Reforço estrutural com fibra de carbono

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CONTEÚDO

ARTIGO DE REVISÃO

LEAL, Lilian Luna De Souza [1], FAGUNDES, Fabiano [2]

LEAL, Lilian Luna De Souza. FAGUNDES, Fabiano. Reforço estrutural com fibra de carbono. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 11, Vol. 09, pp. 31-46. Novembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso:https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/fibra-de-carbono

RESUMO

A utilização da fibra de carbono na construção civil surgiu como solução quando o assunto é reforço e desempenho estrutural. Fruto de pesquisa de mais de vinte anos no século passado, este material revolucionou a indústria da construção civil, automobilística, naval e aeroespacial, justamente por proporcionar resistência a cargas e ao desgaste por abrasão. Sua utilização no Brasil como material de reforço estrutural ainda é um tanto quanto tímida, isso se deve a diversos fatores como a falta de técnicas bem definidas pela área da engenharia, como também, pelo alto custo devido ser um material de importação predominantemente europeia. Este artigo trata-se de uma revisão onde buscou-se fazer uma revisão na bibliografia específica sobre o emprego do polímero de fibra de carbono como reforço para estruturas, tanto em fase de construção como naquelas que por algum motivo de projeto ou tempo, apresentam algum tipo de falha ou patologia. Pode-se de imediato fazer considerações finais com relação ao emprego da fibra de carbono para reforço estrutural. Para a realidade do cenário brasileiro, é uma tecnologia que não está tão difundida como demais métodos convencionais de reforço de estrutura – o que por sua vez se encontra como uma oportunidade mercadológica.

Palavras-chaves: Reforço estrutural, fibra de carbono, Engenharia dos Materiais, construção civil.

1. INTRODUÇÃO

Atualmente, o reforço de elementos estruturais de concreto armado com uso de polímeros reforçados com fibras de carbono está cada vez mais difundido. Em todo o planeta, a aplicação deste polímero moderno vem sendo estudada, bem como diversas técnicas de produção e principalmente de aplicação. Entre diversos fatores que serão elencados aqui neste trabalho, a fibra de carbono chama a atenção por ser composto por qualidades como elevada resistência à tração e à corrosão, baixo peso e agilidade de aplicação são os principais fatores para essa disseminação. (ARQUEZ, 2010).

Contudo, Plácido (2014) argumenta que a sua utilização tem motivos facilmente explicáveis. Com o surgimento da necessidade de reparos em patrimônios históricos, a preocupação com a durabilidade de pontes na América do Norte, de reforço estrutural devido a abalos sísmicos em alguns países, reparos em estruturas em ambientes com o elevado teor de agressividade, os sistemas de reforço estrutural não convencionais surgem como alternativa para solucionar estes problemas, possibilitando o surgimento de novas técnicas de reforço estrutural.

Ainda caminhando na linha de argumentos do autor acima, dente os motivos mencionados e os demais que serão apresentados nesse trabalho, a inovação de materiais se mostra de grande importância e principalmente necessária para que se possa evitar problemas nas estruturas de uma determinada edificação. Esses materiais compósitos, que também são conhecidos como polímeros modernos são necessários para o emprego e desenvolvimento de novas tecnologias nos processos construtivos.

Nesse sentido, quando falamos de novos materiais, poderíamos nem incluir a fibra de carbono, por ser um material disponível já há um certo tempo no mercado, mas gostaríamos de enfatizar a importância do emprego de materiais cada vez mais tecnológicos na construção civil, e que estes materiais satisfaçam as necessidades da engenharia, como também sejam economicamente viável. Neste caso, a fibra de carbono serve como uma solução para problemas de estruturas que necessitam de intervenções para reforço.

Este trabalho trata-se de um artigo de revisão de literatura de caráter qualitativo onde buscou-se como objetivo, realizar uma pesquisa na literatura sobre a utilização da fibra de carbono na engenharia civil como reforço estrutural, bem como os motivos para a utilização desse compósito polimérico como reforço estrutural.

