CONSTRUÇÃO EM VIDRO ESTRUTURAL Comportamento estrutural de vigas mistas vidro-GFRP Luís Guilherme da Cunha Seixas Valarinho Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri: Presidente: Prof. Doutor José Manuel Matos Noronha da Câmara Orientador: Prof. Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia Co-Orientador: Prof. Doutor Fernando António Baptista Branco Vogal: Prof. Doutor João Sérgio Nobre Duarte Cruz Outubro 2010 Resumo RESUMO O vidro é um material milenar que, no último século, tem visto a sua utilização aumentar, especialmente na área da engenharia civil e arquitectura. Mais recentemente, a sua utilização tem sido alargada a aplicações estruturais, situações em que o vidro funciona como elemento de suporte de outros elementos, como é o caso de vigas ou colunas. No entanto, enquanto material estrutural, o vidro apresenta algumas desvantagens face aos materiais tradicionais, sendo de salientar o comportamento frágil e a reduzida resistência à tracção. Neste contexto, uma das linhas de investigação na área do vidro estrutural tem consistido no desenvolvimento de soluções estruturais mistas, em que o vidro é associado a outros materiais, com o objectivo de aumentar a rigidez e a resistência e/ou de obter modos de rotura mais dúcteis. Nesta dissertação são apresentados os resultados de um estudo sobre o comportamento estrutural de vigas mistas vidro-GFRP. Foram inicialmente realizados ensaios de caracterização de material, que tiveram como objectivo caracterizar mecanicamente todos os materiais envolvidos no fabrico de vigas mistas vidro-GFRP, em particular dos adesivos estruturais. De seguida, foram realizados ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla entre placas de vidro e GFRP, para aferir a qualidade da adesão entre aqueles materiais com diferentes tipos de adesivos. Por último, foram realizados ensaios de flexão em (i) vigas de vidro simples, (ii) vigas mistas vidro-GFRP com secção rectangular e (iii) vigas mistas vidro-GFRP com secção em I, todas simplesmente apoiadas. Os resultados obtidos mostram que, ao contrário das vigas de vidro simples, nas vigas mistas vidroGFRP é possível obter uma rotura dúctil, com um aumento significativo da resistência e da deformação após a fendilhação inicial do vidro. Complementarmente, foi desenvolvido um estudo numérico sobre as vigas mistas ensaiadas experimentalmente, que teve como principal objectivo a obtenção de modelos numéricos que permitissem representar com elevado grau de fiabilidade o comportamento em serviço deste tipo de estruturas. Palavras-chave: vidro estrutural, vigas mistas vidro-GFRP, rotura dúctil, resistência após fendilhação, ensaios, modelos numéricos. i Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP ii Abstract ABSTRACT Glass is an ancient material whose use has significantly increased in the last century, especially in the area of civil engineering and architecture. More recently, its use has been extended to structural applications, in which glass acts as a load bearing element, for example as a beam or as a column. Nevertheless, as a structural material, glass shows some disadvantages when compared to traditional materials, namely its fragile behavior and the reduced strength to tensile stresses. In this context, one of the lines of investigation in the area of structural glass has consisted of the development of composite structural solutions, in which glass is associated to other materials, aiming to increase its stiffness and strength and/or to promote more ductile failure modes. This thesis presents the results of a study on the structural behavior of GFRP-glass composite beams. Firstly, experimental tests were performed in order to characterize the mechanical behaviour of all materials involved on the fabrication of glass-GFRP composite beams, in particular of the structural adhesives. Then, tensile tests were performed in double lap joints between glass and GFRP profiles, to evaluate the quality of the bond between those materials with different types of adhesives. Finally, 4-point bending tests were performed on (i) annealed glass beams, (ii) GFRP-glass composite beams with rectangular section (with a rectangular GFRP profile working as reinforcement) and (iii) GFRPglass composite beams with I section (with two GFRP flanges as reinforcement). Results show that, unlike the annealed glass beams, in the GFRP-glass composite beams it is possible to obtain a ductile failure mode with a substantial increase in initial stiffness, strength and deformation after the initial glass cracking. In addition, numerical models on all tested beams were developed. The results show that the finite element models developed allow simulating the serviceability response of glass-GFRP composite structures with a high level of accuracy. Keywords: structural glass, glass-GFRP composite beams, ductile failure mode, post-failure strength, experimental tests, numerical models. iii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP iv Agradecimentos AGRADECIMENTOS O trabalho que aqui apresento foi desenvolvido durante mais de dois anos. Foi um trabalho longo e moroso, e por vezes muito solitário, na medida em que se tratou de um projecto pessoal. Nos momentos de maior dificuldade tive sempre à disposição de um conjunto alargado de pessoas que sempre me apoiaram e sempre me mostraram o melhor caminho para descobrir a motivação desejada. Por mais pessoal que um projecto seja, só perceberemos a sua importância quando a partilhamos com outras pessoas. É-me impossível enumerar todas as pessoas envolvidas, mas gostava de deixar um particular agradecimento às seguintes. Um especial agradecimento ao Professor João Ramôa Correia, orientador técnico-científico desta dissertação. Todas as palavras de agradecimento que lhe possa transmitir, nunca serão suficientes para igualar todas as suas palavras de motivação, entusiasmo, conhecimento, dedicação, e compreensão que recolhi durante dois anos. Grande parte dos benefícios que retirei ou retirarei deste estudo, ao Professor se deve. Agradeço toda a disponibilidade e paciência durante estes dois anos, qualidades que nunca vi esmorecer. Sem a sua presença este trabalho nunca seria o mesmo, e toda a qualidade que aqui possa estar presente, a si lha dedico. Um especial agradecimento ao Professor Fernando Branco, co-orientador técnico-científico desta dissertação. Em muitos aspectos, os seus sábios conselhos foram um grande apoio e significaram evoluções significativas neste projecto. Um agradecimento especial ao IST, que na forma de uma grande instituição de ensino me facultou todos os conhecimentos necessários para a realização deste documento. Neste grupo não deixo de incluir todos os professores que fizeram parte da minha vida académica. Muito poucos, ou até mesmo nenhum, professor alguma vez me virou costas, e nesse aspecto, espero nunca os ter desiludido. Um especial agradecimento ao Professor Teixeira de Freitas, Professor Luís Castro e Professor Carlos Tiago, que demonstraram particular interesse no desenvolvimento do meu projecto. Ao pessoal técnico do LERM e do LC do IST, em particular aos senhores Fernando Alves, Fernando Costa, Pedro Claro e Leonel Silva, pelo apoio prestado na realização de toda a campanha experimental. A realização de tão boa campanha experimental nunca teria sido possível sem o envolvimento e dedicação de tais pessoas. À empresa Step, na pessoa do Engenheiro Manuel Ferreira, agradeço o fornecimento dos perfis de pultrudidos de GFRP que foram utilizados nos ensaios experimentais. v Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP À empresa SIKA, na pessoa do Engenheiro David Santos, agradeço o fornecimento dos adesivos Sikaflex 265 e Sikadur 330. Agradeço igualmente, toda a disponibilidade e atenção no esclarecimento de dúvidas sobre o material. À empresa GUARDIAN, na pessoa do Engenheiro Juan Ramon Egido, agradeço o fornecimento de todo o vidro utilizado na campanha experimental. À minha mãe e irmã, que desde o primeiro minuto nunca deixaram de me apoiar. A presença de tais pessoas na nossa vida é mais importante do que à primeira vista parece. Sem o apoio e encorajamento da minha mãe, ao longo de todos estes anos, nunca teria sido capaz de realizar este projecto. Ao meu Pai, que com o seu exemplo e orgulho, me fez sempre ver que seria capaz de realizar mais e melhor. Ao meu Tio Jorge e à minha Tia Manuela, que tiveram uma forte presença em toda a minha vida de estudante e que com o seu apoio tornaram possíveis muitos dos sonhos que realizei. À Raquel, Joana, Manel, Tiago e Simão, que por serem amigos, conselheiros e interessados demonstraram que a amizade tem um papel fundamental para toda a nossa realização pessoal e profissional. A todos os meus colegas do IST que me acompanharam nesta longa caminhada. Mostraram que o IST, além de conhecimento, também facilita o desenvolvimento de boas amizades. A lista é grande, tendo todos, em algum momento, fortalecido o meu espírito com novo sangue. Um agradecimento especial ao Ricardo, Rita, Rui, Inês e Tomas por todo o seu apoio e companheirismo. Finalmente, um especial agradecimento à Sandra. São incontáveis as situações em que a sua presença se reflectiu numa paz de espírito que só com ela poderia alcançar. Foi sem dúvida alguma, a pessoa que maior presença teve no meu projecto. Foi a pessoa que todos os meus dramas ouviu, que todas as minhas dificuldades presenciou e, acima de tudo, sem ela, nunca teria sido capaz de as ultrapassar. A sua amizade e amor representam mais do que as simples palavras que aqui escrevi. Com ela tudo pareceu mais fácil e com ela fui sempre capaz de chegar a bom porto. vi Simbologia SIMBOLOGIA e espessura do painel de vidro valor característico da tensão de rotura de vidros submetidos a têmpera fg:d tensão efectiva permitida valor característico da tensão de rotura do vidro recozido k rigidez de flexão coeficiente parcial para a área do vidro coeficiente parcial para as acções exteriores n coeficiente de homogenização de vigas mistas vidro-GFRP (EGFRP/Evidro) q carga de dimensionamento vinf,GFRP distância vertical do XCM à fibra de GFRP mais afastada vinf,vidro distância vertical do XCM à fibra inferior mais afastada e pertencente ao vidro vsup distância vertical do XCM à fibra superior mais afastada vsup,GFRP distância vertical do XCM à fibra de GFRP menos afastada xCM posição do centro de massa de secção plana homozeneizada A área total de vidro sujeita a acções exteriores CV coeficiente de variação DL variação de comprimento E módulo de elasticidade EGFRP módulo de elasticidade do GFRP Evidro módulo de elasticidade do vidro Ex módulo de elasticidade na direcção x Ex,e módulo de elasticidade elástico na direcção x para um material com comportamento bilinear Ex,p módulo de elasticidade plástico na direcção x para um material com comportamento bilinear Ey módulo de elasticidade na direcção y Ez módulo de elasticidade na direcção z F força total aplicada num ensaio de flexão de 4-pontos Fu força de rotura de placas de vidro simples GTF coeficiente para o tipo de vidro e duração de aplicação da carga exterior vii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Gxz módulo de distorção no plano x0z Gxy módulo de distorção no plano x0y Gyz módulo de distorção no plano y0z I inércia de uma secção plana segundo um eixo horizontal de flexão ILn Inércia segundo um eixo horizontal situado à altura do XCM L comprimento do vão LR carga resistente L0 comprimento livre entre garras Mmax Momento máximo actuante NFL valor característico da carga resistente Tg temperatura de transição vítrea do vidro ou dos adesivos parâmetro de forma da tensão de rotura coeficiente parcial para a resistência do vidro coeficiente parcial de segurança coeficiente parcial para a tensão residual deslocamento a meio vão da viga δu deslocamento na rotura extensões axiais u extensões axiais de rotura λ comprimento de onda xz coeficiente de Poisson no plano x0z νxy coeficiente de Poisson no plano xOy (eixos horizontais) yz coeficiente de Poisson no plano y0z desvio padrão adesivo tensão actuante no adesivo adm máxima tensão permitida e máxima tensão aplicada eff tensão efectiva actuante σinf,GFRP tensão máxima axial de tracção a actuar no perfil de GFRP GFRP tensão actuante no GFRP σsup,GFRP σsup,vidro tensão mínima axial de tracção a actuar no perfil de GFRP σu tensão de rotura u,vidro tensão de fendilhação do vidro σvidro tensão máxima axial de tracção a actuar numa viga de vidro x,ced tensão de cedência para um material com comportamento bilinear tensão máxima axial de compressão a actuar numa viga de vidro viii Simbologia tensão principal que actua no ponto (x,y) para a respectiva acção actuante relação entre o valor do deslocamento obtido numericamente e o deslocamento registado experimentalmente (em percentagem) relação entre o valor do deslocamento obtido numericamente e o deslocamento obtido por via analítica (em percentagem) AC relativo a adesivo acrílico ASTM American Society of Testing and Materials BS British standard BSG borosilicate glass CFRP carbon fibre reinforced polymer DIN Deutsches institut fur normung EN norma europeia ETA European Technical Approval ETAG European technology assessment group EP relativo adesivo epóxido EPDM ethylene propylene diene rubber GFRP glass fiber reinforced polymer I relativo a vigas mistas vidro-GFRP com geometria em I ISO International Standards Organization prEN rascunho de norma europeia PU relativo a adesivo de poliuretano PVB polyvinyl butyral PVC policloreto de vinil R relativo a vigas mistas vidro-GFRP rectangulares S relativo a vigas de vidro simples SLSG soda lime sílica glass SSGS (VEC) structural sealant glazing system (vidro exterior colado) UV raios ultra-violeta VEA vidro exterior agrafado ix Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP x Índice ÍNDICE Resumo ............................................................................................................................. i Abstract........................................................................................................................... iii Agradecimentos................................................................................................................ v Simbologia ...................................................................................................................... vii Índice ...............................................................................................................................xi Índice de figuras ............................................................................................................ xvii Índice de tabelas ........................................................................................................... xxix 1. Introdução............................................................................................................... 1 1.1. Enquadramento geral ............................................................................................................... 1 1.2. Objectivos e metodologia da dissertação ................................................................................. 2 1.3. Organização da dissertação ...................................................................................................... 3 2. Estado da arte ......................................................................................................... 5 2.1. Notas introdutórias ................................................................................................................... 5 2.2. Propriedades do vidro .............................................................................................................. 6 2.2.1. Propriedades químicas .................................................................................................................... 6 2.2.2. Propriedades físicas e mecânicas .................................................................................................... 7 2.3. Processo de fabrico ................................................................................................................. 11 2.4. Tipos de vidro.......................................................................................................................... 13 2.4.1. Vidro temperado ........................................................................................................................... 14 2.4.2. Vidro termo-endurecido ............................................................................................................... 15 2.4.3. Vidro laminado .............................................................................................................................. 16 2.4.4. Unidades de isolamento – vidro duplo ......................................................................................... 17 2.4.5. Revestimentos ou capas ................................................................................................................ 17 xi Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 2.5. Principais aplicações de vidro estrutural ................................................................................ 18 2.5.1. Fachadas ........................................................................................................................................ 20 2.5.2. Coberturas ..................................................................................................................................... 23 2.5.3. Pavimentos .................................................................................................................................... 25 2.5.4. Vigas .............................................................................................................................................. 27 2.5.5. Colunas .......................................................................................................................................... 30 2.5.6. Outras aplicações .......................................................................................................................... 32 2.6. 2.5.6.1. Escadas .................................................................................................................................. 32 2.5.6.2. Barreiras de protecção .......................................................................................................... 33 Ligações................................................................................................................................... 34 2.6.1. 2.6.1.1. Suportes lineares ................................................................................................................... 35 2.6.1.2. Fixações pontuais por aperto ................................................................................................ 36 2.6.1.3. Fixações pontuais aparafusadas ............................................................................................ 38 2.6.2. 2.7. Ligações coladas ............................................................................................................................ 41 2.6.2.1. Ligações por silicones estruturais .......................................................................................... 42 2.6.2.2. Ligações por adesivos estruturais ......................................................................................... 44 Regras e metodologia de dimensionamento .......................................................................... 46 2.7.1. Regras práticas com base na experiência ..................................................................................... 47 2.7.1.1. Métodos com base na tensão admissível ............................................................................. 47 2.7.1.2. Esbeltezas recomendadas (L/e)............................................................................................. 48 2.7.1.3. Limites de deformação .......................................................................................................... 49 2.7.2. 2.8. Fixações mecânicas ....................................................................................................................... 35 Metodologia de dimensionamento ............................................................................................... 49 2.7.2.1. Fachadas ................................................................................................................................ 50 2.7.2.2. Pavimentos ............................................................................................................................ 51 2.7.2.3. Coberturas ............................................................................................................................. 51 Normas de ensaio e de apoio ao dimensionamento .............................................................. 52 2.8.1. Normas de ensaio.......................................................................................................................... 53 2.8.1.1. EN 1288 ................................................................................................................................. 53 2.8.1.2. EN 356 ................................................................................................................................... 53 2.8.1.3. EN 12600 ............................................................................................................................... 54 2.8.2. Normas de apoio ao dimensionamento ........................................................................................ 54 2.8.2.1. Norma europeia: prEN 13474 ............................................................................................... 55 2.8.2.2. Norma norte americana: ASTM E 1300 ................................................................................. 57 2.8.3. Conclusões .................................................................................................................................... 58 xii Índice 3. Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP..................... 59 3.1. Introdução............................................................................................................................... 59 3.2. Principais estudos de vigas mistas .......................................................................................... 60 3.2.1. Vigas mistas vidro-aço inoxidável ................................................................................................. 61 3.2.2. Vigas mistas vidro-CFRP de carbono ............................................................................................. 65 3.2.3. Vigas mistas vidro-madeira ........................................................................................................... 66 3.2.4. Vigas mistas vidro-betão ............................................................................................................... 67 3.2.5. Vigas mistas vidro-aço ................................................................................................................... 68 3.3. Vigas mistas vidro-GFRP ......................................................................................................... 68 3.4. Programa experimental e objectivos ...................................................................................... 71 3.5. Materiais ................................................................................................................................. 74 3.5.1. 3.5.1.1. Dimensões ............................................................................................................................. 74 3.5.1.2. Procedimento de ensaio ....................................................................................................... 75 3.5.1.3. Resultados e discussão .......................................................................................................... 76 3.5.2. Adesivos estruturais ...................................................................................................................... 77 3.5.2.1. Dimensões e fabrico dos provetes ........................................................................................ 79 3.5.2.2. Procedimento de ensaio ....................................................................................................... 80 3.5.2.3. Resultados do adesivo epóxido ............................................................................................. 81 3.5.2.4. Resultados do adesivo de poliuretano .................................................................................. 83 3.5.3. 3.6. Vidro recozido ............................................................................................................................... 