Comportamento à flexão de vigas de aço danificadas reforçadas com fibra de carbono

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10134 (2022) Citar este artigo

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Este artigo apresenta os resultados de ensaio e análise de elementos finitos de um estudo sobre o comportamento à flexão de vigas de aço danificadas reforçadas com chapas de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). Os resultados dos ensaios mostraram que a carga de escoamento, carga última e rigidez elástica das vigas de aço com 100% de perda da mesa de tração foram 68,3%, 73,8% e 13,5% maiores que a carga de escoamento, carga última e rigidez elástica da viga de aço com 28% de perda da teia após carregamento estático. A carga de escoamento e a rigidez elástica da viga de aço após sobrecarga foram 8,7% e 24,5% maiores que a carga de escoamento e a rigidez elástica da viga de aço sem sobrecarga. O nível de dano teve um efeito significativo na carga de escoamento, capacidade de carga última e rigidez elástica das vigas de aço, independentemente de as vigas de aço estarem sob carga estática ou sobrecarga. A viga de aço danificada poderia ser reparada por chapas de CFRP, o aumento das camadas de chapas de CFRP poderia melhorar a carga de escoamento, a capacidade de suporte final e a rigidez elástica das vigas de aço, e as deformações das chapas de CFRP diminuiriam devido à sobrecarga. Os resultados da análise numérica mostraram que em comparação com a viga de aço sem sobrecarga, a flecha e as deformações da viga de aço após a sobrecarga foram muito menores. A carga de escoamento e a rigidez elástica aumentaram com o incremento da amplitude de sobrecarga, e o incremento do número de sobrecarga pode reduzir a carga de escoamento e a rigidez elástica. Todas as cargas de escoamento das vigas de aço após sobrecarga foram maiores do que as cargas de escoamento das vigas de aço sem sobrecarga, mas as capacidades de carga últimas foram menores.