2. METODOLOGIA

Este trabalho trata-se de um artigo de revisão de bibliografia de caráter narrativo onde busca-se fazer uma pesquisa bibliográfica sobre a utilização da fibra de carbono no reforço estrutural de estruturas de concreto. Como fonte de pesquisa, utilizou-se plataformas como Google Academics, Scielo e as bases da Capes/Cnpq para busca de artigos, monografias, dissertações, teses, capítulos de livros ou publicações que sejam cientificamente interessantes, e que some para o conteúdo do trabalho.

Como critério de escolha do trabalho a ser utilizado, deu-se preferência ainda à materiais que através de indicadores visíveis, tivessem o maior número possível de citações, importância e relevância para a comunidade científico acadêmica. O principal material de apoio utilizado para a elaboração desta pesquisa é o Manual de Reforço das Estruturas de Concreto Armado com Fibras de Carbono. (MACHADO, 2002).

2.1 A FIBRA DE CARBONO: O POLÍMERO MODERNO

Primeiramente, para falar de fibras de carbono, precisamos explicar o que é esse material e quais são suas características que tanto interessam para a engenharia. A fibra de carbono está classificada dentro dos polímeros modernos que nada mais são do que materiais orgânicos que são compostos por moléculas caracterizadas pela repetição de várias partículas pequenas que as chamamos de monômeros, quando são colocados vários monômeros em sequência, elas formam o que chamamos de polímeros. A Figura 1 apresenta um exemplo de reação de polimerização por adição de polímeros.

Figura 1Exemplo de reação de polimerização por adição

Fonte: Prazeres (2020).

O nome científico desta composição na verdade é a Piliacrilonitrila (PAN) que nada mais é do que um resultado da acrilonitrila. Da maneira como observado na imagem acima, uma pequena parte dessa é chamada de monômero, se agrupadas várias partes dessas, darão origem a um polímero (basta observar a diferença entre poli e môno). A Figura 2 apresenta a estrutura da acrilonitrila e poliacrilonitrila (FOGAÇA, [2020?]).

Figura 2 – Poliacrilonitrila

Fonte: Fogaça ([2020?]).
Como resultado dessa reação, a engenharia pode produzir diversos tipos de materiais bem como, interferir em sua estrutura e assim melhorar materiais já existentes, além de sintetizar novos materiais. Como resultado dessa possibilidade, nasce a fibra de carbono, sendo esta apresentada na Figura 3.

Figura 3 Fibra de Carbono

Fonte: Fibra… (2020).

De acordo com Machado (2002), as fibras de carbono são oriundas de tratamento térmico sofrido por fibras orgânicas como poliacrilonitril, podem ainda ser derivadas do alcatrão proveniente do petróleo ou do carvão. O autor afirma que o processo de produção das fibras chega a elevadas temperaturas, ficando em torno de 1000 °C a 1500°C, o que garante que as fibras oriundas desse método tenham átomos de carbono alinhados, motivo da elevada resistência das mesmas.

Borges (2016) aponta que no Brasil, esta tecnologia demorou a chegar, e o que se percebe é que ainda é utilizada bem timidamente, isso pode ser um resultado de diversos fatores, dentre eles destaca-se a fala de técnica nacional para trabalhar com tal material.

Mesmo quando utilizadas no nosso país, ainda se leva em consideração a norma 440 2R:02 do Comitê Americano de Concreto (ACI) (2008). Porém em 2015, a Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural (ABECE) estimulou um comitê na Associação Brasileira de Normas Técnicas crie uma NBR que tratasse da aplicação da fibra de carbono em estruturas de concreto.

2.2 O REFORÇO ESTRUTURAL COM FIBRA DE CARBONO

Desenvolvida por volta dos anos noventa na Suíça, a tecnologia que faz utilização de polímeros de fibra de carbono como reforço estrutural até mesmo na fase construtiva veio como uma alternativa frente ao método convencional de reforço com chapas de aço que são coladas ou parafusadas na localidade desejada. Demorou cerca de vinte anos para que essa tecnologia saísse dos laboratórios e estivesse disponível no mercado. (BORGES, 2016).

Na Figura 4, pode-se perceber um compósito que é formado por uma matriz cerâmica (pasta de cimento), por conta de sua conformação geométrica, o compósito oferece fortalecimento do elemento estrutural. (LIMA et al., [2020?]).

Figura 4 Concreto têxtil-concreto reforçado com fibra têxtil de carbono

Fonte: Santos (2015).