74 Perfis de GFRP ............................................................................................................................... 86 Ensaios à tracção em ligações coladas.................................................................................... 86 3.6.1. Propriedades e fabrico dos provetes ............................................................................................ 87 3.6.2. Características dos adesivos .......................................................................................................... 89 3.6.2.1. Adesivo de poliuretano (SIKAFLEX-265) ................................................................................ 89 3.6.2.2. Adesivo epóxido (SIKADUR-330) ........................................................................................... 90 3.6.2.3. Adesivo acrílico (DELO PHOTOBOND-468) ............................................................................ 90 3.6.3. Sistema e procedimento de ensaio ............................................................................................... 91 3.6.4. Resultados ..................................................................................................................................... 92 3.6.4.1. Comportamento força vs. deslocamento .............................................................................. 92 3.6.4.2. Modos de rotura ................................................................................................................... 94 3.6.5. 3.7. Sumário e escolha dos adesivos .................................................................................................... 94 Ensaios de flexão em vigas mistas .......................................................................................... 97 3.7.1. Programa experimental................................................................................................................. 98 xiii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.7.2. Propriedades e fabrico das vigas ................................................................................................... 98 3.7.3. Procedimento de ensaio ............................................................................................................. 102 3.7.4. Vigas simples – resultados e discussão ....................................................................................... 105 3.7.4.1. 3.7.5. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura ...................................................... 107 3.7.5.2. Análise das deformações e grau de interacção ................................................................... 109 Viga mista R-EP – resultados e discussão .................................................................................... 111 3.7.6.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura ...................................................... 111 3.7.6.2. Análise das deformações e grau de interacção ................................................................... 113 3.7.7. Viga mista I-PU – resultados e discussão .................................................................................... 115 3.7.7.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura ...................................................... 115 3.7.7.2. Análise das deformações e grau de interacção ................................................................... 118 3.7.8. 4. Viga mista R-PU – resultados e discussão ................................................................................... 107 3.7.5.1. 3.7.6. 3.8. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura ...................................................... 105 Viga mista I-EP – resultados e discussão ..................................................................................... 120 3.7.8.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura ...................................................... 120 3.7.8.2. Análise das deformações e grau de interacção ................................................................... 123 Sumário e discussão de resultados ....................................................................................... 125 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP .........131 4.1. Introdução............................................................................................................................. 131 4.2. Descrição do modelo e tipo de análise ................................................................................. 132 4.3. Propriedades dos materiais .................................................................................................. 136 4.4. Resultados e discussão ......................................................................................................... 138 4.4.1. Validação do modelo ................................................................................................................... 138 4.4.2. Análise de resultados .................................................................................................................. 142 4.4.3. Sumário e discussão de resultados ............................................................................................. 148 5. Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros ........................................151 5.1. Conclusões ............................................................................................................................ 151 5.1.1. Estado da arte sobre o vidro estrutural ...................................................................................... 151 5.1.2. Comportamento estrutural de vigas mistas vidro-GFRP ............................................................. 153 5.1.3. Modelos numéricos ..................................................................................................................... 156 5.2. Perspectivas de desenvolvimentos futuros .......................................................................... 156 Referências bibliográficas ..............................................................................................161 xiv Anexos .............................................................................................................................. I Anexo 1 ........................................................................................................................... III Principais normas existentes no domínio do fabrico do vidro e no domínio do fabrico de produtos derivados do vidro .............................................................................................................................. III Anexo 2 .......................................................................................................................... VII Resultados gráficos da análise numérica ........................................................................................... VII Viga de vidro ................................................................................................................................................ VIII Viga R-EP ........................................................................................................................................................ IX Viga R-PU ........................................................................................................................................................ XI Viga R-PU2 .................................................................................................................................................... XIII Viga I-EP ........................................................................................................................................................ XV Viga I-PU ...................................................................................................................................................... XVII Viga I-PU2 ..................................................................................................................................................... XIX Anexo 3 ....................................................................................................................... XXIII Fichas informativas dos fornecedores ............................................................................................ XXIII Adesivo de poliuretano (Sikaflex 265) ........................................................................................................ XXIV Adesivo epóxido (Sikadur 330) ................................................................................................................... XXVI Adesivo acrílico (Delo photobond 468) ...................................................................................................... XXXI xv Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP xvi Índice de figuras ÍNDICE DE FIGURAS 2. Estado da arte ......................................................................................................... 5 Figura 1 – Distribuição estatística da tensão de rotura do vidro devido ao aumento do dano à superfície do vidro, com a) superfície de um vidro novo, b) superfície do vidro depois de sujeito a acções climatéricas e c) superfície do vidro com dano inerente à sua utilização no tempo .............. 9 Figura 2 - Processo de fabrico do vidro ............................................................................................. 12 Figura 3 - Tipos de vidro .................................................................................................................... 14 Figura 4 - Campo de tensões ao longo do processo de têmpera ...................................................... 14 Figura 5 - Padrão de fendilhação (da esquerda para a direita) do vidro recozido, vidro termoendurecido e vidro temperado .......................................................................................................... 15 Figura 6 - Comportamento pós-rotura de vidro laminado constituído por vários tipos de vidro ..... 17 Figura 7 – Kibble Palace, Glasgow, Escócia ........................................................................................ 19 Figura 8 - Utilização do vidro em fachadas. Fachada norte do edifício do IST em Oeiras, Portuga .. 20 Figura 9 – Utilização de sistemas de vidro exterior colado. Torre norte do IST, Lisboa .................... 21 Figura 10 - Sistema SSGS (Structural Sealant Glazing System) da empresa SAPA ............................. 21 Figura 11 – Utilização de dupla fachada. Edifício de escritórios em Milão, Itália ............................. 22 Figura 12 - Fachada constituída por vidro impresso em forma de U. Ludensheid, Holanda ............ 22 Figura 13 – Sistema de fixação por perfuração ................................................................................. 23 Figura 14 - Fachada com sistema estrutural em malha de cabos pré-esforçados. Kempinski Hotel, Munique, Alemanha .......................................................................................................................... 23 Figura 15 - Utilização de glass fins em fachadas de vidro. Teatro AMC, em Century City, E.U.A ..... 23 Figura 16 - Fachada envidraçada sem qualquer tipo de sistema secundário de suporte; Templo de Talus, Avallon, França ........................................................................................................................ 23 Figura 17 - Cobertura em vidro do Museu de História Alemão, Berlim, Alemanha .......................... 24 xvii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 18 - Cobertura plana preenchida com painéis de vidro, no edifício do IST em Oeiras, Portugal.............................................................................................................................................. 25 Figura 19 - Cobertura do edifício da Câmara Municipal de Leiden, Holanda .................................... 25 Figura 20 - Pala em vidro, na entrada de um edifício de escritórios em Baltimore, EUA ................. 25 Figura 21 - Paragem de transportes públicos com uma cobertura envidraçada, Nijmegen, Holanda ........................................................................................................................................................... 25 Figura 22 – Passadiços envidraçados num centro comercial em Lisboa, Portugal ........................... 26 Figura 23 – Vista debaixo de passadiço envidraçado pavimentado com vidro transparente ........... 26 Figura 24 - Passadiço envidraçado no topo de uma montanha do Grand Canyon, EUA................... 27 Figura 25 – Passadiço totalmente envidraçado num zardim zoológico, Arnhem, Holanda .............. 27 Figura 26 – Utilização de glass fins numa fachada de um pavilhão de exposições, Arnhem, Holanda ........................................................................................................................................................... 28 Figura 27 – Sistema de ligação entre glass fins e entre glass fins e a fachada da empresa ISG ....... 28 Figura 28 - Utilização de vigas de vidro numa cobertura num edifício de escritórios em Budapeste, Hungria .............................................................................................................................................. 29 Figura 29 - Utilização de vigas de vidro numa pequena ponte num edifício de escritórios em Roterdão, Holanda ............................................................................................................................. 29 Figura 30 - Utilização de glass fins para sustentação da fachada e da cobertura de um edifício em Nova Iorque, EUA............................................................................................................................... 30 Figura 31 - Utilização de glass fins para sustentação de uma cobertura com vão superior a 15 m, Glasgow, Escócia ................................................................................................................................ 30 Figura 32 - Pormenor da ligação entre as vigas de vidro e os painéis de preenchimento de uma cobertura ........................................................................................................................................... 30 Figura 33 - Pormenor da ligação entre duas vigas de vidro, pertencentes a uma escada ................ 30 Figura 34 - Colunas de vidro no interior de um centro de convenções em Saint-Germain, França.. 31 Figura 35 - Treliça de suporte de uma cobertura num edifício de escritórios em Amsterlveen, Holanda .............................................................................................................................................. 32 xviii Índice de figuras Figura 36 - Escora em vidro em utilização numa fachada de um edifício de escritórios em Londres, Inglaterra ........................................................................................................................................... 32 Figura 37 - Escadas numa loja em Chicago, EUA ............................................................................... 33 Figura 38 - Escadas no interior de uma habitação............................................................................. 33 Figura 39 - Barreira de protecção no interior de um restaurante ..................................................... 34 Figura 40 - Barreira de protecção numa varanda .............................................................................. 34 Figura 41 - Ligação em caixilho de janela (da esquerda para a direita): perfil horizontal e perfil vertical ............................................................................................................................................... 36 Figura 42 - Caixilho de janela da empresa Technal ........................................................................... 36 Figura 43 - Constituição de uma ligação de suporte linear pertencente a uma fachada em cortina. ........................................................................................................................................................... 36 Figura 44 - Sistema de fachada em cortina de vidro da empresa Technal ........................................ 36 Figura 45 - Fachadas fixas por ligações de aperto. ............................................................................ 37 Figura 46 - Painéis de vidro ligados recorrendo a fixações por atrito e pertencentes a um glass fin. ........................................................................................................................................................... 38 Figura 47 - Ligação por aperto: a) constituição geral e b) garras fornecidas pela empresa Ciai. ...... 38 Figura 48 - Ligação utilizada em fachadas agrafadas......................................................................... 39 Figura 49 - Constituição de ligações aparafusada (da esquerda para a direita) sem relevo e com relevo ................................................................................................................................................. 39 Figura 50 - Acessórios para ligações aparafusadas do tipo a) rígida e b) articulada. ........................ 40 Figura 51 - Projecto em estudo de uma cobertura de vidro, em que as juntas entre paineís foram elaboradas recorrendo a adesivos estruturais. ................................................................................. 41 Figura 52 - Fachada envidraçada em que as ligações verticais entre painéis de vidro foram efectuadas através de silicones estruturais....................................................................................... 43 3. Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP..................... 59 Figura 53 - Soluções mistas com vidro e (da esquerda para a direita) aço inoxidável, compósitos de CRFP, betão, madeira e aço ............................................................................................................... 60 Figura 54 - Utilização de vigas mistas vidro-madeira numa sala de conferências. ........................... 60 xix Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 55 - Gráfico carga vs. deslocamento de uma viga de betão armado (simplificado) ............... 61 Figura 56 - Modelo esquemático da distribuição de esforços após a fendilhação do vidro. ............ 61 Figura 57 - Geometria das várias secções analisadas na Universidade de Delft. .............................. 62 Figura 58 - Gráfico tensão no vidro (calculada para o topo inferior da viga) vs. deslocamento a meio vão de uma viga com secção rectangular, analisada na Universidade de Delft. ............................... 63 Figura 59 - Perfil transversal e longitudinal de uma viga rectangular ensaiada na Universidade de Delft ................................................................................................................................................... 63 Figura 60 - Diferentes geometrias de reforço estudadas pelos investigadores da Universidade de Delft ................................................................................................................................................... 64 Figura 61 - Comportamento geral das vigas com diferentes geometrias de reforço, estudadas pelos investigadores da Universidade de Delft ........................................................................................... 64 Figura 62 - Formação esquemática de fendas para o adesivo acrílico (à esquerda) e para o adesivo epóxido (à direita), na geometria 3F ................................................................................................. 65 Figura 63 - Vigas mistas vidro-CFRP utilizadas numa cobertura de uma Igreja do séc. XIII .............. 66 Figura 64 – Ensaios de flexão em vigas mistas vidro-madeira realizados por Cruz e Pequeno. ....... 67 Figura 65 - Fendilhação numa viga mista vidro-madeira ensaiada por Cruz e Pequeno. ................. 67 Figura 66 - Viga mista vidro-betão armado ensaiada por Freytag num estado inicial de fendilhação. ........................................................................................................................................................... 68 Figura 67 - Modelo de escoras utilizado na abordagem analítica e na abordagem numérica.......... 68 Figura 68 - Comportamento exemplificativo de uma viga mista vidro-GFRP ................................... 69 Figura 69 - Secção transversal das vigas tidas em conta para o cálculo analítico de vigas mistas. ... 70 Figura 70 - Geometria e constituição das vigas mistas vidro-GFRP: a) geometria rectangular e b) geometria em I................................................................................................................................... 72 Figura 71 - Configuração do ensaio de flexão das placas de vidro. ................................................... 76 Figura 72 - Embalagens do adesivo a) epóxido (Sikadur 330), b) de poliuretano (Sikaflex-265) e c) acrílico (Delo Photobond 4468). ........................................................................................................ 78 Figura 73 - Dimensões dos provetes fabricados de acordo a norma ISO 527 (em mm). ................. 79 Figura 74 - Molde e fabrico dos provetes dos adesivos. ................................................................... 80 xx Índice de figuras Figura 75 - Configuração dos ensaios dos provetes do adesivo epóxido. ......................................... 80 Figura 76 - Configuração dos ensaios do adesivo de poliuretano. .................................................... 80 Figura 77 – Provetes do adesivo epóxido depois de ensaiados: a) secções de rotura de todos os provetes; b) e c) secção de rotura do provete 4 e 1, respectivamente, com realce para zonas com bolhas de ar. ...................................................................................................................................... 82 Figura 78 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes do adesivo epóxido. ................................ 83 Figura 79 - Gráfico tensão vs. extensão dos provetes do adesivo epóxido. ...................................... 83 Figura 80 - Ensaio dos provetes de poliuretano numa fase inicial do ensaios (à esquerda) e numa fase final do ensaio (à direita). .......................................................................................................... 84 Figura 81 - Gráfico força vs. deslocamento do adesivo de poliuretano. ........................................... 84 Figura 82 - Gráfico tensão vs. extensão axial do adesivo de poliuretano. ........................................ 84 Figura 83 - Provetes do adesivo de poliuretano depois dos ensaios................................................. 85 Figura 84 - Ensaios de a) tracção, b) compressão, c) flexão e d) corte interlaminar em placas de GFRP................................................................................................................................................... 86 Figura 85 – Visão geral de um provete de uma ligação colada por sobreposição dupla (imagem sem escala). ............................................................................................................................................... 87 Figura 86 - Geometria dos provetes para os ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla: a) comprimento e b) pormenor da zona de sobreposição. .................................................... 88 Figura 87 – Ilustração dos provetes para os ensaios à tracção de ligações coladas por sobreposição dupla. ................................................................................................................................................. 89 Figura 88 – Ensaios de tracção nos provetes do a) adesivo epóxido, b) do adesivo de poliuretano e c) do adesivo acrílico; pormenor do sistema de deflectómetros. ..................................................... 91 Figura 89 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série PU. ............................................. 92 Figura 90 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série AC. ............................................. 93 Figura 91 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série EP. .............................................. 93 Figura 92 – Ilustração dos modos de rotura dos provetes a) PU-0, b) PU-1 (pormenor do deslizamento relativo na ligação) e c) AC-1. ...................................................................................... 94 xxi Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 93 - Ilustração dos modos de rotura dos provetes a) EP-2 e b) EP-1 (pormenor para o modo de rotura por pelagem). .................................................................................................................... 