Análise numérica do comportamento de vigas em concreto armado reforçadas com laminados de PRFC via método dos elementos finitos

Abstract

Os Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono (PRFC) têm se destacado como um material com grande potencial para aplicação em reforço estrutural, devido às suas excelentes propriedades mecânicas, peso reduzido e, principalmente, à sua natureza não corrosiva. A principal técnica de aplicação do PRFC é a técnica EBR (Externally Bonded Reinforcement), que consiste na colagem externa desse material à estrutura por meio de uma resina, podendo o reforço ser aplicado sob a forma de laminado ou manta. Embora esse sistema de reforço aumente significativamente a resistência final da peça, ele tem pouco impacto na carga de fissuração e no comportamento sob cargas de serviço. Além disso, o sistema pode falhar prematuramente devido ao descolamento do laminado, não aproveitando plenamente a resistência desse material. Nesse contexto, a protensão dos laminados de PRFC tem surgido como uma forma de remediar essas questões. A compreensão do comportamento dos elementos estruturais envolvidos nesse sistema de reforço exige análises refinadas, como os métodos numéricos baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF). Nesse sentido, a presente pesquisa teve como objetivo principal analisar numericamente o comportamento de vigas em concreto armado reforçadas à flexão com laminados de PRFC pela técnica EBR, utilizando o MEF por meio do software ANSYS. Para isso, foram realizadas modelagens computacionais de vigas baseadas em estudos experimentais alinhados com a abordagem da pesquisa. O modelo numérico proposto considerou as não-linearidades físicas e geométricas dos materiais envolvidos, com ênfase no comportamento da interface entre a viga e o reforço por meio da implementação de elementos de contato e do Modelo de Zona Coesiva Bilinear disponibilizados pelo software. Essas considerações foram fundamentais nas análises, uma vez que o deslizamento na interface concreto/reforço é o modo de ruptura predominante em vigas reforçadas com laminados de PRFC. Os resultados das análises demonstram que o modelo numérico desenvolvido é capaz de prever adequadamente o comportamento de vigas reforçadas com laminados de PRFC. Em relação às vigas reforçadas com laminados de PRFC protendidos, foram realizadas análises numéricas preliminares considerando a aderência perfeita na interface entre o concreto e o reforço. Contudo, é necessário ajustar esse modelo inicial para viabilizar uma análise completa do comportamento de vigas reforçadas com essa técnica de reforço.

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) have emerged as a material with great potential for use in structural reinforcement due to their excellent mechanical properties, low weight and, most importantly, their non-corrosive nature. The primary application technique for applying CFRP is the Externally Bonded Reinforcement (EBR) technique, which consists of externally bonding this material to the structure using a resin. The reinforcement can be applied in the form of a laminate or a sheet. Although this reinforcement system significantly increases the final strength of the piece, it has little impact on the cracking load and behavior under service loads. Furthermore, the system may fail prematurely due to the detachment of the laminate, not fully utilizing the strength of this material. In this context, prestressing CFRP laminates has emerged as a way to remedy these issues. Understanding the behavior of the structural elements involved in this reinforcement system requires refined analyses, such as numerical methods based on the Finite Element Method (FEM). In this regard, the main objective of this research was to numerically analyze the behavior of reinforced concrete beams strengthened in flexure with CFRP laminates by the EBR technique, employing the FEM through ANSYS software. For this purpose, computational modeling of beams based on experimental studies aligned with the research approach was performed. The proposed numerical model considered the physical and geometric nonlinearities of the materials involved, with emphasis on the behavior of the interface between the beam and the reinforcement through the implementation of contact elements and the Bilinear Cohesive Zone Model made available by the software. These considerations were fundamental in the analyses, since sliding at the concrete/reinforcement interface is the predominant failure mode in beams strengthened with CFRP laminates. The results of the analyses demonstrate that the developed numerical model is capable of adequately predicting the behavior of beams strengthened with CFRP laminates. Regarding the beams reinforced with prestressed CFRP laminates, preliminary numerical analyses were performed considering perfect adhesion at the interface between the concrete and the reinforcement. However, adjustments to this initial model are necessary to enable a complete analysis of the behavior of beams reinforced with this strengthening technique.