Simulação computacional de estruturas de concreto reforçadas com aço e compósitos de fibra de carbono

Abstract

Resumo: Devido aos processos de deterioração que ocorrem nas edificações, é cada vez maior a demanda por soluções que reabilitem ou reforcem construções, surgindo novas técnicas que ajudam a restabelecer a segurança estrutural. Dentre elas, podese citar reforços que utilizam compósitos de fibra de carbono (CFRP), uma tecnologia que surgiu na indústria aeronáutica e que cada vez mais está sendo empregada na área da construção civil. Alguns dos fatores que estão levando a maior utilização de tais materiais são as suas excelentes propriedades mecânicas aliadas com o baixo peso. Entretanto, um fator que ainda limita a sua expansão de mercado é o seu elevado custo. Devido a isso, um projeto de reforço que utilize este tipo de material deverá otimizar a solução para buscar um equilíbrio entre o benefício técnico e o custo econômico. Embora existam modelos analíticos que permitam a avaliação estrutural deste sistema de reforço, a modelagem computacional pode proporcionar uma visão mais aprofundada do problema, permitindo ao projetista avaliar parâmetros que não podem ser obtidos por outras técnicas, sendo esse o principal enfoque deste trabalho. A modelagem computacional é uma área ampla, onde diversos métodos numéricos podem ser utilizados, destacando-se o Método dos Elementos Finitos na área de análise estrutural, um dos métodos mais robustos e eficazes, sendo utilizado para o desenvolvimento deste trabalho através do software comercial ABAQUS ®. Os modelos constitutivos utilizados são baseados na Mecânica do Dano, utilizando- se também os conceitos de energia de fratura. Foram realizadas simulações de vigas de concreto sem e com reforço de CFRP. A aderência do reforço foi analisada considerando-se a união perfeita dos materiais e também através de um Modelo de Zona de Coesão, o que permite a consideração mais realista das propriedades do adesivo químico de ligação reforço/concreto e do sistema como um todo. Os resultados obtidos se mostraram muito próximos e satisfatórios quando comparados com os disponíveis na literatura, sejam de simulações numéricas ou de ensaios experimentais. Palavras-chave: Elementos finitos, estruturas de concreto, compósitos de fibra de carbono, reforço estrutural.

Abstract: Due to the deterioration processes that occur in buildings, the demand for solutions that strengthen or rehabilitate constructions are increasing, emerging new techniques that help restore the structural safety. Among these techniques, it is possible to mention the carbon fiber reinforced polymer (CFPR), a technology that has emerged in the industry and it is increasingly being employed in civil construction. Some of the factors that led to large-scale use of these materials are its excellent mechanical properties coupled with low weight. However, a factor that also limits its widespread use is its high cost. Because of this, a project of reinforcements that uses this type of material should optimize the solution to reach a balance between technical benefit and economic cost. Although there are analytical models that enable the evaluation of the structural reinforcement system, computational modeling can provide further insight into the problem, allowing the designer to evaluate parameters that can not be obtained by other techniques, being this the main focus of this work. Computer modeling is a large area where several numerical methods can be used, highlighting the Finite Element Method in the area of structural analysis, one of the most robust and effective methods, being used to develop this work through the commercial software ABAQUS®. The constitutive models used are based on Damage Mechanics, also using the concepts of fracture energy. Simulations of concrete beams with and without CFRP strengthening were performed. The reinforcement adhesion was analyzed considering the perfect union of the materials and also through a Cohesion Zone Model, which allows more realistic consideration of the chemical adhesive properties in the reinforcement/concrete bond. The results were compared with those available in the literature, whether numerical simulations or experimental trials. Keywords: Finite elements, concrete structures, composite carbon fiber, structural reinforcement.