Vantagens e desvantagens da utilização da fibra de carbono como reforço estrutural e recuperação de estruturas

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ARTIGO DE REVISÃO

ARAÚJO, Larisse Bueno de [1], SILVA, Higo Matos da [2], SILVA, Wellington Cesar Teles da [3]

ARAÚJO, Larisse Bueno de. SILVA, Higo Matos da. SILVA, Wellington Cesar Teles da. Vantagens e desvantagens da utilização da fibra de carbono como reforço estrutural e recuperação de estruturas. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 11, Vol. 05, pp. 113-124. Novembro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/vantagens-e-desvantagens

RESUMO

Quando se fala em estruturas na construção civil, sabe-se que com o passar do tempo as mesmas precisam de reforço, manutenção e reparos. Devido aos processos de deterioração que ocorrem nestas edificações, é cada vez maior a demanda por soluções que reabilitem ou reforcem construções, surgindo novas técnicas que ajudam a restabelecer a segurança estrutural. Dentre elas, podem-se citar reforços que utilizam compósitos de fibra de carbono, uma tecnologia que cada vez mais está sendo empregada na área da construção civil. É imprescindível, portanto, aos engenheiros conhecer a fundo as diferentes técnicas utilizadas no reforço e recuperação de estruturas de concreto, conhecendo melhor a respeito dos materiais utilizados, boas práticas de execução, custos, prazos, vantagens e desvantagens potenciais de cada uma das técnicas. Este trabalho foi elaborado com base em informações e estudos já publicados por outros autores nos anos 2000 a 2020. Trata-se de uma revisão de literatura onde busca-se como objetivo analisar as vantagens e desvantagens do emprego de fibra de carbono no reforço estrutural tendo em vista processos de deterioração, seja por erros construtivos ou desgaste natural.

Palavras-chaves: Reforço-estrutural, fibra, carbono, estruturas.

1. INTRODUÇÃO

Sabe-se que as edificações passam por processos de deterioração, sendo assim, medidas que garantam reparos ou reforço dessas edificações estão sendo cada vez mais solicitadas. Desta forma, visando atender a esta demanda, o setor da construção civil vem desenvolvendo técnicas inovadoras no restabelecimento da segurança de estruturas. (SARTURI, 2014).

De acordo com Arquez (2010), a reabilitação das estruturas é uma prática quase tão antiga quanto às estruturas de concreto armado. No caso específico do reforço estrutural, fatores como as mudanças nas cargas de utilização, erros de projetos e execução, alterações nas normas técnicas estabelecidas levam a uma readequação na capacidade de carga da estrutura.

Segundo o autor supracitado, a demanda por essas intervenções cresce cada dia mais. São diversos os métodos e materiais disponíveis no mercado, entretanto, polímeros como a fibra de carbono vem como uma alternativa para este cenário.

Material compósito é um termo utilizado para caracterizar materiais que são formados a partir da junção de dois ou mais materiais, com esta junção se objetiva alcançar propriedades que não seriam alcançadas se estes materiais fossem utilizados isoladamente. Desta forma, os materiais compósitos possuem duas fases, reforço e matriz. Dito isto, de acordo com Batista et al. (2017), as fibras de carbono começaram a ser utilizadas para reforçar estruturas que sofriam com abalos sísmicos.

A fibra de carbono (FC), é amplamente empregada em matrizes termoplásticas e termorrígidas pela sua resistência, módulo de elasticidade e por suas propriedades físicas e térmicas. Segundo Santos (2015), a utilização efetiva da FC se deu no final de 1969 e vem crescendo deste então.

Estes compósitos reforçados com fibras, conforme apresentando na Figura 1, são largamente empregados na indústria aeronáutica, automotiva e construção civil. Estes materiais possuem características físicas e mecânicas interessantes e que atendem à necessidade de reforço de estruturas na engenharia civil. (NOSSA, 2011).

Figura 1 – Sistema de reforço estrutural com fibra de carbono

Fonte: Reforço… (2020).