Uma de suas vantagens em relação aos métodos convencionais de reforço de estrutura, é a possibilidade de trabalho em superfícies irregulares. A manta de fibra pode ser aplicada em diversas superfícies sem que haja o comprometimento de suas propriedades. Segundo Serra e Silva ([2020?]), este material já foi utilizado durante anos nas indústrias europeias, principalmente em lugares que sofrem ataques de agentes químicos, como observado na Figura 5.

Figura 5 Aplicação de material colante sobre manta de fibra de carbono

Fonte: Mantas… (2020).

Além disto, as indústrias automobilísticas, e aeroespacial também fazem utilização deste material em ambientes que estão expostos a agentes químicos como a própria água, a oxidação e ação geral de agentes externos.

Segundo Reis (2001 apud PIVATTO, 2014, p. 4), há diferença clara entre recuperação, reparo e reabilitação:

  • Quando se fala em recuperação, significa que deve haver a correção do problema ou patologia com caráter de readequação da utilização de toda aquela estrutura;
  • Ao falar em reparo, o autor argumenta que este termo significa a correção localizada de um problema patológico;
  • Por fim, a reabilitação significa envolve processos de reparo simples, porém também de reforço da estrutura.

Machado (2002) explica que a necessidade de aplicação de reforços são resultados de falta de manutenção na edificação ou envelhecimento da mesma, pode ter sido um projeto inadequado ou até mesmo por má execução, ainda constam na lista a deterioração das estruturas causadas por acidentes por causas humanas e por fim, o aumento das cargas destinadas a estrutura que pode ser causada tanto por sobrecarga quanto por mudança na utilização da construção.

2.3 APLICAÇÕES PRÁTICAS DA FIBRA DE CARBONO COMO REFORÇO

Para abordar o emprego prático dos compósitos de fibra de carbono, Machado (2002, cap. 2 e 3) em seu “Manual de Reforço das Estruturas de Concreto Armado com Fibras de carbono”, indica os processos básicos de aplicação desse material compósito, sendo discorrido a seguir.

2.3.1 REFORÇOS DE VIGAS E LAJES À FLEXÃO E AO CORTE

As fitas de fibra de carbono, neste caso, podem servir como absorvedor de tração decorrentes dos momentos fletores positivos e negativos, além das tensões tangenciais, sendo a aplicação dela apresentada na Figura 6 e Figura 7.

Figura 6 Lajes que necessitam de reparos.

Fonte: Lajes… (2020)

Figura 7 Viga que recebeu reforço com fitas de fibra de carbono.

Fonte: Viga… (2020).

2.3.2 REFORÇO DE PILARES

O compósito serve como promotor do aumento da resistência a flexão, e no aumento da sua resistência à compressão axial por meio de confinamento (Figura 8).

Figura 8 – Atuação da fibra em colunas e pilares.

Fonte: Machado (2002, p.14).

2.3.3 REFORÇO DE TANQUES, SILOS E RESERVATÓRIOS

Além da função de reforço estrutural, nesses casos, a fibra ainda irá atuar como material vedante. Em outras palavras, o revestimento por fibra de carbono desempenhará um papel de impermeabilizante, como no caso exemplificado na Figura 9.

Figura 9 – Utilização da fibra de carbono como material para reforço de um reservatório.

Fonte: Fibra (2018).

2.3.4 MELHORA E AUMENTO DA DUCTILIDADE DE PILARES

Esta aplicação também serve para prevenção de abalos sísmicos e está apresentada na Figura 10.

Figura 10Manta de fibra de carbono aplicada à pilar para aumento de ductibilidade.

Fonte: Recuperar ([2020?]).

2.3.5 REFORÇO DE TUBULAÇÕES DE CONCRETO DE GRANDE DIÂMETRO

Neste caso terá uma função semelhante à de silos e reservatórios que é o reforço de grandes tubulações de concreto armado, bem como promover a impermeabilização e está apresentada na Figura 11.

Figura 11 Aplicação de fibra de carbono em grandes tubulações.

Fonte: Tipos ([202?]).

2.3.6 REFORÇO SEGUNDO MACHADO (2002)

Os processos são a seguir resumidos em tópicos os passos necessários para que seja feito o reforço em uma determinada estrutura.

