Simulação numérica do comportamento de peças fletidas reforçadas com PRFC

Abstract

O reforço e a reabilitação de estruturas de concreto com a utilização de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) se consolidou como uma atraente alternativa para obras civis. Alguns fatores que levaram a um maior uso deste material são suas excelentes propriedades mecânicas, seu baixo peso específico e por, diferentemente do aço, não apresentar corrosão. A evolução deste tipo de reforço e da tecnologia do concreto como um todo, exigem métodos de análise mais refinados. Por isto, propõe-se realizar a modelagem computacional de vigas submetidas à flexão com sistemas de reforço de PRFC, através do método dos elementos finitos (MEF), utilizando o software comercial ANSYS. Abordam-se os métodos com PRFC externamente aderido à superfície de concreto, externally bonded (EB), e o método com laminados embutidos no cobrimento da peça, near surface mounted (NSM). As não linearidades físicas dos materiais envolvidos são incluídas. Um enfoque especial é dado ao comportamento da aderência entre a estrutura e o reforço, através de elementos de contato e de modelos de zona coesiva bilineares disponibilizados pelo programa. Desta maneira, podem ser detectados nas simulações computacionais, modos de ruptura prematuros que ocorrem por destacamento do reforço e que muitas vezes limitam o aproveitamento das propriedades de resistência do PRFC. Foram testadas vigas em concreto armado sem reforço, vigas com reforço EB e também vigas com reforço NSM. Os modelos numéricos desenvolvidos mostraram-se capazes de prever tanto o comportamento instantâneo das vigas em concreto armado reforçadas com PRFC, analisado através das curvas carga x deslocamento, como o modo e carga de ruptura.

The strengthening and rehabilitation of concrete structures using carbon fiber reinforced polymers (CFRP) has consolidated itself as an attractive alternative in civil construction. Some factors that led to greater use of this material are its excellent mechanical properties, low specific weight and, unlike steel, it does not present corrosion. The development of this type of strengthening, and concrete technology as a whole, require refined analysis methods. Therefore, it is proposed to perform a computational modeling of flexural beams with CFRP strengthening systems through the finite element method (FEM) in the commercial software ANSYS. The strengthening techniques discussed are CFRP externally bonded (EB) to the concrete surface, and the technique known as near surface mounted (NSM), which involves inserting CFRP strips into grooves made on the concrete cover. The physical non-linearities of the materials are included. A special focus is given to the behavior of the bond between the structure and reinforcement, through contact elements and bilinear cohesive zone models provided by the program. In this way, it is possible to detect in the computational simulations, premature failure modes that occur by the detachment of the reinforcement and that often limit full employment of CFRP’s resistance properties. Reinforced concrete beams, beams with EB strengthening and beams with NSM strengthening were tested. The developed numerical models were shown as able to predict the instantaneous behavior from both systems involving reinforced concrete beams strengthened with CFRP, analyzed through load-displacement curves, as well as the failure mode and ultimate load.