Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica

Fernando Eduardo Macedo da Cunha março de 2022 UMinho | 2022 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica Universidade do Minho Escola de Engenharia Fernando Eduardo Macedo da Cunha Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica março de 2022 Tese de Doutoramento Engenharia Civil Trabalho efetuado sob a orientação de Professor Doutor Raúl Manuel Esteves Sousa Fangueiro Professora Doutora Graça de F. M. de Vasconcelos Fernando Eduardo Macedo da Cunha Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica Universidade do Minho Escola de Engenharia Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica iii Agradecimentos Desejo exprimir os meus agradecimentos a todos aqueles que, de alguma forma, permitiram que esta tese de doutoramento se concretizasse. Em primeiro lugar agradecer ao Prof. Raul Fangueiro pela oportunidade concedida e pela motivação constante ao longo de toda esta caminhada. Obrigado acima de tudo pela amizade sempre demonstrada, ao longo de todo o processo. Agradeço, de igual forma, à Prof. Dr. Graça Vasconcelos, todas as conversas que, de uma forma ou de outra, sempre deram resultados práticos importantes. Gostaria também de agradecer aos meus colegas da Fibrenamics da Universidade do Minho, nomeadamente Engº Fernando Leite, Engº José Sousa, Diogo Cachetas e, com um particular destaque, para o Engº Carlos Mota e Engº João Bessa por todo o apoio e companheirismo demonstrados. Um agradecimento especial à minha Família, Mãe, Pai, Irmão e, particularmente, à minha esposa que sempre foram uma fonte de motivação, resiliência e suporte para que esta tese fosse concluída com sucesso. A todos um muito obrigado por mais esta página escrita na minha vida Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica v Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias, para prevenção sísmica. Resumo O objetivo do presente trabalho consistiu no desenvolvimento de uma nova classe de polímeros reforçados por fibras, nomeadamente Varões Compósitos Entrançados (BCR´s). Assim, o objetivo traçado para a presente tese centrou-se no desenvolvimento de BCR´s com pseudoductilidade com vista ao melhoramento do desempenho mecânico e BCR´s com monitorização que permitam monitorizar deformações experimentadas pelo reforço quando solicitado por uma determinada ação mecânica. Assim, numa primeira parte do trabalho foram desenvolvidas técnicas que permitissem a produção de BCR´S com a incorporação das tecnologias mencionadas anteriormente. Para além disso, neste âmbito, foram igualmente adaptados métodos de ensaio que permitissem avaliar o desempenho associado à pseudoductilidade e à capacidade de monitorização dos varões. Para o desenvolvimento de BCR´s com Pseudoductilidade foram exploradas duas abordagens, nomeadamente: (a) pseudoductilidade a partir da incorporação de materiais fibrosos com diferentes propriedades mecânicas (alongamento na rotura); (b) pseudoductilidade a partir da utilização de materiais dúcteis (aço) em combinação com fibras de Vidro e Basalto. Desta forma, foi possível concluir que a partir de fibras com diferentes alongamentos na rotura é possível induzir um comportamento pseudo-ductil em BCR´s. No que diz respeito à monitorização, foram estudadas as seguintes situações: (a) introdução de filamentos intrinsecamente condutores; (b) funcionalização de filamentos de fibra de vidro com materiais condutores, nomeadamente nanotubos de carbono. No âmbito do presente estudo foi possível desenvolver novas funcionalizações no que diz respeito aos BCR no sentido de as capacitar de propriedades piezoresistivas em ensaios de tração cíclicos. Palavras Chave: Pseudoductilidade, monitorização, varões compósitos, alvenaria. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica vi Development of smart fibrous materials for the reinforcement of masonry, for seismic prevention. Abstract The aim of this work was to develop a new class of fiber reinforced polymers, namely Braided Composite Rods (BCR's). Thus, the objective outlined for this thesis focused on the development of BCR's with pseudoductility to improve the mechanical performance and BCR's with capability that allows the monitoring of deformations experienced by reinforcement when requested by specific action. Thus, in the first part of the thesis, the techniques associated with the BCR's development process for the incorporation of the previously described technologies are described. In this context, new tests methods were also studied and developed. For the development of BCR's with pseudoductility, two techniques were explored, namely: (a) pseudoductility from the incorporation of fibrous materials with different mechanical properties (elongation at break); (b) pseudoductility from the use of ductile materials (steel) in combination with fiberglass and Basalt. Thus, it was possible to conclude that from fibers with different elongations at break, it is possible to induce a pseudo-ductile behavior in BCR's. With regard to self-sensing, the objective was to study the following techniques: (a) introduction of intrinsically conductive filaments; (b) functionalization of glass filaments with conductive materials, namely carbon nanotubes. Within the scope of this study, it was possible to develop new functionalizations with regard to BCR in order to enable them to have piezoresistive properties in cyclic tensile tests. Keywords: Pseudoductility, self-sensing, composite rods, masonry Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica vii Índice 1 Introdução .................................................................................................................. 1 1.1 Motivação ....................................................................................................................... 2 1.2 Objetivos ........................................................................................................................ 2 1.3 Estrutura da tese ............................................................................................................. 3 2 Estado do conhecimento ............................................................................................. 4 2.1 Introdução ...................................................................................................................... 4 2.2 Polímeros reforçados por fibras ...................................................................................... 7 2.2.1 Argamassas reforçadas por materiais fibrosos (TRM) ..................................................................... 7 2.2.2 Varões compósitos entrançados (BCR-RW) ................................................................................... 10 2.3 Ductilidade em polímeros reforçados por fibras ............................................................ 17 2.3.1 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos - incorporação de materiais dúcteis ...... 18 2.3.2 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos - utilização de diferentes tipos de fibras com extensões na rotura distintas. .............................................................................................................. 19 2.3.3 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos, através da manipulação das estruturas fibrosas de reforço. ...................................................................................................................................... 21 2.4 Monitorização em compósitos poliméricos reforçados por fibras .................................. 22 2.5 Considerações finais ...................................................................................................... 27 3 Produção de Varões Compósitos Entrançados (BCR): materiais e métodos ................ 28 3.1 Técnica de desenvolvimento de varões compósitos BCR ............................................... 28 3.1.1 Fase 1 – Alimentação de fibras ...................................................................................................... 30 3.1.2 Fase 2 – Impregnação das fibras ................................................................................................... 32 3.1.3 Fase 3 – Entrançamento ................................................................................................................ 33 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica xiv FIGURA 71. VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA E DA EXTENSÃO DOS VARÕES COMPÓSITOS COM FILAMENTO DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADO COM A FORMULAÇÃO B, SEM PRÉ-TRATAMENTO ALCALINO, SUBMETIDO A TRAÇÃO CÍCLICA, A EXTENSÕES DE 0,5% E 1%. ................................................................. 104 FIGURA 72. VARIAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA E DA EXTENSÃO DOS VARÕES COMPÓSITOS COM FILAMENTO DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADO COM A FORMULAÇÃO B, COM PRÉ-TRATAMENTO ALCALINO, SUBMETIDO A TRAÇÃO CÍCLICA, A EXTENSÕES DE 0,5% E 1%. ................................................................. 105 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica xv ÍNDICE DE QUADROS QUADRO 1 PROPRIEDADES DA FIBRA DE BASALTO (LARRINAGA, ET AL., 2013) ..................................................... 8 QUADRO 2 PROPRIEDADES DA MALHA DE REFORÇO (LARRINAGA, ET AL., 2013) ................................................. 8 QUADRO 3 PROPRIEDADES DA MALHA COMERCIAL DA S&P ............................................................................... 12 QUADRO 4 PROPRIEDADES DA MALHA COMERCIAL DA MAPEGRID .................................................................... 12 QUADRO 5 DESCRIÇÃO DAS AMOSTRAS (MARTINS, 2013). .................................................................................. 15 QUADRO 6 - BREVE RESUMO SOBRE AS TÉCNICAS DE DISPERSÃO. ...................................................................... 25 QUADRO 7 DIMENSÕES DOS TUBOS EM AÇO PARA ANCORAMENTO DOS VARÕES ............................................ 37 QUADRO 8 PROPRIEDADES FÍSICAS DA COLA SIKADUR 32-EF ®. .......................................................................... 39 QUADRO 9 MATERIAIS FIBROSOS UTILIZADOS NA PRODUÇÃO DE VARÕES COMPÓSITOS (CUNHA, ET AL., 2014). ..................................................................................................................................................................... 46 QUADRO 10 MATERIAIS POLIMÉRICOS USADOS NA PRODUÇÃO DE VARÕES COMPÓSITOS. .............................. 48 QUADRO 11 MATERIAIS FIBROSOS UTILIZADO NO DESENVOLVIMENTO DOS VARÕES DE REFERÊNCIA. ............ 49 QUADRO 12 APRESENTAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DOS BCR´S HÍBRIDOS ................................................................ 50 QUADRO 13 COMPOSIÇÃO DOS BCR´S HÍBRIDOS ................................................................................................. 50 QUADRO 14 CARATERÍSTICA DA RESINA UTILIZADA NA PRODUÇÃO DE VARÕES COMPÓSITOS HÍBRIDOS. ........ 51 QUADRO 15 MATERIAIS FIBROSOS UTILIZADO NO DESENVOLVIMENTO DOS VARÕES ENTRANÇADOS COM A INCORPORAÇÃO DE AÇO. ............................................................................................................................ 53 QUADRO 16 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DE FILAMENTOS CONDUTORES UTILIZADOS PARA A PRODUÇÃO DE VARÕES COMPÓSITOS ENTRANÇADOS. ....................................................................................................... 54 QUADRO 17 MATERIAIS FIBROSOS UTILIZADOS NO DESENVOLVIMENTO DOS VARÕES ENTRANÇADOS COM A INCORPORAÇÃO DE FILAMENTOS CONDUTORES. ....................................................................................... 54 QUADRO 18 MATERIAIS UTLIZADOS PARA A FUNCIONALIZAÇÃO DA FIBRA DE VIDRO. ....................................... 58 QUADRO 19 MATERIAIS UTILIZADOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE BCR´S COM AS FORMULAÇÕES B E C ..... 58 QUADRO 20 APRESENTAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DOS VARÕES COM PSUDOCDUCTILIDADE ........................ 60 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica xvi QUADRO 21 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR 100% CARBONO. ................................................................. 61 QUADRO 22 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR 100% VIDRO. ....................................................................... 62 QUADRO 23 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR 100% BASALTO. ................................................................... 63 QUADRO 24 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR_H1. ...................................................................................... 64 QUADRO 25 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR_H2. ...................................................................................... 65 QUADRO 26 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR_H3. ...................................................................................... 66 QUADRO 27 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR_H4 ....................................................................................... 67 QUADRO 28 RESUMO DAS PROPRIEDADES DO BCR´S EM MONOMATERIAL NO NÚCLEO. .................................. 68 QUADRO 29 VALORES DE ℇP - DEFORMAÇÃO PSEUDODUCTILIDADE (%), PARA AS AMOSTRAS DE BCR: 100% CARBONO, 100% VIDRO E 100% BASALTO .................................................................................................. 70 QUADRO 30 RESUMO DAS PROPRIEDADES DO BCR´S HÍBRIDOS NO NÚCLEO ..................................................... 71 QUADRO 31 VALORES DE ℇP - DEFORMAÇÃO PSEUDODUCTILIDADE (%), PARA AS AMOSTRAS DE BCR_1, BCR_2, BCR_3 E BCR_4 ............................................................................................................................................. 72 QUADRO 32 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE VIDRO E AÇO (1,6MM). ............................... 75 QUADRO 33 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE VIDRO E FILAMENTO DE AÇO (2MM). ........ 76 QUADRO 34 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE VIDRO E AÇO (2,5MM). ............................... 77 QUADRO 35 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE BASALTO E FILAMENTO DE AÇO (1,6MM). . 78 QUADRO 36 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE BASALTO E FILAMENTO DE AÇO (2 MM). ... 79 QUADRO 37 PROPRIEDADES DETALHADAS DO BCR COM FIBRA DE BASALTO E FILAMENTO DE AÇO (2,5 MM). 80 QUADRO 38 RESUMO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS BCR´S DESENVOLVIDOS COM A INCORPORAÇÃO DE AÇO NO NÚCLEO DE REFORÇO .................................................................................................................... 81 QUADRO 39 ℇP - DEFORMAÇÃO PSEUDODUCTILIDADE (%) DOS BCR´S DE VIDRO E BASALTO COM AÇO. .......... 83 QUADRO 40 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS FILAMENTOS DE AÇO E FIBRA DE CARBONO. ................ 