Confiabilidade de vigas de concreto armado com barras de polímeros reforçados por fibras

Abstract

A indústria da construção civil brasileira possui um papel fundamental no desenvolvimento econômico e tecnológico do país. Cada vez mais, busca-se matéria-prima de alto desempenho, maior resistência e durabilidade. As barras de polímero reforçado por fibras (FRP - Fiber-Reinforced Polymers) está entre os materiais que apresentam uma perspectiva promissora, sendo usado como armadura para o concreto, em substituição às armaduras de aço. Ressalta-se que a utilização do FRP, principalmente em ambientes marítimos, onde o aço tende a sofrer corrosão, cresceu bastante nos últimos anos. Além de anticorrosivas, as barras de FRP possuem baixo peso específico e ausência da interferência eletromagnética, que são características importantes. Contudo, o grande desafio é o baixo módulo de elasticidade e a ruptura frágil, pois no projeto de vigas de concreto armado com barras de FRP, ocorre a soma de dois materiais de comportamento frágil, diferente das vigas armadas com barras de aço, onde a falha é dimensionada pelo escoamento do aço, caracterizado por uma falha dúctil. Nesse sentido, este estudo tem como objetivo o dimensionamento e avaliação da confiabilidade do uso das armaduras de FRP em vigas de concreto armado, como substituto ao tradicional aço a fim de identificar suas vantagens e desvantagens. Para tanto, considerou-se o desempenho de vigas sob carregamentos pesados em ambientes agressivos de zonas portuárias, verificando a influência da variação de parâmetros de projeto sobre a segurança da estrutura. Foi realizada uma ampla revisão bibliográfica sobre o projeto de vigas de concreto armado com barras de FRP. O dimensionamento foi realizado para vigas armadas com barras de fibra de carbono e de vidro, de acordo com o ACI 440.1R (2015) e com barras de aço de acordo com a ABNT NBR 6118 (2014), comparando a capacidade do momento resistente das vigas. As variáveis envolvidas, como as propriedades mecânicas das barras, a capacidade resistente do concreto e os carregamentos, foram geradas aleatoriamente e empregadas em métodos probabilísticos para avaliação da confiabilidade estrutural. Foi utilizado o Método de Confiabilidade de Primeira Ordem (FORM) para a determinação do índice de confiabilidade e a consequente probabilidade de falha, utilizando a linguagem Python, de vinte e sete vigas no Estado-Limite último de flexão e validado pelo Método de Monte Carlo. A confiabilidade das vigas em concreto armado com barras de FRP, dimensionadas de acordo com o ACI 440.1R (2015), resultou superior às vigas de concreto armado dimensionadas de acordo com a ABNT NBR 6118 (2014), com barras de aço. Os resultados mostraram-se coerentes e verificou-se, de uma forma geral, a solução em armaduras em FRP é viável na utilização na construção civil, desde que sejam observados os cuidados necessários em relação às propriedades deste material.

The Brazilian construction industry has a fundamental role in the country's economic and technological development. We are looking for high-performance raw material, greater resistance and durability, and lower cost. Fiber Reinforced Polymers (FRP) are among the materials that present a promising perspective, being used as reinforcement for concrete instead of steel reinforcement. It should be noted that the use of FRP, especially in marine environments, where steel tends to corrode, has advanced considerably in recent years. In addition to anti-corrosion, FRP bars have low specific weight and absence of electromagnetic interference, which are important characteristics. But the big challenge is the low modulus of elasticity and the fragile rupture because in the design of reinforced concrete beams with FRP bars, there is the sum of two fragile materials. Its behavior is different from the beams reinforced with steel bars when a failure occurs by the steel yielding, a ductile failure. This study aims to evaluate the reliability of FRP reinforcement in reinforced concrete beams as a substitute for traditional steel bars to identify its advantages and disadvantages. For this purpose, the performance of beams under heavy loads in aggressive environments in port areas is considered, verifying the influence of the variation of design parameters on the structure's safety. A comprehensive bibliographic review was carried out on the design of concrete reinforced beams with FRP bars, a description of the design of concrete reinforced beams with FRP bars according to ACI 440.1R (2015), and a study on the resistant capacity of the beams using methods of structural reliability analysis. Most of the variables involved, such as mechanical properties, geometric characteristics, and loads, are randomly generated and used in these probabilistic methods to assess the structural reliability of reinforced concrete beams with FRP bars and reinforced concrete beams with steel bars. The First Order Reliability Method (FORM) is used to determine the probability of failure and the reliability index, using the Python language of twenty-seven beams in the ultimate limit state of bending. The reliability of reinforced concrete beams with FRP bars designed according to ACI 440.1R (2015) was superior to the reinforced concrete beams dimensioned according to ABNT NBR 6118 (2014), with steel bars. The results are coherent. It was verified that FRP reinforcement is feasible for use in civil construction, as long as the necessary care regarding this material's properties is observed.