  • Primeiramente, deve-se haver a recuperação do substrato do concreto, esse processo é necessário para que o compósito possa aderir de forma mais eficiente.
  • Logo após, é necessário que se faça a recuperação de fissuras e trincas estruturais. Uma vez recuperada, a estrutura estará pronta para receber a camada de manta de fibra de carbono. Para a recuperação dessas aberturas, o processo ocorre pela injeção de resina epóxi ou similar sob pressão (Figura 12);

Figura 12Injeção de fissuras.

Fonte: Machado (2002, p. 19)
  • Nessa etapa, deve ser feita a aplicação do imprimador primário, esse processo tem como objetivo a inserção do composto nos poros do concreto, tanto para que os poros sejam preenchidos e o índice de vazios seja reduzido, como para que a superfície fique mais homogênea possível para receber a aplicação do polímero.
  • A fase anterior precede esta que é uma das mais importantes, que é a aplicação de regularizadores de superfície. As massas de função regularizadoras são utilizadas para calafetação e regularização das superfícies de concreto onde serão aplicados os materiais compósitos. Todo esse processo resultará em uma superfície de menor irregularidade e o mais desempenada possível, isso permitirá maior aderência do material polimérico, bem como o desempenho de suas funções.
  • A próxima fase é chamada de saturação da via úmida, onde a lâmina de fibra de carbono é saturada na bancada e posteriormente é transportada para sua aplicação na peça que será reforçada.
  • A próxima fase é a saturação da via seca, nesta fase, os manuseadores aplicarão o material de fibra de carbono diretamente sobre o concreto da peça a ser reforçada. Se faz necessário chamar a atenção para os materiais utilitários que serão utilizados para aplicação do material,
  • Na penúltima fase, de acordo com Machado (2002), ocorrerá a aplicação da lâmina de fibra de carbono (Figura 13), o material que realmente revestirá toda a estrutura desejada e promoverá o esforço estrutural que aquela localidade exige.

Figura 13 – Fitas de fibra de carbono sendo aplicada.

Fonte: Fitas… (2020).
  • Chegando na parte final da preparação e aplicação da fibra de carbono em uma estrutura, deverá ser aplicada a segunda camada de saturação, onde posteriormente será aplicado também algum tipo de material revertido e esteticamente atraente. Deve-se atentar para a rapidez com que o material seca, então este processo deve ser concluído em cerca de 25 a 30 minutos.

Qualquer tipo de material que seja aplicado sob o compósito, não deve ser agressivo a sua estrutura polimérica. A função da aplicação da fibra de carbono é exclusivamente proporcionar resistência mecânica para estruturas e não a de propor revestimento estético.

2.4 PRIMEIRAS CONSIDERAÇÕES

A estabilidade dimensional do concreto, nisto queremos dizer, os fenômenos de expansão, retração e fissuração, bem como a resistência química do concreto, estão diretamente ligados às características físicas e químicas do cimento utilizado, sendo elas finura, grau de expansão, composição potencial, cal livre, presença de óxido de magnésio, etc., e não à sua resistência mecânica segundo aponta Gabardo (2019).

Segundo o mesmo autor, essas propriedades podem se potencializar quando associado a presença da fibra de carbono por ser um material com grandes potenciais, uma vez que as forças de suas ligações carbono-carbono, leveza do átomo e grande resistência são decorrentes de seu arranjo molecular. Basicamente, a resistência da fibra não está ligada apenas em suas propriedades físicas, químicas e mecânicas, mas devemos enfatizar que tudo isso é consequência da sua conformação geométrica.

Ferrari; Padaratz e Loriggio (2002) verificaram o excelente desempenho em uma viga revestida com manta de fibra de carbono e submetida a teste de flexão. A melhora do desempenho foi verificada por meio dos aumentos na capacidade de carga.

Já Lima et al. ([2020?]) verificaram que, as mantas não alteram o peso das estruturas. Estes autores ainda verificaram que a aplicação de resina epóxi pura em conjunto com a adição de lâminas de carbono, ocasionaram no aumento da tensão necessária para ruptura do corpo de prova. Os autores concluíram que quanto maior são as camadas de revestimento de polímeros carbônicos, mais aumentará a resistência.