De acordo com Bronze (2016), o reforço estrutural é comumente realizado ao longo da vida útil da estrutura, no entanto, pode ser realizado também no processo de execução da estrutura, em ambos os casos, será para reparar erros construtivos. O autor aponta exemplos de causas que fazem com que seja necessário reforçar a estrutura, dentre eles estão as falhas na execução de projetos, emprego de material que não atende aos requisitos mínimos de qualidade e segurança, aumento da carga de utilização, conflito entre projetos, etc.

O objetivo deste trabalho é analisar as vantagens e desvantagens do emprego de fibra de carbono no reforço estrutural tendo em vista os processos de deterioração tais como erros construtivos, uso inadequado ou desgaste natural.

2. A FIBRA DE CARBONO E SUAS CARACTERÍSTICAS

A fibra de carbono é um material amplamente utilizado na engenharia principalmente como reforço em matrizes poliméricas devido ao seu elevado módulo e resistência. As fibras de carbono possuem em torno de 90% de carbono em sua composição e o seu diâmetro fica entre 5 a 15 µm. (SARTURI, 2014).

Segundo Machado (2002), o coeficiente de dilatação térmica dos materiais compostos de carbono tende a variar de acordo com a direção das fibras na matriz, composição dos materiais constituintes e da proporção das fases matriz/reforço. O Quadro 1 apresenta os coeficientes de dilatação térmica em relação a direção das fibras.

Quadro 1 – Coeficientes de dilatação das fibras de carbono

Direção Coeficiente de Dilatação Térmica
Longitudinal (aL) -10-6/ o C a 0
Transversal (aT) 22×10-6/o C a 23x10-6/o C

Fonte: Machado (2002).

De acordo com o autor supramencionado, o coeficiente de dilatação térmica negativo aponta que o material se contrai em virtude do aumento da temperatura e dilata em virtude da redução da temperatura. Para título de conhecimento e referência, o autor indica que o coeficiente de dilatação térmica do concreto é em torno de 4 a 6×10-6/°C.

Machado (2002, p. 6) fala que,

A temperatura a partir da qual o polímero começa a “amolecer” é conhecida como temperatura de transição vítrea (TG). Acima dessa temperatura o módulo de elasticidade é significativamente reduzido devido a mudanças em sua estrutura molecular. O valor de TG depende fundamentalmente do tipo da resina, mas normalmente se situa na faixa entre 80ºC a 100ºC. Em um material composto as fibras de carbono, que possuem melhores propriedades térmicas do que as resinas podem continuar suportando alguma carga na sua direção longitudinal até que a sua temperatura limite seja alcançada (situada no entorno de 1.500o C). Entretanto, devido à redução da força de transferência por meio da cola entre as fibras, as propriedades de tração do composto são reduzidas após a ultrapassagem da temperatura de transição vítrea (TG).

O Quadro 2 apresenta características genéricas de fibras de carbono.

Quadro 2 – Características genéricas das fibras de carbono

Tipo da Fibra de Carbono Módulo de Elasticidade (GPa) Resistência Máxima de Tração (MPa) Deformação de Ruptura (%)
De uso geral 220 – 235 < 3.790 > 1,2
Alta resistência 220 – 235 3.790 – 4.825 > 1,4
Ultra alta resistência 220 – 235 4.825 – 6.200 > 1,5
Alto modulo 345 – 515 > 3.100 > 0,5
Ultra alto modulo 515 – 690 >2.410 >0,2

Fonte: Machado (2002).

Na Figura 2 está descrita a tensão x deformação de alguns materiais utilizados como componentes de reforço.

Figura 2 – Tensão x deformação de materiais compósitos.

Fonte: BATISTA et al. (2017)

Batista et al. (2017) explica que os matérias compósitos reforçados com fibras de carbono em matrizes poliméricas apresentam, em relação ao aço na construção, e levando em consideração a mesma espessura, um quarto do peso e resistência à tração em torno de 8 a 10 vezes maior.