90 QUADRO 41 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS VARÕES COM A INCORPORAÇÃO DE FILAMENTOS DE AÇO E FIBRA DE CARBONO. ................................................................................................................................. 92 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica xvii QUADRO 42 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE TRAÇÃO DOS FILAMENTOS DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADOS. ..................................................................................................................................................................... 95 QUADRO 43 RESISTÊNCIA ELÉTRICA, MEDIDA COM DISTÂNCIA ENTRE ELÉTRODOS DE 1CM, DE FILAMENTOS FUNCIONALIZADOS DE VIDRO. .................................................................................................................... 96 QUADRO 44 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS FILAMENTOS DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADOS COM CNTS, PARA A FORMULAÇÃO B. ................................................................................................................ 100 QUADRO 45 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS FILAMENTOS DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADOS COM CNTS, PARA A FORMULAÇÃO C. ................................................................................................................ 101 QUADRO 46 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS VARÕES COM OS FILAMENTOS DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADOS COM CNTS, PARA A FORMULAÇÃO B, COM PRÉ-TRATAMENTO ALCALINO. ............. 106 QUADRO 47 GAUGE FACTOR DETERMINADO PARA OS VARÕES COM OS FILAMENTOS DE FIBRA DE VIDRO FUNCIONALIZADOS COM CNTS, PARA A FORMULAÇÃO B, SEM PRÉ-TRATAMENTO ALCALINO. .............. 106 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 1 1 Introdução Os sismos ocorridos nos últimos tempos têm demonstrado que os painéis de alvenaria de enchimento continuam a não ser alvo da devida atenção na resposta das estruturas de edifícios de betão armado. Tal como demonstrado recentemente nos diferentes edifícios afetados por este fenómeno, as alvenarias podem ser largamente afetadas, podendo a sua reparação ou substituição apresentar custos elevados. Um evento sísmico é considerado um fenómeno natural extremo, não pode ser previsto e frequentemente conduz a danos significativos em estruturas de engenharia civil, nomeadamente edifícios de betão armado que não foram devidamente dimensionados para a ação sísmica. Os sismos ocorridos na Turquia (Kocaeli 1999, Duzce 1999, Bingol 2003 e Van 2011), Itália (L´Aquila 2009) e Espanha (Lorca 2011), revelaram em particular a vulnerabilidade de paredes de alvenaria existentes em edifícios de betão armado com o desenvolvimento de dano significativo ou mesmo colapso completo. De forma a solucionar as consequências anteriormente referidas, têm sido desenvolvidos sistemas de reforço mais eficientes no sentido de prevenirem o colapso das paredes de alvenaria. O reboco armado e em particular as argamassas reforçadas com fibras têxteis, designadas em língua inglesa por textile reinforced mortar ( TRM ) têm sido alvo de trabalhos de investigação recentes no que respeita ao melhoramento do comportamento sísmico de paredes de alvenaria não estrutural em edifícios de betão armado (S.Kouris & C.Triantafillou, 2018). Contudo, estes reforços ainda apresentam algumas lacunas do ponto de vista do seu desempenho. Um aspeto inovador no que respeita a esta solução de reforço consiste na possibilidade de ser possível efetuar monitorização de deformações associadas à ocorrência de sismos de reduzida intensidade que possam provocar algum dano não visível. A monitorização estrutural consiste num aspeto interessante e que poderá fornecer informação importante para avaliação do desempenho desta tipologia de reforço em paredes de alvenaria de tijolo. No entanto, as soluções de monitorização atuais não permitem detetar anomalias no material de reforço (Kima, et al., abril, 2020). Para além disso, soluções de reforço que simultaneamente permitam fazer monitorização de deformações podem apresentar custos avultados e incompatíveis com a sua utilização prática. O desenvolvimento de sistemas de reforço em paredes de alvenaria continua a ser uma área de investigação em aberto, com possibilidades de melhoramento do desempenho e introdução de novas possibilidades, nomeadamente ao nível de monitorização. O desenvolvimento de uma solução de reforço Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 2 para paredes de alvenaria sujeitas à ação sísmica consiste no principal tópico deste trabalho, quer do ponto de vista de monitorização, quer do ponto de vista de mecânico. 1.1 Motivação O Centro de Investigação sobre a Epidemiologia dos Desastres (CRED) da Universidade de Lovaina (Bélgica), revelou que na última década os terramotos foram responsáveis por 60% das mortes ocorridas em catástrofes naturais. Parte destas mortes deve-se não só ao colapso de edifícios, mas também pelo colapso de paredes de elementos não estruturais como o caso das paredes de alvenaria de tijolo de vedação em edifícios de betão armado. O melhoramento do comportamento mecânico de paredes sujeitas a ações sísmicas a partir da utilização de polímeros reforçados por materiais fibrosos, assumese como um tema atual e que poderá ser importante para o desenvolvimento de soluções de reforço para estruturas de alvenaria. O desenvolvimento da capacidade de monitorização poderá ser um avanço no que respeita à monitorização de deformações induzidas por sismos de pequena intensidade e diferenciador em relação a soluções existentes. Desta forma, os materiais compósitos e em particular os polímeros reforçados por fibras têm demonstrado possuir características mecânicas que podem ser exploradas em aplicações estruturais e não estruturais, onde naturalmente, surge o reforço de alvenarias. Neste particular, houve também avanços significativos na ciência e tecnologia dos materiais que podem agora ser utilizados neste domínio para minimizar os riscos anteriormente identificados. 1.2 Objetivos O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um novo tipo de polímeros reforçados por fibras para utilização em soluções de reforço para estruturas de alvenaria, nomeadamente Varões Compósitos Entrançados (BCR). A partir de resultados preliminares obtidos em vários trabalhos de investigação no âmbito de reforço de paredes de alvenaria de tijolo, pretende-se melhorar o desempenho mecânico dos varões entrançados, nomeadamente ao nível da capacidade de deformação. Adicionalmente pretende-se dotar estes elementos de reforço com capacidade de monitorização. Assim, Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 3 a presente tese centra-se no desenvolvimento de BCR´s com pseudoductilidade e de BCR´s com monitorização. Para o desenvolvimento de BCR´s com pseudoductilidade serão exploradas duas técnicas, nomeadamente: (a) pseudoductilidade a partir da incorporação de materiais fibrosos com diferentes propriedades mecânicas (alongamento na rotura); (b) pseudoductilidade a partir da utilização de materiais dúcteis em combinação com fibras de Vidro e Basalto. No que diz respeito à monitorização, o objetivo foi estudar as seguintes técnicas: (a) introdução de filamentos intrinsecamente condutores; (b) funcionalização de filamentos de vidro com materiais condutores, nomeadamente nanotubos de carbono. 1.3 Estrutura da tese A presente tese encontra-se segmentada em seis capítulos distintos, no sentido de proporcionar uma organização científica do trabalho efetuado. Assim, o Capítulo 1 é dedicado à Introdução onde são apresentadas as motivações, objetivos e organização da tese. De seguida é apresentado um segundo capítulo com uma revisão crítica do estado-da-arte no que se refere à incorporação de pseuductilidade e de capacidade de monitorização em materiais compósitos poliméricos de reforço fibroso. Segue-se um capítulo 3 onde se apresenta o trabalho técnico-científico realizado acerca dos métodos e técnicas dedicado às métodos e técnicas para desenvolver pseudoductilidade e Capacidade de monitorização aos varões entrançado (BCR´s). Os capítulos 4 e 5 são dedicados à apresentação dos resultados obtidos na avaliação do desempenho dos BCR´s em termos de da pseudoductilidade e capacidade de monitorização, respetivamente. De seguida, com base nos resultados obtidos, serão apresentadas as conclusões do presente trabalho e citadas algumas sugestões de trabalhos futuros. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 4 2 Estado do conhecimento 2.1 Introdução Conforme referido no enquadramento do presente documento, os sismos têm-se revelado um fenómeno natural extremamente destrutivo, não apenas de bens materiais, mas também com influência ao nível das perdas humanas. Ainda que exista um mapa da sismicidade mundial e sismicidade esteja razoavelmente caracterizada na grande maioria dos países, os sismos consistem num fenómeno de origem natural, apresenta uma grande imprevisibilidade e ocorre, por isso, sem aviso prévio. A ocorrência de sismos traduz-se na maioria dos casos em consideráveis perdas económicas devido ao elevado nível de dano induzido em estruturas existentes, particularmente em edifícios de alvenaria não armada e mesmo em alvenarias não estruturais, como é o caso das paredes de vedação construídas em estruturas em betão armado. Em particular, no caso das paredes de alvenaria de vedação/enchimento, a melhoria do seu comportamento sísmico deverá passar por soluções de reforço que visem o melhoramento do comportamento no plano e fora do plano das paredes, ver Figura 1. Figura 1 Problemática, danos típicos e prevenção dos sismos em alvenarias (Kaveh, et al., 2020). A alvenaria consiste num material compósito resultante da associação de unidades de alvenaria (tijolos, blocos, pedras, entre outras) ligadas entre si com recurso a argamassa, que permite a uniformização e transferência de tensões (Roque & Lourenço, 2003). As paredes de alvenaria sofreram ao longo das últimas décadas uma evolução desde a alvenaria de pedra, ainda utilizada como elemento estrutural, até •Comportamento inadequado das paredes de alvenaria de enchimento face a ações sismicas Problemática •Fendilhação diagonal devida a ações no plano Danos •Destacamento dos panos de alvenaria para fora do plano devido a ações perpendiculares à parede Danos •Reforço do pano de alvenaria através de materiais fibrosos Prevenção Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 5 às alvenarias não estruturais que passaram a ser construídas em estruturas de betão armado, como por exemplo paredes de vedação ou divisórias. Anos 40 Anos 50 Anos 60 Anos 70 Anos 80 Anos 90 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 2 Evolução das paredes de alvenaria ao logo das últimas décadas (Cunha, et al., 2011). Na Figura 2, apresenta-se a evolução das paredes de alvenaria desde a década de 40 até aos anos 90 (Cunha, et al., 2011), em que: (a) Anos 40: Paredes simples de alvenaria de pedra (função estrutural); (b) Anos 50: Paredes de pedra com pano interior de tijolo com furação horizontal e eventual caixa-de-ar; (c) Anos 60: Paredes de tijolo de pano duplo e caixa-de-ar, como pano interior de maior espessura; (d) Anos 70: Paredes de tijolo de pano duplo com panos de espessura igual nos panos; (e) Anos 80: Paredes de tijolo de pano duplo com isolamento térmico, preenchendo total ou parcialmente a caixa-de-ar; Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 6 (f) Anos 90: Paredes tijolo de pano simples ou betão com isolamento térmico pelo exterior. Os painéis de alvenaria de enchimento são suscetíveis à aceleração induzida pela ação sísmica, de modo que no caso de paredes de pano duplo, as ligações entre os panos e a ligação das paredes aos pórticos seja importante para garantir roturas para fora do plano de acordo com o que indica na A Figura 3 (Cunha, et al., 2011) . Por outro lado, as paredes de alvenaria de enchimento alteram significativamente o comportamento global do edifício em betão armado quando submetido à ações do sismos, por exemplo ao nível da rigidez. Quando as paredes estão aderentes aos pórticos, verifica-se a transferência de forças horizontais de corte dos pilares para as paredes resultando frequentemente na concentração de tensões ao longo da diagonal das paredes, que se for ultrapassada pela resistência da alvenaria resulta em fendilhação diagonal (Abreu, 2011). A Figura 3 apresenta exemplos de colapso de paredes com ligações deficientes ou inexistentes à estrutura de betão armado (Abreu, 2011) Neste contexto, têm vindo a ser desenvolvidas diversas técnicas de reforço com o objetivo de melhorar o comportamento de paredes de alvenaria de enchimento à ação sísmica, nomeadamente através da adoção de materiais fibrosos. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 13 Figura 9 Resultados do ensaio de flexão: diagramas força-deslocamento (Gómez, 2012) Os autores verificaram que a solução de reforço composto por uma malha comercial de fibra de vidro (Mapei) promove uma maior ductilidade em relação às restantes amostras testadas. Por outro lado, é possível observar que o provete reforçado com compósito “4g6” apresenta um comportamento semelhante ao reforço comercial com fibra de vidro, ainda que a carga de rotura seja inferior. Esta malha de reforço, conjuntamente com a malha 2g3 apresentam melhor comportamento comparativamente com a malha 2g6, o que se justifica pela maior quantidade de reforço. No provete reforçado com a malha de varões compósitos 2g6, não se verifica um comportamento muito diferente do provete não reforçado. Também neste trabalho se verificou existir uma elevada margem de progressão para o aperfeiçoamento em termos de aderência entre as malhas de reforço e a argamassa uma vez que se verificou deslizamento das malhas de reforço em relação à argamassa. Assim, houve necessidade de integrar posteriormente o estudo de aderência entre o material fibroso e argamassa bem como a durabilidade do reforço ao longo do tempo. A aderência entre o material de reforço e a argamassa de revestimento é um aspeto fundamental no seu desempenho, para a qual um comprimento de ancoragem suficiente deve ser garantido de modo a permitir a total mobilização da resistência do reforço TRM (Barros & Costa, 2010). Desta forma, foi levada a cabo uma campanha experimental para avaliação da aderência dos varões entrançados e argamassa (Martins, 2013). Para este efeito, desenvolveram-se diferentes varões compósitos entrançados para o reforço de provetes de alvenarias (BCR-RW). As modificações introduzidas das diferentes soluções BCRRW relacionaram-se com a rugosidade superficial no sentido de melhorar a aderência e assim as Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 14 condições de amarração da malha de reforço. Para este efeito as alterações de processo consistiram em criar nervuras, a partir dos filamentos fibrosos que compõem a camada externa do entrançado. Tal como se pode verificar na Figura 10, existe uma zona amarela que constitui a representação da área teórica de aderência entre a argamassa e a superfície do compósito. A distância X, entre nervuras representa o comprimento de contacto entre a estrutura do entrançado formado com oito fios que vai ser responsável pelo espaçamento entre os filamentos e a letra Y representa a altura dessa mesma estrutura (rugosidade). Estas propriedades dependem sempre das propriedades estruturais do entrançado, como o ângulo de entrançamento, diâmetro do núcleo e número de fios utilizados para conceber a rugosidade (Cunha, et al., 2014). Figura 10 Representação esquemática da área de aderência de um varão entrançado (Cunha, et al., 2014). No seguimento deste estudo preliminar, (Martins, 2013) desenvolveu um estudo aprofundado sobre o efeito da rugosidade dos varões entrançados na aderência com a argamassa. Desta forma introduziu alterações no processo de produção dos entrançados compósitos, nomeadamente ao nível do diâmetro da matéria-prima dos alimentadores, do número de alimentadores alterados e da velocidade de tiragem do material. No Quadro 5 podem ser observadas as diferentes amostras produzidas. De forma a caracterizar a aderência os materiais compósitos produzidos (Quadro 5) embebidos na argamassa foram realizadas duas campanhas experimentais distintas: (a) uma campanha de ensaios de aderência utilizando varões embebidos em cilindros de argamassa (diâmetro de 50mm e altura de 100mm (série 1) e diâmetro de 90mm e altura e 180mm (série 2)); (b) campanha experimental para simulação de condições mais reais com aplicação do reboco armado em tijolos cerâmicos. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 15 Quadro 5 Descrição das amostras (Martins, 2013). Figura 11 Representação esquemática de um BCR-RW, simples sem rugosidade (0evmin e 0evmax) (Martins, 2013). Os tijolos possuíam as dimensões de 150 mm de espessura, 200 mm de largura e 300 mm de comprimento, em que a malha foi embebida em cerca de 200 mm de comprimento e 100 mm de largura, numa matriz de argamassa com espessura de 20 mm. Tijolos cerâmicos de furação horizontal com estas dimensões foram também usados na caracterização do comportamento de provetes de alvenaria com reboco armado sujeitos à flexão (Martins, 2013). De forma a caracterizar o seu comportamento foram realizadas duas tipologias de malhas de reforço, 1evmin8 e 0evmin. Para comparar os resultados obtidos nas malhas de varões entrançados foram ainda analisadas duas malhas comerciais, S&P e Mapei, Figura 6e Figura 7, respetivamente. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 16 Através dos resultados obtidos em cilindros foi possível verificar que em relação ao padrão de arrancamento do varão, não se registou um comportamento padronizado nem repetitivo. Assim, com o aumento do destacamento do varão, verificou-se uma desagregação da argamassa e/ou deslizamento do varão ao longo da interface do varão com a argamassa (Martins, 2013). Os resultados dos ensaios de aderência das malhas embebidas na argamassa de reboco em tijolos estão ilustrados na Figura 13. Figura 12 Forças de arrancamento para cada tipo de varão compósito (BCR-RW) (Martins, 2013) Figura 13 Forças máximas médias obtidas para cada tipo de malha (Martins, 2013). (Cunha, et al., 2014) verificaram ainda que para as amostras analisadas a aderência da argamassa aos BCR-RW depende essencialmente da resistência da argamassa e do rompimento das fibras superficiais, da camada superficial, do BCR-RW. Relativamente ao segundo fator, o mesmo pode ser visualizado através da análise em microscopia eletrónica de varrimento (MEV) efetuada às amostras, antes (Figura 14 (a)) e depois do ensaio tração (Figura 14 (b), (c) e (d)). Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 17 Figura 14 Imagens obtidas através de microscopia eletrónica de varrimento da amostra de controlo e das amostras ensaiadas à tração (Cunha, et al., 2014) Desta forma, e segundo os estudos supramencionados (figura 13) ao longo deste sub capítulo é possível concluir que, em termos de aderência, a estrutura BCR-RW apresenta uma aderência superior é a “1evmax”. Assim, para se obter um efeito de imbricamento ótimo, os BCR-RW, deverão assumir esta forma, isto é: entrançado elaborado através da alimentação de 16 bobines, onde 15 bobinas irão conter um multifilamento de poliéster com uma massa linear de 11 tex (11g/km) e uma bobina com uma estrutura entrançada por 8 multifilamentos de poliéster de 11 tex. A velocidade de produção será de 1,07 m/min. 2.3 Ductilidade em polímeros reforçados por fibras Nos últimos vinte anos, tem-se assistido ao desenvolvimento de estruturas de reforço com elevada a capacidade de deformação até atingirem a rotura. Estas estruturas, em geral, são concebidas com materiais que possuem uma ductilidade elevada intrínseca. De acordo com (janeiro, 2007), a ductilidade pode ser entendida como uma boa medida da capacidade de deformação inelástica que uma estrutura consegue suportar sem ocorrer perda significativa da sua integridade estrutural. A ductilidade de materiais de reforço é importante na medida em que permite (Morais, 2005): (a) que exista um aviso prévio da rotura do material devido às grandes deformações verificadas; (b) a criação de um mecanismo Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 18 de transferência de esforços das zonas mais solicitadas para as zonas menos solicitadas. Este mecanismo permite aumentar o nível de confiança nos materiais de reforço; (c) dissipar a energia quando sujeita a carregamentos cíclicos, por exemplo no caso de sismos. Os materiais compósitos (FRP), onde se incluem os BCR´s, possuem em geral, um comportamento elástico linear até à rotura, sem o típico patamar de plasticidade do ac#o e podem apresentar rotura frágil. Neste contexto, surgiu a necessidade de se introduzir uma nova tipologia nos materiais compósitos com pseudoductilidade. A pseudoductilidade pode ser conseguida através do desenvolvimento de compósitos híbridos, utilizando mais do que uma tipologia de material fibroso (Wang & Belarbi, 2010), por variação do material utilizado, bem como da sua estrutura. Assim, existem essencialmente três metodologias a seguir de forma a conferir pseudoductilidade aos varões entrançados de material compósito (BCR), recorrendo para isso aos materiais fibrosos que o compõem, nomeadamente: 1Através da utilização de materiais que intrinsecamente já possuem comportamento dúctil, ou seja, materiais que possuem uma elevada capacidade de deformação plástica. Contudo, esta não é uma característica usualmente verificada nos materiais fibrosos, uma vez que tipicamente apresentam um comportamento frágil. 2Através da utilização de diferentes tipos de fibras (núcleo de reforço) com extensões de rotura distintas, de forma a obter um rompimento sequencial das mesmas. Assim, através da utilização de diferentes percentagens de fibra e de diferentes tipos de fibras, é possível obter diferentes níveis de ductilidade. 3Através da manipulação das estruturas fibrosas de reforço inserindo diferentes estruturas fibrosas num só material de reforço, criando desta forma um mecanismo em que diferentes estruturas fibrosas apresentam alongamentos diferenciados para a carga aplicada num determinado momento. 2.3.1 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos - incorporação de materiais dúcteis Diversos autores utilizaram esta técnica para criar materiais de reforço compósito dúcteis, através da incorporação de aço na composição do FRP (Kar & Pattnaik, 2019). Desta forma, é possível conferir comportamento dúctil a materiais que por natureza apresentam comportamento frágil. A Figura 15 ilustra Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 19 a secção transversal de um varão híbrido e o diagrama tensão vs extensão obtido num ensaio de tração. A incorporação de aço na composição de uma estrutura fibrosa compósita influência o comportamento mecânico, nomeadamente na obtenção de um patamar de deformação plástica. Verifica-se igualmente que o comportamento mecânico final do varão compósito é dado por duas fases distintas: numa primeira fase (até cerca de 0,25% de deformação) as fibras garantem a absorção das cargas, sendo depois transferidas para o aço, recriando desta forma uma ductilidade desenvolvida no varão. Verifica-se ainda que a rotura não é frágil, muito devido a heterogeneidade do núcleo de reforço do varão. (a) (b) Figura 15Corte transversal de um varão híbrido (a) e diagrama tensão vs extensão do varão híbrido (b) (Cui, et al., 2008) 2.3.2 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos - utilização de diferentes tipos de fibras com extensões na rotura distintas. A obtenção de ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos recorrendo à utilização de diferentes tipos de fibras com extensões de rotura distintas tem vindo também a ser alvo de estudos por parte da comunidade científica (Fotouhi, et al., 2019). Tal como referido anteriormente, este mecanismo de conferir pseudoductilidade tem como princípio a utilização simultânea de diferentes tipos de fibra com extensões de rotura diferentes. Esta característica resulta na rotura progressiva do reforço e consequentemente em diversos patamares de rotura correspondentes à rotura de cada uma das fibras que compõem o material compósito, conforme ilustrado na Figura 16. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 20 Figura 16 Diagrama tensão-extensão idealizado para compósitos híbridos (Wu, 2005) No material compósito, para o qual se ilustra o comportamento em tração na Figura 16, foram utilizados três tipos de materiais fibrosos, um tipo de fibra de alto módulo ou ultra alto módulo de elasticidade (HM e UHM), outra fibra de alta resistência e uma outra fibra mais resistente e com extensão de rotura elevada. Cada uma destas fibras assume as seguintes funções (Wu, 2005): Ø As fibras de alto módulo de elasticidade fornecem ao material compósito grande parte da rigidez e resistência necessária em serviço; Ø As fibras de alta resistência têm a função de contribuir para resistência para cargas em serviço, mas após a rotura fibras de alto módulo, assumem o papel de contribuir para que material compósito não perca resistência, ocorrendo um comportamento semelhante ao endurecimento do aço; Ø As fibras de grande extensão servem para adicionar ductilidade ao material compósito, garantido a rotura do material compósito para extensões elevadas. Do ponto de vista teórico e design do comportamento dos varões compósitos, as curvas expectáveis resultantes da hibridização podem ser teoricamente obtidas através da lei das misturas, de acordo com a fração em volume de cada fibra. Num material constituído por três tipos de fibras distintos, com uma distribuição volumétrica de fibras correta e com diferentes extensões de rotura, são identificáveis os diferentes patamares em que as fibras de reforço assumem a sua função. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 21 2.3.3 Ductilidade e pseudoductilidade em materiais fibrosos, através da manipulação das estruturas fibrosas de reforço. Os varões designados por FRP híbridos dúcteis, em literatura inglesa denominados por “Ductile hybrid FRP (D-H-FRP)”, foram desenhados para, através da “hibridização” de diferentes fibras, apresentarem uma curva tensão-extensão semelhante aos varões de aço, seja com um módulo de elasticidade da ordem dos 200 GPa, seja com um patamar posterior à carga de cedência que simulasse a ductilidade do aço. No desenvolvimento deste varão, duas técnicas de processamento poderão ser utilizadas, nomeadamente: entrançamento ( braiding ) e torção ( twisting ). O varão é composto essencialmente por 2 fases: uma estrutura tubular oca exterior, construída através da técnica de entrançamento, e um núcleo posicionado no interior do varão, composto por fibras alinhadas a 0º com a direção axial ou ligeiramente torcidos. Desta forma, podem-se alcançar determinadas características mecânicas, seja através da escolha dos materiais ou pela alteração da arquitetura do entrançado exterior e do núcleo. A técnica de entrançamento permite, quando aplicada para tal, criar uma estrutura entrançada exterior com saliências, importante na criação de aderência entre o betão e o varão (Harry G Harris, 2000), conforme ilustrado na Figura 17. O comportamento em tração apresenta uma fase elástica e após a cedência inicial, existe um progressivo endurecimento, ainda que acompanhado por sucessivas cedências, seguidas por redistribuição de tensões, resultantes em acréscimos de resistência e deformação. Figura 17 Esquema exemplificativo da estrutura entrançada utilizada (Harry G Harris, 2000). Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 22 2.4 Monitorização em compósitos poliméricos reforçados por fibras Na área da engenharia civil, a monitorização permite acompanhar o comportamento de um edifício ou de qualquer outra estrutura ao longo das fases de construção, utilização ou em situações de acidente. Neste contexto, a grande motivação para o desenvolvimento e aplicação de sistemas de monitorização baseia-se na possibilidade de acompanhamento do comportamento estrutural, o que auxilia na salvaguarda da segurança da estrutura e que pode ser útil do ponto de vista económico (Félix, 2004). Desta forma, a monitorização assume um papel principal no aumento da durabilidade e na garantia do bom desempenho das construções. A monitorização surge como meio eficaz para alertar, em tempo útil, a necessidade de eventuais ações de conservação e reabilitação (Marques, 2007). Atualmente, sob o ponto de vista técnico-científico, existem vários métodos de monitorização em estudo. Dos diferentes métodos/técnicas destacam-se a monitorização através da análise de vibrações, a monitorização com base em materiais piezorresistivos e a monitorização com base no comportamento ótico dos materiais (ex: fibra ótica). Estes diferentes métodos/técnicas são aplicados em diferentes situações: -Monitorização de vibrações consiste na avaliação da resposta estrutural a um estímulo vibracional. Esta técnica exige que os materiais a monitorizar não estejam confinados a outros materiais (Haj-Ali, et al., 2013). -Monitorização através do comportamento ótico dos materiais é efetuada por fibra ótica, havendo já soluções existentes no mercado. Este método permite leituras da tensão, extensão, temperatura e aceleração instantânea. Contudo apresenta custos avultados que é compatível com a sua aplicação como solução standard em estruturas convencionais. (Haj-Ali, et al., 2013) -Monitorização através de materiais piezoresistivos que possibilitam a combinação das propriedades de reforço com as características piezoelétricas (Haj-Ali, et al., 2013). Os materiais piezoelétricos apresentam a capacidade de alterar a sua resistência elétrica ou condutividade em função do estado de tensão e deformação a que estão sujeitos, sendo esta relação (resistência elétrica e tensão) proporcional. Desta forma, é possível utilizar o mesmo material de reforço para simultaneamente desempenhar as funções de reforço e de monitorização. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 29 Camada externa Núcleo de reforço Matriz Figura 20 Vista transversal do varão compósito Figura 21 Ilustração da vista transversal de um varão compósito (1) A camada externa é responsável pela proteção do núcleo de reforço durante o seu manuseamento e aplicação, funcionando igualmente como uma camada de proteção dos materiais utilizados contra os ataques físico-químicos, promovendo igualmente veículo para garantir a aderência do compósito com a argamassa de reboco. Por outro lado, terá ainda a responsabilidade de confinar as fibras que compõem o núcleo de reforço no seu interior. Para satisfazer os requisitos apresentados para a camada externa, nomeadamente capacidade de aderência e proteção, esta estrutura externa resulta da tecnologia de entrançamento de estruturas fibrosas, uma vez que, é uma tecnologia que permite obter uma estrutura tubular oca, onde, ao longo do processo, é permissível a introdução do núcleo de reforço no seu interior. (2) O núcleo de reforço é responsável pelo comportamento mecânico do varão compósito, BCR, uma vez que é neste núcleo que são introduzidas as fibras responsáveis pelo desempenho mecânico do compósito. Por outro lado, este será também o veículo utilizado para estudar a monitorização do BCR. Com esta abordagem será possível desenvolver núcleos de reforços previamente dimensionados que, para além de garantirem o adequado reforço da alvenaria, terão a capacidade de funcionarem como sensores para a monitorização. (3) A matriz terá como responsabilidade garantir a estabilidade dimensional do compósito, assim como assegurar a distribuição eficiente de carga pelas fibras que se encontram no núcleo de reforço e ainda oferecer proteção à superfície do compósito. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 30 Tal como referido anteriormente, os varões compósitos entrançados contemplam a integração de duas técnicas distintas, nomeadamente a técnica de pultrusão e a técnica de entrançamento. A integração das duas técnicas faz com que o material resultante, para além de inovador, seja totalmente customizado e otimizado para aplicação no reforço de alvenarias. O processo de desenvolvimento contínuo de varões compósitos para o reforço de alvenarias (BRC), pode ser observado na Figura 22, e contempla cinco fases, distintas entre si, como se pode observar na Figura 22: Fase 1-Alimentação de fibras; Fase 2-Impregnação de fibras; Fase 3-Entrançamento; Fase 4-cura e Fase 5-Tiragem. Figura 22 Processo de produção de varões compósitos (BCR) 3.1.1 Fase 1 – Alimentação de fibras A primeira fase do processo centra-se no cálculo da quantidade (fração) (teor) do material fibroso que constituirá o núcleo de reforço do varão, ou seja, define-se exatamente as quantidades de fibra a utilizar para cada um dos varões compósitos. Nesta fase, são selecionados os materiais fibrosos a utilizar de acordo com os requisitos da aplicação. Assim, para a definição dos materiais fibrosos são consideradas as seguintes propriedades: módulo de elasticidade das fibras, alongamento na rotura, tensão máxima, resistência química, densidade, massa linear, entre outros. O diâmetro dos varões é calculado através de alguns parâmetros, nomeadamente da área de secção do varão, calculada através da seguinte equação: 𝐴!"#çã&=𝑛'&()*+! ×𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎(𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟×10,- 𝛿×10. (1) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 31 Em que: -nrovings é o valor final do diâmetro teórico deve ser calculado posteriormente, através da equação: ø/01 =123 𝐴!"#çã& 1−𝑉234')56×4 𝜋9 (2) Em que: ø - É o diâmetro do vaão compósito (BCR); 𝐴!"#çã& – área de sessão transversal do varão; 𝑉234')5 – Volume ocupado pela matriz Um roving é constituído por um conjunto de filamentos contínuos de fibras, sem torção, e devem ser conservados nesse estado até ao seu processamento, de forma a não promover a separação dos filamentos. Assim, é essencial que todas as superfícies em contato com as mechas de filamentos estejam corretamente polidas e isentas de quaisquer poeiras ou detritos, de forma a não criar possíveis pontos de fragilidade na interface com o material de matriz. Para tal, existe uma estrutura metálica para a armazenamento das fibras e respetiva condução, através da passagem em olhais cerâmicos, tal como pode ser observado na Figura 23. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 32 Figura 23 Fase de alimentação na produção de varões compósitos (BCR) 3.1.2 Fase 2 – Impregnação das fibras Após a alimentação das fibras, sob a forma de roving, as mesmas são submetidas a um processo de impregnação. Este sistema de impregnação consiste num banho de resina, previamente preparada, no qual as fibras serão continuamente embebidas, tal como pode ser observado na Figura 24. De salientar que, antes da preparação da resina é necessário aplicar um desmoldante em todas as superfícies de contacto com esta, pois a resina adere a qualquer tipo de superfície após a cura. Desta forma assegurase a sua eliminação sem qualquer tipo de dificuldade no final do processo de produção. Figura 24 Fase de impregnação na produção de varões compósitos (BCR) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 33 3.1.3 Fase 3 – Entrançamento O princípio básico do entrançamento consiste no entrelaçamento de, pelo menos, dois sistemas de fios adquirindo-se assim uma estrutura entrançada tubular. A entrançadeira é constituída por 42 bobines de fio de poliéster, sendo utilizada sempre a sua capacidade completa, que permitem a obtenção da camada externa do entrançado do varão, tal como pode ser observado na Figura 25. Após a colocação das bobines, são colocados os multifilamentos nos fusos onde posteriormente serão puxados até à zona onde ocorre o entrançamento. O núcleo de fibras proveniente da fase anterior é então coberto pelo entrançado exterior de poliéster gerado pela movimentação circular dos fusos com bobines, tal como se pode observar na Figura 25. Nesta fase, obtém-se um excedente de resina, provocado pela força de compressão dos fios de poliéster sobre o núcleo. O excesso de resina é recolhido numa chapa de alumínio que se encontra na zona inferior da entrançadeira e aparafusada à câmara de cura para reaproveitamento no balseiro. Este mecanismo de entrançamento possui também um controlador de velocidade. Figura 25 Fase de entrançamento na produção de varões compósitos (BCR) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 34 3.1.4 Fase 4 – Cura A Fase 4 consiste na cura dos varões entrançados, que é realizada na câmara de cura, ilustrada na Figura 26. A câmara de cura tem dimensões de 2×0,50×0,50 metros, com dois orifícios nas paredes laterais, com 5 centímetros de diâmetro, para a entrada e saída do varão. Para a união destas várias peças foram colocados perfis metálicos galvanizados de 25×25 mm aparafusados. No interior, a câmara é constituída por um painel tipo sanduiche composto por duas chapas perfiladas contendo lã de rocha no seu interior, com 7,5 cm de espessura. A câmara tem como objetivo principal promover a cura ou polimerização da resina através do fornecimento de temperatura, para acelerar o pico exotérmico da polimerização, utilizando-se para este efeito uma temperatura de cerca de 150 °C. Este nível de temperatura pretende não danificar a camada exterior do entrançado. Como fonte de calor usam-se duas resistências elétricas, emitindo radiação no espectro dos infravermelhos com 1200 W e termóstato. Para o controlo da temperatura, é utilizado um equipamento com função on/off, o qual permite regular a temperatura através de uma sonda colocada no interior da câmara. Figura 26 Fase de cura na produção de varões compósitos (BCR) 3.1.5 Fase 5 – Tiragem O processo de tiragem é o último procedimento do sistema produtivo de varões compósitos em contínuo, ilustrado na Figura 27. Nesta fase, efetua-se a tiragem do material através de maxilas que funcionam de forma pneumática e que garantem a sua tração em contínuo a uma velocidade constante (aproximadamente 7,4 m/s). O sistema de tiragem situa-se a jusante da câmara de cura. Quando da Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 35 passagem do varão já curado nas roldanas dentadas, a tiragem do mesmo é realizada sem dano da superfície exterior do mesmo. Figura 27 Fase de tiragem na produção de varões compósitos (BCR) 3.2 Caracterização mecânica dos varões compósitos à tração Uma das características mecânicas chave dos varões compósitos consiste no comportamento à tração, dado que é essencialmente para resistir a estes esforços que se dimensionam estes varões. Vários estudos têm revelado que quando submetidos a esforços de tração, os varões compósitos entrançados (BCRs) que incorporam apenas matriz termoendurecível apresentam comportamento linear elástico antes de atingirem a rotura. São, por isso, normalmente considerados materiais frágeis, ou seja, que apresentam baixa deformação até atingirem a rotura e não apresentam, por isso, resistência após a carga máxima ser atingida. Os ensaios monotónicos de tração ou ensaios de tração cíclicos são dois métodos experimentais que permitem a caraterização do comportamento mecânico dos varões sujeitos a esforços de tração. Uma das dificuldades identificadas na realização destes ensaios consiste no deficiente sistema de ancoragem das extremidades dos varões, o que pode resultar em deslizamento, havendo por isso necessidade de melhorar previamente as extremidades para evitar este fenómeno. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 36 3.2.1 Desenvolvimento de um sistema de ancoragem A necessidade de se desenvolver um novo sistema de ancoragem surgiu pelo facto de se ter verificado que o sistema de amarras usado nos ensaios de tração em varões de aço não se adequa para os materiais compósitos. A inadequação das amarras resulta do aperto excessivo das amostras, que leva à sua rotura prematura por esmagamento [1]. A preparação dos provetes para os ensaios de tração foi executada em 4 etapas. Numa primeira etapa procedeu-se à retificação das extremidades do varão na zona de ancoragem de comprimento de aproximadamente 25 cm. O desgaste dos varões torna-se necessário para evitar que durante a tração axial do varão não se verifique o escorregamento interno entre as camadas externas de poliéster e o núcleo. Na prática, se houver deslizamento, pode-se correr o risco de se estar apenas a ensaiar a camada externa de poliéster e não o varão completo, onde o núcleo tem uma importância fundamental no comportamento do material.. Na operação de desgaste pode ser usada primeiramente uma rebarbadora com o objetivo de remover as nervuras da camada externa do varão. Por este tipo de ferramenta ser demasiado agressiva e, por isso, poder facilmente danificar o varão, utilizou-se, numa segunda fase, uma lixa para conferir melhor acabamento à superfície desbastada. A lixa permite controlar melhor a percentagem de desgaste e evitar a formação de danos nas extremidades dos varões. O desgaste com a lixa deve concluir-se logo que se torne visível o núcleo do varão. A Figura 28 mostra o aspeto que os varões apresentam antes e após o desgaste. Na imagem do lado esquerdo consegue-se distinguir perfeitamente o núcleo num varão desgastado e, na do lado direito, ver a diferença entre um varão desgastado e outros acabados de produzir. Figura 28 Aspeto do varão na fase inicial do processo de desgaste (esquerda); Aspeto final do varão após o desgaste (direita). Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 37 Concluída a preparação das extremidades das amostras, iniciou-se a preparação dos tubos de aço a serem utilizados na ancoragem dos varões. Segundo o regulamento do Instituto Americano para o betão, ACI 440.3R -04 B-2 , que fornece recomendações para ensaios de materiais reforçados com fibras a serem utilizadas no reforço de estruturas de betão, ambas as extremidades dos varões devem ser inseridas em tubos de aço (ver Figura 29). Para isso, o interior dos tubos deve ser completamente limpo antes que o varão seja introduzido no seu interior. Para este efeito, utilizaram-se tubos com as dimensões constantes no Quadro 6. Figura 29 Detalhes do sistema de ancoragem dos varões FRP, de acordo com o regulamento ACI 440.3R-04 (Morais, 2005) Quadro 7 Dimensões dos tubos em aço para ancoramento dos varões Material Dimensões Aço Comprimento (cm) Diâmetro interno (mm) Diâmetro externo (mm) 25 10,25 14,25 Sabendo-se que os tubos de aço apresentam normalmente uma quantidade razoável de óleo no seu interior que pode resultar em escorregamentos indesejáveis dos materiais durante o ensaio de tração, removeu-se a sujidade no seu interior com o auxílio de um escovilhão para tubos previamente mergulhados em acetona (Figura 30). A acetona ajudou a remover toda a sujidade, assegurando que o interior dos tubos se encontrava em condições para ser aplicado no sistema de ancoragem. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 38 Figura 30 Processo de limpeza do interior dos tubos de aço. No final, e para garantir melhor adesão entre a cola e o interior do tubo, utilizou-se uma lima circular para desgastar ligeiramente o interior do tubo, criando alguma rugosidade no seu interior melhor uma ligação mecânica entre os materiais (Figura 31). Figura 31 Processo de desgaste do interior dos tubos de aço. Efetuou-se seguidamente a colocação e fixação ordenada dos tubos nos orifícios previamente executados em blocos de poliestireno expandido de modo a assegurar o seu deslocamento (Figura 31) Este procedimento, como se verificará adiante, é fundamental para assegurar a qualidade de ancoragem das amostras. Além disso, foi necessário preparar a cola e colocar o-rings na superfície dos varões que se encontra exposta. Torna-se necessário utilizar um o-ring em cada extremidade do varão de aço de forma a garantir uma adequada concentricidade entre o varão e o tubo de aço e assim assegurar o alinhamento da carga de tração. Se o alinhamento não for assegurado, verificar-se-á o desenvolvimento de esforços de corte na zona de ancoragem do varão que podem distorcer os resultados obtidos ou mesmo causar a rotura nessa zona (Figura 32). Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 45 Figura 37 Ilustração do comportamento mecânico desejado para o varão compósito entrançado. (em que 1, 2, 3 e 4, é a representação teórica de cada um dos materiais a introduzir como núcleo de reforço.) Para o desenvolvimento dos varões compósitos entrançados com a incorporação de diferentes valores do alongamento na rotura, utilizadas fibras de vidro, carbono, basalto, polietileno de alto peso molecular e polipropileno, cujas propriedades mecânicas são apresentadas no Quadro 8. De salientar que todos os materiais fibrosos foram utilizados sob forma de “ roving “(mechas contínuas), visto que a técnica de processamento utilizada é muito semelhante à pultrusão. A comparação das características dos materiais fibrosos a utilizar no núcleo de reforço dos BCR´s permite verificar que são bastante distintas, no que diz respeito à deformação na rotura, que varia entre 1,8 e 21%, dependendo da origem do material fibroso. A fibra de vidro apresenta uma boa relação desempenho mecânico/custo, tornando-a muito vantajosa para a maioria das aplicações comerciais comparando com outros tipos de fibras sintéticas, como as fibras de carbono ou de aramida, que apresentam custos muito mais elevados. Desta forma, a fibra de vidro será o elemento comum no que se refere ao estudo das alterações pretendidas, funcionando igualmente como elemento de referência. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 46 Quadro 9 Materiais fibrosos utilizados na produção de varões compósitos (Cunha, et al., 2014). A fibra de carbono trata-se de uma fibra muito utilizada para aplicações que exigem um elevado desempenho mecânico devido às suas excelentes propriedades mecânicas, como a elevada rigidez, permitindo-lhe equiparar-se às ligas metálicas, como é o caso do aço, possuindo a vantagem de ser muito mais leve. No entanto, e contrariamente ao aço e também à fibra de vidro, esta fibra apresenta ainda um custo de aquisição bastante elevado, sendo este uma das suas grandes desvantagens. O interesse no uso desta fibra no desenvolvimento destes varões passa por analisar de que forma é possível obter BCRs com módulos de elasticidade próximos dos varões obtidos unicamente com esta fibra. No que diz respeito à fibra de basalto, à semelhança da fibra de vidro, é uma fibra de baixo custo, de fácil obtenção e com propriedades mecânicas muito favoráveis. É uma fibra que vai sendo aposta no mercado dos FRP, a par da fibra de vidro. Assim, esta fibra também é também considerada no processo de manufatura de varões híbridos com o objetivo de superar as propriedades obtidas pelas tipologias compostas pela fibra de vidro. Material Fibroso Referência Resistência à tração (MPa) Deformação na rotura (%) Módulo Young (GPa) PP -- 550 – 700 21 3,5 – 6,8 Basalto Basfiber® 4500 3,1 86 – 90 Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMWPE) Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular 2650 3,5 89 Vidro PULSTRAND™ 4100 SINGLEEND ROVING 3330 4,4 73 Carbono Tenax®-E STS40 E13 4300 1,8 250 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 47 A fibra de polietileno de ultra alto peso molecular, é uma fibra polimérica muito utilizada, por exemplo, em cabos de sustentação para estações petrolíferas. É uma fibra que apresenta elevada tenacidade e uma boa rigidez, mas apresenta ainda um elevado custo de aquisição, sendo por isso descartada para aplicações ligadas ao ramo da construção. A aplicação desta fibra no reforço de estruturas ainda não foi alvo de estudo e, por esse motivo, ainda não foi explorada no desenvolvimento de FRPs. Por esta razão, a introdução desta fibra no desenvolvimento de BCRs tornou-se revelante de forma a permitir analisar a compatibilidade entre elas (fibras) e a matriz epóxi utilizada, assim como verificar as propriedades mecânicas do varão compósito. Por fim, as fibras de polipropileno apresentam um custo bastante inferior ao das anteriores fibras de polietileno mas as suas propriedades mecânicas são inferiores. A introdução destas fibras, bem como as anteriores, no núcleo dos varões, tem como objetivo aumentar a deformação destes e, assim, permitir a incorporação de maior pseudoductilidade. Na Figura 38 encontra-se ilustrado o comportamento que se pretende que apresente um varão compósito submetido a esforços de tração uniaxial. Sendo o núcleo constituído por fibras poliméricas com propriedades de deformação distinta será possível obter a rotura sequencial do varão quando a deformação de rotura de cada uma das fibras é atingida e assim aumentar consideravelmente a sua capacidade de deformação última e a dissipação de energia. Este comportamento pressupões a redistribuição progressiva de esforços entre as fibras que ainda se encontram ativas. Figura 38 Ilustração do comportamento psedo-ductil dos BCR´s 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 5 10 15 20 25 Resistência à tração (MPa) Deformação na rotura (%) Vidro Carbono Basalto UHMWPE Polipropileno Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 48 Além dos materiais fibrosos, como indicado anteriormente, para a produção de BCR’s é também necessária uma matriz polimérica, responsável por ligar os materiais fibrosos durante o processo de produção do varão entrançado. Para além de manter as fibras na posição desejada e permitir a obtenção da forma pretendida, a matriz polimérica promove a transferência de cargas para o núcleo. Adicionalmente confere proteção ao compósito durante o fabrico e ainda a proteção relativamente a ambientes tão agressivos como os alcalinos (quando os varões são embebidos em argamassa de cimento ou cal). De entre os vários tipos de materiais poliméricos existentes, as resinas epóxidas consiste no material apropriado para produzir varões “GFRP” por apresentarem excelentes propriedades mecânicas e possuírem elevada resistência a ataques químicos, o que se torna fundamental para varões muitas vezes sujeitos à forte exposição a ambientes agressivos. Por esse motivo, a resina epóxida Biresin® da Sika será o material usado como constituir a matriz do varão. Para garantir a sua cura são normalmente adicionados mais dois elementos à resina, nomeadamente o endurecedor e o acelerador. Assim, para a preparação da respetiva matriz polimérica serão utilizados os seguintes componentes: • Matriz epóxi Biresin® CR144, indicada para o processo de Pultrusão, que se carateriza por possuir baixa viscosidade, o que permite ter uma fácil impregnação da fibra, ser translúcida, apresentar elevado alongamento e uma temperatura de transição vítrea de cerca de 155 °C; • Endurecedor Biresin® CH 141, que consiste num anidrido carboxílico transparente; • Acelerador Biresin® CA144, que consiste numa amina. No Quadro 10 apresentam-se as propriedades mecânicas da matriz utilizada. Quadro 10 Materiais poliméricos usados na produção de varões compósitos. 3.3.2 Soluções de varões compósitos com fibras poliméricas Inicialmente, decidiu-se produzir varões com diâmetro externo aproximado de 4mm, considerando unicamente o diâmetro do núcleo e não da camada externa. Para se atingir esse valor, calculou-se a quantidade necessária de filamentos para cada fibra que deveria ser incorporada para o desenvolvimento Material polimérico Referência Resistência à tração (MPa) Deformação na rotura (%) Módulo Young (GPa) Matriz Epóxi Biresin® CR144 90 5,4 2,75 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 49 dos varões, tendo em consideração a massa linear (tex) de cada tipo, o teor de fibras (≈60%) e resina (≈40%) a usar, a densidade das fibras e matriz utilizadas. A obtenção do diâmetro dos varões deve ser feita através do cálculo de alguns parâmetros, entre eles a área de secção do varão, calculada através das equações 1 e 2. Os primeiros BCR´s desenvolvidos continham no núcleo 100% do material fibroso de Vidro, Carbono e Basalto. Estes primeiros BCR´s foram desenvolvidos nestas configurações para se poder estudar o comportamento de cada um dos materiais fibrosos de forma isolada. O Quadro 11 apresenta o teor em fibra usado no desenvolvimento dos primeiros BCR´s, obtido a partir dos cálculos realizados, segundo a metodologia anteriormente apresentada. Quadro 11 Materiais fibrosos utilizado no desenvolvimento dos varões de referência. Posteriormente, e de forma a analisar a influência da utilização de diferentes materiais fibrosos no núcleo do varão com diferentes propriedades mecânicas, foram hibridizados, a partir do núcleo de reforço, diferentes tipologias de BCR. Desta forma será possível analisar a pseudoductilidade que se pretende incorporar no varão com núcleo fibroso híbrido. Assim, será analisada a influência da combinação de materiais com níveis de rigidez diferenciados, a influência da fibra de carbono e a influência da utilização de materiais com elevada extensão máxima. No Quadro 12, indica-se o teor em fibra utilizado em cada um dos BCR´s Híbridos. Com base na distribuição de material fibroso no núcleo dos varões híbridos apresentada no Quadro 12, foram efetuados os cálculos do número de fibras de cada material fibroso a inserir no núcleo de reforço. Nomenclat ura Material fibroso Nº de rovings Massa linear (g/km) Massa volúmica (g/cm3) Área secção (mm2) Área secção total (mm2) Ø BCR (mm) 21600 1,8 43200 7,19 29600 7,5 24800 3,78 100% Basalto Basalto 64800 2,63 8,89 8,89 4,26 100% Carbono Carbono 1,78 8,99 4 100% Vidro Vidro (E) 2,56 11,34 4,09 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 50 Quadro 12 Apresentação da composição dos BCR´s Híbridos Assim, no Quadro 13, indica-se com detalhe a composição de cada um dos BCR´s hibridizados. Quadro 13 Composição dos BCR´s híbridos BCR_H1 BCR_H2 BCR_H3 BCR_H4 Vidro (E) 25% 33% 33% 33% Carbono 25% 33% 33% - Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular 25% 33% -33% Polipropileno 25% -33% 33% Fibra Tipologia Diâmetro-Ø ≈ 4mm Tipologia Fibra Nº rovings Massa linar (g/km) δ (g/cm3) Asecção (mm2) Area secção total (mm2) Ø BCR (mm) 14800 1,89 11200 0,47 21600 1,81 2400 0,45 Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular 3704 0,97 2,18 PP 21000 0,91 2,01 24800 3,78 1554 0,22 21200 0,94 21600 1,81 2400 0,45 Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular 3704 0,97 2,18 19600 3,78 11200 0,47 Carbono 31600 1,78 2,71 PP 21000 0,91 2,2 19600 3,78 2554 0,44 11200 0,47 Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular 31600 1,78 2,18 PP 21000 0,91 2,2 BCR_H3 Vidro (E) 2,56 9,16 4,04 BCR_H4 Vidro (E) 2,56 9,06 4,02 BCR_H2 Vidro (E) 2,56 9,38 4,09 Carbono 1,78 BCR_H1 Vidro (E) 2,56 9 4 Carbono 1,78 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 51 3.3.3 Materiais para exploração da pseudoductilidade de varões compósitos – materiais com comportamento intrinsecamente dúctil Tal como referido anteriormente, uma outra forma de aumentar a ductilidade em varões com rotura frágil, consiste na introdução no seu núcleo de materiais com comportamento intrinsecamente dúctil e com elevada resistência mecânica, como é o caso do aço habitualmente empregue em estruturas de betão armado. Esta abordagem tem vindo a ser explorada em varões híbridos entrançando helicoidalmente fibras de vidro sobre uma barra em aço de secção transversal circular que constituí o núcleo. Para garantir a adesão entre os dois materiais, e de modo a evitar a existência de folgas e o escorregamento entre ambos, a adição de uma resina epóxida torna-se igualmente fundamental no processo (Dong, et al., 15 July 2016,). A combinação de materiais compósitos poliméricos com aço permite aportar ductilidade a estes materiais, obviando umas das principais desvantagens apontadas a estes materiais, fazendo com que, os mesmos adquiram elevado potencial de aplicação no mercado, como possíveis substitutos de soluções baseadas unicamente em aço, devido à sua pseudoductilidade. É ainda importante salientar que a estrutura entrançada e a resina epóxida (Quadro 13) aplicadas nestes varões garantem uma eficaz proteção do núcleo em aço sujeito a possíveis ataques de agentes corrosivos. Quadro 14 Caraterística da resina utilizada na produção de varões compósitos híbridos. Material polimérico Resistência à tração (MPa) Deformação na rotura (%) Módulo de elasticidade (GPa) Resina Epóxida 91 8.4 32 Na Figura 39, pode ser observado o comportamento mecânico expectável de varões desenvolvidos a partir da combinação deste tipo de materiais (vidro e aço) de acordo com (Cui et al. 2008). Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 52 Figura 39 Comparação entre o módulo de elasticidade, resistência à tração e custo dos diferentes tipos de varões (aço, GFRP e híbrido). (Cui, et al., 2008) Assim, apresenta-se nesta secção o estudo da incorporação de pseudoductilidade em varões entrançados a partir da integração de materiais dúcteis no núcleo. Para este efeito, foram produzidos BCR´s com uma base de fibra de Vidro e fibra de Basalto às quais foram adicionados varões de aço. Assim, para o desenvolvimento deste estudo, foi necessário assegurar um tipo de aço que pudesse ser introduzido no processamento dos varões híbridos. Entre os varões de aço ou os cabos/fios de aço existentes no mercado, optou-se pelos cabos/fios de secção transversal circular, pelo facto de apresentarem fácil moldagem (deformar longitudinalmente) e por possuírem superfície exterior lisa. Neste sentido, optou-se por um tipo de aço galvanizado com 3 diâmetros distintos, para que fosse possível estudar a influência da incorporação de diferentes percentagens de aço no desempenho mecânico do varão compósito. Numa primeira fase, os varões de aço foram estirados num torno mecânico utilizado para a maquinação de ligas metálicas, tendo-se procedido à sua utilização posterior no sistema de alimentação no equipamento de produção de varões entrançados.No Quadro 15, apresenta-se o teor de fibra usada para a produção de 6 tipologias de varões, obtida a partir dos cálculos realizados anteriormente. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 53 Quadro 15 Materiais fibrosos utilizado no desenvolvimento dos varões entrançados com a incorporação de aço. 3.4 Design de BCR´s com capacidade de monitorização No âmbito do presente estudo, pretende-se desenvolver a capacidade de monitorização em varões compósitos (BCR´s) Assim, a introdução da funcionalidade de monitorização em BCR´s é desenvolvida através de duas técnicas. Numa primeira abordagem, é testada a introdução de filamentos intrinsecamente condutores no processo de produção dos varões. Numa segunda abordagem é estudada a funcionalização de filamentos de vidro com materiais condutores, nomeadamente nanotubos de carbono. Esta segunda abordagem representa um avanço muito significativo ao nível do estado da arte. Assim, nesta secção serão descritos ambos os conceitos e métodos desenvolvidos. 3.4.1 Introdução de fibras intrinsecamente condutoras 3.4.1.1 Conceito No âmbito desta abordagem, o objetivo consiste na introdução de elementos fibrosos contínuos condutores para explorar o comportamento piezoresistivo através da alteração da resistividade elétrica em função de uma deformação, no sentido de conferir capacidade de monitorização a varões compósitos Amostra Fibra Ø Aço (mm) Nº rovings Massa linear (g/km) Densidade Área secção (mm2) Área secção total (mm2) Ø BCR (mm) Vidro (E) - 2 9600 2,56 7,56 Aço 1,6 1 - 7,8 2,01 19600 3,78 14800 1,89 21200 0,92 Aço 2 1 - 7,8 3,14 19600 3,78 21200 0,92 Aço 2,5 1 - 7,8 4,91 Basalto - 4 4800 2,63 7,3 Aço 1,6 1 - 7,8 2,01 Basalto - 4 4800 2,63 7,3 10,44 4,31 Aço 2 1 - 7,8 3,14 Basalto - 3 4800 2,63 5,48 Aço 2,5 1 - 7,8 4,91 Basalt + Steel (1,6 mm) 9,31 4,07 Basalt + Steel (2 mm) Basalt + Steel (2,5 mm) 10,38 4,3 Glass + Steel (2,5 mm) Vidro (E) - 2,56 9,6 4,14 Glass + Steel (1,6 mm) 9,57 4,13 Glass + Steel (2 mm) Vidro (E) - 2,56 9,73 4,09 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 54 entrançados. Assim, o principal intuito consiste em estudar os níveis de condutividade destes elementos no núcleo dos varões compósitos e a variação da sua resistividade elétrica em função da carga aplicada. Desta forma, pretende-se compreender o seu nível de sensibilidade e uniformidade de medição, utilizando duas matérias-primas distintas. 