94 Figura 94 - Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) da rigidez. ......................... 95 Figura 95 - Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) dos deslocamentos relativos na rotura. ........................................................................................................................................... 95 Figura 96 Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) das forças de rotura............ 95 Figura 97 - Dimensões de todos os elementos constituintes das vigas mistas. ................................ 99 Figura 98 - Processo de fabrico das vigas rectangulares; a) placa de vidro e perfil de GFRP (já com o adesivo epóxido colocado); b) colocação do adesivo de poliuretano no perfil de GFRP; c) carregamento das vigas rectangulares de modo a garantir a espessura de colagem. .................... 100 Figura 99 - Processo de fabrico das vigas mistas com geometria em I - colocação das cantoneiras: a) colocação dos espaçadores no vidro; b) colocação do adesivo no vidro; c) processo de carregamento das cantoneiras; d) posição da viga para colocação das restantes cantoneiras...... 101 Figura 100 - Processo de fabrico das vigas mistas em I - colocação dos banzos: a) carregamento e posição durante a cura do banzo inferior; b) posição da viga para colagem do banzo superior; c) carregamento durante a cura do banzo superior............................................................................ 101 Figura 101 - Objectos que serviram de apoio aos ensaios de flexão nas vigas simples e rectangulares: a) guias para apoio das vigas; b) viga de distribuição de cargas. ............................ 103 Figura 102 – Disposição geral das vigas para ensaio e respectivas dimensões (em metros). ......... 103 Figura 103 - Posições dos extensómetros na secção de meio vão: a) vigas rectangulares, de ambos os adesivos; b) vigas em I, de ambos os adesivos. .......................................................................... 104 Figura 104 – Configuração do ensaio de uma das vigas de vidro simples. ...................................... 104 Figura 105 - Configuração do ensaio da viga mista rectangular com adesivo de poliuretano (R-PU). ......................................................................................................................................................... 105 Figura 106 - Configuração do ensaio da viga mista rectangular com adesivo epóxido (R-EP). ....... 105 Figura 107 - Configuração do ensaio da viga mista com geometria em I e adesivo de poliuretano (IPU). .................................................................................................................................................. 105 Figura 108 - Configuração do ensaio da viga mista com geometria em I e adesivo epóxido (I-EP). 105 Figura 109 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão das vigas de vidro simples. ..................... 106 xxii Índice de figuras Figura 110 - Exemplo de uma viga de vidro simples depois da rotura. ........................................... 106 Figura 111 -Localização da rotura fora da zona de momentos máximos numa das vigas de vidro simples. ............................................................................................................................................ 106 Figura 112 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga R-PU. .......................................... 107 Figura 113 - Propagação das fendas no vidro, durante a fase B do comportamento da viga R-PU.108 Figura 114 - Forte fragmentação do vidro no topo da viga R-PU após a conclusão do ensaio. ...... 108 Figura 115 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga R-PU (para várias forças aplicadas [kN]). ................................................................................................................................................ 110 Figura 116 – Gráfico extensão axial vs. força aplicada medidas na secção de meio vão da viga R-PU. ......................................................................................................................................................... 111 Figura 117 - Gráfico força aplicada vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga R-PU, até ao ponto A da Figura 112. ......................................................................................................... 111 Figura 118 – Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga R-EP. .......................................... 111 Figura 119 - Fendas entre pontos de carregamento que surgiram após a primeira descarga da viga R-EP. ................................................................................................................................................. 112 Figura 120 - Encaminhamento e inclinação das fendas em direcção ao apoio na viga R-EP. ......... 112 Figura 121 - Fragmentação do centro da viga antes da rotura da viga R-EP. .................................. 113 Figura 122 - Rotura da viga R-EP, por destacamento entre o vidro e o perfil de GFRP perto do apoio. ............................................................................................................................................... 113 Figura 123 – Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga R-EP (para várias forças aplicadas [kN]). ................................................................................................................................................ 114 Figura 124 – Gráfico extensão axial vs. força aplicada, medidas na secção de meio vão da viga R-EP. ......................................................................................................................................................... 115 Figura 125 – Gráfico força aplicada vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga R-EP. ......................................................................................................................................................... 115 Figura 126 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga I-PU............................................. 115 Figura 127 - Primeira fenda visível na viga I-PU. ............................................................................. 116 Figura 128 - Segunda fenda visível na viga I-PU. ............................................................................. 116 xxiii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 129 - Pormenor da forte fragmentação junto à primeira fenda da viga I-PU. ..................... 117 Figura 130 - Pormenor do deslizamento ocorrido da alma de vidro na viga I-PU........................... 117 Figura 131 - Forte curvatura da viga I-PU antes da conclusão do ensaio. ....................................... 117 Figura 132 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga I-PU (para várias forças aplicadas [kN]). ................................................................................................................................................ 119 Figura 133 - Extensão axial vs. número de leitura, medidas na secção de meio vão da viga I-PU. . 119 Figura 134 – Gráfico força vs. extensão do deslizamento na interface superior e inferior na viga IPU..................................................................................................................................................... 119 Figura 135 – Gráfico força vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga I-PU. ............ 120 Figura 136 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga I-EP. ............................................ 121 Figura 137 - Primeira fenda visível na viga I-EP, que surgiu precisamente a meio vão................... 121 Figura 138 - Fendilhação entre pontos de carga na viga I-EP. ......................................................... 121 Figura 139 - Encaminhamento da fendilhação para um dos apoios na viga I-EP. ........................... 122 Figura 140 - Encaminhamento da fendilhação para ambos os apoios na viga I-EP. ....................... 122 Figura 141 - Viga I-EP após rotura total. .......................................................................................... 123 Figura 142 – Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga I-EP (para várias forças aplicadas [kN]). ................................................................................................................................................ 124 Figura 143 – Gráfico extensão axial vs. número de leituras, medidas na secção de meio vão da viga I-EP. .................................................................................................................................................. 124 Figura 144 - Extensão axial vs. altura da secção da viga I-EP (para várias forças aplicadas [kN], durante a fase D a E). ....................................................................................................................... 124 Figura 145 - Gráfico altura da linha neutra no decorrer do ensaio. ................................................ 125 Figura 146 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão de todas as vigas ensaiadas.................... 126 Figura 147: Comparação do patamar de ductilidade e da resistência residual de ambas as vigas em I, estando à esquerda a viga I-PU e à direita a viga I-EP. ................................................................. 129 Figura 148 - Formato geral da fendilhação inicial na viga R-EP: fendas com desenvolvimento vertical significativo. ........................................................................................................................ 130 xxiv Índice de figuras Figura 149 - Formato geral da fendilhação inicial na viga I-EP: fendas com forma e desenvolvimento em leque. ......................................................................................................................................... 130 4. Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP .........131 Figura 150 - Elemento estrutural SOLID185 utilizado para modelação das vigas mistas vidro-GFRP. ......................................................................................................................................................... 132 Figura 151 - Viga de vidro simples (perspectiva 3D)........................................................................ 132 Figura 152 - Viga mista rectangular vidro-GFRP (prespectiva 3D)................................................... 133 Figura 153 - Viga mista vidro-GFRP com geometria em I (prespectiva 3D)..................................... 133 Figura 154 - Malha gerada para as vigas rectangulares. ................................................................. 134 Figura 155 - Malha gerada para as vigas com geometria em I. ....................................................... 134 Figura 156 - Aplicação do carregamento num dos pontos de carga da viga rectangular. .............. 135 Figura 157 - Modelação dos apoios da viga rectangular: a) alçado da viga na zona do apoio, ilustrando os elementos barra; b) perspectiva do apoio, ilustrando o seu desenvolvimento em profundidade. .................................................................................................................................. 135 Figura 158 - Gráfico tensões axiais vs. extensões axiais de um adesivo à base de poliuretano. .... 137 Figura 159 - Distribuição dos deslocamentos na viga de vidro (deformada ampliada 50 vezes). .. 140 Figura 160 - Distribuição de tensões axiais na viga de vidro. .......................................................... 140 Figura 161 - Distribuição de extensões axiais na viga de vidro. ...................................................... 140 Figura 162 - Ilustração do possível comportamento de uma viga mista com geometria em I, constituída pelo adesivo PU-2. ........................................................................................................ 142 Figura 163 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica e dos resultados experimentais para a viga R-EP (força aplicada de 2.5 kN). .......................................... 145 Figura 164 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica para a viga R-EP (força aplicada de 4.5 kN). ............................................................................................... 146 Figura 165 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica e dos resultados experimentais, para a viga R-PU (força aplicada de 2.5 kN). ......................................... 147 Figura 166 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica e dos resultados experimentais, para a viga I-PU (força aplicada de 4.5 kN). .......................................... 147 xxv Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Anexo 2 .......................................................................................................................... VII Figura A2.1 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ........................................................................................... VIII Figura A2.2 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ........................................................................................... VIII Figura A2.3 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN. .......................................................................................................... VIII Figura A2.4 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ........................................................................................ IX Figura A2.5 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN. .................................................................................................... IX Figura A2.6 – Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ................................................................................................... IX Figura A2.7 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). .................................................................................................... X Figura A2.8 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) da viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona central do vão). ............................................................................................... X Figura A2.10 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ............................................................................................. XI Figura A2.11 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN. ............................................................................................................ XI Figura A2.12 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). ................................................................................................... XI Figura A2.13 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). ............................................................................................ XII Figura A2.14 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona de meio vão). .......................................................................................... XII Figura A2. 15 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. ........................................................................................................... XII xxvi Índice de figuras Figura A2. 16 - Distribuição das extensões axiais (em m/m) da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. .......................................................................................................................................... XIII Figura A2. 17 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. .................................................................................................. XIII Figura A2.18 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ........................................................................................... XIII Figura A2.19 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ........................................................................................... XIV Figura A2.20 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona de meio vão). ......................................................................................... XIV Figura A2.21 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN. .......................................................................................................... XIV Figura A2.22 - Distribuição de extensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ............................................................................................ XV Figura A2.23 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN. ................................................................................................... XV Figura A2.24 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga I-EP para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). .................................................................................................. XV Figura A2.25 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) da viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). ................................................................................................. XVI Figura A2.26 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (perspectiva 3D). ......................................................................................................................... XVI Figura A2.27 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-EP com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor nas tensões no vidro, para uma força aplicada de 4.5 kN. .......................................................................................................... XVI Figura A2.28 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). .......................................................................................... XVII Figura A2.29 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN. ......................................................................................................... XVII xxvii Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.30 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). ................................................................................................ XVII Figura A2.31 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). ............................................................................................... XVIII Figura A2.32 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (perspectiva 3D). ....................................................................................................................... XVIII Figura A2.33 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-PU com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor das tensões no vidro, para uma força aplicada de 4.5 kN. ........................................................................................................ XVIII Figura A2. 34 - Distribuição das extensões axiais (em m/m) na viga I-PU, para uma força de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). ...................................................................................................... XIX Figura A2. 35 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-PU2, para uma força de 4.5 kN. ................................................................................................................ XIX Figura A2. 36 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). ............................................................................................................................................... XIX Figura A2.37 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). ................................................................................................................................................ XX Figura A2.38 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU2 (perspectiva 3D). ................. XX Figura A2.39 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-PU2 com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor das tensões no vidro. ... XX Figura A2.40 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). ............................................................................................................................................... XXI Figura A2.41 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-PU2... XXI Anexo 3 ....................................................................................................................... XXIII xxviii Índice de tabelas ÍNDICE DE TABELAS 2. Estado da arte ......................................................................................................... 5 Tabela 1 - Propriedades físicas do vidro mais utilizado na construção (vidro SLSG). .......................... 7 Tabela 2 - Valores da tensão de rotura do vidro obtidos por Veer et al.. ......................................... 10 Tabela 3 - Resistência mecânica de alguns tipos de vidro. ................................................................ 11 Tabela 4 - Características mecânicas típica dos silicones estruturais................................................ 44 Tabela 5 - Tensões máximas recomendadas pela empresa Pilkington. ............................................ 48 Tabela 6 - Relações de esbelteza (L/e) propostas em Colvin............................................................. 49 3. Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP..................... 59 Tabela 7 - Propriedades dos materiais utilizados no cálculo analítico das vigas mistas. .................. 70 Tabela 8 - Propriedades das secções transversais. ............................................................................ 70 Tabela 9 - Tensões máximas de compressão e/ou tracção obtidas em cada um dos materiais. ...... 71 Tabela 10 - Resultados obtidos através dos ensaios de flexão para caracterização das placas de vidro. .................................................................................................................................................. 76 Tabela 11 - Módulo de elasticidade obtido para as vigas de vidro simples. ..................................... 77 Tabela 12 - Dados informativos disponibilizados pelos fornecedores dos adesivos. ........................ 78 Tabela 13 - Resultados obtidos através dos ensaios de tracção do adesivo epóxido. ...................... 82 Tabela 14 - Resultados obtidos através dos ensaios de tracção dos adesivos de poliuretano. ........ 85 Tabela 15 - Propriedades mecânicas dos perfis de GFRP. ................................................................. 86 Tabela 16 - Valores máximos de força, deslocamento e rotura em fase elástica linear de todos os provetes dos ensaios das ligações coladas por sobreposição dupla. ................................................ 95 Tabela 17 - Valores de rigidez (k), força última (Fu), deslocamento a meio vão na rotura (δu) e local da rotura, alcançados pelas vigas de vidro simples. ........................................................................ 106 xxix Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Tabela 18 - Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de flexão das vigas de vidro e das vigas mistas vidro-GFRP. ........................................................................................................................... 126 4. Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP .........131 Tabela 19 - Características utilizadas na modelação dos materiais GFRP, vidro e do material rígido dos apoios. ....................................................................................................................................... 138 Tabela 20 - Características utilizadas na modelação dos adesivos.................................................. 138 Tabela 21 – Comparação do valor do deslocamento a meio vão, obtido na análise analítica, na análise numérica e na análise experimental das vigas estudadas................................................... 139 Tabela 22 - Valor da tensão de rotura do vidro (aparecimento da primeira fenda visível na viga) obtida através do modelo numérico elaborado. ............................................................................. 142 Tabela 23 - Tensões no vidro, no GFRP e no adesivo para as vigas com os diferentes adesivos. ... 143 Tabela 24 - Valor das deformações registadas experimentalmente e as obtidas no modelo numérico, em pontos situados tanto no vidro como no GFRP, em pontos da interface e situados a meio vão da viga (vigas rectangulares F = 2.5 kN; para as vigas com geometria em I F = 4.5 kN). . 