Ao inserir fibras no concreto, cria-se um compósito, em outras palavras, um material formado por mais de dois materiais diferentes. Estes materiais que compões um compósito são classificados em matriz e reforço, como já mencionado. Embora o concreto por si só seja um compósito (possuindo fase reforço, agregados, e fase matriz, pasta), ao inserir fibras, o concreto passa a ser a matriz e as fibras, reforço. (ARQUEZ, 2010).

3. METODOLOGIA

Este trabalho trata-se de uma pesquisa de caráter qualitativo elaborado com base em artigos, monografias, dissertações, teses, informações em reportagens que abordam o tema, bem como sites de empresas que trabalham com fibra de carbono como material auxiliar de reforço de estruturas.

Usou-se como base de pesquisa para elaboração deste artigo, trabalhos publicados desde o ano de 2000 até o presente ano de 2020. Levou-se em consideração o número de citações dos autores em outros trabalhos, relevância dos respectivos temas bem como importância, objetividade e precisão na comunicação das informações.

Dentre as bases utilizadas para as pesquisas estão as plataformas Capes-CNPQ, Scielo e Google acadêmico.

Um dos motivos de realização deste trabalho é justamente devido as fibras de carbono terem resistência e módulo elevados, boa resistência à deformação e propriedades elétricas característico. As fibras vêm sendo largamente empregadas como materiais de reforço em compósitos de elevado desempenho. (PARK et al., 2012)

Para Bronze (2016) é imprescindível que engenheiros conheçam a fundo as diferentes técnicas utilizadas para reforçar e recuperar estruturas de concreto, para isto, é fundamental que os mesmos tenham conhecimento aprofundado sobre os materiais empregados, boas práticas construtivas, custos, prazos, desvantagens e vantagens das técnicas utilizadas.

4. DISCUSSÃO

4.1 MANUTENÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS NA ENGENHARIA

A ideia de reforçar estruturas de concreto surgiu primeiramente na França, no final dos anos sessenta, onde pesquisadores locais realizaram os primeiros estudos com chapas de aço coladas externamente em vigas. Na Inglaterra, estudos desenvolvidos na década de setenta proporcionaram à reabilitação de centenas de pontes as estruturas foram reforçadas com chapas de aço, que tinham como objetivo os esforços decorrentes de flexão, sendo que posteriormente esforços de cisalhamento também se valeram deste sistema (SARTURI, 2014).

A manutenção estrutural é o conjunto de atividades necessárias à garantia do seu desempenho satisfatório ao longo do tempo, ou seja, o conjunto de rotinas que tenham por finalidade o prolongamento da vida útil, a um custo compensador. Os responsáveis pela estrutura deverão estar habilitados a tomar a melhor decisão sobre como proceder, adotando a opção mais conveniente, tanto tecnicamente como economicamente.

Batista et al. (2017), descreve em alguns passos no processo de aplicação da fibra de carbono para atuar como reforço estrutural.

  1. Primeiramente faz-se a recuperação do substrato de concreto;
  2. Posteriormente a recuperação de fissuras e trincas estruturais;
  3. Faz-se a preparação da superfície para o recebimento do polímero;
  4. Aplicação do imprimador primário e do regularizador de superfície;
  5. No quinto passo se faz o corte e imprimação das fibras de carbono;
  6. Logo após, a saturação da via úmida;
  7. Saturação da via seca;
  8. Aplicação da lâmina de fibra de carbono;
  9. Aplicação da segunda camada de saturação;
  10. Por fim, o revestimento estético e/ou protetor.

4.2 AS VANTAGENS

As chapas (também chamadas de folhas) de fibra de carbono proporcionam à peça aumento da capacidade de resistência à flexão e da força cortante em lajes e vigas. (ADORNO; DIAS; SILVEIRA, 2015).