3.4.1.2 Materiais e métodos utilizados Para o desenvolvimento de varões compósitos com capacidade de monitorização, foram selecionados filamentos à base de carbono e de aço inoxidável, por apresentarem valores de condutividade compatíveis com o objetivo pretendido, nomeadamente entre 3–84 Ω/cm (Xi & Chung, 2019). As caraterísticas técnicas dos filamentos selecionados estão indicadas no Quadro 16. O Quadro 17 apresenta o teor em fibra usado para a produção desta tipologia de varões. Quadro 16 Condutividade elétrica de Filamentos condutores utilizados para a produção de varões compósitos entrançados. Quadro 17 Materiais fibrosos utilizados no desenvolvimento dos varões entrançados com a incorporação de filamentos condutores. Condutividade elétrica (Ω/cm) Carbono Tenax®-E STS40 E13 10 Aço inoxidável Bekaert Bekinox® VS 12 84 Filamento condutor Referência Amostra Material Fibroso nº fios Massa Linear (Tex) Massa volumica (g/cm3) Asecção (mm2) VFibra/fibras (%) Vresin (%) øBCR (mm) Fibra de Vidro de reforço 11 4800 2,54 20,787 0,999 Inox 1200 7,8 0,026 0,001 Fibra de Vidro de reforço 11 4800 2,54 20,787 0,995 Carbono 1200 1,77 0,113 0,005 BCR com aço INOX 30 5,87 BCR com Carbono 5,88 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 61 Figura 41 Diagrama de tensão vs extensão do BCR100% Carbono. Quadro 21 Propriedades detalhadas do BCR 100% carbono. 4.1.2 BCR com 100% fibra de Vidro no núcleo de reforço Na Figura 42 apresenta-se o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da integração de fibras de vidro no núcleo de reforço. No Quadro 13, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR composto por 100% Vidro. 0 200 400 600 800 1000 1200 00,5 11,5 22,5 33,5 4 Tensão (MPa) Extensão (%) 100% Carbon Fiber Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra Tensão (MPa) Extensão (%) E (GPa) Energia (J) 1987,2 3,1 424,5 85,6 21069,3 3,3 455,4 96,6 31074,7 3 469,5 96,6 4964 2,9 423,6 106,7 5998,9 3,5 420,8 103,7 Média 1018,8 3,2 438,8 97,8 DP 42,5 0,2 19 5,9 CV (%) 4% 6% 4% 6% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 62 Figura 42 Diagrama de tensão vs extensão do BCR 100% Vidro. Quadro 22 Propriedades detalhadas do BCR 100% Vidro. 4.1.3 BCR com 100% fibra de Basalto no núcleo de reforço Na Figura 43, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da integração de apenas fibras de basalto no núcleo de reforço. Amostra Tensão (MPa) E (%) E (MPa) Energia (J) 1976,8 5,3 265,5 89,7 21009 5,4 271,3 98,4 31147,9 5,3 289,1 99,6 4931,6 4,6 290,2 78,2 5987,2 5,4 249,9 105,8 Média 1010,5 5,2 273,2 94,4 DP 55 0,2 13,2 8,3 CV 5% 5% 5% 9% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 63 Figura 43 Diagrama de tensão vs extensão do BCR 100% Basalto No Quadro 23, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR composto por 100% Basalto Quadro 23 Propriedades detalhadas do BCR 100% Basalto. 4.1.4 BCR_H1 (25% Vidro; 25% Carbono; 25% PP; 25% Dynema Ò ) Na Figura 44, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da hibridização de fibras no núcleo de reforço (25% Vidro; 25% Carbono; 25% PP; 25% DynemaÒ). 0 200 400 600 800 1000 1200 0 1 2 3 4 5 6 7 Tensão (MPa) Extensão (%) 100% Basalt Fiber Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra Tensão (MPa) E(%) E (Gpa) Energia (J) 1841 5,8 192,8 179 2796,4 6,5 201,4 182 3824,3 6,2 180,5 190 4803 5,8 199,8 135,1 5859,4 6,5 200,9 152,9 Média 824,8 6,2 195,1 167,8 Des. Pad. 20,3 0,3 6,7 19 CV 2% 5% 3% 11% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 64 Figura 44 Diagrama de tensão vs extensão do BCR_H1. No Quadro 24 podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR híbrido composto por: 25% Vidro; 25% Carbono; 25% PP; 25% DynemaÒ. Quadro 24 Propriedades detalhadas do BCR_H1. 4.1.5 BCR_H2 (33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular) Na Figura 45, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da hibridização de fibras no núcleo de reforço (33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular). Amostra Tensão (MPa) E(%) E (GPa) Energia (J) 1384,1 1,7 269,3 16,6 2519,7 2,8 255,7 33,9 3624,6 3,3 269,6 44,2 Média 509,4 2,6 264,9 31,6 Desp 83,6 0,6 6,1 10 CV 16% 24% 2% 32% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 65 Figura 45 Diagrama de tensão vs extensão do BCR_H2. No Quadro 25, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR híbrido composto por: 33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular. Quadro 25 Propriedades detalhadas do BCR_H2. 4.1.6 BCR_H3 (33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polipropileno) Na Figura 46Figura 45, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da hibridização de fibras no núcleo de reforço (33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polipropileno). Amostra Tensão (MPa) E (%) E (GPa) Energia (J) 18516,9 504,8 296,6 36,7 212990,9 678 294,7 39,1 312637,7 727,3 356,4 70,6 Média 11381,8 636,7 315,9 48,8 Desp 1910 87,9 27 14,5 CV 17% 14% 9% 30% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 66 Figura 46 Diagrama de tensão vs extensão do BCR_H3. No Quadro 26, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR híbrido composto por: 33%Vidro; 33%Carbono; 33%Polipropileno. Quadro 26 Propriedades detalhadas do BCR_H3. 4.1.7 BCR_H4 (33%Vidro; 33% Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular; 33%Polipropileno) Na Figura 47, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da hibridização de fibras no núcleo de reforço (33%Vidro; 33% Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular; 33%Polipropileno). Amostra Tensão (MPa) E(%) E (GPa) Energia (J) 1627,2 2,1 329,3 31,7 2481,5 2,5 240 26,7 3477,6 2258,8 25 Média 528,8 2,2 276 27,8 Desp 65,6 0,2 35,5 2,6 CV 12% 9% 13% 9% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 67 Figura 47 Diagrama de tensão vs extensão do BCR_H4. No Quadro 27, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR híbrido composto por: 33%Vidro; 33% Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular; 33%Polipropileno. Quadro 27 Propriedades detalhadas do BCR_H4 4.1.8 Análise e discussão dos resultados Nesta secção analisam-se aos resultados obtidos, nomeadamente em relação à influência da utilização de diferentes materiais fibrosos no núcleo de reforço com o objetivo claro de se conferir um comportamento pseudodúctil. Naturalmente, e do ponto de vista teórico, é expectável que os resultados obtidos se assemelhem a um comportamento ilustrado na Figura 37. Para uma maior compreensão dos resultados serão segmentados em duas partes: (1) uma parte direcionada para a discussão dos BCR´s Amostra Tensão (MPa) E(%) E (GPa) Energia (J) 1214,4 3,1 165,3 38,5 2160,9 2,4 185,3 16,3 3247,8 3,1 234,2 23,9 Média 207,7 2,9 194,9 26,2 Desp 31,2 0,3 26,2 8,2 CV 15% 11% 13% 31% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 68 com monomaterial no núcleo de reforço e (2) uma segunda parte orientada para a análise de BCR´s híbridos. 4.1.8.1 Análise e discussão de resultados dos BCR´s com monomaterial no núcleo de reforço Esta discussão de resultados será iniciada pela análise das propriedades dos BCR em que apenas foi utilizada uma tipologia de material fibroso no núcleo do varão compósito, nomeadamente: carbono, vidro e basalto. Assim, de forma a facilitar a interpretação dos resultados obtidos são apresentados no Quadro 28, os resultados médios das propriedades de cada um dos três BCR´s. Quadro 28 Resumo das propriedades do BCR´s em monomaterial no núcleo. Assim, verifica-se que o BCR produzido contendo fibra de carbono no núcleo apresentou o valor mais elevado de tensão, tal como expectável, contudo ainda fica aquém do valor teórico para este tipo de composição. Tendo em consideração as propriedades da fibra de carbono, seria expectável que a tensão fosse cerca de quatro vezes superior e o alongamento cerca de duas vezes inferior. Este comportamento deve-se ao facto das fibras de carbono se apresentarem com um alinhamento imperfeito no sentido longitudinal, não sendo garantida uma tração uniforme no varão compósito quando sujeito a forças de tração. Para além disso, deve ter-se em consideração a provável rotação a que o filamento de carbono está sujeito aquando a sua inserção no núcleo de reforço, podendo traduzir-se numa perda de propriedades em tração, uma vez que desta forma está sujeito a cargas de corte internas. Estes fatores conjugados traduzem-se numa rotura sequencial das fibras e não numa rotura simultânea de todos os filamentos, tal como se pode ser observado na Figura 48, onde se ilustra a zona de rotura do BCR com fibra de carbono no núcleo. Tensão Energia (MPa) (J) Carbono 1018,8 3,2 97,8 438,8 Vidro 1010,5 5,2 94,4 273,2 Basalto 824,8 6,2 167,8 195,1 BCR Extensão (%) Módulo de elasticidade (GPa) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 69 Figura 48 Aspeto final de um varão com núcleo de fibra de carbono após o ensaio de tração. Comportamento semelhante verifica-se no BCR de fibra de basalto, em que a tensão máxima fica aquém do expectável, devido ao não alinhamento das fibras no núcleo de reforço e à delaminação da interface fibra/matriz. A delaminação das fibras resulta ainda numa extensão superior à expectável. No que diz respeito aos BCR com fibra de Vidro, apesar das propriedades não serem as teoricamente previstas as mesmas encontram-se dentro de uma gama expectável para este tipo de material compósito, não se verificando delaminações consideráveis, uma vez que a resistência da interface fibra-polímero é superior. Assim, verifica-se que todos os BCR´s apresentam uma extensão mais elevada do que seria expectável, sendo estes valores justificáveis pela delaminação interna dos rovings de fibra no núcleo de reforço. Verifica-se igualmente que a delaminação é resultante da capacidade limitada com que a matriz transfere as cargas para e ao longo do núcleo de reforço. Um outro aspeto importante que merece uma análise mais aprofundada diz respeito à absorção de energia. A absorção de energia até à rotura está diretamente relacionada com tenacidade do material, verificando-se que o BCR com fibra de basalto no núcleo de reforço apresenta um valor muito superior quando comparado com os restantes. Este valor deve-se ao facto da extensão apresentada ser mais elevada quando comparada com o BCR de fibra de carbono, apesar da tensão ser ligeiramente inferior. A análise da pseudoductilidade é efetuada a partir da diferença entre a deformação obtida na tensão de rotura e a deformação obtida, nesse mesmo valor, no limite teórico elástico, tal como demonstra a figura seguinte (Figura 49). Este valor da deformação que caracteriza a pseudoductilidade assume a nomenclatura de ℇp. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 70 Figura 49 Explicação da metodologia de análise da Pseudoductilidade segundo a metodologia de (Fuller & Wisnom, 2014) Os valores da variação da extensão entre a deformação na rotura e a deformação elástica teórica (ℇp - Deformação Pseudoductilidade (%)), para os BCR´s reforçados no núcleo com 100% Carbono, 100% Vidro e 100% Basalto, estão apresentadas no Quadro 29. Quadro 29 Valores de ℇp - Deformação Pseudoductilidade (%), para as amostras de BCR: 100% Carbono, 100% Vidro e 100% Basalto Através dos resultados obtidos, verifica-se que os valores apresentados pelos BCR´s de fibra de carbono estão próximos dos valores teóricos do limite elástico, uma vez que é um material que apresenta um comportamento rígido. Por outro lado, verifica-se que os BCR´s de fibra de basalto e de vidro apresentaram um valor ligeiramente superior, muito devido ao facto de também apresentarem uma maior deformação na rotura e ao facto de ocorrem delaminações internas no núcleo do varão. BCR ℇ p - Deformação Pseudoductilidade (%) 100% Carbono 0,75 100% Vidro 1,37 100% Basalto 1,39 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 77 Quadro 34 Propriedades detalhadas do BCR com Fibra de Vidro e Aço (2,5mm). 4.2.2 Resultados dos BCR´s com fibra de basalto e filamento de aço Ao longo do presente subcapítulo serão apresentados os diversos diagramas de tensão vs extensão dos BCR desenvolvidos com a incorporação de basalto e filamento de aço, em que neste último são utilizados três diâmetros, respetivamente 1,6; 2 e 2,5 mm. Assim, na Figura 54, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 1,6 mm de diâmetro. Figura 54 Diagrama de tensão vs extensão do BCR com fibra de basalto e filamento aço (1,6 mm). Amostra Tensão (MPa) Extensão (%) Módulo de elasticidade (GPa) Energia (J) 1563,5 2,6 450,8 30,8 2634,6 2,7 452,8 39,3 3537,7 2,8 438 32,3 4724,7 4425,1 54,4 5597,2 3,8 269,3 59,2 Média 611,5 3,2 407,2 43,2 DP 54,5 0,6 55,2 10,9 CV 9% 17% 14% 25% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 78 No Quadro 35, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 1,6 mm de diâmetro. Quadro 35 Propriedades detalhadas do BCR com fibra de basalto e filamento de aço (1,6mm). Na Figura 55 é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 2 mm de diâmetro. Figura 55 Diagrama de tensão vs extensão do BCR com Fibra de Basalto e Aço (2 mm). No Quadro 36, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 2 mm de diâmetro. Amostra Tensão (MPa) Extensão (%) Módulo de elasticidade (MPa) Energia (J) 1721,78 5,66 207,55 110,75 2693,94 5,21 191,76 111,79 3852,63 3,78 264,04 82,56 4886,21 6,45 246,13 125,02 Média 788,64 5,28 227,37 107,53 DP 80,78 0,78 27,71 12,48 CV 10% 15% 12% 12% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 79 Quadro 36 Propriedades detalhadas do BCR com fibra de basalto e filamento de aço (2 mm). Na Figura 56, é apresentado o diagrama de Tensão vs Extensão do BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 2,5 mm de diâmetro. Figura 56 Diagrama de tensão vs extensão do BCR com fibra de basalto e filamento de aço (2,5 mm). No Quadro 29, podem ser analisadas em detalhe as propriedades das várias amostras de BCR desenvolvido a partir da integração de fibra de basalto e filamento de aço com 2,5 mm de diâmetro. Amostra Tensão (MPa) Extensão (%) Módulo de eslasticidade (Mpa) Energia (J) 1893,7 5,1 255,3 96,5 21027,5 5,1 323,9 98,6 3906,9 4,8 248,3 97,1 4866,8 6,4 209 128,9 51053,5 5,1 363,2 90,5 Média 949,7 5,3 279,9 102,3 Desp 72,6 0,4 50,9 10,6 CV 8% 8% 18% 10% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 80 Quadro 37 Propriedades detalhadas do BCR com fibra de basalto e filamento de aço (2,5 mm). 