144 Tabela 25 - Posição do centro de gravidade obtido por análise numérica, análise analítica e análise experimental. ................................................................................................................................... 145 Anexo 1 ........................................................................................................................... III Tabela A1. 1 - Principais normas existentes no domínio do vidro e no domínio de produtos derivados do vidro. ............................................................................................................................. IV xxx Introdução 1. INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento geral O vidro é um material milenar (existem vestígios da sua utilização que datam do ano 2000 a.C. [1]) que, ao contrário de outros materiais utilizados na construção, tem visto a sua utilização aumentar, principalmente desde o início do século XIX. Este aumento da utilização do vidro em aplicações da engenharia civil tem vindo a ser estimulado, essencialmente, pelos arquitectos, que nas últimas décadas elegeram o vidro como símbolo da arquitectura contemporânea. De facto, trata-se de um material nobre por excelência, muito graças às suas funções naturais de luminosidade e transparência, que têm a capacidade de elevar o patamar estético de qualquer construção. O aumento da utilização do vidro não se justifica somente com base nas suas características naturais, algo que poderia estar somente associado a uma tendência moderna. A elevada utilização do vidro nos dias hoje está também relacionada com uma evolução dos seus padrões de qualidade, que se tem verificado ao nível do desempenho das estruturas de vidro, da eficácia e da eficiência com que o vidro é utilizado e, mais recentemente, com evoluções preponderantes ao nível do conforto térmico e acústico. É ao nível do desempenho estrutural que o engenheiro, como técnico e como investigador, tem procurado solucionar e satisfazer o mercado, criar e tornar possíveis diferentes, maiores e melhores estruturas de vidro. Neste contexto, uma das linhas de investigação com maior ênfase nos últimos anos tem sido o aproveitamento do vidro como material estrutural, assim como a sua aplicação como elemento de suporte e transferência de cargas. Na verdade, apesar de a utilização do vidro ter aumentado ao longo dos últimos anos, as suas aplicações mais comuns encontram-se, ainda, relacionadas com simples aplicações não estruturais, do tipo janela, e que pouca relevância estrutural delegam ao vidro. Um dos aspectos que mais tem contribuído para este facto é a confiança que os utilizadores, e os próprios engenheiros, têm no vidro. Muitos dos reais utilizadores de estruturas de vidro mantêm, por senso comum, a ideia de que o vidro é um de material frágil. No meio científico, o vidro é, de facto, considerado um material com comportamento frágil, mas essa consideração reside apenas no seu modo de rotura, que não permite a distribuição de tensões e que, por exemplo, não impede o colapso total de uma viga de vidro mal ocorra a primeira fenda. Comparando com outros materiais, o vidro simples (vidro recozido) apresenta até um valor satisfatório de resistência à tracção (cerca de 50 MPa). Aquele valor pode atingir 200 MPa, se se tiver em conta os produtos alterados do vidro, como por exemplo, o vidro temperado. Existe mesmo a possibilidade de se obter uma rotura dúctil, 1 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP recorrendo a painéis de vidro laminados. Contudo, estas alterações continuam a ser muito limitativas, já que não resolvem o problema da rotura frágil, permitindo apenas contorná-lo. Um outro factor que não tem contribuído para a correcta disseminação da aplicação estrutural do vidro é precisamente o seu elevado custo, que se encontra associado ao nível técnico científico exigido para o correcto dimensionamento de uma estrutura com capacidades portantes de vidro. O presente documento dedica-se, em particular, à utilização de vidro estrutural, que é considerado como aquele que funciona como elemento de suporte de outros elementos, como é o caso de vigas ou colunas. Pretende-se com esta dissertação, estudar a utilização do vidro como material estrutural, desenvolver o conhecimento neste ramo, e apresentar novas soluções estruturais que permitam solucionar o problema da rotura frágil do vidro e da sua reduzida resistência para determinadas aplicações. 1.2. Objectivos e metodologia da dissertação A presente dissertação tem como principal objectivo avaliar o comportamento à flexão de vigas mistas de vidro-GFRP (compósito de polímero reforçado com fibras de vidro), tendo em vista a sua possível utilização estrutural em aplicações da engenharia civil, nomeadamente na construção e/ou reabilitação de estruturas transparentes de vidro, que necessitem de elevado desempenho estrutural. Paralelamente, esta dissertação tem também como objectivo fornecer um nível de informação que permita aos seus leitores uma rápida integração com os principais conceitos das estruturas de vidro aplicadas à engenharia civil. Desta forma, esta dissertação inicia-se com uma introdução dos principais conceitos do vidro, tendo sido abordados quatro grandes temas: (i) características físicas e mecânicas dos principais tipos de vidro, (ii) principais aplicações do vidro, (iii) tipos de ligação do vidro a outros materiais ou ao próprio vidro e (iv) regras práticas ou normas relacionadas com o vidro. Em todos estes temas procurou-se uma abordagem sucinta e precisa de todos os conceitos importantes, tendo sido recolhida informação essencialmente em bibliografia internacional, já que a informação em português é ainda muito escassa. Na procura dos principais desenvolvimentos na área do vidro estrutural, teve-se contacto com o desenvolvimento de projectos de investigação na área das estruturas mistas, nas quais o vidro é reforçado com um material estrutural de elevado rendimento. Entre as soluções mistas que têm vindo a ser propostas e estudadas, salientam-se a combinação do vidro com elementos em aço inoxidável, compósitos de polímero reforçado com fibras de carbono (CFRP), betão, madeira e aço. Com base nestas investigações, foi então definido o objectivo central de estudar experimentalmente o comportamento de vigas mistas vidro-GFRP, uma combinação que até então não havia sido explorada e que apresenta bastante potencial face das características do GFRP: leveza, elevada resistência à tracção e módulo de elasticidade da mesma ordem de grandeza do vidro. 2 Introdução Tendo em vista o objectivo central da dissertação, foi definida uma campanha experimental que permitisse avaliar alguns dos principais parâmetros de desempenho associados a este conceito estrutural em aplicações do tipo viga. Desta forma, foram definidos três tipos de ensaios a efectuar: Ensaios de caracterização de material, que tiveram como principal objectivo a caracterização mecânica de todos os materiais envolvidos no fabrico das vigas mistas (vidro, GFRP e adesivos estruturais); Ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla, que tiveram como principal objectivo avaliar as características e a qualidade da ligação oferecida por três tipos de adesivos diferentes (adesivo epóxido, adesivo de poliuretano e adesivo acrílico); Ensaios de flexão em vigas de vidro e em vigas mistas, que tiveram como principal objectivo avaliar o comportamento estrutural do vidro e confirmar as melhorias de desempenho das soluções de vigas mistas definidas. As soluções de vigas mistas definidas foram desenvolvidas com o objectivo de melhorar o comportamento estrutural de vigas de vidro recozido e de avaliar a sua resistência, rigidez e modos de rotura. Em particular, teve-se especial atenção à obtenção de um modo de rotura dúctil. De facto, em termos teóricos, a implementação do reforço em GFRP permite a utilização do chamado efeito de tirante aquando da fissuração do vidro (distribuição de tensões ou esforços do vidro para o GFRP), que, por sua vez, possibilita que a rotura do material vidro (o material com características mecânicas mais restritivas) não coincida com o colapso do elemento estrutural. Os conceitos expostos são muito idênticos ao que se pode encontrar nas estruturas mistas aço-betão ou até mesmo em simples estruturas de betão armado. O estudo experimental foi complementado com o desenvolvimento de modelos numéricos (modelos de elementos finitos) do comportamento em serviço (até ao aparecimento da primeira fenda visível no vidro) de todas as vigas ensaiadas. Este estudo teve como principal objectivo o desenvolvimento de modelos numéricos que permitissem representar com elevado grau de fiabilidade este tipo de estruturas, já que por agora não existem modelos analíticos que permitam o dimensionamento deste tipo de elementos estruturais. Para além disso, o estudo numérico permitiu analisar as tensões interiores e a sua distribuição pelos vários materiais, algo que não era possível de analisar completamente através dos dados experimentais. Finalmente, os modelos desenvolvidos permitiram a análise do comportamento e da qualidade da ligação fornecida pelos diferentes adesivos estruturais, aspecto que se revelou crucial no desempenho das vigas mistas ensaiadas. 1.3. Organização da dissertação A presente dissertação encontra-se organizada em 6 capítulos. No primeiro e presente capítulo, é apresentada uma breve introdução à temática abordada no documento, inserindo-o no contexto da engenharia civil, salientando-se a sua importância no 3 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP desenvolvimento dos conhecimentos do ramo. São também apresentados os principais objectivos da dissertação a organização do documento. No segundo capítulo é apresentado um estado da arte sobre o vidro. Além das principais características físicas e mecânicas do vidro, são também abordados os principais tipos de vidro, as principais aplicações, os principais métodos e conceitos da tecnologia das ligações e, finalmente, as principais metodologias e normas de apoio ao dimensionamento. Em todos estes tópicos é feita uma abordagem geral da tecnologia vidraceira, tendo-se dado ênfase a situações directamente relacionadas com as aplicações estruturais do vidro, ou seja, aplicações em que o vidro é utilizado como elemento de suporte. Contudo, sempre que considerado oportuno, foram abordadas situações em que o vidro não tem uma participação estrutural relevante que, como referido, ocupam, ainda, uma grande percentagem das aplicações do vidro no ramo da construção. O terceiro capítulo comporta a descrição de todo o programa experimental realizado, onde se salienta a realização de ensaios à flexão para caracterização estrutural de vigas mistas vidro-GFRP. Inicia-se este capítulo com a definição do conceito de vigas mistas de vidro e uma apresentação sintética dos principais estudos efectuados por outros autores. De seguida, são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização mecânica do material utilizado no fabrico das vigas mistas: painéis de vidro, perfis de GFRP e adesivos estruturais. São também apresentados os resultados de ensaios de tracção em ligações coladas, realizados com o intuito de compreender o comportamento mecânico da ligação conferida pelos adesivos estruturais utilizados no fabrico das vigas mistas vidro-GFRP. Por último, o cerne do capítulo engloba uma descrição detalhada do procedimento levado a cabo para o ensaio de vigas simples de vidro e de vigas mistas vidro-GFRP, assim como uma análise crítica e comparativa dos resultados experimentais obtidos. No quarto capítulo são descritos os modelos numéricos elaborados com o objectivo de descrever o comportamento estrutural em serviço das vigas mistas investigadas no terceiro capítulo. É apresentada uma análise comparativa dos resultados fornecidos pelos modelos numéricos e os resultados obtidos por via experimental, tendo-se retirado conclusões quanto à sua proximidade. Dada a excelente aproximação com os resultados experimentais, os modelos numéricos foram utilizados para melhor compreender o comportamento das vigas ensaiadas, em particular, a qualidade da distribuição de tensões pelos vários materiais das vigas e o comportamento da ligação registado para as vigas constituídas pelos diferentes adesivos. Finalmente, os modelos numéricos elaborados foram também utilizados para prever o comportamento das vigas mistas caso fossem constituídas por um outro adesivo estrutural, que poderá vir a ser utilizado em futuras investigações. O quinto e último capítulo é constituído por uma descrição sumária das principais conclusões retiradas, tanto da exposição do estado da arte efectuada no segundo capítulo, como de todo o estudo experimental elaborado no terceiro capítulo e complementado com os modelos numéricos desenvolvidos no quarto capítulo. São também assinalados os principais aspectos que ficaram por abordar ou que poderiam ter sido abordados de maneira diferente, assim como determinados tópicos passíveis de serem investigados ou desenvolvidos em estudos futuros. 4 Estado da arte 2. ESTADO DA ARTE 2.1. Notas introdutórias Nos dias de hoje, o vidro apresenta excelentes características físicas, que fazem dele um dos materiais de eleição da arquitectura contemporânea. Os evoluídos processos de transformação e optimização do vidro, a sua transparência e estética, tornaram este material sinónimo de qualidade, requinte e modernidade, sendo muitas vezes crucial para atingir um patamar de excelência. Como material estrutural, as excelentes características mantêm-se, donde se salienta a elevada resistência à compressão e a elevada resistência aos agentes atmosféricos. No entanto, apresenta uma rotura frágil (idêntica à do betão), com a agravante de o valor da tensão resistente à tracção apresentar uma elevada variação e ser dependente de vários factores, como a dimensão da amostra ou o tempo de aplicação da carga. Esta elevada variação deve-se, sobretudo, a pequenos defeitos superficiais microscópicos com origem no processo de fabrico que, apesar de ter mais de 50 anos, tem sofrido poucas evoluções ao longo do tempo. De forma a contornar este aspecto e a tornar possível a utilização do vidro na construção, foi desenvolvido um processo de tratamento que, por fecho das fendas ao nível das arestas, aumenta consideravelmente o valor da tensão resistente à tracção do vidro. Ao mesmo tempo, a segurança dos sistemas vítreos foi aumentada pela aplicação de sistemas duplos ou triplos de placas de vidro, onde se procura contornar a fragilidade do vidro pela utilização de um maior número de elementos resistentes. Todas estas características serviram de apoio para a ampliação das aplicações estruturais do vidro. Nas últimas décadas a utilização do vidro deixou de se restringir ao característico painel de vidro apoiado em 4 pontos, utilizado como janela ou como método de preenchimento de fachadas, coberturas ou passadiços. A inovação elevou o vidro a um patamar em que a sua participação tem uma maior importância estrutural para o global da obra, sendo já possível encontrarem-se aplicações em que o vidro é utilizado como viga de suporte de coberturas, passadiços ou fachadas. Contudo, as utilizações do vidro mais comuns continuam a ser registadas ao nível de aplicações de painéis de vidro, principalmente no domínio das fachadas e das coberturas. Não obstante, este género de aplicações também tem sofrido constantes evoluções e é com frequência que se encontram projectos novos, arrojados e inovadores [2,3]. A inovação no ramo das aplicações do vidro tem sido acompanhada por uma constante inovação ao nível da tecnologia das ligações. De facto, uma das mais apreciadas inovações deu-se neste ramo da indústria vidraceira. A substituição dos suportes lineares por fixações pontuais possibilitou a criação 5 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP de grandes vãos envidraçados com altos níveis de transparência, já que os pesados e incómodos caixilhos de alumínio foram substituídos por ligeiras estruturas metálicas que possibilitam melhores rearranjos, tanto ao nível interior como exterior. Contudo, a aplicação de fixações pontuais trouxe também maiores exigências estruturais, já que a utilização das mesmas provoca a concentração de tensões e restrições pontualmente, situação a que o vidro é também muito sensível. A magnitude e tipo de cargas também se alteraram, o que obrigou a um maior cuidado na pormenorização deste tipo de elementos. Mais recentemente, tem-se verificado o surgimento de projectos que têm utilizado ligações coladas (utilizando adesivo estruturais de alto rendimento) como meio de eleição para ligar e fabricar estruturas totalmente envidraçadas. No entanto, por agora, toda a técnica e terminologia associada a este tipo de ligações permanece algo desconhecida, tendo de se esperar por melhores desenvolvimentos nesta matéria. Não significa, no entanto, que ao longo dos últimos anos os investigadores não tenham debruçado atenções nestes aspectos. Antes pelo contrário. Têm sido publicados excelentes trabalhos técnicocientíficos sobre a problemática da tensão de rotura do vidro e do seu dimensionamento. Contudo, por agora, continua a não existir uma norma que englobe, de forma satisfatória, todas as condições associadas à problemática da rotura do vidro e ao cálculo da sua tensão de rotura, ou que englobe todas as configurações, carregamentos ou condições de suporte. Para além disso, a forte evolução que se tem registado ao nível das aplicações e da tecnologia das ligações não tem facilitado a formulação de uma norma consensual, já que é com frequência que se sujeitam simples painéis de vidro, a complexos estados de tensão. O presente capítulo tem como principal objectivo expor os principais conceitos associados à aplicação do vidro na engenharia civil. Como referido, apesar de essas aplicações serem frequentemente designadas como não estruturais, nas secções seguintes é dado ênfase a situações em que o vidro demonstra alguma importância estrutural, tanto por se encontrar submetido a estados de tensão não habituais, como por ser utilizado como elemento de suporte. O estado da arte foi dividido nos quatro grandes temas, sumariamente expostos anteriormente: (i) características e tipos de vidro, (ii) aplicações de vidro na construção, (iii) tecnologia das ligações e (iv) normas e regulamentação em vigor. 2.2. Propriedades do vidro 2.2.1. Propriedades químicas O vidro é um material sólido, homogéneo e inorgânico, que se obtém por arrefecimento rápido de uma massa em fusão. O rápido arrefecimento impede a correcta cristalização do material, fazendo com que o material final se mantenha num estado transitório entre o cristalino e o totalmente amorfo. No grupo dos materiais vítreos (designados por muitos autores como materiais sólidos não cristalinos [4]) incluem-se todos os sólidos que apresentem estas características, podendo surgir materiais que diferem uns dos outros por apenas apresentarem diferentes composições químicas. A indústria 6 Estado da arte vidraceira dedica-se, especialmente, a dois tipos de vidros [5]: em maioria encontram-se os vidros de silicatos (SLSG) e, em menor escala, os denominados vidros de boro-silicatos (BSG). O vidro de silicatos é essencialmente constituído por sílica (SiO2), seguido de óxido de cálcio e de óxido de sódio (CaO e Na2O). Em pequenas quantidades, também se encontra magnesia e alumina (MgO e Al2O3, respectivamente). Os vidros de boro-silicatos diferem dos anteriores por se alterarem os compostos secundários, que passam a ser maioritariamente constituídos por óxido de boro (B2O3), encontrando-se ainda óxido de potássio e óxido de sódio (K2O e Na2O, respectivamente). Fisicamente, estes novos compostos secundários oferecem maior resistência a variações de temperatura, tal como uma maior resistência a água e a ácidos [5], o que faz com que os vidros de boro-silicatos sejam utilizados, essencialmente, em trabalhos de laboratórios de química. 2.2.2. Propriedades físicas e mecânicas A propriedade mais importante do vidro é a sua transparência, que é confirmada pela elevada transmitância na gama do visível. Na verdade, o vidro SLSG apresenta valores de transmitância elevados até à radiação infravermelha média, tendo uma transmitância praticamente nula para a radiação infravermelha longa (λ > 5000 nm), que é nada mais que calor. Desta forma, em termos ambientais, o vidro permite a passagem de luz visível, o que atmosfericamente permite o aquecimento do espaço interior que o vidro protege, mas impossibilita a transferência desse mesmo calor para o exterior, dando origem ao principal problema ambiental associado ao vidro: o efeito de estufa. Além da sua transparência, o vidro é habitualmente fabricado em superfícies muito lisas e impermeáveis. As restantes propriedades físicas do vidro encontram-se sintetizadas na Tabela 1. Comparando algumas das suas características com outros materiais comuns na construção, verifica-se que o vidro tem um peso específico aproximadamente igual ao do betão armado, mas com uma rigidez mais elevada, ainda que, para ambas as propriedades apresente valores inferiores ao aço. Tabela 1 - Propriedades físicas do vidro mais utilizado na construção (vidro SLSG) - adaptado de [6]. Propriedades SLSG 3 Densidade 2 500 kg/m Módulo de Young 70 GPa Módulo de distorção 28 GPa Coeficiente de Poisson 0.23 Temperatura de fusão 600°C Coeficiente de expansão térmica -6 -1 9 10 K -1 -1 Calor específico 720 Jkg K Dureza (escala de Mohs) 6.5 Mecanicamente, o vidro é um material com comportamento elástico quase perfeito, isotrópico e com rotura frágil, que não apresenta qualquer tipo de aviso nem possibilita redistribuição de esforços através de deformações plásticas. Em termos resistentes, o vidro apresenta um comportamento não 7 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP convencional. Teoricamente, se se tiver em conta as forças desenvolvidas ao nível molecular, o vidro pode atingir uma tensão de rotura à tracção até 32 GPa [5]. No entanto, trata-se de um valor que é muito mais elevado do que o alcançado pelo material fabricado, acabando por não ter utilidade prática ou estrutural. Esta diminuição deve-se, principalmente, à existência de defeitos ao nível da superfície que, por sua vez, estão relacionados com limitações existentes ao nível do processo de fabrico. Além de ser impossível obter elementos de vidro sem defeitos, também não é possível prever a posição, extensão ou quantidade desses mesmos defeitos, o que torna o valor da resistência à tracção difícil de prever. Vários estudos debruçaram-se sobre este tema, comprovando que só em raros casos é possível descrever o valor da tensão resistente à tracção do vidro segundo uma distribuição normal ou segundo uma distribuição de Weibull (ver [7-10]) Os resultados demonstram que a resistência à tracção do vidro apresenta uma grande dispersão e muito baixa repetitividade. Apesar disso, é consensual que o principal factor para esta ocorrência é o estado da superfície do vidro, que apresenta sempre pequenas fendas, defeitos, praticamente invisíveis a olho nu, e sem qualquer tipo 1 de posicionamento conhecido. Além disso, factores como a dimensão do elemento ou a história do 2 carregamento (intensidade e duração) aumentam ainda mais a imprevisibilidade do problema, já que participam activamente no desenvolvimento desses defeitos. Em suma, o importante a reter é que o desenvolvimento dos pequenos defeitos é extremamente variável e função de vários parâmetros. Não se considera do âmbito desta tese aprofundar o estudo do desenvolvimento de defeitos no vidro, que, por si só, seria tema de uma dissertação completa, mas resumem-se os seguintes factores que influem no estado da superfície e, consequentemente, na tensão resistente do vidro: Estado da superfície; Dimensão do elemento; História do carregamento; Tensões residuais; Condições ambientais. Em termos globais, a resistência à tracção do vidro será tanto menor quanto maior a tensão aplicada, quanto maior o tempo de aplicação da tensão, quanto maior o tamanho do defeito inicial e quanto maior a probabilidade de existência de tal defeito. Compreende-se, então, que a quebra do vidro é originada por uma combinação de estado de tensão e de estado e número de defeitos. Desta forma, a abordagem moderna do cálculo da tensão de rotura tem-se dedicado não ao cálculo de uma tensão resistente mas ao cálculo de uma probabilidade de sobrevivência. Na Figura 1 é apresentada uma 1 A dimensão do elemento tem uma influência estatística, já que, quanto maior for o elemento de vidro analisado, mais elevada é a probabilidade de se encontrar um defeito que diminua a resistência à tracção no vidro 2 A história do carregamento tem influência directa no estado da superfície do vidro. De acordo com Haldimann et al. [5] na presença de humidade e sob um estado de tensão que origine tracções no vidro acima de um determinado valor, ocorre uma deterioração dos defeitos existentes no vidro fazendo com que o vidro colpase após um determinado período de aplicação de carga e para um nível de tensão inferior à sua resistência inicial. 