De acordo com Callister Júnior (2008) e Batista et al. (2017), as principais vantagens em se utilizar fibras de carbono são:

  • Alta resistência mecânica e Alta rigidez: A fibra de carbono por si só já é um material de alta resistência devido a suas propriedades poliméricas, isto proporciona segurança e durabilidade nas construções na qual o material é aplicado (REFORÇO, [2020?]).
  • Adequado comportamento à fadiga;
  • Elevada resistência a diversos tipos de agentes químicos;
  • Por se tratar de um produto inerte, não são afetados pela corrosão;
  • Estabilidade térmica e reológica;
  • Extrema leveza devido ao baixo peso específico do sistema (da ordem de 1,6g/cm3 a 1,9g/cm3, cerca de 5 vezes menor do que o do aço estrutural) e por ser tão leve, pode chegar até ao ponto de não se considerar o seu peso próprio nos reforços.

Na contramão do reforço tradicional que faz utilização tradicional de chapas de aço, para Cunha et al. (2015), as vantagens da técnica de reforço com fibras de carbono, destaca-se a alta resistência e a alta rigidez do material, o que possibilita a utilização de reforço com baixa espessura e baixo peso. Portanto, gera um pequeno acréscimo de carga permanente.

Os autores supramencionados salientam que a adaptabilidade das mantas de fibras de carbono se dá pela sua alta flexibilidade, que influência também no processo de execução, requerendo pouca mão de obra. Além disto, os autores ressaltam que esse tipo de manta precisa de pouca manutenção pois possui alta resistência à fenômenos externos, além de excelente durabilidade.

A redução do tempo de obra é uma outra vantagem que o reforço com fibras de carbono oferece, desta forma, o tempo requerido para finalizar o processo de reforço estrutural é reduzido em comparação aos demais procedimentos convencionais. (REFORÇO, [2020?]).

4.3 DESVANTAGENS

4.3.1 CUSTO RELATIVO

Para falar dos pontos negativos a respeito do uso da fibra de carbono como reforço estrutural, abordamos o trabalho de Oliveira e Moreno Júnior (2009) no qual os autores argumentam que o compósito apresenta pouca resistência ao fogo extremo, por conta disso, há necessidade de revestimento com materiais antichamas. Estes materiais possuem custo elevado uma vez que os mesmos em sua maioria são importados da Europa.

4.3.2 INCOMPATIBILIDADE COM SUPERFÍCIES REGULARES

Para Adorno, Dias e Silveira (2015), deve-se atentar para as características da superfície da estrutura para que não seja aplicado em locais irregulares, o que pode diminuir a capacidade de carga. Esse cuidado deve ser tomado para que essa desvantagem seja reduzida. “A curva comportamental desses compósitos até a ruptura é linear, chegando a tensões últimas de 3500 MPa e deformações da ordem de 1,5%”. (SOUZA; RIPPER, 1998 apud ADORNO; DIAS; SILVEIRA, 2015).

Seguindo no trabalho destes autores, a fibra possui propriedades diferentes com relação a formação do compósito, se é longitudinal ou transversal, como já mencionado. Para que se drible esta desvantagem, deve-se escolher um material que possua elasticidade similar ao do aço. No fim das contas, a superfície do concreto será a responsável pela aderência química entre o compósito e a superfície, deve-se então garantir superfície mais uniforme e rugosa para aderência. O Quadro 3 apresenta especificações típicas das fibras de carbono.

Quadro 3  – Especificação típica da Fibra de Carbono.

Dados Técnicos Malha tipo 1 Malha tipo 2
Módulo elástico teórico 240 Kn/mm² 240 Kn/mm²
Fator de redução do modulo elástico devido a aplicação 1,5 1,5
Modulo elástico reduzido para fins de cálculo 160 Kn/mm² 160 Kn/mm²
Resistencia última a tração da fibra de carbono – teórica 4300 N/mm² 4300 N/mm²
Gramatura da fibra de carbono 200g/m² 80g/m²
Densidade da fibra de carbono 1,7g/cm³ 1,7g/cm³
Alongamento de ruptura teórico 1,75% 1,75%
Espessura teórica da fibra de carbono para fins de cálculo 0,117 mm 0,047 mm
Seção transversal da fibra de carbono para fins de calculo 117mm²/m 47mm²/m
Tensão última teórica a 1,75% 500Kn/m 200Kn/m
Tensão recomendada para o cálculo
Flexão – aproximadamente 800N/mm² ELU 0,5% 93,6Kn/m 37,6Kn/m
Axial – aproximadamente 640N/mm² ELU 0,4% 74,8Kn/m 30Kn/m

Fonte: Leoni e Souza (2013).