Serra e Silva ([2019?]) afirmam que quando uma estrutura chega ao ponto de não suportar mais o aumento de carga, a fibra de carbono se torna uma excelente alternativa, isso pelo fato de que, segundo os autores, este polímero eleva a resistência à tração da estrutura para até dez vezes mais do que o aço é capaz de suportar.

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Para a realidade do cenário brasileiro, o emprego da fibra de carbono para reforço estrutural, ainda é uma tecnologia que não está tão difundida como demais métodos convencionais de reforço de estrutura. A maioria destes materiais são importados da Europa, e como consequência deste fator, o preço não se torna muito atrativo, isto leva o construtor a optar por outros sistemas de recuperação e melhoria do reforço e estruturas. Uma desvantagem é o fato de que a manta de fibra de carbono apresenta boa condutibilidade térmica, configurando-se como ótimos condutores térmicos.

Como consequência deste quadro, se faz necessário que haja aplicação de algum tipo de material antitérmico para que seja reservada a vida útil e todas as propriedades que compõem a fibra. Outro fator que poderíamos mencionar e que foi percebido durante a pesquisa bibliográfica é o grande número de informações desencontradas a respeito do processo de aplicação. Machado (2002) por exemplo, baseia-se em normas norte americanas. Isso é resultado de diversos fatores, dentre eles, poderíamos citar a falta de conhecimento e de aceitação por parte de construtores em confiar em um material de massa específica tão baixa, mas que extremamente eficiente como reforço estrutural.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AMERICAN CONCRETE INSTITUTE COMMITTEE (ACI). ACI 440: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, 2008.

ARQUEZ, Ana Paula. Aplicação de laminado de polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) inserido em substrato de microconcreto com fibras de aço para reforço à flexão de vigas de concreto armado. 2010. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas) – Escola de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2010. Disponível em:https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18134/tde-29062010-114146/publico/2010ME_AnaPaulaArquez.pdf. Acesso em: 20 out. 2020.

BORGES, Igor de Oliveira. Estudo de reforço de vigas e lajes com compósitos de fibra de carbono colados. 2016. Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Civil) – Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília, Brasília, 2016. Disponível em: https://bdm.unb.br/bitstream/10483/17277/1/2016_IgorDeOliveiraBorges_tcc.pdf. Acesso em: 20 out. 2020.

FERRARI, Vladimir José; PADARATZ, Ivo José; LORIGGIO, Daniel Domingues. Reforço à flexão em vigas de concreto armado com manta de fibra de carbono: mecanismos de incremento de ancoragem. Actra Scietiarum, Maringá, v. 24, n. 6, p. 1783-1791, 2002. Disponível em: <http://periodicos.uem.br/ojs/index.php/ActaSciTechnol/article/view/2556/1577>. Acesso em: 20 out. 2020.

FIBRA de Carbono. In: GOOGLE imagens. Mountain View: Google, 2020. Disponível em: https://www.google.com/search?q=Fibra+de+Carbono+&tbm=isch&ved=2ahUKEwig9KXq2-bsAhXNJrkGHZB8DukQ2-cCegQIABAA&oq=Fibra+de+Carbono+&gs_lcp=CgNpbWcQAzIECCMQJzICCAAyAggAMgIIADICCAAyBAgAEEMyAggAMgIIADICCAAyAggAULEWWLEWYLEqaABwAHgAgAGIAYgBiAGSAQMwLjGYAQCgAQGqAQtnd3Mtd2l6LWltZ8ABAQ&sclient=img&ei=4XqhX-D_Ns3N5OUPkPm5yA4&bih=657&biw=1366&hl=pt-BR. Acesso em: 20 out. 2020.

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SERRA, Marcus Vinícius Cardoso; SILVA, Thiago Henrique Lira da. Fibra de Carbono: reforço estrutural em estrutura de concreto armado. [S. l.], [2020?]. Disponível em: https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/artigo-_fibra_de_carbono.pdf. Acesso em: 20 out. 2020.

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[1] Estudante de Engenharia Civil.

[2] Orientador. Engenheiro Civil E Engenheiro De Segurança.

Enviado: Novembro, 2020.

Aprovado: Novembro, 2020.

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