8 Estado da arte comparação entre a distribuição do dano à superfície do vidro e a respectiva distribuição de resistência à tracção. Verifica-se que com o aumento do tempo de carregamento, ocorre um aumento do dano à superfície, o que origina não só uma diminuição do valor médio da tensão de rotura, como também uma redução da sua dispersão. Figura 1 – Distribuição estatística da tensão de rotura do vidro devido ao aumento do dano à superfície do vidro, com a) superfície de um vidro novo, b) superfície do vidro depois de sujeito a acções climatéricas e c) superfície do vidro com dano inerente à sua utilização no tempo (adaptado de [11]). Apesar dos vários parâmetros que influenciam a tensão de rotura do vidro, é frequente encontrar-se atribuído um valor para a mesma. Em geral, a bibliografia especializada atribuiu um valor médio entre os 45 e os 50 MPa [5,6,11,12] não fazendo qualquer referência a que tipo de situações se aplica este valor (por exemplo, em Njisse [12] é referido que: “O vidro normal recozido quebra por volta dos 45 MPa”). A norma prEN 13474 [13] (pré-norma de apoio ao dimensionamento de painéis de vidro – ver secção 2.8.2.1) define um valor característico, isto é, com probabilidade de excedência de 95%, de 45 MPa. Apesar das condições para o seu cálculo serem diferentes das tabeladas pela própria 3 norma , este valor encontra-se uniformizado e atribuído para, por exemplo, painéis de vidro com área 2 de 1 m . De facto, a abordagem oferecida pela norma prEN 13474 é mais completa do que a simples assunção de um valor médio para todas as situações de aplicação do vidro. Por exemplo, em Veer et al. [8,9] foram efectuados ensaios de flexão de 4-pontos em vários tipos de provetes, variando, por exemplo, a sua dimensão e a sua posição de carregamento (um ensaio que é efectuado com a peça 3 De acordo com Haldimann et al. [5] este valor é determinado com base no ensaio estandardizado da norma EN 2 1288-2 [50] (ver secção 2.8.1), que é efectuado em provetes com uma área de A = 0.24 m e aos quais é induzido um dano artificial ao nível da superfície. A razão pela qual a norma uniformiza o valor para outro tipo de situações não é de fácil compreensão, não sendo temática para desta dissertação. Para mais informações consultar a obra de Haldimann et al. [5], onde é elaborada uma abordagem exaustiva sobre estes e outros aspectos do rascunho da norma prEN 13474. 9 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP horizontal, significa que o painel de vidro é submetido a cargas perpendiculares ao seu plano; por sua vez, um ensaio que é efectuado com a peça na vertical, significa que o painel de vidro é submetido a cargas paralelas ao seu plano). A Tabela 2 sintetiza alguns dos valores obtidos nesses estudos. Como se pode verificar, os valores da tensão de rotura do vidro podem variar significativamente, bastando para isso modificar a dimensão ou a posição do provete. Os resultados obtidos por Veer et al. [8], em ensaios realizados em placas de vidro sujeitas a carregamentos no plano da placa (flexão no plano da placa - viga), demonstram que a tensão de rotura do vidro pode atingir valores até 40% inferiores, e apresentar a mesma variabilidade e o mesmo comportamento que as peças carregadas na posição deitada (varia com o tamanho da espécie, condições de carregamento, entre outros). Tabela 2 - Valores da tensão de rotura do vidro obtidos por Veer et al. [8,9]. 2 Dimensão do provete [m ] 600 × 50 × 10 Nível de têmpera 1 0 Posição horizontal 2 2 Média [MPa] Coef. Variação [%] 71.4 19.6 52.4 16.1 600 × 50 × 10 0 vertical 1000 × 100 × 10 0 horizontal 42 21.8 1000 × 100 × 10 0 vertical 26.7 18.3 1000 × 100 × 10 1 horizontal 104 27.7 1000 × 100 × 10 1 vertical 69 18.9 1000 × 100 × 10 2 horizontal 157.4 18.9 1000 × 100 × 10 2 vertical 94.7 12.4 1 O índice 0 diz respeito a um vidro recozido, o índice 1 diz respeito a um vidro termo endurecido e o índice 2 diz respeito a um vidro temperado (ver secção 2.4). 2 Os termos horizontal e vertical indicam a posição da placa de vidro no ensaio; na posição horizontal (do inglês “lying”) a placa é carregada perpendicularmente ao seu plano; na posição vertical (do inglês “standing”) a placa é submetida a carregamentos no plano da placa, do tipo viga. Volta-se a salientar que o estudo da tensão de rotura do vidro não é de fácil compreensão, sendo muito abrangente para que seja totalmente descrito nesta dissertação. Por agora a discussão permanece activa, sendo frequentemente publicados estudos técnico-científicos sobre o tema, sobre, por exemplo, qual o melhor método ou processo para determinar a tensão de rotura do vidro, já que por agora não existe um consenso sobre estes aspectos. Contudo, de modo a simplificar o tema, na Tabela 3 são apresentados os principais valores de resistência mecânica do vidro e de produtos derivados do vidro. Estes valores foram recolhidos da principal bibliografia consultada para construção deste capítulo, e que, volta-se a referir, são calculados e definidos de modos diferentes. Registe-se a elevada diferença entre os valores médios da tensão de rotura do vidro temperado apresentados em Haldimann et al. [5], e os valores médios do mesmo parâmetro e para o mesmo tipo de vidro obtidos por Veer et al. [9]. Deve-se, no entanto, deixar claro que a tensão de rotura do vidro, ao contrário dos materiais mais comuns na construção, não se trata de um valor intrínseco ao material mas de um valor que depende da qualidade do fabrico e do nível de dano existente à superfície dos painéis de vidro. Por outro lado, toda esta incerteza relativa ao cálculo da tensão resistente do vidro torna-o relativamente inseguro para uso estrutural. Contudo, a utilização estrutural do vidro tem vindo a 10 Estado da arte aumentar com o decorrer dos anos. A resposta a este facto, surge com os vários tipos de vidro existentes no mercado e com os tratamentos que, quase sempre, são aplicados e que se encontram expostos na secção 2.4. Como se pode observar na Tabela 3, o vidro temperado, com o processo de recozimento que lhe é aplicado, apresenta um aumento considerável da tensão de rotura à tracção, o que faz com que se aproxime de valores idênticos aos obtidos, por exemplo, com o aço. Tabela 3 - Resistência mecânica de alguns tipos de vidro (adaptado de [5,13]). Resistência Valor Resistência à compressão do vidro simples 800 MPa 4 Resistência à tracção molecular (1 a 3)·10 MPa Resistência à tracção fibras de vidro (1 a 5) 10 MPa 3 Resistência à tracção de vidro temperado 1 250 MPa Resistência à tracção de vidro temperado 2 120 MPa Resistência à tracção de vidro simples 1 50 MPa Resistência à tracção de vidro simples 2 45 MPa 1 Valor atribuído em Haldimann et al. [5]. 2 Valor atribuído pela norma prEN 13474 [13]. Em termos de resistência à compressão, o vidro apresenta um valor significativamente superior ao valor da resistência à tracção, mas que não tem significado estrutural. Na prática, mesmo em elementos sujeitos unicamente a forças de compressão, desenvolvem-se sempre tensões de tracção, quer devido a fenómenos de instabilidade, quer pelo efeito estrutural do coeficiente de Poisson. Desta forma, o vidro acaba sempre por atingir o seu valor de resistência à tracção, muito antes de atingir a sua resistência à compressão. 2.3. Processo de fabrico O vidro, como matéria-prima, pode originar inúmeros produtos, dos quais se realçam os seguintes: Tubos de vidro; Vidro óptico; Lâmpadas; Janelas e chapas de vidro; Vidro Estrutural; Espelhos; Vidro fundido; O processo de fabrico desta variedade de produtos apresenta algumas diferenças, mas todos eles têm em comum três passos: (i) fusão da matéria-prima a temperaturas de 1600 a 1800 °C; (ii) a temperaturas entre 800 e 1600 °C dá-se a forma ao elemento e, finalmente, (iii) provoca-se o arrefecimento do vidro entre 100 e 800 °C. 11 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Apesar de o vidro ser um material milenar, o primeiro processo fabril data do ano de 1914 [4]. O denominado processo de Fourcault, utilizava a força da gravidade para fazer passar o vidro em fusão por uma fenda que, por sua vez, atribuía a espessura desejada ao vidro. De seguida, arrefecia-se o vidro através de refrigeradores para que depois seguisse para a estiragem e laminagem. Apesar de o processo ser mecânico e funcional, o vidro apresentava repetidas vezes faces não perfeitamente planas e paralelas, além de ligeiras ondulações, tornando o vidro obtido por este processo pouco adequado para utilizações mais exigentes. Em 1959 [4] surge o processo de fabrico que, hoje em dia, é utilizado para o fabrico de 90% do vidro usado globalmente [5]. Criado pela firma Pilkington Brothers, trata-se de um processo que, aliado ao seu baixo custo, permite obter placas de vidro de elevada qualidade, ou seja, com espessuras constantes, faces paralelas e planas, o que, globalmente, aumenta a qualidade óptica do vidro. Muitas vezes denominado como “processo de flutuação” – do inglês “float process” – é constituído pelos 3 passos inicialmente referidos e esquematizados na Figura 2: (i) a matéria-prima é introduzida num forno de altas temperaturas onde entra em fusão; (ii) de seguida, é continuamente escoado até uma piscina de estanho fundido onde arrefecerá gradualmente (é nesta fase que o vidro adquire a espessura pretendida, que pode variar entre 2 a 25 mm, bastando para isso controlar a velocidade de escoamento); (iii) no forno de recozimento o vidro é lenta e uniformemente arrefecido, para evitar a criação de tensões internas e de um choque térmico. A última fase de fabrico do vidro dá o nome a este tipo de vidro, sendo por isso, habitualmente denominado por “vidro recozido”, sendo este o chamado vidro normal. Figura 2 - Processo de fabrico do vidro (adaptado de [11]). No final deste processo o vidro é inspeccionado e cortado em placas de dimensões padrão de 6.00 m de comprimento por 3.21 m de largura. É durante o processo de fabrico, e não depois de ser cortado, que o vidro é submetido a alguns dos processos de tratamento, que de seguida serão descritos. Resta somente acrescentar que a utilização do estanho deve-se ao largo espectro de temperaturas em que este material se encontra no estado líquido, e ao facto de ter um peso específico superior ao vidro, permitindo a flutuação do último sobre o primeiro. Apesar de bastante funcional, são conhecidas algumas deficiências originadas por este processo de fabrico, que origina comportamentos distintos entre as duas faces de cada placa, destacando-se [5] o diferente comportamento à colagem entre as duas faces e o facto de a resistência da face em 12 Estado da arte contacto com o estanho ser marginalmente menor que a resistência da face em contacto com o ar. Além disso, a face que esteve em contacto com o estanho é facilmente detectável quando exposta a luz ultravioleta. Refere-se ainda que existem normas, tanto europeias como norte americanas, que requerem um grau de qualidade no processo de fabrico do vidro plano, de tal forma que os vidros devem cumprir determinados parâmetros de qualidade (ver secção 2.8 e Anexo 1). 2.4. Tipos de vidro O vidro recozido, pela forma como é industrialmente fabricado, apresenta uma fractura demasiado incerta e de valores muito reduzidos impedindo a sua utilização em aplicações estruturais com o mínimo de segurança. Para isso, o vidro recozido é frequentemente sujeito a tratamentos que aumentam o seu desempenho, tanto a nível mecânico, como a nível ambiental ou estético. Salientam-se de seguida os tratamentos mais importantes: corte do vidro no tamanho e forma desejada; tratamento de arestas; introdução de furos, para efeitos de ligação; aplicação de revestimentos; tratamento térmico (têmpera); alteração da superfície para efeitos de decoração. Existem, ainda, outro tipo de tratamentos muito frequentes, que apesar de não modificarem o tipo de material em causa, afectam directamente o tipo de solução final obtida. Por exemplo, para utilizações em que se exigem melhores condições de controlo térmico é muito habitual utilizarem-se soluções de vidro duplo, com ou sem incorporação de um gás - Figura 3; para aumentar a segurança pós-rotura, é habitual utilizarem-se sistemas laminados, podendo ser constituídos por vidro temperado ou não Figura 3. A solução vidro laminado com placas de vidro temperado é mesmo a solução mais utilizada na construção de elementos de vidro estrutural nos dias de hoje, já que apresenta algumas vantagens em termos de segurança (ver secção 2.4.3). Daqui em diante, o termo painel de vidro será utilizado para referir qualquer tipo de solução de camadas de vidro, podendo referir-se a uma solução de painéis de vidro monolítico, painéis de vidro duplo ou painéis de vidro laminado. Nos parágrafos seguintes descrevem-se os principais tratamentos aplicados ao vidro. 13 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 3 - Tipos de vidro (adaptado de [5]). 2.4.1. Vidro temperado Como será referido ao longo do estado da arte, a têmpera ou tratamento por calor é o tratamento mais importante da indústria vidraceira, nomeadamente no que se refere a aplicações estruturais, o que faz com que este tipo de vidro represente uma grande fatia do vidro utilizado na construção. A ideia principal da aplicação da têmpera é a criação de um campo de tensões favoráveis, que impeçam o desenvolvimento dos defeitos existentes ou até mesmo o seu fecho. Isto é, só existe crescimento efectivo da fenda caso seja ultrapassa a tensão limite na ponta da mesma. Ora, com a inserção de tensões residuais de compressão na zona de fendas, e desde que o carregamento não induza tensões superiores ao nível de tensões residuais introduzido, não haverá um crescimento efectivo da fenda, aumentando-se assim os esforços resistentes. Em termos teóricos, o processo é muito idêntico ao pré-esforço aplicado no betão armado. O vidro temperado é obtido através do vidro recozido, em que este último é novamente aquecido até uma temperatura de 650°C e arrefecido rapidamente através de jactos de ar, para que a superfície do painel de vidro arrefeça mais rápido que o interior do mesmo. Depois de retirado do forno, e à temperatura ambiente, o interior continua a arrefecer dando origem a tensões de compressão na superfície e de tracção no interior. Na realidade, nos primeiros segundos, o referido campo de tensões é inverso, mas como o vidro apresenta alguma viscosidade a estas temperaturas, as tracções facilmente se dissipam. Somente a temperaturas abaixo de 525°C no interior do vidro é que se começa a formar a distribuição de tensões final, mais ou menos parabólica. O desenvolvimento do campo de tensões ao longo do processo de têmpera encontra-se ilustrado na Figura 4. Figura 4 - Campo de tensões ao longo do processo de têmpera (adaptado de [5]). 14 Estado da arte A principal vantagem do vidro temperado é o aumento da tensão resistente à tracção, que é aproximadamente 250 MPa – a tensão resistente à tracção do vidro recozido é de cerca de 50 MPa. Mas este é também considerado como o “vidro de segurança”, uma vez que, quando partido, se desfaz em fragmentos pequenos e pouco afiados - Figura 5. Contudo, em muitas aplicações estruturais, este aspecto pode não ser considerado como uma vantagem, uma vez que os fragmentos pequenos apresentam uma menor estabilidade estrutural (por serem muito mais pequenos é muito mais difícil que permaneçam no lugar, facilitando mesmo a sua queda) do que os fragmentos grandes, obtidos para o vidro recozido, isto é, o seu comportamento pós-rotura é muito pior que no vidro recozido. Além do mais, qualquer bocado, pequeno ou grande, caso tenha o risco de cair de alturas elevadas terá sempre um efeito nocivo. Figura 5 - Padrão de fendilhação (da esquerda para a direita) do vidro recozido, vidro termo-endurecido e vidro temperado [5]. Em termos de utilização, o vidro temperado apresenta também a desvantagem de não se poder cortar ou perfurar depois de fabricado. Existe ainda o risco de o vidro temperado sofrer uma quebra espontânea depois de algum tempo após o seu fabrico. Esta quebra está relacionada com a inclusão de partículas de sulfato de níquel (NiS) [5], impossíveis de evitar durante o processo de têmpera. Ao invés do processo por calor atrás enunciado, existe a possibilidade de se obter vidro temperado através de um processo químico. Este processo consiste na substituição, à superfície do vidro, de iões de sódio por iões de potássio, que são substancialmente maiores. Em comparação com a têmpera aplicada por calor, a têmpera química apresenta a desvantagem de uma só pequena espessura do vidro ser afectada, o que pode não ser suficiente para ocorrer o fecho da fenda/defeito, bastando para isso que a fenda/defeito seja mais profunda que a espessura submetida a tratamento. A vantagem da têmpera química reside no facto de deixar em aberto um possível corte ou uma possível perfuração. No entanto, trata-se de um processo caro, o que faz com que seja utilizado somente para geometrias especiais e espessuras pequenas, que não podem ser sujeitas à têmpera aplicada por calor. 2.4.2. Vidro termo-endurecido O vidro termo-endurecido é um tipo de vidro intermédio entre o vidro temperado e o vidro recozido, sendo fabricado até espessuras de 12 mm [5]. É produzido da mesma forma que o vidro temperado, mas é arrefecido de uma forma mais lenta, dando origem a um campo de tensões residuais de menor 15 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP valor e, por conseguinte, a uma tensão resistente menor que a obtida para o vidro temperado – a tensão resistente à tracção é cerca de 110 MPa. Após a rotura, o vidro termo-endurecido fragmentase em pedaços maiores que o vidro temperado, mas mais pequenos que os do vidro recozido (Figura 5). Isto significa que o vidro termo-endurecido pode ser uma boa solução para alcançar maiores resistências, mas também para obter uma razoável resposta no comportamento pós-rotura. Refere-se ainda que qualquer vidro que tenha sido submetido a tratamento por calor, nunca poderá ver modificada a sua forma ou dimensão, uma vez que qualquer alteração que requeira meios mecânicos para ser efectivada, provocará sempre a fragmentação do vidro. 2.4.3. Vidro laminado Duas ou mais placas de vidro recozido ou de vidro temperado, ou até mesmo de ambos os tipos, coladas entre si através de um filme de plástico transparente, formam o que se chama de vidro laminado. A obtenção deste conjunto, além da colagem, inclui uma passagem por autoclave com temperaturas de 140°C e pressões superiores a 14 bar, de modo a eliminar quaisquer inclusões de ar entre filmes. Este sistema, juntamente com o vidro temperado, representa a outra grande evolução na utilização do vidro em termos estruturais, nomeadamente na procura da segurança após a rotura, que se tem vindo a salientar ao longo deste documento. Neste caso, em vez de se procurar um aumento da resistência, procura-se obter um sistema redundante: ao se ligar duas placas de vidro entre si através de um filme aderente, consegue-se que uma possível quebra de uma das placas possa ser suplantada pela manutenção da integridade de uma outra placa. Para além disso, o filme aderente permite que o vidro, depois da rotura, permaneça no lugar garantindo um aumento da segurança quanto a possíveis quedas sobre transeuntes e melhorando o desempenho estrutural do laminado de vidro após a rotura. Esta melhoria estrutural será tanto maior quanto menor for o grau de fragmentação do vidro, já que quanto maiores forem os fragmentos de vidro, maiores serão também as suas capacidades resistentes, fazendo com que o melhor desempenho pós-rotura seja alcançado quando os laminados são constituídos por vidro recozido (Figura 6). O comportamento pós-rotura está também dependente do filme interior que compõe o laminado. O filme mais comum é constituído por polivinil butiral (PVB), e é comercializado com uma espessura de 0.38 mm. Os vidros à prova de bala ou os vidros de protecção contra incêndios são constituídos por sistemas de painéis laminados (como se encontra ilustrado na Figura 3), sendo bastante comuns na construção. Por exemplo, um sistema de vidro laminado constituído por painéis de vidro borosilicato (que tem uma melhor resistência a alterações térmicas) pode constituir um sistema resistente ao fogo com bom desempenho. 16 Estado da arte Figura 6 - Comportamento pós-rotura de vidro laminado constituído por vários tipos de vidro (adaptado de [5]). 2.4.4. Unidades de isolamento – vidro duplo As unidades de isolamento são dois ou mais painéis de vidro em que entre eles se permite a existência de uma zona hermeticamente fechada, contendo ar ou um gás específico - Figura 3. Quando constituídos por dois painéis de vidro, obtém-se o conhecido sistema de vidro duplo. A principal função deste tipo de sistema é permitir o controlo das transmissões térmicas. Substituindo ar por um gás raro, como o Árgon, e utilizando-se revestimentos especiais, estes sistemas 2 conseguem atingir valores de transmissão térmica de 1.1 W/m K (o vidro normal recozido tem um 2 valor de 5.8 W/m K [5]), o que comprova a sua excelente capacidade de isolamento térmico. A espessura de ar (ou gás) entre placas de vidro é conseguida à custa da colocação de espaçadores, que são colados aos painéis de vidro através de selantes. Os espaçadores, em geral, contêm no seu interior um produto desumidificador, que evita a criação de humidade no interior da cavidade. Estes sistemas podem ainda aumentar a transparência, já que se diminui a capacidade de condensação no lado quente do sistema. 2.4.5. Revestimentos ou capas A aplicação ou adição de revestimentos ao vidro, nomeadamente a painéis pertencentes a janelas ou fachadas, tem ganho cada vez mais popularidade, uma vez que sem elas este tipo de aplicações acabam por não respeitar os cada vez mais exigentes regulamentos nacionais e internacionais relativos à térmica e à eficiência energética. Os revestimentos mais comuns têm como principal objectivo o controlo solar ou o controlo da emissividade, sendo muito frequente encontrarem-se no mercado sistemas de vidro duplo que pretendem responder em simultâneo a estes dois objectivos [1]. Os sistemas para controlo solar têm a capacidade de controlar a energia que entra sob a forma de infravermelhos. Os sistemas para controlo da emissividade têm a capacidade de controlar as perdas térmicas através do vidro baixando 17 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP o valor daquela propriedade, sendo possíveis reduções de um valor padrão de 0.84 para 0.05 [5]. Consegue-se, assim, controlar tanto a quantidade de calor que entra num edifício como as suas perdas térmicas, permitindo à construção ser integrada no chamado desenvolvimento sustentável. De acordo com Haldimann et al. [5] os revestimentos podem ser classificados em dois grupos: (i) os denominados soft coatings e os (ii) denominados hard coatings. Os soft coatings podem ser obtidos de vários modos, salientando-se a imersão do vidro no revestimento ou a deposição química ou física do revestimento em vácuo. O método mais frequente [1,5] é realizado através de pulverização catódica do revestimento sob vácuo. O processo consiste na pulverização de metais puros ou óxidos metálicos por um plasma previamente ionizado. Essa pulverização provoca a excitação dos metais o que permite a passagem e, sobretudo, a incorporação dos metais na superfície do vidro. O processo é económico, preciso e flexível, permitindo a obtenção de revestimentos multi-camadas de alta qualidade. Em contrapartida, as capas obtidas por este modo têm elevada susceptibilidade a meios agressivos, tanto ambientais como mecânicos e, por isso, a sua utilização está habitualmente ligada a sistemas de vidro duplo, com a capa a encontrar-se numa face interior [1]. Os hard coatings são obtidos por deposição química de vapor, um processo também conhecido por pirólise. Este método, tal como o anterior, consiste na deposição de metais puros ou óxidos metálicos (ou até mesmo misturas) através do contacto de uma mistura gasosa com a superfície do vidro, previamente aquecida até temperaturas de 600 a 650 °C. Uma vez que este processo exige altas temperaturas, está, habitualmente, integrado no processo de fabrico de vidro. Face aos soft coatings, os hard coatings têm como principal vantagem a sua resistência mecânica e atmosférica, além de permitirem a posterior têmpera dos vidros ou até mesmo a sua dobragem. No entanto, o processo de aplicação dos hard coatings não é tão flexível quanto o dos soft coatings, permitindo somente a aplicação de duas camadas [5]. 