O efeito do betão na zona de tração é ignorado;

(2) Após a viga ser dobrada, as deformações do betão, do aço e da fibra de carbono conformam-se com o pressuposto de secção plana;

3.3 Requisitos gerais de construção

(1) A fibra de carbono deve ser colada na borda inferior da zona de tensão da viga. Se for necessário colá-la na lateral da viga, esta deverá ser limitada a 1/4 da altura da viga. A área da fibra de carbono na lateral deve ser multiplicada pelo fator;

(2) O número de camadas de ligação de fibra de carbono não deve exceder cinco; para fibras de carbono multicamadas, deve ser considerada a redução do coeficiente de co-trabalho. O excesso de camadas de fibra de carbono levará à falha frágil da estrutura de betão;

(3) O efeito da colagem de tiras e do reforço de fibra de carbono é melhor do que o da colagem de largura total;

(4) A pasta de fibra de carbono deve ser ancorada de forma fiável, e o comprimento de ancoragem deve ser determinado por cálculo, podendo ser adicionadas características de ancoragem adicionais quando necessário;

(5) A parte onde o tecido de fibra é ligado (alongado) adota uma estrutura sobreposta. O comprimento da parte sobreposta é tal que o comprimento de sobreposição do tecido de fibra de carbono ao longo da direção da fibra não deve ser inferior a 150 mm. As extremidades do tecido de fibra de carbono devem ser fixadas com fibra de carbono transversal ou aço colado.

4. Comparação técnica e económica

Comparativamente com outros materiais de reforço, os materiais de fibra de carbono apresentam as seguintes vantagens:

4.1. Alta resistência e alta eficiência. A resistência à tracção dos materiais compósitos de fibra de carbono ultrapassa os 3500 mMpa, a resistência à tracção é cerca de 10 vezes superior à do aço e o módulo de elasticidade à tracção ultrapassa os 2,35 × 105 Mpa, semelhante ao das barras de aço, sendo adequado para o reforço e reparação de estruturas de betão. Inibe o crescimento de fissuras, melhora e otimiza a resistência e a tenacidade do betão e prolonga a sua vida útil.

4.2. Resistência à corrosão. Os materiais de fibra de carbono são quimicamente estáveis e não reagem quimicamente com ácidos e álcalis. Por conseguinte, os elementos de betão armado feitos de fibra de carbono apresentam uma boa resistência à corrosão e durabilidade.

4.3. Sem aumentar o peso e o volume dos componentes, a densidade da fibra de carbono é apenas 1/4 da do aço. A espessura é inferior a 0,5 mm, o que permite um forte efeito de reforço sem aumentar o peso e o tamanho da secção transversal da estrutura original.

4.4. Boa resistência à fadiga. A resistência à fadiga dos compósitos de fibra de carbono é superior à dos arames de alta resistência. Sob a acção de tensões variáveis comunicantes, o limite de fadiga dos materiais metálicos é apenas de 30% a 40% da resistência à carga estática. Uma vez que a fibra e o compósito básico podem facilitar o crescimento de fissuras e a possibilidade de redistribuição da força interna da fibra, o limite de fadiga dos materiais compósitos é relativamente elevado, cerca de 70% a 80% da resistência à carga estática, e existem sinais significativos de deformação antes da rotura.

4.5. Ampla aplicação. Pode ser amplamente utilizado no reforço estrutural e sísmico de vigas, colunas, lajes, paredes e outros componentes de edifícios industriais e civis, bem como de caminhos-de-ferro, pontes rodoviárias, túneis, vias elevadas, chaminés e outras estruturas. Pode ser utilizado para reforçar estruturas complexas, como superfícies curvas e nós.

4.6. Fácil de construir. No projeto de reforço de tecido de fibra de carbono, o processo de construção não requer grandes máquinas de construção, o estaleiro de construção é pequeno, não há trabalho húmido e a eficiência do trabalho é elevada.

As vigas e lajes do segundo andar do Zhuanghe Xintiandi Commercial City foram reforçadas com fibra de carbono para satisfazer as necessidades do proprietário. Devido à sua validade económica e técnica, serão amplamente utilizadas em projetos reais.