Um dos maiores desafios enfrentados pela comunidade de engenharia civil atualmente é estender a vida útil de estruturas de aço degradadas. A substituição de estruturas degradadas muitas vezes não é viável, e a reparação com materiais convencionais é ineficiente em termos de custo, impacto social e ambiental e durabilidade. Algumas estruturas são sempre utilizadas sob sobrecarga, em que a carga de serviço é superior a 70% da carga última da estrutura. Nos últimos anos, um novo método para reparar estruturas de aço danificadas tem sido o uso de chapas de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). As chapas de CFRP têm materiais e propriedades mecânicas únicas, como baixo peso próprio, alta resistência e rigidez e boa durabilidade. As chapas de CFRP podem ser coladas com epóxi na face de tensão dos membros danificados para restaurar ou aumentar a capacidade de suporte final dos membros de aço. Durante os últimos anos, houve muitos estudos sobre o reparo e adaptação de membros de aço com materiais de polímero reforçado com fibra (FRP) ligados por epóxi. Colombi e Poggi1 investigaram um programa experimental e numérico para caracterizar o comportamento estático de armaduras de vigas de aço por tiras de CFRP pultrudadas. O principal objetivo do programa experimental foi a avaliação do mecanismo de transferência de força, o incremento da capacidade de carga e a rigidez à flexão. O uso das tiras de CFRP pultrudadas também nos permitiu validar diferentes modelos analíticos e numéricos para a análise estática de vigas armadas. Bocciarelli2 apresentou uma abordagem simples para avaliar a resposta de vigas de aço estaticamente determinadas reforçadas por placas de polímero reforçado com fibra de carbono no regime elástico-plástico. A solução proposta foi válida apenas a uma certa distância dos extremos da armadura onde a resposta da estrutura não foi influenciada pelos efeitos locais devido ao término abrupto da armadura. Sugiura et al.3 apresentaram a aplicabilidade da adesão de CFRP para o reparo de elementos de aço corroídos. O comportamento de descascamento do CFRP foi investigado experimentalmente em ensaios de tração e flexão de elementos de aço com CFRP aderido. Com base nos resultados experimentais, o método de projeto para determinar o volume necessário e o comprimento de ligação do CFRP e verificar o descascamento do CFRP do aço foram fornecidos. Wu et al.4 investigaram o comportamento à fadiga de vigas de aço com entalhes artificiais reforçadas com quatro tipos diferentes de materiais testados sob rigidez de tração equivalente. Os resultados do teste mostraram que a aplicação de uma placa composta reforçada com fibra pode não apenas retardar o início da trinca, diminuir a taxa de crescimento da trinca e prolongar a vida à fadiga, mas também reduzir a deterioração da rigidez e a deflexão residual. Yu et al.5 investigaram a eficácia das placas CFRP em prolongar a vida à fadiga de estruturas de aço. Os resultados experimentais mostraram que os remendos de CFRP podem efetivamente retardar o crescimento de trincas, prolongando a vida à fadiga e o reforço tardio em um nível de dano maior tende a resultar em uma extensão mais significativa na vida à fadiga restante. Bocciarelli e Colombi6 apresentaram uma abordagem simples para calcular a resposta elastoplástica de uma viga de aço reforçada com uma lâmina de CFRP. A principal conclusão foi que uma seção armada tinha que atingir uma grande curvatura para desenvolver sua resistência ao momento fletor último, e por isso foi necessário o uso de enrijecedores para evitar problemas de instabilidade local tanto na alma quanto nas mesas. Hmidan et al.7 relataram o comportamento da ponta da trinca de vigas de aço de flange larga W4 × 13 reforçadas com chapas de CFRP. Os resultados mostraram que as propriedades do CFRP, como número de camadas e módulo, influenciaram a plasticidade da ponta da fissura das vigas reforçadas. Colombi et al.8 realizaram ensaios de fadiga em chapas de aço fissuradas (amostras de aresta única) reforçadas por tiras coladas em um único lado. Os resultados mostraram que os materiais CFRP ligados ao redor da área da ponta prolongaram a vida à fadiga dos elementos de aço danificados por um fator de aproximadamente 3. Ghafoori e Motavalli9 estudaram experimentalmente e numericamente a flambagem lateral-torcional (LTB) de vigas de aço reforçadas por módulo normal ( NM) laminados CFRP. O aumento da protensão no laminado CFRP nem sempre aumenta a resistência à flambagem de vigas de aço esbeltas adaptadas. Wang et al.10 usaram chapas de CFRP e chapas de CFRP protendidas para reparar vigas mistas aço-concreto. Os resultados mostraram que as chapas CFRP não tiveram efeito significativo nas cargas de escoamento das vigas mistas reforçadas, mas tiveram um efeito significativo nas cargas finais. Colombi e Fava11 investigaram nove vigas de aço fissuradas reforçadas com CFRP sob carga de fadiga. Os resultados experimentais revelaram a presença de uma área descolada entre a armadura e o substrato de aço no local da fissura. A descolagem claramente teve um efeito prejudicial na eficácia do reforço. Gholami et al.12 avaliaram o desempenho de vigas de aço em seção I reforçadas com placas de CFRP pultrudadas na mesa inferior após exposição a diversas condições, incluindo clima tropical natural, ciclos úmido/seco, água pura, água salgada e solução ácida. O estudo constatou que a camada adesiva era a parte crítica e o desempenho do sistema estava diretamente relacionado ao comportamento e à ductilidade de todas as vigas reforçadas aumentando após a exposição. Aljabar et al.13 estenderam o conhecimento atual do reforço de CFRP de elementos de aço em carregamento de fadiga de tração para o caso de carregamento misto de tração e cisalhamento. Um fenômeno de deslocamento foi identificado para descrever a influência do modo misto em termos de propagação de trincas. Um fator de modificação de modo misto foi desenvolvido para estimar a vida à fadiga de placas de aço reforçadas com CFRP com trincas iniciais inclinadas. Hu et al.14 propuseram guias e programas de projeto de fadiga para estruturas de aço reforçadas com CFRP. O CFRP mostrou-se eficaz no reforço de estruturas de aço sob fadiga. O CFRP pode estender a vida à fadiga sob uma determinada condição de carga ou aumentar a faixa de tensão permitida quando uma certa vida à fadiga é desejada. Yousefi et al.15 apresentaram os resultados de investigações experimentais e numéricas sobre análise de falha e comportamento estrutural de vigas I de aço entalhado reforçadas por placas de CFRP coladas sob carga estática. Os resultados mostraram que os modos de falha do CFRP no reforço de vigas I de aço deficientes incluíram descolamento final, descolamento de carga abaixo do ponto, rachadura e delaminação. Bocciarelli et al.16 propuseram modelos analíticos e numéricos de adesivos elastofrágeis para avaliar a distribuição de tensões e deformações na armadura para um determinado comprimento de fissura. Os resultados experimentais foram considerados para validar as técnicas numéricas e analíticas propostas. Os resultados calculados estavam de acordo com os resultados experimentais. Martinelli et al.17 estudaram o comportamento de união de compósitos de polímeros reforçados com fibras (FRP) colados a substratos de aço por meio de simulações experimentais e numéricas. Os resultados mostraram que a relação aderência-escorregamento incorporada no modelo numérico proposto teve um efeito significativo nos resultados numéricos. Portanto, era importante identificar as relações de aderência-deslizamento realistas com diferentes tipos de adesivos e condições de cura (através da realização de testes experimentais). Zhang et al.18 investigaram o comportamento à flexão de vigas de aço corroídas reforçadas por placas de CFRP. Os efeitos da corrosão e dos níveis de força de protensão na capacidade de flexão, modos de falha e tensão interfacial foram investigados. Os resultados mostraram que o modo de falha das vigas corroídas foi a fratura da placa de CFRP após a falha por cisalhamento da interface no meio do vão, e o local da fratura da placa de CFRP foi principalmente no ponto de carregamento. A superfície áspera do aço corroído pode aumentar a eficiência da transferência de tensão na interface, melhorando assim o comprimento de ligação efetivo da interface. A tensão de cisalhamento concentrou-se principalmente na extremidade da placa CFRP, e o valor de pico apareceu no ponto de carga. Em comparação com a viga de referência, a resistência à flexão da viga corroída reforçada pela placa de CFRP com nível de pré-esforço de 15% aumentou em uma proporção de 21%, e a taxa de utilização das placas de CFRP foi de até 71,59%. Hu e Feng19 apresentaram um método de projeto para estruturas de aço danificadas reforçadas com CFRP e desenvolveram um programa de projeto. Os resultados mostraram que o reforço de CFRP pode melhorar a vida útil sob uma certa faixa de tensão e a faixa de tensão admissível sob a premissa de atingir a vida útil alvo. Deng et al.20 estudaram o desempenho à fadiga por flexão de vigas de aço danificadas reforçadas por placas de grade de Bragg de fibra óptica reforçada com fibra de carbono (CFRP-OFBG). Os resultados do teste mostraram que o reforço de placa CFRP-OFBG reduziu efetivamente a taxa de crescimento de trincas por fadiga de vigas de aço danificadas e aumentou a vida à fadiga de vigas de aço danificadas em 22,46%. A análise e os resultados dos testes mostraram que o erro mínimo entre o valor calculado do modelo de previsão de vida e o valor do teste foi de − 24,13% e o erro máximo foi de − 5,61%.