2.5. Principais aplicações de vidro estrutural Hoje em dia, o vidro é um dos maiores símbolos de modernidade que se pode encontrar nos edifícios. Mesmo em construções de pequeno porte ou de importância mais reduzida (por exemplo, uma vivenda), é perceptível que a integração de elementos envidraçados origina uma conotação positiva, mesmo que o elemento se resuma a uma simples barreira de protecção. Contudo, nem sempre se verificou uma aplicação tão frequente do vidro. Desde a sua descoberta, rapidamente se percebeu ser de enorme utilidade a utilização do vidro, muito graças à sua transparência. No entanto, o fraco conhecimento do seu comportamento, aliado a um efeito psicológico de fragilidade, nunca possibilitou a aplicação do vidro como material estrutural. As primeiras aplicações corresponderam à simples utilização do vidro em janelas, em que o principal objectivo era obter a máxima luminosidade no interior do edifício. Estes elementos envidraçados, apesar de estarem sujeitos a acções externas como o vento ou a diferenças de temperatura, não se 18 Estado da arte podem considerar como verdadeiros elementos estruturais, uma vez que não fazem parte de uma estrutura portante, prevalecendo com uma importância reduzida. A revolução industrial trouxe uma perspectiva mais alargada para a utilização do vidro e, em meados do século XIX, constroem-se as primeiras coberturas em forma de cúpula preenchidas por vidro (Figura 7). No fim do mesmo século, surgem as primeiras fachadas totalmente envidraçadas mas, novamente, apesar dos elementos de vidro estarem sujeitos a acções externas, tinham sempre uma estrutura secundária em aço que suportava as acções horizontais, permanecendo o vidro com funções de preenchimento. Figura 7 – Kibble Palace, Glasgow, Escócia [14]. Os desenvolvimentos contínuos do vidro, tanto no seu fabrico como nos tratamentos aplicados, permitiram a diversificação das suas aplicações, tanto para novos elementos estruturais como para elementos mais limpos e cada vez mais transparentes. Dos tratamentos aplicados, destaca-se a aplicação da têmpera que, como se referiu, permitiu o aumento da resistência do vidro, possibilitando um melhor controlo das suas capacidades resistentes. O surgimento de sistemas de vidro laminado elevou o patamar de segurança dado ao vidro, o que fez com que o este material, já apreciado pelos arquitectos, passasse também a ser apreciado pelos engenheiros. Quando associadas, estas duas inovações permitem que se construam estruturas de vidro seguras, condição essencial para garantir uma elevada procura e utilização deste material. Nos parágrafos seguintes, ilustram-se exemplos das aplicações mais comuns do vidro, onde se incluem as principais aplicações estruturais do vidro. Refira-se que a definição de aplicações estruturais do vidro se trata de uma classificação subjectiva, podendo variar de autor para autor. No presente documento, considerou-se que aplicações estruturais do vidro dizem respeito a soluções que deleguem importância estrutural ao vidro, como são o caso de vigas, colunas ou estruturas que suportem outros elementos. Contudo, uma vez que este tipo de aplicações têm ainda uma prevalência muito pequena na construção, não se descartou a apresentação de aplicações em que o vidro tem menor importância estrutural, como por exemplo em certas fachadas ou coberturas. Na realidade, a não inclusão deste tipo de elementos no grupo dos não estruturais não reúne consenso, 19 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP mesmo na regulamentação internacional, uma vez que, apesar de pequena importância, não deixam de ser elementos sujeitos a acções, o que consequentemente, exige capacidades estruturais aos elementos. Existem diversos exemplos de cúpulas e coberturas, fachadas e paredes, vigas correntes e vigas de suporte de fachadas (glass fins), bem como colunas que têm posto à prova as capacidades estruturais do vidro ao longo dos anos. 2.5.1. Fachadas A utilização do vidro como material constituinte de fachada é provavelmente o modo mais antigo de utilização do vidro, bastando para isso ter em conta aquela que, ainda hoje, é a principal utilização do vidro: a janela. A fachada, tal como a forma do edifício, é o principal elemento de contacto com o exterior. Desta forma, tem muitas vezes a função imperial de caracterizar o edifício, de valorizar o edifício face aos seus utilizadores no exterior e, consequentemente, marcar a primeira impressão. Assim, de modo a aproveitar as excelentes características estéticas do vidro, evoluiu-se de simples janelas para fachadas em que o principal elemento de preenchimento é o vidro. Refere-se, como exemplo, o novo edifício do Instituto Superior Técnico, em Oeiras (Figura 8), em que as suas fachadas Norte e Sul estão totalmente cobertas por vidro. Figura 8 - Utilização do vidro em fachadas. Fachada norte do edifício do IST em Oeiras, Portugal [15]. As primeiras utilizações do vidro como elemento principal de preenchimento de fachadas têm origem no início do séc. XX [16], impulsionadas pelo movimento de design da era Bahaus. Este movimento deu origem a sistemas de fachada em que o vidro ocupava grandes extensões de área, mas mantinha-se como material não estrutural, com as funções resistentes requeridas a permanecerem limitadas e idênticas ao que era requerido para o uso como janela. Constituem exemplos dessas soluções os denominados sistemas exteriores de vidro colado (ou, do inglês, Structural Sealant Glazing System ou, simplesmente, SSGS), que surgiram em meados da década de 60 [16], tendo sido utilizados com grande frequência no preenchimento de fachadas de edifícios altos nos EUA e em edifícios de médio porte em Portugal (Figura 10). Neste sistema, o vidro é fixo a uma subestrutura, 20 Estado da arte geralmente em alumínio, através de um silicone estrutural (Figura 9). Este silicone tem como função principal absorver as acções do vento, servindo também, nas calhas inferiores, como meio de transmissão do peso próprio dos painéis de vidro à estrutura principal do edifício. Contudo, neste sistema, a função estrutural do vidro continua a ser muito limitada, já que o vidro permanece a funcionar como uma placa apoiada em quatro lados, sistema idêntico ao que se encontra nas janelas. Figura 9 – Utilização de sistemas de vidro exterior colado. Torre norte do IST, Lisboa [15]. Figura 10 - Sistema SSGS (Structural Sealant Glazing System) da empresa SAPA [17]. Uma das características mais valorizada no vidro é a sua transparência. Associar esta capacidade a uma fachada é algo único, pois permite que os utilizadores não sejam impedidos de contactar com o mundo exterior. Para os países nórdicos, uma fachada em vidro é também sinónimo de maior luminosidade e conforto interior. Contudo, este espaço aberto faz com que as fachadas envidraçadas tenham exigências energéticas próprias, muito relacionadas com os problemas térmicos conhecidos do vidro: no Inverno, são fracos isoladores de calor e, no Verão, permitem a entrada de calor. Com o desenvolvimento da indústria do vidro, estas deficiências têm vindo a ser contornadas e constantemente melhoradas, como aliás já foi apresentado. No entanto, aquele comportamento faz com que as fachadas não possam ser constituídas somente por um painel de vidro recozido, sendo que a solução passa habitualmente por soluções de vidro duplo ou, como já se tem visto em projectos de renovação, fachadas constituídas por duas camadas de vidro (Figura 11), de forma a controlar melhor a absorção térmica do edifício. Tudo isto tem como principal intuito o cumprimento das cada vez mais exigentes normas de protecção solar, isolamento térmico, isolamento sonoro e compatibilidade ambiental. Dentro das várias variantes para preenchimento de fachadas, facilmente se encontram fachadas em que, com o mesmo sistema de fixação por SSG, se utilizam vidros impressos, vidros impressos em forma de U ou C (Figura 12) e vidros com formas em tridimensionais, apesar de estes últimos ainda apresentarem um custo elevado no mercado [16] e, por isso, serem pouco utilizados. Com o desenvolvimento da indústria vidraceira (nomeadamente no que concerne aos meios de ligação), com a necessidade de cobrir áreas ou átrios de grande dimensão e com o intuito de se utilizar sistemas estruturais mais ligeiros possíveis, tem vindo a ser utilizados com cada vez mais frequência um sistema de cobertura de fachadas que substitui os apoios ao longo das arestas do 21 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP vidro por apoios pontuais, em geral situados nos quatro vértices do painel. Este sistema, denominado por vidro agrafado, mostrou-se como uma das grandes evoluções, em termos de utilizações estruturais, do vidro em fachadas. Figura 11 – Utilização de dupla fachada. Edifício de escritórios em Milão, Itália [18]. Figura 12 - Fachada constituída por vidro impresso em forma de U. Ludensheid, Holanda [19]. As fachadas em cortinas de vidro agrafado permitem, a nível estético, que se eliminem os caixilhos, contribuindo para uma maior transparência, não só para o utilizador no exterior, como também para o utilizador no interior. A nível estrutural, os painéis de vidro deixam de estar apoiados ao longo dos lados, passando a estar apoiados pontualmente, através de grampos ou aranhas. Os grampos são fixos aos painéis de vidro por perfuração do mesmo, algo que, apesar de não enfraquecer o vidro, origina concentração de tensões nestes pontos. Assim, dado que o comportamento do vidro é bastante sensível no que se refere a concentrações de tensões, o dimensionamento deste tipo de estruturas acaba por ser limitado pelo dimensionamento destes locais. Os grampos ou as aranhas são, em geral, elementos em aço inoxidável, material que contribuiu para a estética do sistema. Todo o sistema de fachada é apoiado a uma estrutura secundária, geralmente em treliça metálica, que garante a correcta transferência de esforços para o edifício ou para as fundações. O facto desta estrutura secundária ser metálica, permite uma maior liberdade arquitectónica a todo o sistema, tal como uma perfeita integração. De modo a alcançar a máxima transparência, tem sido comum a substituição da estrutura metálica por uma estrutura em malha constituída por cabos pré-esforçados, que permitem ainda, um melhor controlo da deformação do sistema de fachada (Figura 14). Nas últimas duas décadas tem-se verificado, com alguma frequência, a substituição do sistema secundário metálico por um sistema totalmente envidraçado, e que na literatura inglesa se tem denominado por glass fins. Glass fins são pequenos painéis de vidro, com secção transversal rectangular e de desenvolvimento longitudinal, colocados perpendicularmente aos painéis de vidro da fachada com o objectivo absorver os esforços resultantes da acção do vento (Figura 15). Uma vez que o seu comportamento é equivalente ao comportamento de viga, optou-se por incluir o seu estudo na secção referente ao uso do vidro como viga. Por agora, fica a referência de que ao longo dos últimos anos se tem procurado aumentar a transparência das fachadas pela minimização da 22 Estado da arte quantidade de aço, substituindo este material por elementos constituídos por vidro. A utilização do vidro como glass fin acaba por ser a situação mais elucidativa das possibilidades estruturais que o vidro oferece como material de preenchimento de fachadas. Figura 13 – Sistema de fixação por perfuração [16]. Figura 14 - Fachada com sistema estrutural em malha de cabos pré-esforçados. Kempinski Hotel, Munique, Alemanha [20]. Existem também exemplos que, pelas suas características (nomeadamente pelas dimensões dos painéis de vidro) permitem a total eliminação de sistemas secundários, não só os que resistem às acções horizontais, mas também os que transferem as acções verticais às fundações (Figura 16). Nestes casos, os painéis de fachada devem mostrar capacidades resistentes para estes dois tipos de acções. Figura 15 - Utilização de glass fins em fachadas de vidro. Teatro AMC, em Century City, E.U.A [18]. 2.5.2. Figura 16 - Fachada envidraçada sem qualquer tipo de sistema secundário de suporte; Templo de Talus, Avallon, França [12]. Coberturas Como se referiu, a primeira grande aplicação estrutural do vidro na construção foi em coberturas. Durante o séc. XIX assistiu-se a uma grande evolução na construção de estruturas ligeiras, em grande parte devido ao aparecimento do aço. Na concepção de estruturas ainda mais ligeiras, rapidamente se chegou ao uso do vidro como elemento de protecção/preenchimento de coberturas, 23 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP tendo o interesse de projectar estruturas com a menor quantidade de aço possível, e aumentando a sua transparência. Naquela época era recorrente a construção de cúpulas constituídas por metal e por vidro para coberturas de mercados, galerias ou estações de comboio [16], sendo que muitas destas coberturas aparentam, por vezes, uma ligeireza superior às coberturas modernas. Estas estruturas eram constituídas por pequenos painéis de vidro (o método de fabrico não possibilitava painéis maiores) e constituídos por uma só camada (ainda não se tinha descoberto as vantagens do uso de vidro laminado). A pequena dimensão dos painéis não era propriamente desvantajosa, já que era dessa forma que se trazia redundância à estrutura. O contínuo aperfeiçoamento das estruturas em cúpula encaminhou este tipo de coberturas para sistemas multi-direccionais, deixando de se restringir ao formato base das cúpulas. A acompanhar estes desenvolvimentos manteve-se a vontade de utilizar o vidro como material de preenchimento, de modo a manter-se o nível de excelência deste tipo de estruturas. Apesar de não ser um tipo de estrutura muito comum nos dias de hoje, as cúpulas permanecem de grande interesse em projectos de requalificação de edifícios de museus ou de bancos (Figura 17). Figura 17 - Cobertura em vidro do Museu de História Alemão, Berlim, Alemanha [21]. Mas a utilização do vidro como cobertura não se tem restringido somente a cúpulas. É com cada vez mais frequência que se encontra este material noutros sistemas de cobertura, nomeadamente nas mais habituais coberturas planas. Nestas situações, o mais comum é encontrar o vidro como substituto de outros materiais de preenchimento, como a madeira ou a telha (Figura 18) delegando as principais funções estruturais a outros materiais, como o aço ou o betão. Contudo, apesar de ter as suas funções estruturais limitadas, nomeadamente ao nível portante, o vidro utilizado nestes projectos deve ter boas características resistentes a acções como a neve ou o impacto, que pode sempre surgir durante acções de manutenção. Tal como nas fachadas, o papel desempenhado pelo vidro será mais ou menos preponderante de acordo com aspectos como a ligeireza da estrutura e/ou a sua transparência. A maximização destes dois aspectos tem sido alcançada pela realização de estruturas em que o aço, ou outro material estrutural, tenha menor relevância, seja por se recorrer a painéis de vidro de grandes dimensões (apesar dos custos elevados, é possível a encomenda de painéis de vidro com dimensões superiores 24 Estado da arte a 3.21 x 6.00 m) ou pelo uso de sistemas estruturais do tipo treliça (Figura 19). Em situações em que a utilização de caixilhos não é apelativa, principalmente no exterior, a estanqueidade da cobertura é garantida pela utilização de selantes específicos para o efeito. Figura 18 - Cobertura plana preenchida com painéis Figura 19 - Cobertura do edifício da Câmara Municipal de de vidro, no edifício do IST em Oeiras, Portugal. Leiden, Holanda [12]. O vidro também tem despertado bastante interesse em projectos de menor envergadura, como palas ou pequenas coberturas (Figura 20). Tal como nas situações anteriores, os requisitos exigidos ao vidro variam de projecto para projecto, mas tal como nas coberturas de maior envergadura, é possível encontrarem-se projectos em que o vidro tem efeitos portantes, tendo sido já realizados alguns projectos em que o vidro foi utilizado como viga (Figura 21). Na secção dedicada às vigas (secção 2.5.4) são referidos outros exemplos deste tipo de elementos. Figura 20 - Pala em vidro, na entrada de um edifício de escritórios em Baltimore, EUA [22]. 2.5.3. Figura 21 - Paragem de transportes públicos com uma cobertura envidraçada, Nijmegen, Holanda [15]. Pavimentos A utilização estrutural de vidro em pavimentos teve o seu grande impulso nos anos 70 [12], quando surgiram as primeiras ideias de retro-iluminação de pavimentos que possibilitassem jogos de luz, principalmente durante a noite. Nos dias de hoje, a utilização de pavimentos envidraçados aumentou substancialmente e continua a ser com frequência que se desenvolvem projectos onde, de modo a salientar um modelo estético, se recorre a pavimentos envidraçados. Na verdade, esta realidade pode 25 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP não ser perceptível para o utilizador comum, uma vez que o vidro utilizado em pavimentos envidraçados é, habitualmente, translúcido e não totalmente transparente, acabando por se perder algum do efeito da utilização do vidro (Figura 22). A utilização de painéis de vidro translúcido e não de vidro transparente é, ao contrário do que possa parecer, um aspecto importante no que à utilização de pavimentos envidraçados diz respeito. De facto, um pavimento envidraçado constituído por painéis transparentes acarta problemas de serviço importantes, essencialmente devido ao efeito psicológico que o vidro transmite às pessoas e que já tem vindo a ser salientado. Facilmente se comprova que um passadiço constituído por painéis transparentes e painéis translúcidos, irá ter mais uso na zona dos painéis translúcidos, uma vez que as pessoas têm tendência a evitar locais que não lhes transmitam segurança. A realidade mostra que um pavimento transparente feito de vidro parecerá demasiado fino e, consequentemente, demasiado frágil, impedindo a sua normal utilização. Além disso, caso seja colocado numa altura elevada pode provocar vertigens, e caso seja possível circular por baixo do pavimento, permitirá que pessoas mal intencionadas tornem a circulação de mulheres pouco agradável (Figura 23). Figura 23 – Vista debaixo de passadiço envidraçado pavimentado com vidro transparente [12]. Figura 22 – Passadiços envidraçados num centro comercial em Lisboa, Portugal [21]. Juntamente com os aspectos psicológicos salientados, a utilização do vidro como pavimento requer aspectos muito importantes de segurança, nomeadamente no que respeita ao comportamento pósrotura. Assim, os vidros utilizados em pavimentos envidraçados são, habitualmente, laminados de duas ou três camadas. Para evitar o deslizamento e consequente queda de pessoas durante a sua circulação, a superfície dos painéis de vidro é submetida a tratamento anti-deslizamento. Apesar dos aspectos salientados, os pavimentos envidraçados têm vindo a ser utilizados com relativa frequência, especialmente em projectos em que a transparência é essencial para o sucesso do elemento, como é o caso, por exemplo, de um centro de exposições de escavações arqueológicas subterrâneas. Nestes casos, juntamente com a transparência consegue-se a menor transformação física e visual do espaço envolvente. Este tipo de transformações é também comum em locais onde se pretende manter a beleza natural do local, minorando os efeitos da construção sobre a natureza e 26 Estado da arte originando locais onde a natureza é observada de uma forma natural e pouco intrusiva. Na Figura 24 encontra-se representado um passadiço sobre o Grand Canyon, nos EUA, onde o visitante tem a sensação de flutuar no ar. Elementos totalmente transparentes, como escadas (ver secção 2.5.6.1) ou passadiços também têm garantido o uso de pavimentos envidraçados (Figura 25). Figura 25 – Passadiço totalmente envidraçado num zardim zoológico, Arnhem, Holanda [12]. Figura 24 - Passadiço envidraçado no topo de uma montanha do Grand Canyon, EUA [23]. 2.5.4. Vigas A utilização do vidro como viga é um passo muito importante no que concerne à utilização estrutural do vidro. Durante o séc. XX verificou-se, a todos os níveis, um aumento da utilização do vidro, com um elevado grau de sucesso em praticamente todos os casos. Assim, não é de estranhar que, para a obtenção da maior transparência possível, não se tenha restringido a utilização do vidro a aplicações de adorno ou de preenchimento, apesar de as exigências estruturais a este nível terem vindo, também, a aumentar. Como já se tem vindo a referir ao longo da descrição das várias aplicações do vidro, a têmpera do vidro, combinada com o processo de laminação, foram os desenvolvimentos que potenciaram a aplicação do vidro de forma estrutural, não sendo excepção no caso das vigas. De igual forma, o desenvolvimento e a massificação do dimensionamento com o apoio de programas de cálculo possibilitou um aumento da confiança na aplicação destas novas estruturas. A utilização do vidro como viga começou com os denominados glass fins, já referenciados na secção dedicada à utilização do vidro em fachadas (ver secção 2.5.1). Como referido, os glass fins são placas de vidro que pelas suas relações de comprimento, largura e altura (comprimento muito maior que a largura e a altura) e pelo tipo de acções a que se encontram sujeitas, apresentam um comportamento idêntico a uma viga: placa de vidro sujeita a cargas perpendiculares ao eixo longitudinal, que originam flexão no próprio plano. Estes elementos são colocados perpendicularmente aos painéis de fachada com o objectivo de absorver as cargas perpendiculares devido à acção do vento, minimizando o número de elementos verticais de aço ou alumínio ou, em projectos de menor envergadura, substituindo-os por completo (Figura 26). Em alguns projectos, os glass fins têm tido também funções de coluna, transferindo as cargas provenientes da cobertura para 27 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP pisos inferiores. Esta solução acarreta outros problemas, já que o funcionamento em coluna para elementos com secção transversal tão pequena traz, em geral, problemas de instabilidade. Contudo a utilização deste tipo de soluções está cada vez mais em voga, o que possibilita a origem de inúmeras soluções estruturais. Dependendo do projecto, é possível a utilização de todos os tipos de vidro no fabrico dos glass fins, desde o vidro recozido a painéis de vidro laminado com vidro temperado. No entanto, uma vez que é comum que estas placas de vidro cubram fachadas com alturas superiores a 4.0 m, existe sempre a necessidade de unir várias placas por meio de ligações aparafusadas, ou seja, existem sempre concentrações de tensões que conduzem à utilização de vidros temperados de maior resistência (Figura 27). Figura 26 – Utilização de glass fins numa fachada de um pavilhão de exposições, Arnhem, Holanda [12]. Figura 27 – Sistema de ligação entre glass fins e entre glass fins e a fachada da empresa ISG [22]. A utilização do vidro como elemento de importância estrutural tem vindo, essencialmente, a ser cativada pelos arquitectos, na sua busca pela maior transparência possível. Porém, do ponto de vista do senso comum, o vidro continua a ser reconhecido como um material frágil e pouco resistente o que, consequentemente, cria uma barreira psicológica nos donos de obra e, principalmente, nos utilizadores destes elementos. Contudo, ao longo dos últimos anos, têm aparecido donos de obra dispostos a aceitar o risco e a aceitar projectos inovadores, o que tem possibilitado a utilização de vigas de vidro para suporte de coberturas envidraçadas (Figura 28), para escadas envidraçadas e até mesmo para pequenas pontes totalmente envidraçadas (Figura 29). A utilização de vigas de vidro em escadas é facilitada pelo facto de o vidro poder ser moldado com a forma da escada, o que facilita a colocação dos degraus. Em geral, as vigas de vidro são constituídas por painéis de vidro laminado com 3 camadas: a camada interior suporta toda a capacidade estrutural, sendo que as duas exteriores têm a finalidade de proteger a camada interior e de garantir um aceitável comportamento pós-rotura (utilização de vidro laminado). É comum o vidro ter algum tipo de têmpera, de modo a alcançar os valores necessários de resistência. 