4.2.3 Análise e discussão dos resultados Com a análise dos resultados obtidos nos diferentes materiais pretende-se responder a questões relacionadas com o desempenho dos BCR´s desenvolvidos e procurar respostas para à questão relacionada com a forma como o aço induz um comportamento pseudoductil e uma maior absorção de energia nos BCR´s com Vidro e Basalto. Para responder a esta questão é importante numa primeira fase analisar os diversos resultados obtidos no decorrer da caracterização dos BCR´s. De forma a facilitar a leitura e interpretação é apresentado um quadro resumo das propriedades obtidas (Quadro 38 Resumo das propriedades mecânicas dos BCR´s desenvolvidos com a incorporação de aço no núcleo de reforço). Através da análise dos resultados é possível verificar que no caso dos BCR´s com fibra de vidro e aço introduzidos no núcleo de reforço, existe uma perda da resistência máxima com o aumento da percentagem de aço. Este facto deve-se à redução da quantidade de fibra em detrimento do aço, uma vez que a fibra de vidro possui um valor de tensão de rotura bastante superior ao aço, de aproximadamente sete vezes superior. A diferença de propriedades entre o aço e a fibra de vidro é menos acentuada quando os mesmos são utilizados em simultâneo no núcleo de reforço do BCR. Amostra Tensão (MPa) Extensão (%) Módulo de elasticidade (GPa) Energia (J) 1913,1 5,6 391,9 91,2 2757,8 4,5 368,7 61,9 3762 5334,9 73,8 4796,4 5,4 357,4 95,8 5827,5 5,6 351,7 96,8 Média 811,4 5,2 360,9 83,9 DP 47,2 0,4 15,5 12,8 CV 6% 7% 4% 15% Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 81 Quadro 38 Resumo das propriedades mecânicas dos BCR´s desenvolvidos com a incorporação de aço no núcleo de reforço No que diz respeito à extensão, seria expectável que, à medida que a quantidade de aço fosse aumentando, o alongamento do BCR se aproximasse cada vez mais do aço, o que não se verifica. Este facto pode ser justificado pela delaminação ( debonding ) verificada no interior do núcleo de reforço, e em particular entre as fibras de vidro. No que diz respeito ao módulo de elasticidade verifica-se uma tendência para o seu aumento, em função do aumento da quantidade de aço introduzida. A tese de delaminação da fibras ganha ainda maior evidência quando se observa uma tendência crescente do módulo de elasticidade. Ou seja, um módulo de elasticidade superior representa uma maior efetividade na adesão dos diferentes componentes que constituem o núcleo (fibra+resina+aço). Importa também analisar a capacidade de absorção de energia de cada um dos BCR´s desenvolvidos e na pseudoductilidade. Assim, estabeleceram-se correlações entre o teor em aço e a capacidade de absorção de energia dos varões que podem ser observadas na Figura 57. BCR % de fibra % de Aço Tensão (MPa) Extensão (%) Módulo de elasticidade (GPa) Energia (J) 100% Vidro 100 01010 5,2 273,2 94,4 Vidro + Aço 1,6 mm 80 20 800,8 4,1 251 68,3 Vidro + Aço 2 mm 68 32 717,6 3,9 282,2 57,8 Vidro + Aço 2,5 mm 56 44 611,5 3,2 407,2 43,2 100% Basalto 100 0824,8 6,2 195,1 167,8 Basalto + Aço 1,6 mm 79 21 788,6 5,28 227,4 107,5 Basalto + Aço 2 mm 70 30 949,7 5,3 279,9 102,3 Basalto+ Aço 2,5 mm 52 47 811,4 5,2 360,9 83,9 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 82 Figura 57 Relação entre a absorção de energia e a quantidade de aço Como se pode verificar é importante analisar a capacidade absorção de energia e pseudoductiliade em duas perspetivas: (1) influencia da quantidade de aço combinado com a fibra de Vidro e a Fibra de Basalto (2) combinação das fibras de vidro e fibra de basalto gamas de BCR´s. No que diz respeito à influência do teor em aço na absorção de energia, verifica-se que a quantidade de aço influencia negativamente o valor da absorção de energia, variando de forma inversa à capacidade de absorção de energia. Esta relação resulta na regressão linear com proporcionalidade inversa com um valor de coeficiente de determinação r2 superior a 0.9 e particamente igual a 1 no caso do aço estar combinado com fibras de basalto e vidro respetivamente. Assim, verifica-se que o facto de se introduzir aço no núcleo de reforço não aumenta a absorção de energia do BCR. Este resultado pode resultar do decréscimo da extensão plástica e com a redução da resistência à tração. Em segundo lugar é importante compreender que a absorção de energia é maior nas amostras em que as fibras de basalto são combinadas com o aço devido ao valor da extensão na rotura ser superior ao da fibra de vidro em cerca de 1%. Este aumento traduz-se num alongamento maior para praticamente o mesmo nível de carga. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 83 Quando se efetua uma comparação do valor da absorção de energia dos BCR´s desenvolvidos apenas com basalto no interior e os BCR´s com a hibridização com aço, denota-se uma perda na capacidade de absorção de energia em cerca de 35% (relação do Quadro 23 e o Quadro 38). Resultado semelhante verifica-se no caso da fibra de vidro. No que à Pseudoductilidade diz respeito foi utilizada a metodologia baseada em (Fuller & Wisnom, 2014), tal como mencionado anteriormente. Assim, o Quadro 33 apresenta os valores da ℇp - Deformação Pseudoductilidade dos BCR´s de Vidro e Basalto com aço. Quadro 39 ℇp - Deformação Pseudoductilidade (%) dos BCR´s de Vidro e Basalto com aço. Os resultados obtidos podem ser analisados em duas vertentes, nomeadamente, a influência da incorporação de aço em BCR´s de fibra de vidro e nos BCR´s com fibra de basalto. No que diz respeito aos BCR´s de fibra de vidro, verifica-se que a hibridização do núcleo com aço induz um efeito crescente da pseuductilidade, ainda que de forma mais reduzida nos BCR´s com aço de 1,6 mm de diâmetro, ou seja, com apenas 20% em relação à quantidade de fibra de vidro. A pseudoductilidade é mais acentuada no BCR com uma quantidade de cerca de 44% de aço, como era expectável dada a ductilidade intrínseca do aço e à menor quantidade de fibra de vidro. Na Figura 58 é possível avaliar a diferença de comportamento mecânico da amostra sem aço e com a introdução de aço no núcleo de reforço nas diferentes percentagens. BCR ℇ p - Deformação Pseudoductilidade (%) 100% Vidro 1,37 Glass + Steel (1,6 mm) 1,53 Glass + Steel (2 mm) 1,76 Glass + Steel (2,5 mm) 2,33 100% Basalto 1,39 Basalt + Steel (1,6 mm) 2,24 Basalt + Steel (2 mm) 2,26 Basalt + Steel (2,5 mm) 2,35 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 84 Figura 58 Comparação gráfica do valor da ℇp - Deformação Pseudoductilidade das amostras: BCR: 100% Vidro (Superior Esquerdo); BCR: Glass + Steel (1,6 mm) (Superior Direito); BCR: Glass + Steel (2 mm) (Inferior esquerdo); BCR: Glass + Steel (2,5 mm) (Inferior Direito) Verifica-se que o BCR com 44% de filamento de aço (BCR: Glass + Steel (2,5 mm)) induz no compósito final um comportamento dúctil, semelhante ao aço, onde se verifica que após a fratura dos filamentos de fibra de vidro, as cargas são transferidas para o aço que assume a capacidade de carga do compósito. No que diz respeito aos BCR´s com basalto e aço no núcleo de reforço verifica-se um comportamento semelhante, ou seja, quanto maior a quantidade de aço no núcleo de reforço, maior a deformação pseudoductilade. A grande diferença, quando comparado com o BCR de fibra de vidro, é no efeito de introdução de quantidades reduzidas de aço. O comportamento pseudoductil desta tipologia aumenta consideravelmente entre a amostra 100% de basalto e a amostra com cerca de 21% de aço. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 85 Figura 59 Comparação gráfica do valor da ℇp - Deformação Pseudoductilidade das amostras: BCR: 100% Basalto (Superior Esquerdo); BCR: Basalto + Steel (1,6 mm) (Superior Direito); BCR: Basalto + Steel (2 mm) (Inferior esquerdo); BCR: Basalto + Steel (2,5 mm) (Inferior Direito) Na Figura 50 avalia-se a correlação entre o teor de aço no BCR e pseudoductilidade a partir da deformação plástica, ℇp . Assim, verifica-se que a influencia da quantidade de aço no desenvolvimento da pseudoductilidade depende da fibra com que se combina (vidro ou basalto). No caso do BCR de Basalto, verifica-se um comportamento pseudoductil mais acentuado para quantidade de aço mais reduzidas, sendo marginal a melhoria que se observa após a adição de 21% de aço (5%). Por outro lado, o BCR reforçado no núcleo com fibra de vidro e filamento de aço, apresenta uma pseudoductilidade em crescente em função da quantidade de aço. Na Figura 60, podem ainda ser observadas as equações que podem traduzir o valor do comportamento pseudoductil em função da quantidade de aço, obtidas a partir das curvas de tendência dos valores obtidos experimentalmente. Estas curvas apresentam uma r próximo de 1, o que significa que pode representar uma metodologia de calculo fiável para a determinação da pesudoductilidade neste materiais, com base no número de amostras analisadas. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 86 Figura 60 Efeito da inserção de aço nas amostras BCR com Vidro e Basalto, na ℇp - Deformação Pseudoductilidade (%) 4.2.4 Considerações finais No decorrer do presente trabalho de desenvolvimento de BCR´s híbridos com diferentes materiais fibrosos com diferentes alongamentos na rotura, foi possível retirar conclusões sobre a hibridização para induzir a pseudoductilidade e a capacidade de absorção de energia. Assim, foi possível concluir que a partir de fibras com diferentes alongamentos na rotura é possível induzir um comportamento pseudoductil em BCR´s. Este comportamento é mais acentuado quando são utilizadas fibras que intrinsecamente já possuem um elevado alongamento na rotura, conseguindo-se transportar essa capacidade de alongamento para o BCR. Este comportamento é particularmente evidente quando se considera a combinação de fibras de vidro, polipropileno e polietileno de ultra alto peso molecular em igual volume. Foi também possível concluir que a introdução de filamento de aço em BCR de fibra de vidro e BCR de basalto induz um comportamento pseudoductil. Foi possível concluir que o BCR com Vidro e o BCR com basalto apresentam comportamentos distintos, ao nível da pseudoductilidade, em função da quantidade de aço. No caso do BCR com fibra de vidro o aumento da pseudoductilidade é progressivo, ao contrário do BCR de basalto, caso em que a pseudodutilidade atinge um valor próximo do limite aos 21% de Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 93 fibra de vidro dos filamentos utilizados no âmbito do presente estudo. A partir da observação da Figura 65 é possível verificar a diferença entre as estruturas de fibra de vidro funcionalizadas com e sem a aplicação prévia dos pré-tratamentos de superfície. Comprova-se visualmente o aspeto mais homogéneo do tecido resultante da dispersão de CNT’s nos materiais fibrosos. Figura 65 Aspeto visual das fibras impregnadas sem (à esquerda) e com (à direita) aplicação do tratamento de superfície prévio às mesmas. Além da avaliação visual das estruturas fibrosas, foi ainda avaliada a resistência elétrica de ambos os tipos de amostras, que consiste num critério fundamental para o sucesso do conceito de capacidade de monitorização. Na Figura 66, é possível verificar a influência do tratamento de superfície nas propriedades de condução elétrica dos materiais fibrosos. Após o tratamento de superfície, verifica-se uma maior homogeneidade nos valores condutividade elétrica medidos em vários pontos ao longo das amostras produzidas, em comparação com as medições realizadas nas amostras sem tratamento. Comprova-se ainda que sendo os valores de resistência elétrica são mais reduzidos, o tecido fibroso com tratamento superficial apresenta maior capacidade de condução elétrica das amostras pré-tratadas. Este resultado permite assim assumir uma maior probabilidade de as fibras se tornarem piezoresistivas. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 94 Figura 66 Gráfico comparativo de resistências elétricas com e sem tratamento alcalino. Procedeu-se também à análise dos filamentos de fibra de vidro no espectrómetro FTIR entre o comprimento de onda de 4000 a 400 cm-1, com resolução de 4 cm-1, para análise comparativa entre a constituição da fibra de vidro sem tratamento alcalino e com tratamento alcalino (Figura 67). (a) (b) Figura 67 Análise FTIR ao espectrómetro de filamentos de fibra de vidro; (a) com tratamento alcalino; (b) sem tratamento alcalino 1,00E+00 1,00E+02 1,00E+04 1,00E+06 1,00E+08 012345678 Resistência elétrica (Ω) Medições Fibra sem tratamento alcalino (2% GNPs) Fibra com tratamento alcalino (2% GNPs) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 95 Comparativamente aos resultados encontrados na literatura, verifica-se que em ambos os casos é conservado um pico de absorção a cerca de 1750 cm-1 correspondente à ligação C=O; a cerca de 1050 cm-1 encontram-se ligações Si-O caraterísticas da fibra de vidro bem como ligações C-O para comprimentos de onda na ordem dos 1200 cm-1. A existência de um pico de absorção expressivo a cerca de 720 cm-1 (Figura 67a), impercetível na Figura 67b, correspondente ao grupo hidroxilo implementado pelo tratamento alcalino. Para a amostra sem tratamento alcalino, a existência de múltiplos picos de menores dimensões nessa zona do espectro a cerca de750 cm-1 e 870 cm-1 corresponde aos grupos CH2 e CO caraterístico de ceras e parafina, respetivamente. Com a remoção destes grupos apolares, que promovem o isolamento das fibras de vidro, estas tornam-se assim mais recetíveis/suscetíveis a processos de funcionalização com grafeno, permitindo a incorporação do agente funcionalizador na matriz da fibra de vidro. Após a funcionalização e preparação dos respetivos filamentos de fibra de vidro, os mesmos foram submetidos a ensaios de tração até à rotura, a fim de verificar a influência das diferentes formulações nas suas propriedades mecânicas de tração, as quais podem ser observadas no Quadro 42. Quadro 42 Propriedades mecânicas de tração dos filamentos de fibra de vidro funcionalizados. Formulação Amostra Força de Rotura (N) Alongamento (%) A CR141 85,1 ± 2,9 14,5 ± 0,5 B PLA 72,0 ± 4,6 23 ± 0,5 C PLA+CR141 56,9 ± 7,0 13,0 ± 1,3 Verifica-se que a funcionalização a partir da formulação B com base em PLA, corrobora o fundamento teórico do maior alongamento deste material termoplástico, dada a elasticidade que apresenta atendendo ao alongamento máximo antes da rutura comparativamente às restantes amostras. Contudo a formulação A, baseada na funcionalização com resina epóxida CR141, termoendurecível, apresenta maior resistência mecânica em relação às restantes. A formulação C, baseada numa conjugação das duas abordagens de funcionalização, apresenta menor alongamento e menor força de rutura em relação à formulação A e B. Seria de esperar que os resultados das propriedades mecânicas para esta Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 96 funcionalização fossem delimitados pelos resultados da funcionalização A e B. Na origem desta divergência podem estar problemas de compatibilidade ao nível das interações entre estes dois agentes funcionalizadores. Posteriormente, para averiguar o comportamento dos rovings de fibra de vidro funcionalizados através das diferentes formulações ao nível da resistência elétrica, foram colocados elétrodos a uma distância de 1cm e medida a respetiva resistência elétrica dos rovings utilizando um multímetro digital, Quadro 43. Quadro 43 Resistência elétrica, medida com distância entre elétrodos de 1cm, de filamentos funcionalizados de vidro. Os resultados obtidos apontam para uma maior resistência elétrica, e consequentemente menor condutividade elétrica, por parte da formulação A, comparativamente às restantes amostras. Dada a sua maior rigidez (CR141), o sinal elétrico tem maior dificuldade em percorrer a matriz de funcionalização. Desta feita, atendendo ao âmbito experimental, a viabilidade e sustentabilidade deste projeto converge com as formulações com recurso ao PLA. Das concentrações de CNT utilizadas, a concentração correspondente a 0,5% revela maior resistência elétrica, pelo que o intervalo ótimo está compreendido entre 1% e 2,5%, dada a proximidade ao limite de percolação do material. Uma vez que a formulação A, apresenta valores de resistência elétrica consideravelmente elevados, mesmo para taxas de incorporação até 2,5 w/v %, em comparação com o verificado com as formulações B e C, conclui-se que a mesma não será a melhor opção para a funcionalização de varões compósitos. Formulação A (CR141) Formulação B (PLA) Formulação C (PLA + CR141) 0% --- 0,50% 5,52E+07 4,62E+06 6,26E+07 1,00% 1,36E+07 2,03E+04 2,37E+05 1,50% 4,27E+06 2,52E+03 2,83E+04 2,00% 2,07E+06 2,16E+03 7,45E+03 2,50% 3,24E+05 1,23E+03 1,43E+04 % CNT (w/v) R (Ω) Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 97 Na Figura 68 e Figura 69, é possível observar o comportamento dos filamentos funcionalizados em ensaios de tração cíclicos, considerando os 2 tipos de formulações testadas e validadas (Formulação B e C), e para extensões em tração de 0,5 e 1%. 