O material utilizado para colagem de fibra (a resina), deve possuir características de resistência e dureza suficientes para a transferência de esforço do concreto para a folha de fibra. Adorno, Dias e Silveira (2015) apresentaram na bibliografia um quadro com dados para comparar as informações técnicas entre dois tipos de compósitos. Estes dois materiais são descritos por Machado (2002) e Sika (2010), uma fabricante e apresentados na Tabela 4.

Tabela 4. Comparação dos dois materiais de compósito de fibra de carbono.

MBrace CF 130 (MACHADO,2002) Sika Wrap 300 C

(SIKA,2010)

Espessura 0,165 mm

0,0065 in

0,17 mm

0,0067 in

Tensão última 3800 MPa 3900 MPa
Módulo de elasticidade 227 GPa 230 GPa
Deformação de ruptura 1,67% 1,50%

Fonte: Machado (2002) e SIKA ([2010?]).

Percebe-se que os compósitos têm semelhanças em suas propriedades, tanto o descrito por Machado (2002) quanto por SIKA ([2010?]). Neste caso, a tecnologia vem ajudando e contribuindo para produção de matérias cada vez mais eficientes.

5. CONCLUSÃO

A fibra de carbono apresenta-se como um material promissor por se tratar de um elemento de alta resistência estrutural devido a sua capacidade de carga. Por estes fatores, caracteriza-se como um elemento eficiente quando a função é substituir métodos tradicionais de reforço.

Devido a mudança de funcionalidade de construções, como por exemplo uma ponte que foi edificada décadas atrás, a região na qual ela se encontra se desenvolveu, veículos de cargas maiores transitarão por ela. Neste caso, a fibra de carbono é o material indicado para proporcionar o reforço estrutural que a ponte necessita.

Foi observado que há necessidade de popularização do método para que o mesmo tenha maior disponibilidade no mercado, conseguinte redução de preço do produto e surgimento de novas tecnologias e materiais cada vez mais eficientes. Isso se traduzirá em novas metodologias construtivas, mais eficácia do material, bem como redução no tempo de reparo e custo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ARQUEZ, Ana Paula. Aplicação de laminado de polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) inserido em substrato de microconcreto com fibras de aços para reforço à flexão de vigas de concreto armado. 2010. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2010.

BATISTA, Juliana Teófilo Monteiro; SILVA, Vitório Arruda; REZENDE, Emanuela Carvalho Lobo; MONTEIRO, Eliana Cristina B. Reforço com compósito de fibras de carbono: alternativa moderna no cotidiano das obras. In: Conferência Nacional de Patologia e Recuperação de Estruturas, 2017, Recife. Anais eletrônicos […]. Disponível em: file:///C:/Users/Ana%20J%C3%BAlia/Downloads/593-Texto%20do%20artigo-1524-1-10-20170815.pdf. Acesso em: 8 out. 2020.

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SARTURI, Francis Diego Moretto. Simulação computacional de estruturas de concreto reforçadas com aço e compósitos de fibra de carbono. 2014. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Programa de Pós-Graduação em Métodos Numéricos em Engenharia – Mecânica Computacional, Universidade do Federal do Paraná, Curitiba, 2014.

SIKA. Tecido de fibra de carbono unidirecional para reforço estrutural. [S. l.], [2010?].  Disponível em: https://bra.sika.com/pt/construcao/reparo-reforco-e-protecao-do-concreto/fibra-de-carbono/tecido-de-fibra-decarbono/sikawrap-300-c.html. Acesso em: 5 out. 2020.

[1] Estudante de Engenharia Civil.

[2] Estudante de Engenharia Civil.

[3] Orientador. Engenheiro Civil.

Enviado: Outubro, 2020.

Aprovado: Novembro, 2020.

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