28 Estado da arte Apesar de os exemplos ilustrados serem de obras de pequena dimensão, têm vindo a ser realizadas obras de algum porte, em que as dimensões do vão a vencer ultrapassam significativamente os 4.0 m. Nestes casos, tal como com os glass fins, são utilizadas ligações aparafusadas por aperto para unir as várias vigas de vidro no mesmo plano. Na Figura 30 e 31 são ilustrados dois exemplos de utilizações de vigas de vidro como estruturas de porte de coberturas e de fachadas em que o vão a vencer era superior a 10 m. Figura 28 - Utilização de vigas de vidro numa cobertura num edifício de escritórios em Budapeste, Hungria [12]. Figura 29 - Utilização de vigas de vidro numa pequena ponte num edifício de escritórios em Roterdão, Holanda [12]. De acordo com Nijsse [12], seja que tipo de projecto for, a “arquitectura de estruturas totalmente envidraçadas é dominada pelos pormenores, especialmente no modo como os dimensionar”: Esta frase espelha bem a realidade das estruturas envidraçadas, isto é, uma vez ultrapassado o aspecto da resistência à tracção (com a têmpera do vidro) e contornado o aspecto da segurança após a rotura (com a laminação do vidro), para concluir o projecto, falta assegurar o correcto comportamento dos apoios e das possíveis ligações aparafusadas, da ligação à estrutura principal, da ligação aos restantes elementos constituintes da ponte, da escada ou da cobertura, e até mesmo simples aspectos como o isolamento da água ou do ar no interior dos painéis laminados. Todos estes pontos são passíveis de originar concentração de tensões, inviabilizando toda a estrutura. Na Figura 32 e 33 ilustram-se dois exemplos de ligações de estruturas envidraçadas, que serão expostas com maior detalhe na secção 2.6. Tendo em conta esta análise, não é de estranhar que nos últimos anos se tenha verificado um aumento da investigação, no que se refere ao uso do vidro como elemento estrutural. Mais à frente, na secção dedicada às investigações, são referidas, com algum pormenor, alguns desenvolvimentos alcançados com as mesmas. Por agora, refere-se que a utilização do vidro como viga de suporte estrutural tem sido um dos maiores domínios de investigação nos últimos anos, procurando-se, por exemplo, obter uma rotura dúctil de vigas de vidro por adição de outros materiais estruturais como aço ou madeira. 29 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 30 - Utilização de glass fins para sustentação da fachada e da cobertura de um edifício em Nova Iorque, EUA [24]. Figura 32 - Pormenor da ligação entre as vigas de vidro e os painéis de preenchimento de uma cobertura [12]. 2.5.5. Figura 31 - Utilização de glass fins para sustentação de uma cobertura com vão superior a 15 m, Glasgow, Escócia [25]. Figura 33 - Pormenor da ligação entre duas vigas de vidro, pertencentes a uma escada [12]. Colunas Até aos dias de hoje tem sido possível dimensionar e construir praticamente todo o tipo elementos estruturais em vidro como vigas, pavimentos, coberturas, paredes ou fachadas. Apesar das desvantagens estruturais que o vidro apresenta, a vontade do arquitecto e do engenheiro têm conseguido vencer praticamente todos os obstáculos. Contudo, os projectos que incluam colunas feitas integralmente de vidro têm sido raros [12]. A principal razão para este facto está directamente relacionada com uma das principais desvantagens do vidro: a sua rotura frágil. Assim, o facto de não ser possível garantir uma rotura segura de uma coluna em vidro, obriga a que se coloquem mais elementos coluna, de modo a garantir total segurança no caso da rotura de algum elemento. Esta solução é vista com desagrado por parte dos arquitectos, uma vez que a introdução de uma coluna tem sempre o aspecto negativo de ocupar espaço e estorvar a área onde se insere. 30 Estado da arte No entanto, o vidro trabalha bem à compressão (tem uma tensão de rotura na ordem dos 800 MPa) o que faz com que, caso se evitem fenómenos de encurvadura e rotura por corte, seja um material a ter em conta na utilização como coluna. Deste modo, têm sido realizados alguns projectos com colunas de vidro, mesmo que por vezes não se consiga alcançar a ideia base de garantir a máxima transparência. Na Figura 34, o facto de a coluna ser constituída por elementos dispostos em cruz faz com que não se consiga alcançar a mesma transparência, como na situação em que a coluna fosse constituída por um só perfil circular. A construção em vidro, além de necessitar de donos de obra arrojados, também precisa de donos de obra com alguma disponibilidade financeira, já que a construção em vidro deve ser de alta qualidade, o que por si só obriga à utilização de recursos de custo elevado. Figura 34 - Colunas de vidro no interior de um centro de convenções em Saint-Germain, França [26]. Uma vez que poucos têm sido os projectos que contêm colunas de vidro, a investigação académica tem-se dedicado a este tema, de forma a incentivar a construção deste tipo de elementos. Estudos como o de van Nieuwenhuijzen et al. [27] e o de Overend e Camillieri [28] mostraram bons resultados, no que concerne à utilização de colunas de vidro laminado em forma de tubo, mostrando que poderão vir a ser uma excelente solução num futuro próximo. Existem mesmo alguns projectos onde este tipo de elementos (tubos de vidro a trabalhar à compressão) têm sido utilizados, apesar de não terem funções de coluna. Na Figura 35 ilustram-se tubos de vidro maciços utilizados nas diagonais comprimidas de uma treliça de sustentação de uma cobertura. Na Figura 36 tubos de vidro maciços são utilizados como escoras de uma fachada envidraçada. 31 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 35 - Treliça de suporte de uma cobertura num edifício de escritórios em Amsterlveen, Holanda [12]. 2.5.6. Figura 36 - Escora em vidro em utilização numa fachada de um edifício de escritórios em Londres, Inglaterra [24]. Outras aplicações As aplicações do vidro são muito flexíveis. Nas secções anteriores ilustraram-se as principais utilizações estruturais do vidro, mas muitas outras aplicações são possíveis, já que o vidro permite uma panóplia de combinações, formas e funcionalidades. As escadas e as barreiras de protecção, são só um exemplo da diversidade de elementos estruturais que se podem encontrar. 2.5.6.1. Escadas A popularidade do vidro na construção de escadas tem vindo a aumentar nos últimos anos, facto que é evidente pelo número de fabricantes que dispõem deste tipo de soluções. A escada, por defeito, é um elemento que ocupa espaço e impede a livre circulação num determinado piso, apesar de permitir a circulação entre pisos. Por este facto, o arquitecto, ao conceber a escada, deve tentar diminuir os impactos negativos da sua localização e alcançar uma agradável integração com a sua envolvente. Além disso, o arquitecto deve fomentar a sua utilização, já que, psicologicamente, uma escada pode ser interpretada como uma barreira física a ultrapassar. O contexto anterior é totalmente propício à utilização do material vidro, já que através das suas características únicas permite alcançar níveis elevadíssimos de criação e modernidade, garantindo que o elemento escada tenha identidade e simbolize um estilo e um design. Para este tipo de aplicação, o tipo de combinações é significativo, podendo ir desde escadas em que o vidro somente participa no preenchimento dos degraus e/ou dos espelhos das escadas, até escadarias totalmente feitas de vidro (Figura 37), sendo que nos últimos, o vidro alcança a participação estrutural máxima ao funcionar como pavimento, viga ou até mesmo coluna. Os resultados são muito interessantes, tal como é ilustrado na Figura 38. 32 Estado da arte Figura 37 - Escadas numa loja em Chicago, EUA [24]. 2.5.6.2. Figura 38 - Escadas no interior de uma habitação [29]. Barreiras de protecção As barreiras de protecção ou balaustradas são um elemento construtivo que tem vindo a dar primazia ao vidro. O vidro utilizado nestes elementos encontra-se, estruturalmente, muito pouco solicitado mas, dada a abrangência da definição de vidro estrutural, seria incorrecto não incorporar as barreiras de protecção no grupo de funções estruturais do vidro. Volta-se a referir que o tipo de aplicações estruturais atribuídas ao vidro pode diferir de leitor para leitor. Não é habitual que as balaustradas necessitem de ter requisitos portantes. Contudo, estes elementos estão frequentemente solicitados a acções uniformes, como o vento, ou a acções pontuais, do tipo impacto ou ao nível dos apoios. Por esta razão, é frequente incorporar as barreiras de protecção nas utilizações estruturais do vidro. Mais uma vez, a preferência dos arquitectos na escolha do vidro é demonstrada pela capacidade ornamental do mesmo, de tal forma que o efeito caracterizador das barreiras de protecção sai evidenciado aquando da utilização do vidro. Prevalece a multiplicidade de combinações com outros tipos de materiais, como o alumínio ou a madeira, e a multiplicidade de formas e efeitos, permitindo uma agradável integração com o meio envolvente. Barreiras de protecção, tal como o nome indica, têm como principal objectivo garantir a segurança do peão ou da pessoa que circula num corredor destinado a este efeito, sendo por isso comum encontrarem-se balaustradas em locais como uma simples varanda de moradia ou como complemento de um corrimão de escadas de um centro comercial. Mais uma vez, a flexibilidade do vidro permite que a integração com os vários meios seja muito interessante. Desta forma, existe um número infindável de soluções para este tipo de elementos, podendo variar uma série de características, como o tipo de apoios, o número de apoios, o tipo de vidro (se transparente ou translúcido), o material que lhe serve de apoio ou a dimensão dos painéis. Na Figura 39 e 40 apresentam-se exemplos de soluções que têm vindo a ser utilizadas. 33 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 39 - Barreira de protecção no interior de um restaurante [30]. Figura 40 - Barreira de protecção numa varanda [30]. 2.6. Ligações Ao longo do capítulo que tem vindo a ser apresentado foi introduzido, por várias vezes, o tema “ligações”, tendo vindo sempre anexado a outros aspectos importantes da utilização do vidro na construção civil. Na verdade, trata-se de um tema de particular importância na construção envidraçada, já que as características mecânicas e físicas do vidro impedem que o mesmo entre em contacto directo com outros materiais que tenham dureza relativamente elevada, fazendo com que o modo de transição entre o vidro e outro material necessite de um cuidado acrescido. Para além disso, o facto de o vidro apresentar elevada sensibilidade a picos de tensões, obriga a que o dimensionamento e a formulação de ligações em envidraçados siga parâmetros muito concretos. Dentro dos vários tipos e formatos de ligações disponíveis no mercado, é possível identificar dois grandes grupos: as ligações mecânicas e as ligações por colagem. Contudo, é possível que muitas das ligações exemplificadas nos parágrafos seguintes sejam constituídas por uma mistura de elementos mecânicos e por elementos aderentes. A incorporação num determinado grupo, está directamente relacionada com o tipo de material que faz a transposição de cargas do vidro para a estrutura secundária da fachada, cobertura ou pavimento, que, no caso das fixações mecânicas será um elemento mecânico e, no caso das fixações coladas, será um elemento com capacidade de adesão. Presentemente as ligações mais populares na construção em vidro são as ligações mecânicas. As ligações coladas ainda se encontram numa fase de desenvolvimento e estudo muito recente. No entanto, será de esperar que a indústria vidraceira se aproxime das restantes indústrias, onde as ligações coladas já apresentam uma elevada popularidade. Para que tal aconteça é necessário que o conhecimento neste tipo de ligações evolua positivamente, com mais e melhores estudos sob o tema. Os fabricantes e investigadores do ramo devem também orientar atenções para a melhoria das características mecânicas das ligações, uma vez que com o aumento da importância estrutural do vidro, as ligações deverão apresentar melhores características estruturais, antes e após a rotura do 34 Estado da arte vidro, e terão de se ajustar melhor ao comportamento frágil do vidro (muitas das ligações utilizadas hoje em dia derivam directamente da construção metálica, que não apresenta esta contrariedade). A evolução das ligações, fixações ou suportes no vidro tem sido constante ao longo dos anos e, tal como nos restantes ramos da construção em vidro, os métodos de fixação têm acompanhado, principalmente, as necessidades estéticas requeridas pelos novos edifícios, nomeadamente ao nível da transparência: os meios de fixação têm progredido no sentido de se obter ligações mais ligeiras e que requeiram quantidades reduzidas de material, o que, consequentemente, obrigou a uma evolução na magnitude e no tipo de cargas a que as ligações estão sujeitas. A presente secção tem como intuito apresentar, de forma sucinta, os principais meios de fixação/conexão de placas de vidro, expondo os seus principais componentes e métodos de aplicação. Sempre que possível, expõem-se as principais recomendações para o dimensionamento e alguns parâmetros que afectam o comportamento das ligações. 2.6.1. Fixações mecânicas As fixações mecânicas são o tipo de fixações mais frequentes de encontrar no mercado, encontrando-se uma vasta gama de fornecedores deste tipo de ligações. É ainda possível encontrar no mercado várias soluções do mesmo tipo de fixação, que variam não só em aspecto, como também no tipo de problemas construtivos que resolvem (em muitos dos casos, efectuam-se alterações somente na forma e disposição do perfil de assentamento do vidro, de modo a possibilitar a sua implementação na solução construtiva). De forma sumária, as ligações mecânicas podem ser divididas em três grupos [31]: suportes lineares com caixilho; fixações pontuais por aperto; fixações pontuais aparafusadas. Nos parágrafos que se seguem é feita uma breve descrição sobre cada tipo de fixação e, quando possível, são também enunciados os principais aspectos do dimensionamento das respectivas ligações. 2.6.1.1. Suportes lineares Os suportes lineares de envidraçados são frequentemente utilizados em construções que utilizem caixilhos de alumínio, de madeira ou de plástico como método de sustentação do vidro, como é o caso das fachadas em cortina ou o caso de uma simples janela. Nestas situações, o vidro é suportado ao longo de duas ou quadro arestas, com o peso próprio a ser transmitido à armação por meio de calços de apoio de plástico ou de neoprene, colocados na aresta horizontal inferior. O interior do sistema é isolado através da colocação de silicone ou de juntas de EPDM (borracha de etileno propileno dieno) - Figura 41 e 42. 35 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 41 - Ligação em caixilho de janela (da esquerda para a direita): perfil horizontal e perfil vertical – adaptado de [11]. Figura 42 - Caixilho de janela da empresa Technal [32]. Nos sistemas de fachadas em cortina as cargas horizontais provenientes da pressão ou sucção do vento são transmitidas à estrutura principal do edifício por meio de uma estrutura portante (em geral de alumínio), que é fixa ao sistema de aros de fixação da caixilharia. Por sua vez, os aros de fixação são constituídos por perfis de aperto, do lado interior do edifício, e por tampas embelezadoras, do lado exterior do edifício, que podem apresentar um design específico que as torne menos intrusivas – Figura 43 e 44. O contacto vidro metal é evitado recorrendo a juntas de silicone ou de EPDM, que ao mesmo tempo garantem uma adequada capacidade de rotação nos apoios. Figura 43 - Constituição de uma ligação de suporte linear pertencente a uma fachada em cortina (adaptado de [11]). Figura 44 - Sistema de fachada em cortina de vidro da empresa Technal [32]. O vidro exterior colado é também considerado como pertencente ao grupo dos suportes lineares mas, uma vez que o vidro é fixado ao sistema de caixilho por meio de selantes estruturais, optou-se pela sua incorporação na secção 2.6.2, referente a ligações coladas. 2.6.1.2. Fixações pontuais por aperto Como referido na introdução do presente capítulo, a principal vantagem de se utilizar fixações pontuais advém da quantidade de material de apoio necessário diminuir substancialmente, por 36 Estado da arte comparação com os suportes lineares apresentados na secção anterior. Desta forma, enquanto nos suportes lineares o painel de vidro é fixo ao longo de todo o seu bordo, no caso das fixações pontuais os painéis de vidro são fixos à estrutura portante pontualmente, em pontos discretos das arestas dos painéis de vidro evitando, também, o contacto entre painéis de vidro (Figura 45). Outra das vantagens relaciona-se com a drenagem da água no pano exterior da fachada ou da cobertura, que é facilitada pela minimização do material de relevo. Figura 45 - Fachadas fixas por ligações de aperto [11]. Existem dois tipos de fixações pontuais por aperto [5]: (i) as fixações por grampos e (ii) as fixações aparafusadas. As primeiras são utilizadas para transferir cargas que actuam perpendicularmente ao plano do vidro (por exemplo, no caso das fachadas quando sujeitas à acção do vento). As fixações aparafusadas recorrem ao parafuso de modo a permitir a transferência de cargas que actuam no plano do envidraçado. As fixações aparafusadas são o tipo de ligação mais utilizado para ligar/fixar painéis de vidro pertencentes, por exemplo, a glass fins que, como referido anteriormente, são fabricados com dimensões padrão de 3.10 × 6.00 m, mas que, com o aumento da sua importância estrutural, têm vindo a ser utilizados com comprimentos superiores aos valores padrão (Figura 46). Em ambas as ligações, a transferência de cargas é feita recorrendo ao atrito na zona de aperto, dissipando as cargas pela área de vidro e possibilitando uma menor concentração de tensões quando comparado, por exemplo, com as ligações totalmente aparafusadas, em que a distribuição de tensões é feita somente em torno da área do parafuso. As fixações por grampos são, em geral, constituídas por: estrutura de aperto (em geral grampos), calços de apoio e ainda por neoprene ou EPDM, para evitar o contacto vidro-metal (Figura 47). A constituição geral das fixações por parafusos é muito idêntica, mas em vez de a estrutura de aperto funcionar por grampos, as fixações por parafusos recorrem a parafusos pré-esforçados de modo a garantir a resistência ao corte. O contacto vidro-metal é evitado realizando furos para os parafusos com folga suficiente e colocando, na zona de aperto, um material intermédio entre o vidro e a chapa de aperto, servindo também como vedação. Neste caso, os principais materiais intermédios passam por juntas de alumínio ou fibra de vidro. 37 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 46 - Painéis de vidro ligados recorrendo a fixações por atrito e pertencentes a um glass fin [33]. No dimensionamento e execução deste tipo de ligações deve-se ter particular atenção para a necessidade de evitar a restrição da rotação dos painéis de vidro, de modo a impedir que as restrições a este nível possam criar zonas de concentração de tensões. A adopção de uma espessura de junta adequada, tal como a utilização do material correcto, permitirá a livre rotação do painel de vidro na fixação, evitando os referidos problemas. Figura 47 - Ligação por aperto: a) constituição geral (adpatado de [11]) e b) garras fornecidas pela empresa Ciai [34]. 2.6.1.3. Fixações pontuais aparafusadas As fixações pontuais aparafusadas que exigem o furo dos painéis de vidro para a colocação da fixação não são, do ponto de vista técnico, a melhor maneira de fixar um material que é frágil. Trazem, contudo, vantagens estéticas consideráveis, que fazem deste tipo de fixações um dos mais requeridos. Ao longo das últimas décadas, houve um considerável desenvolvimento e melhoramento deste tipo de ligações, dando origem a uma multiplicidade de fixações patenteadas. São este tipo de ligações que se encontram associadas ao sistema de preenchimento de fachadas denominado por vidro exterior agrafado (Figura 48). 38 Estado da arte Figura 48 - Ligação utilizada em fachadas agrafadas [35]. De acordo com Schittich et al. [11] existem dois grandes grupos de fixações aparafusadas (Figura 49Figura 49): (i) fixações aparafusadas que atravessam totalmente o vidro, deixando relevo na face exterior e as (ii) fixações aparafusadas que atravessam totalmente o vidro, mas que não deixam relevo na face exterior. As fixações que deixam relevo na parte exterior do vidro são mais adequadas para transferir cargas/esforços (de tracção ou compressão) no plano do elemento envidraçado sendo, por isso, muito utilizadas para dar continuidade a elementos de vidro que habitualmente estão limitados pela sua dimensão (vigas de vidro, glass fins, entre outros). As fixações que não deixam relevo na parte exterior do vidro não são adequadas para transferir cargas no próprio plano do elemento sendo, por isso, somente utilizadas como pontos de suporte. Figura 49 - Constituição de ligações aparafusada (da esquerda para a direita) sem relevo e com relevo [11]. Pode-se ainda dividir este tipo de fixações pelo tipo de restrição que originam ao nível do apoio (Figura 50), podendo ser (i) rígidas ou (ii) articuladas. As fixações pontuais aparafusadas derivam directamente das fixações utilizadas na construção em aço, onde este tipo de ligações apresenta elevada popularidade. Contudo, o aço apresenta características no seu comportamento que o tornam adequado à utilização deste tipo de ligações, 39 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP donde se destaca o endurecimento e a ductilidade. Sem estas duas características, o vidro, ao contrário do aço, não tem capacidade de distribuir tensões concentradas ao longo da área do furo do parafuso, fazendo com que o sistema não apresente a redundância necessária. Figura 50 - Acessórios para ligações aparafusadas do tipo a) rígida e b) articulada [34]. Assim, além de se ter de evitar o contacto vidro-metal tal como se faz nas ligações por aperto e nos suportes lineares, neste tipo de ligações deve-se também evitar a concentração de tensões na zona do furo, colocando materiais intermédios entre o vidro e o alumínio (geralmente, os parafusos são envolvidos por roscas constituídas por nylon, poliacetal ou alumínio), que têm como função distribuir as tensões concentradas que possam surgir. Este tipo de materiais devem ser suficientemente resistentes para que se mantenha a capacidade de transferência de cargas, de e para o vidro, e rígidos para que não deslizarem para fora do furo. Contudo, devem ser suficientemente flexíveis para que permitam a adequada distribuição de tensões. Também não devem apresentar fluência, de forma a não diminuir a tensão de aperto do parafuso. Mesmo utilizando materiais que permitam uma adequada distribuição de tensões, o projectista deve evitar a concentração de tensões de tracção, obtendo o modelo mais realista possível quanto ao comportamento das tensões no furo e à volta do mesmo, e investir um cuidado acrescido com a pormenorização. Contudo, a distribuição das tensões em torno do furo não é de fácil determinação, não havendo regras práticas que a permitam determinar. A maneira mais rigorosa de o fazer é recorrer a modelos de elementos finitos, modelando com rigor a zona do furo (em Haldimann et al. [5] são dadas algumas indicações de como o fazer). Caso a ligação aparafusada esteja somente sujeita a tensões de corte horizontais é possível obter a tensão máxima aplicando factores de concentração de tensões determinados por Pilkey et al. [36]. Contudo, volta-se a referir que estes factores apenas permitem a determinação da tensão máxima, não dando indicações quanto à sua localização ou distribuição. Outro aspecto importante no dimensionamento deste tipo de ligações está relacionado com o tipo de vidro utilizado que, dada a ocorrência de elevadas tensões, deve ser sempre vidro termo-endurecido ou vidro temperado - o vidro recozido apresenta uma fraca resistência para este tipo de condições. 