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 0,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 0,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 1% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,80 1,60 2,40 3,20 4,00 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 1% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 98 Figura 68 Resistência elétrica das amostras funcionalizadas com a formulação B, submetidas a tração cíclica, a extensões de 0,5 e 1%. 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 1,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/l0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 1,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 2% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 2% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 2,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação B 2,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 99 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 0,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 0,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 1% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 1% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 1,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 1,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 100 Figura 69 Resistência elétrica das amostras funcionalizadas com a formulação C, submetidas a tração cíclica, a extensões de 0,5% e 1%. Quadro 44 Gauge Factor determinado para os filamentos de fibra de vidro funcionalizados com CNTs, para a formulação B. 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 2% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 2% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,002 0,004 0,006 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0100 200 300 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 2,5% CNT (Extensão 0,5%) ∆R/R0 ∆L/L0 0 0,004 0,008 0,012 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 0200 400 600 ∆L/L0 ∆R/R0 t (s) Formulação C 2,5% CNT (Extensão 1%) ∆R/R0 ∆L/L0 % CNTs (% w/v) 0,50% 1,00% 0,5 2,5 0,3 1267,2 131,6 1,5 10 5,1 2 2 2,3 2,5 817,7 Deformação Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 101 Quadro 45 Gauge Factor determinado para os filamentos de fibra de vidro funcionalizados com CNTs, para a formulação C. Analisando os resultados obtidos verifica-se em primeiro lugar que para funcionalizações inferiores a 1 w/v % não se verificam alterações significativas no nível da resistência elétrica. Este comportamento poderá ser devido ao facto de se tratarem de concentrações demasiado baixas ao ponto de não permitirem uma continuidade de condução ao longo do sentido longitudinal do filamento funcionalizado. Observando os valores de resistência referenciados no Quadro 43, verifica-se que a resistência elétrica para esta concentração de CNT’s é muito elevada, impossibilitando a monitorização elétrica. Analisando os gráficos obtidos, observam-se em primeiro lugar, respostas mais eficazes com a aplicação da formulação B, uma vez que as curvas de resistência elétrica apresentam menores graus de ruído, em comparação com as respostas verificadas com a formulação C. Esta tendência é também justificada pelos valores de gauge factor determinados para os casos da formulação C em comparação com os verificados na formulação B, considerando os mesmos valores funcionalização de CNT’s e taxas de extensão aplicadas. Relativamente às percentagens de funcionalização de CNTs, verifica-se igualmente que são obtidos melhores resultados para os casos de 2 w/v %, permitindo estabelecer uma relação linear entre a variação de resistência elétrica e variação de extensão, dado o comportamento linear e manutenção da amplitude do sinal. No que diz respeito às formulações com 1 w/v % de CNTs, os ensaios de tração cíclica demonstram possuir alguma sensibilidade à extensão aplicada. Por outro lado, atendendo aos valores de resistência elétrica obtidos, verifica-se um período de relaxamento mais extenso aquando da extensão máxima para a amostra impregnada com a formulação B. Além disso, a formulação C apresenta múltiplos picos de sinal aquando da extensão máxima. Verifica-se ainda que, para a formulação C, à extensão de 0,5% existe % CNTs (% w/v) 0,50% 1,00% 0,5 11,9 9,9 1195,9 546,6 1,5 0,8 21,1 264,1 135,6 2,5 51,7 22 Deformação Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 102 uma grande perda de sinal a nível da resistência elétrica, uma vez que a resistência elétrica deste material é de ordem superior à da formulação B assim como ao nível de rigidez da matriz. Quando é aplicada uma extensão menor, a rigidez da matriz não promove o incremento da distância dos nanotubos de carbono, pelo que a condução do sinal elétrico ao longo da matriz de funcionalização é então menos suscetível a variações. Desta forma, a formulação C necessita de uma maior concentração de CNT para apresentar resultados mais consistentes do ponto de vista da manutenção do sinal elétrico para diferentes extensões mecânicas. Esta tendência é também espelhada pelos resultados evidenciados no Quadro 43. Relativamente às formulações com 1,5 w/v % de CNTs, de igual forma se verificam que os resultados obtidos denotam sensibilidade à extensão aplicada, sobretudo para a funcionalização com recurso à formulação B, cujo sinal é apresentado mais nitidamente nas figuras. No entanto, quando o filamento entra em relaxamento e no período de repouso, após aplicação da extensão, apresenta a maior variação de resistência. No que diz respeito à formulação C, esta revela agora maior sensibilidade para a extensão de 1% com o incremento da concentração de CNT’s. Analisandos os resultados obtidos para as formulações com 2 w/v % de CNT’s, as formulações sugerem sinais mais nítidos e consistentes, permitindo estabelecer uma correlação linear entre a variação de resistência elétrica e variação de extensão, dado o comportamento linear e manutenção da amplitude do sinal. Contudo verifica-se que em ambas existe uma menor amplitude para deformações inferiores, mais notória para a formulação C. A qualidade dos gráficos para além de permitir monitorização piezorresistiva, possibilita ainda a determinação do gauge factor o qual relaciona a variação de resistência elétrica por variação de extensão. Por fim, relativamente aos resultados obtidos para as formulações com 2,5 w/v % de CNTs, verifica-se que as amostras funcionalizadas através da formulação B denotam alguma perda de sensibilidade, ao passo que as amostras funcionalizadas através da formulação A demonstram um aumento de sensibilidade., podendo este fator estar relacionado com a maior capacidade de fixação dos CNTs. Assim, os dados obtidos sugerem que atendendo à rigidez dos materiais de funcionalização, verifica-se que para o PLA (material polimérico com menor rigidez) é necessária uma quantidade inferior de CNT para monitorizar a tração aplicada sob forma de resistência elétrica. Para o material polimérico de matriz de funcionalização, mais rígido, resina epóxi CR141, são necessárias maiores quantidades para se verificar comportamento piezoresistivo. Por outro lado, através dos resultados obtidos, verifica-se que as Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 109 6 Conclusões e futuros desenvolvimentos No âmbito do presente capítulo pretende-se, numa primeira fase, efetuar uma reflexão sobre as conclusões dos tópicos em estudo, e posteriormente, apresentar os trabalhos futuros recomendados. 6.1 Principais conclusões O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento uma nova classe de polímeros reforçados por fibras, nomeadamente Varões Compósitos Entrançados (BCR´s), tendo em conta os resultados preliminares obtidos pelo autor no âmbito do reforço de paredes de alvenaria de tijolo sujeitas a ações sísmicas. Assim, o objetivo traçado para a presente tese centrou-se no desenvolvimento de BCR´s com pseudoductilidade com vista, ao melhoramento do desempenho mecânico, e BCR´s com monitorização que permita monitorizar deformações experimentadas pelo reforço quando solicitado por uma ação. Para o desenvolvimento de BCR´s com pseudoductilidade foram exploradas duas técnicas, nomeadamente: (a) pseudoductilidade a partir da incorporação de materiais fibrosos com diferentes propriedades mecânicas (alongamento na rotura); (b) pseudoductilidade a partir da utilização de materiais dúcteis em combinação com fibras de vidro e basalto. Desta forma, foi possível concluir que a partir de fibras com diferentes alongamentos na rotura é possível induzir um comportamento pseudo-ductil em BCR´s. Este comportamento é mais acentuado quando são utilizadas fibras que intrinsecamente já possuem um elevado alongamento na rotura, conseguindose transportar essa capacidade de alongamento para o BCR. Ainda nesta temática, foi possível concluir que a combinação de fibras de vidro, polipropileno e polietileno de ultra alto peso molecular em igual volume foi a que induziu um melhor comportamento pseudo-ductil. Através dos resultados obtidos foi possível concluir ainda que a introdução de aço em BCR de Vidro e BCR de Basalto induz um comportamento Pseudoductil. Foi possível concluir que o BCR com núcleo de fibra de vidro e o BCR com núcleo de fibra de basalto apresentam comportamentos distintos, ao nível da Pseudoductilidade, em função da quantidade de aço. No caso do BCR com Fibra de Vidro o aumento da pseudoductilidade é progressivo, ao passo que no BCR de Basalto, a Pseudodutilidade atinge um valor Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 110 próximo do limite aos 21% de incorporação de aço. Em suma, através deste trabalho inovador foi possível desenvolver BCR´s Híbridos com Pseudoductilidade, através da introdução do aço no núcleo de reforço como material dúctil. No que diz respeito à monitorização, o objetivo foi estudar as seguintes técnicas: (a) introdução de filamentos intrinsecamente condutores; (b) funcionalização de filamentos de vidro com materiais condutores, nomeadamente nanotubos de carbono. No âmbito do presente estudo foi possível desenvolver novas funcionalizações no que diz respeito aos BCR no sentido de as capacitar de propriedades Piezoresistivas em ensaios de tração cíclicos. Neste sentido, por um lado, foram exploradas duas técnicas distintas, nomeadamente a obtenção da propriedade piezoresistiva através da inserção de filamentos que intrinsecamente são condutores. Por outro lado, foi explorada uma nova técnica de fiuncionalização de rovings de fibra de vidro no sentido de os dotar com a capacidade de condução elétrica necessária para a monitorização. A partir do presente estudo realizado, verifica-se a não viabilidade de monitorização a partir da via da introdução de filamentos intrinsecamente condutores como elementos de monitorização, devido à elevada condutividade elétrica que os mesmos revelam. Esta conclusão é sustentada não apenas nos resultados obtidos, como também nos valores de gauge factor determinados para os filamentos individualizados, quando submetidos a diferentes extensões. No que diz respeito à funcionalização dos rovings de fibra de vidro, foram exploradas três técnicas, nomeadamente: (a) Formulação A, dispersão de CNT na matriz; (b) Formulação B, utilização de ácido polilático (PLA) como veículo de incorporação dos nanotubos de carbono na superfície do roving de fibra de vidro; (c) Formulação C, utilização de ácido polilático (PLA) como veículo de incorporação dos nanotubos de carbono na superfície e posterior revestimento com matriz epóxida. Neste sentido verificou-se que a Formulação A, nas condições em estudo, não apresentou níveis de resistência elétrica compatíveis com o sistema de monotorização idealização, ao contrário das formulações B e C. No que diz respeito à formulação B e C as mesmas apresentam níveis de resistência elétrica compatíveis para o efeito de monitorização pretendido. No que diz respeito à formulação B e C os melhores resultados de monitorização foram conseguidos nas amostras com 2 % de CNT´s, uma vez Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 111 que se verificou o valor mais alto de sensibilidade (Gauge Factor), para ambas as deformações estudadas, 0,5 e 1%. Por fim, é possível concluir que através deste trabalho inovador foi possível desenvolver BCR´s coma a capacidade de possuir Pseudoductilidade e BCR´s com Monitorização. 6.2 Futuros desenvolvimentos No âmbito do desenvolvimento da presente tese de doutoramento foi possível desenvolver BCR´s com a capacidade de possuir pseudoductilidade e BCR´s com monitorização. Para a realização deste trabalho foram seguidas linhas de desenvolvimento, com base nas direções apontadas pelo estado da arte no momento. Considerando os resultados apresentados e face às oportunidades daí ocorridas, são deixadas algumas considerações para trabalhos futuros, nomeadamente: -Validação do desempenho dos BCR´s com monitorização e pseudoductilidade em alvenarias, validando os estudos apresentados aos varões em condições próximas das reais de utilização; -No que diz respeito aos BCR´s com comportamento psudoductil seria importante em trabalhos futuros explorar a incorporação de novas fibras que permitam aumentar este comportamento pesudoductil, nomeadamente fibras com maior taxa de extensão; - No que diz respeito aos BCR´s com capacidade de monitorização seria interessante funcionalizar as fibras de vidro com grafeno para que se possa obter materiais mais condutores. Ainda no âmbito da funcionalização, seria igualmente importante utilizar polímeros condutores como veículo de funcionalização, garantindo a continuidade de condução elétrica desejada. Desenvolvimento de materiais fibrosos inteligentes para o reforço de alvenarias de enchimento sujeitas à ação sísmica 112 7 Bibliografia Abreu, I. K., 2015. Estudo dos efeitos da adição de copolímeros em blocos em nanocompósitos de matriz epoxídica reforçados com nanoplateletes de grafeno ou nanotubos de carbono. , Santa Catarina, Brazil: Universidade do estado de santa catarina – udesc. Abreu, S., 2011. Metodologias de Reforço de paredes de alvenaria de enchimento, Guimarães: Dissertação de mestrado. Abry, J. et al., 1999. In situ detection of damage in CFRP laminates by electrical resistance measurements.. Em: Composites Science and Technology. s.l.:s.n., pp. 925-935. Abry, J. et al., 2001. In-situ monitoring of damage in CFRP laminates by means of AC and DC measurements. Em: Composites Science and Technology. s.l.:s.n., p. 855–864.. Ammad Hassan, M. et al., 2020. Improving structural performance of timber wall panels by inexpensive FRP retrofitting techniques. 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