Betão reforçado com fibras : aplicações e técnicas de inspeção e reforço de elementos estruturais afetados pela ação de um fogo

Abstract

A utilização de Betão Reforçado com Fibras (BRF) apresenta, atualmente, um crescimento significativo no mercado da Construção. As áreas de aplicação passam, principalmente, por pavimentos industriais, elementos pré-fabricados, reforço estrutural e revestimento de túneis. A aplicação de fibras em substituição parcial ou total de armaduras convencionais em certos elementos de betão pode proporcionar vantagens técnicas e económicas. O Betão Auto Compactável Reforçado com Fibras (BACRF) é um material que alia as vantagens inerentes à utilização de um BRF com as que resultam do facto de se tratar de um material que possui elevada capacidade de fluir, contornar obstáculos e preencher zonas de difícil acesso, sem ocorrência de segregação dos seus constituintes. A presente dissertação pretende contribuir para o aumento do conhecimento sobre a tecnologia do Betão Reforçado com Fibras, caraterização do seu comportamento por ensaios experimentais, exploração do seu uso em aplicações estruturais por meio de ferramentas de análise estrutural avançada, baseadas no método dos elementos finitos, e avaliação do seu potencial no reforço estrutural. A lei constitutiva que simula o modo I de fratura do BRF/BACRF foi obtida por análise inversa, recorrendo aos resultados experimentais obtidos em ensaios de flexão com viga entalhada e determinando a lei tensão-abertura de fissura que, por simulação numérica, garantiu uma maior aproximação dos resultados numéricos aos experimentais. A adição de fibras, especialmente as não metálicas, apresenta-se como uma das soluções mais eficientes para melhorar o comportamento do betão quando este é exposto a temperaturas elevadas e/ou fogo. A presente dissertação contribui para um melhor conhecimento da influência da adição de fibras não metálicas no comportamento mecânico residual de elementos estruturais em BRF/BACRF quando estes são expostos acidentalmente ao fogo. Paralelamente, estabelecem-se relações entre medições efetuadas recorrendo a ensaios não destrutivos e as principais propriedades mecânicas residuais dos betões desenvolvidos. A análise inversa aplicada aos resultados experimentis em provetes de BRF/BACRF submetidos a diferentes níveis de temperatura máxima permitiu avaliar a influência da temperatura de exposição nos parâmetro de fratura destes materiais, de forma a ser possível simular o seu comportamento não linear material quando submetidos a diferentes níveis de temperatura máxima. Por fim, expõe-se a metodologia adotada para avaliação dos danos provocados por um incêndio real numa estrutura porticada em betão armado e definem-se estratégias de reabilitação recorrendo a BACRF. Esta metodologia inclui algumas considerações relativas à inspeção dos elementos estruturais existentes após exposição térmica, o levantamento de patologias, a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais e a realização de ensaios de carga, bem como a definição de um projeto de reforço para a estrutura afetada baseado na aplicação localizada de BACRF. A análise do comportamento da estrutura danificada e do comportamento da estrutura reabilitada foi efetuada com recurso a modelos de análise não linear material que simulam a iniciação e propagação de fissuras em materiais de matriz cimentícia.

The use of Fibre Reinforced Concrete (FRC) is, nowadays, increasing significantly in the Construction market. The principal areas where FRC is being used are: pavements of industrial buildings; precasting industry; structural rehabilitation; tunnelling. The fibre reinforcement is also being used to replace partially or totally conventional reinforcements in certain structural applications, with technical and economic advantages. More recently the use of fibres is been extended to self-compacting cement based materials in order to obtain a composite material (FRSCC) that can combines the benefits of fibre reinforcement with self-compacting requisites. In certain structures, mainly those with complex geometry, the FRSCC can be used without any type of conventional reinforcement and vibration process. The present document aims to contribute for the increase of the knowledge on the technology of FRC, the characterization of its behaviour from experimental rests, on its use of innovative structural systems and on the structural rehabilitation. In the design domain, advanced numerical tools were used in order to explore the post-cracking benefits provided by fibre reinforcement for the load carrying capacity of FRC structures. The constitutive law that simulates the fracture mode I of FRC/FRSCC was assessed from inverse analysis by using the experimental results recorded in three point notched beam bending tests, and obtaining the stress-crack width relationship from numerical simulations that fit as much as possible the experimental results. The addition of fibres, mainly those of synthetic nature, is especially suitable to enhance the fire resistance of cement based materials. In this work the influence of fibre addition on the relevant properties of concrete materials subjected to different level of maximum temperature of exposure was assessed by performing several experimental programs. Special focus was put on the concrete compressive strength, and young modulus, as well as on the fracture parameters of FRC/FRSCC exposed to high temperature. For the fracture parameters, inverse analysis was carried by taking the results obtained in three point notched beam bending tests that were subjected to different level of maximum temperature. The obtained results are the first step for reliable simulations of the material nonlinear behaviour of FRC/FRSCC structures subjected to high temperatures. The applicability of non destructive techniques for the assessment of the material and structural behaviour of damaged structures was also assessed. For this purpose experimental programs were carried out, and the results from non destructive techniques were compared with those obtained in conventional destructive tests in order to discuss their reliability and opportunity. Finally, a methodology for the rehabilitation of a reinforced concrete building submitted to a fire was described. This methodology includes the assessment of the relevant properties of the materials constituting the structure, the load carrying capacity of the structure from load tests and advanced numerical simulations, and the use of steel-FRSCC for the increase of the load carrying capacity of the damaged structure.