40 Estado da arte 2.6.2. Ligações coladas As ligações por colagem são todo o tipo de ligações em que a conexão estrutural entre o vidro e o outro material que participe na ligação é efectuada através de adesivos ou silicones estruturais, que garantem adesão entre os dois materiais. Na construção envidraçada o potencial de ligações coladas continua ainda por explorar, sendo significativamente desconhecida toda a terminologia e técnica por trás deste tipo de ligações. Exceptuando a técnica de vidro exterior colado (VEC), poucas são as aplicações deste tipo de ligações. Contudo, têm surgido estudos e projectos no âmbito da engenharia civil, em que o potencial dos adesivos estruturais tem vindo a ser demonstrado, designadamente em estudos que têm como intuito a criação de estruturas totalmente envidraçadas (Figura 51) ou estudos que têm como objectivo o formulação de estruturas mistas em que o vidro é utilizado como principal material [37,38]. Outros estudos, como o de Wellershoff [39] ou o de Bues et al. [40], têm demonstrado o potencial deste tipo de ligações em aplicações como fixações pontuais e/ou lineares, e juntas de ligação entre vigas e colunas. Contudo, volta-se a salientar que é necessária mais investigação no âmbito das ligações coladas no vidro, nomeadamente ao nível do comportamento de adesão no vidro e na durabilidade do comportamento da ligação e das suas características mecânicas. Uma das principais vantagens das ligações coladas face, por exemplo, às fixações pontuais aparafusadas, é a sua capacidade de transmitir tensões de forma uniforme, evitando situações de picos de tensão às quais o vidro apresenta elevada sensibilidade. Para além disso, permitem obter acabamentos com superfície plana e de fácil limpeza, possibilitando, ainda, a construção de grandes envidraçados sem que se recorra a armações ou fixações mecânicas, uma das principais características do VEC – ver secção 2.5.1. Figura 51 - Projecto em estudo de uma cobertura de vidro, em que as juntas entre paineís foram elaboradas recorrendo a adesivos estruturais [41]. De acordo com Haldimann et al. [5], as ligações coladas que são aplicadas na construção envidraçada podem dividir-se em dois grupos: ligações por adesivos elásticos de reduzida rigidez (exemplo: silicones estruturais - VEC); 41 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP ligações por adesivos de elevada rigidez (exemplo: ligações coladas que utilizem adesivos acrílicos, adesivos à base de resina epóxi ou adesivo de poliéster). Os adesivos são materiais poliméricos obtidos através da união de monómeros base em cadeias longas, que através da ligação química entre os respectivos átomos, formam macro moléculas. Por sua vez, as várias cadeias constituídas por macro moléculas encontram-se química ou fisicamente ligadas entre si. Uma das principais características de distinção entre adesivos é o seu principal polímero activo, que pode variar entre silicone, um ou dois componentes de poliuretano, acrílico, resina epóxi, entre outros. Desta forma, as principais características físicas e mecânicas são atribuídas pelo tipo de polímero a partir do qual o adesivo é elaborado. A utilização de adesivos estruturais requer um bom conhecimento das suas propriedades físicas e mecânicas, propriedades que apenas raramente vêm completamente especificadas nos catálogos dos fornecedores, requerendo, por isso, ensaios experimentais adicionais que permitam a sua determinação. Têm sido formulados vários modelos de forma a permitirem a determinação do comportamento do adesivo e do comportamento da ligação (por exemplo, o elaborado por Olgaard et al. [42]). Contudo, o elevado número de factores pelos quais se rege o comportamento dos adesivos (temperatura, duração do carregamento, variação da extensão, sensibilidade à água ou a raios UV, entre outros), não tem permitido a criação de modelos unificados e de fácil interpretação, o que mais uma vez conduz à realização de ensaios experimentais complementares que permitam um adequado conhecimento do comportamento da ligação, como os realizados por Louter et al. [43,44]. Nos parágrafos que se seguem, são apresentadas as principais características dos dois tipos de ligações coladas referidas anteriormente, assim como as principais preocupações existentes ao nível de cada tipo de ligação. Esta secção baseia-se, em grande parte, no que é apresentado sobre este tema em Haldimann et al. [5]. 2.6.2.1. Ligações por silicones estruturais As juntas de silicone estrutural foram originalmente utilizadas para ligar painéis de vidro a armações de alumínio em cortinas de fachada, fazendo parte do já refiro sistema de vidro exterior agrafado [5]. Contudo, nos dias de hoje, a sua aplicação foi ampliada a situações em que se pretende obter uma 4 ligação flexível e transparente entre vidro e alumínio, entre o vidro e o aço inoxidável ou entre vidro e vidro. Na Figura 52, a ligação vertical entre os painéis de vidro foi obtida através da utilização de 5 silicones estruturais, garantido assim a estabilidade longitudinal da estrutura . 4 Em geral, os silicones estruturais são utilizados para juntas relativamente compridas e com uma espessura entre 6 a 24 mm (dependendo do tipo de adesivo e do fabricante) de forma a compensar a reduzida rigidez e a limitada resistência, valores esses que podem afectar significativamente a transparência da estrutura. 5 A utilização de silicones estruturais na junta vertical entre painéis de vidro permite que as tensões de corte provocadas pelo vento longitudinal sejam absorvidas pelo mesmo. 42 Estado da arte De acordo com Haldimann et al. [5] os silicones estruturais disponíveis no mercado podem dividir-se em dois tipos: silicones de um componente e silicones de dois componentes. Nos silicones de um componente, a cura inicia-se imediatamente após o contacto com o ar e a sua humidade, podendo desenvolver-se durante três semanas (dependendo da espessura do adesivo). No caso dos silicones de dois componentes, o processo de cura começa a desenvolver-se logo após a mistura dos componentes, demorando, no máximo, três dias a completar-se. A mistura dos dois componentes deve ser efectuada com algum rigor, devendo, por isso, evitar-se a sua aplicação em obra. Além do processo de cura, os dois tipos de silicones costumam também distinguir-se pela geometria de junta que permitem fabricar. A relação espessura/largura da junta é, em ambos, muito restrita [5], podendo variar entre 1:1 e 1:3 (a espessura deve ser superior a 6 mm e a largura inferior a 20 mm), no caso dos silicones de um componente, e entre 1:1 e 1:4 (a espessura deve ser superior a 6 mm e largura inferior a 50 mm), no caso dos silicones de dois componentes. Figura 52 - Fachada envidraçada em que as ligações verticais entre painéis de vidro foram efectuadas através de silicones estruturais [33]. Na Tabela 4 são apresentados valores comuns das principais características mecânicas dos silicones estruturais que, no entanto, podem variar de fornecedor para fornecedor. A tensão admissível para cargas de longa duração é essencialmente afectada pela ocorrência de fluência para este tipo de cargas, que faz baixar a tensão admissível para cargas de curta duração em cerca de 90% [5]. Apesar do reduzido valor do módulo de elasticidade permitir uma excelente distribuição de tensões, evitando picos de tensão, faz com que os silicones estruturais não sejam adequados para transferência de tensões de corte de elevada magnitude, existentes em secções de vidro em T ou em 6 H . O elevado valor do coeficiente de Poisson (próximo de 0.5) explica as preocupações dos fornecedores com a geometria e formato da junta, já que este aspecto afectará directamente a rigidez da junta. As juntas de silicone estrutural são dimensionadas de modo a que não seja ultrapassada a sua tensão admissível, mantendo-se a sua capacidade de transmissão de esforços. Deve-se também evitar que as deformações no adesivo não ultrapassem a respectiva deformação admissível. No 6 Para este tipo de secção é mais adequado o uso de adesivos estruturais, expostos em 2.6.2.2. 43 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP dimensionamento das juntas, são aplicados factores de segurança de elevado valor (segundo ETAG No. 002, 6 para cargas de curta duração e 60 para cargas de longa duração – ver secção 2.7). Contudo, em países como a Alemanha ou a França, é mesmo impedida a utilização de silicones estruturais para transferência de esforços devido ao peso próprio [5], e no sistema de VEC é obrigatória a colação de fixações mecânicas para esse efeito. Tabela 4 - Características mecânicas típica dos silicones estruturais (adaptado de [5]). Tipo de tensão Tipo de carga Curta duração Unidades [MPa] Longa duração [MPa] 0.014 Curta duração [MPa] 0.070 - 00.128 Longa duração [MPa] 0.007 - 0.011 Extensão máxima admissível - - ± 12.5% Módulo de elasticidade Curta duração [MPa] 1.0 - 2.5 Coeficiente de Poisson - - 0.49 Tensão normal admissível Tensão de corte admissível Valor 0.14 Além das preocupações já referidas, deve-se também ter em conta a compatibilidade química entre o silicone e todos os materiais com o qual entrará em contacto (nomeadamente no caso dos sistemas de VEC, em que o número de materiais é significativo), de forma a garantir o correcto comportamento da junta a longo prazo. Resta acrescentar que, de acordo com Haldimann et al. [5], os valores de tensão disponibilizados pelos fornecedores têm em conta que o colapso do adesivo ocorrerá sempre por perda de coesão, resistência do adesivo, e nunca por falta de aderência. Neste contexto, vários fornecedores disponibilizam primários de aplicação que permitem uma melhor aderência do silicone, além de informações sobre várias capas de tratamento inadequadas para a aplicação de silicones. No entanto, em geral, superfícies planas sem poros, tais como as que o vidro, o alumínio e o aço inoxidável fornecem, costumam oferecer boas condições de aderência para os silicones estruturais. 2.6.2.2. Ligações por adesivos estruturais Face às anteriores, as ligações coladas em que se utilizam adesivos de elevada resistência e rigidez, distinguem-se por possibilitarem a criação de juntas mais discretas (com menor comprimento e menor espessura), garantindo ao mesmo tempo uma resistência adequada, devido à utilização de adesivos epóxidos e adesivos acrílicos que apresentam, em geral, maior resistência e maior rigidez. No entanto, o conhecimento das suas características e comportamento é muito mais limitado que no caso dos silicones, apesar de, tanto os adesivos acrílicos como os epóxidos, apresentarem uma larga utilização noutras indústrias. Tal como no caso dos silicones, existem diversos aspectos a ter em conta na escolha do adesivo a ser utilizado numa determinada junta (um exemplo dessa opção encontra-se demonstrado na secção 3.5.2 do presente trabalho, onde se efectuou um estudo que permitisse a escolha de um dado adesivo estrutural). Os aspectos mais importantes dizem respeito à compatibilidade química entre o 44 Estado da arte adesivo e os materiais em causa, a geometria da junta, a temperatura de serviço que o adesivo deve apresentar, a durabilidade da junta e do adesivo. Devem-se também ter em conta aspectos relativos ao processo de cura e ao seu método de aplicação. Os dois tipos de adesivos mais utilizados para este tipo de juntas são os adesivos epóxidos e os adesivos acrílicos. Em geral, os dois tipos de adesivos distinguem-se por permitirem valores de espessura de junta diferentes: os adesivos epóxidos, habitualmente designados por adesivos de preenchimento, permitem a formação de juntas com espessuras superiores a 5 mm, algo 7 recomendável, por exemplo, quando se utiliza vidro com tratamento por têmpera ; os adesivos acrílicos, habitualmente designados por adesivos de contacto, permitem a formação de juntas com espessuras inferiores a 1 mm. Na realidade, o processo de cura por UV (o processo de cura característico dos adesivos acrílicos mais utilizados do mercado) não proporciona a formação de juntas espessas uma vez que, apesar da sua transparência, a luz UV não tem capacidade de penetrar no interior da camada de adesivo, impossibilitando o início do processo de cura nessa zona. Uma outra característica de distinção entre os dois tipos de adesivos é a temperatura de transição vítrea (Tg) do adesivo, que é definida como a temperatura média do intervalo de temperaturas em que se dá a alteração reversível de um estado sólido e duro para um estado viscoso e elástico. Para a escolha do adesivo, deve-se ter particular atenção a este aspecto, uma vez que, quando sujeito a temperaturas superiores à Tg, tanto as características do adesivo como o comportamento da junta, são alterados [5]: no caso do adesivo, para temperaturas superiores a Tg o adesivo apresenta uma diminuição de rigidez e de resistência; no caso da junta, para temperaturas da ordem da Tg, tanto ocorre uma diminuição da capacidade de distribuição de esforços, como uma diminuição das forças de adesão. Em geral, os adesivos epóxidos apresentam uma temperatura de transição vítrea superior à dos adesivos acrílicos, o que os torna mais adequados a situações em que se requer um adesivo que garanta um bom comportamento a temperaturas elevadas. Ainda ao nível do dimensionamento da junta, deve-se ter especial atenção à forma do perímetro da junta, uma vez que o facto de os adesivos apresentarem uma rigidez superior, faz com que tenham dificuldades na distribuição de esforços e na absorção de deformações, quando comparados com os adesivos de silicone. Desta forma, devem evitar-se situações que favoreçam o desenvolvimento de concentrações de tensões, como são o caso dos pontos de singularidade ou das arestas pontiagudas. Outro dos aspectos que carece de maior de informação, e que deve ser tido em conta, é a durabilidade do adesivo e, consequentemente, da junta. A informação disponibilizada pelos fornecedores quanto a este aspecto é, em geral, vaga, o que faz com que se tenha de recorrer a ensaios experimentais complementares, como os realizados por Louter [44], de forma a obter a informação necessária. Por outro lado, a carência de informação a este nível tem vindo a ser 7 De acordo com Haldimann et al. [5], a têmpera do vidro origina ligeiras flutuações ao nível da superfície, tornando mais adequado o uso de adesivos com propriedades de preenchimento. 45 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP colmatada pela extrapolação da informação disponível ao nível dos adesivos utilizados na construção metálica. Nesse contexto, de acordo com Haldimann et al. [5], encontra-se demonstrado que as características mecânicas do adesivo e, consequentemente, da junta, podem ser deterioradas sob o efeito de condições ambientais de serviço e dos seus agentes de degradação. A água, em estado líquido ou em estado de vapor, é o agente que maior degradação provoca e que, sob o efeito de determinadas temperaturas, níveis de tensão ou distribuições de tensão ao nível da espessura do adesivo, pode ver os seus efeitos ampliados, levando a uma degradação superior da camada de adesivo. 2.7. Regras e metodologia de dimensionamento O dimensionamento de estruturas de vidro deve seguir um processo em tudo idêntico ao aplicado noutros materiais estruturais, ou seja, deve ser resultado de um processo iterativo constituído por algumas regras de dimensionamento, cálculos analíticos e ensaios experimentais. Também, como em qualquer outro tipo de estruturas, o projectista deve assegurar que a estrutura responderá adequadamente aos respectivos requisitos de estado limite último (capacidade resistente às acções, estabilidade estrutural, entre outros) e de estado limite de serviço (limites de deformações, vibrações, entre outros). Ao contrário de outros materiais estruturais, o vidro encontra-se numa fase menos evoluída no que concerne a regulamentação e a orientações para dimensionamento, havendo constantes evoluções neste domínio. Assim, no decorrer dos anos têm vindo a aumentar o número de normas (quer europeias, quer internacionais), com o objectivo de orientar e facilitar o dimensionamento de estruturas de vido. Por agora, continua a não existir uma norma que englobe, de forma satisfatória, todas as condições associadas à problemática da rotura do vidro e ao cálculo da sua tensão de rotura, ou que englobe todas as configurações, carregamentos ou condições de suporte. Apesar de ainda não existir nenhuma norma que reúna consenso dentro da comunidade científica, são muitos os artigos de opinião, guias de aplicação ou indicações técnicas que constantemente vão sendo tornados públicos. Destes, salientam-se a obra de Haldimann et al. [5], os artigos de Dodd [45] e de Colvin [46] ou as normas inglesas BS 6262: 1982 [47] e BS 6180: 1982 [48]. Os próprios fornecedores de vidro e alguns construtores têm à disposição dos seus clientes inúmeros consultores que fornecem o melhor aconselhamento possível, dentro dos seus conhecimentos e experiência. Na presente secção pretende-se enumerar uma série de regras básicas que têm sido largamente utilizadas no projecto e na construção de estruturas de vidro. Muitas destas regras encontram-se estipuladas em normas internacionais, sendo que tantas outras se encontram meramente expressas em artigos técnico-científicos, aos quais se fará referência sempre que necessário. 46 Estado da arte 2.7.1. Regras práticas com base na experiência Numa fase inicial de projecto, a utilização de regras práticas mostra-se de grande utilidade, por permitir efectuar verificações sumárias que fornecem estimativas das quantidades de material (e, consequentemente, o seu custo), tipo e dimensões. Estas regras baseiam-se, no essencial, na experiência adquirida ao longo dos anos de aplicação deste material. Note-se, contudo, que a utilização deste tipo de regras não pode, em caso algum, substituir o cálculo preciso e detalhado de toda a estrutura. 2.7.1.1. Métodos com base na tensão admissível Os métodos com base na tensão admissível têm cada vez menos expressão, uma vez que a compreensão sobre o comportamento dos materiais tem vindo a mostrar que são poucos os materiais que realmente se regem por este tipo de comportamento tão simplista. Contudo, no prédimensionamento de elementos de vidro, este tipo de regras continua a ser muito utilizado [5], para o que tem contribuído a cada vez mais ampla disseminação de programas de elementos finitos, que permitem um melhor conhecimento das tensões instaladas. Este tipo de verificação tem a seguinte expressão, (2.1) em que, máxima tensão aplicada, calculada com base no valor característico da acção no cenário mais desfavorável; máxima tensão permitida, correspondente ao valor característico obtido por experimentação, e ao qual é aplicado um factor global de segurança. De acordo com o Haldimann et al. [5], as orientações técnicas alemãs TRLV 2006 e TRAV 2003 são bastante utilizadas para este efeito, disponibilizando tensões máximas admissíveis para: Placas de vidro sujeitas a cargas estáticas laterais e uniformes; Placas de vidro sujeitas a cargas de impacto. Aqueles documentos contabilizam, ainda, várias combinações de carga e exemplificam algumas modificações no valor da tensão admissível para uma séria de situações específicas. As normas inglesas BS 6262 [47] e BS 6180 [48] também disponibilizam uma série de recomendações com base em gráficos e tabelas. Por exemplo, a secção 5.11 da norma BS 6262 disponibiliza uma série de gráficos que permitem calcular a espessura de vidro necessária para resistir à acção lateral do vento. Nesta mesma norma, nos capítulos 11, 12 e 13, são disponibilizadas recomendações básicas quanto ao dimensionamento de estruturas especiais, como por exemplo glass fins. A norma BS 6180 diz respeito ao dimensionamento geral de barreiras de segurança ou balaustradas, tendo um capítulo próprio dedicado a barreiras de protecção constituídas por vidro. As 47 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP principais recomendações dizem respeito ao nível de segurança exigido no comportamento pósrotura. Junto dos fornecedores de vidro e/ou de fornecedores de sistemas de fixação e montagem, é possível obter recomendações para pré-dimensionamento da tensão de rotura do vidro. Os valores recomendados pela empresa Pilkington encontram-se resumidos na Tabela 5. A empresa DuPont, por exemplo, fornece um software que permite estimar as tensões e as deformações em painéis de vidro laminado, tendo ainda a vantagem de ter em conta o filme de PVB [18]. Tabela 5 - Tensões máximas recomendadas pela empresa Pilkington (adaptado de [5]). Tipo de carregamento Exemplo de acção Vidro recozido Vidro temperado [MPa] [MPa] 59 Curta duração aplicado no centro Vento 28* Curta duração aplicado nas arestas Vento 17.8* 59 Média duração Neve 10.8 22.7 Média duração Pavimento 8.4 35 Longa duração Peso próprio, água 7 35 * Válido para vidro recozido ≥ 10 mm. Para 6 mm de espessura pode-se multiplicar por um factor de 1.4. Existem ainda outros artigos, de carácter científico, em que os autores disponibilizam tensões máximas admissíveis para, por exemplo, vigas de vidro. Porém, se do lado das acções o conhecimento pode alcançar níveis de precisão muito elevados, do lado da resistência este método é demasiado simplista, não tendo em conta o fenóneno físico que determina o comportamento mecânico do vidro ou aplica, através de um só factor, efeitos como o tamanho do elemento, as condições ambientais, a duração e o tipo de carregamento, aspectos que se sabem influenciar de maneira diferente a tensão de rotura do vidro. Por outro lado, este tipo de regras também não tem em conta aspectos relacionados com fenómenos de instabilidade ou efeitos de segunda ordem. 2.7.1.2. Esbeltezas recomendadas (L/e) Com base na sua experiência, um consultor da empresa Pilkington, propôs em Colvin [46] uma série de relações de esbelteza que permitem calcular a espessura (e) de uma placa de vidro em função do seu vão (L), tanto para elementos pertencentes a coberturas (elementos colocados na horizontal) como para elementos pertencentes a fachadas (elementos colocados na vertical), estando os respectivos valores apresentados na Tabela 6. No mesmo documento, propõe-se que, caso se recorra à utilização de vidros duplos, uma das placas, a placa estrutural, deve apresentar uma espessura de acordo com o tipo de vidro de que é constituída. Neste documento é também aconselhada a utilização de um valor de 15 para a relação entre a profundidade de um fin e a sua altura (L). 48 Estado da arte Tabela 6 - Relações de esbelteza (L/e) propostas em Colvin [46]. Máxima esbelteza Tipo de vidro Vertical Inclinado ou horizontal Vidro recozido 150 100 Vidro temperado 200 150 Vidro laminado de vidro recozido 150 100 Vidro laminado de vidro temperado 150 100 Pela análise da tabela, verifica-se que os ganhos, em termos de vão, quando se utiliza um vidro temperado em vez de um vidro recozido, são muito inferiores quando comparando os ganhos, entre os mesmos tipos de vidro, em termos de resistência. A razão prende-se com o facto de que, apesar de a resistência aumentar muito do vidro temperado para o vidro recozido, a rigidez mantém-se, o que faz com que o sistema esteja limitado pelas deformações e não pela resistência, algo que, aliás, já acontece no dimensionamento de outros materiais estruturais. 2.7.1.3. Limites de deformação Os limites de deformação estão intrinsecamente relacionados com as funções do espaço, com os requisitos definidos pelo dono de obra e, naturalmente, com a rigidez dos materiais utilizados. O vidro apresenta uma rigidez reduzida (Evidro = 70 GPa), o que faz com as estruturas constituídas por vidro, caso não sejam tomadas medidas adicionais, apresentem, elevadas deformações. De acordo com Dodd [45], deformações equivalentes a 1/50 do vão mais reduzido, quando sujeito à acção mais desfavorável do vento (no caso de fachadas), é um valor largamente aceitável, mas que é habitualmente restringido para valores mais conservativos como 1/200 ou 1/125. A realidade é que o vidro é um material severamente afectado pela percepção que o utilizador tem dele, o que faz com que habitualmente se restrinjam as deformações dos elementos de forma a garantir uma percepção positiva por parte do utilizador. De acordo com Haldimann et al. [5], a norma germânica TRLV disponibiliza, igualmente, limites de deformações para coberturas e pavimentos. Para coberturas, a norma recomenda um limite de deformação de 1/200 do vão, não devendo, em qualquer caso, ultrapassar o valor de 15 mm de deformação. Para pavimentos, a respectiva norma recomenda a mesma relação. 2.7.2. Metodologia de dimensionamento Como se pôde analisar na secção anterior, são poucas as regras práticas ou até mesmo as normas (ver secção 2.7.1) aplicáveis explicitamente a aplicações estruturais do vidro. Mesmo dentro das aplicações não estruturais expostas, existem diversas limitações quanto à sua aplicabilidade, uma vez que a maior parte destas regras são apresentadas para os casos mais comuns de aplicação do vidro, não incluindo as aplicações estruturais do tipo viga ou coluna. Ao dimensionar elementos em vidro, o engenheiro deve debruçar-se, em particular, sobre questões relativas à segurança na rotura, que devem incidir sobre o comportamento pós-rotura e os efeitos da 49 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP mesma no comportamento geral da estrutura. Na realidade, o facto de o vidro apresentar uma rotura frágil e imprevista representa uma grande fatia das preocupações dos engenheiros, o que acaba por resultar num maior cuidado na pormenorização e uma tolerância muito mais apertada na fabricação/construção. Outro aspecto distinto de outros materiais prende-se com o facto de a tensão de rotura do vidro apresentar uma variabilidade significativa o que faz com que, até hoje, não se consiga prever um valor da rotura do vidro com a exactidão exigida. Além disso, são muitos os factores que influenciam o valor da resistência, o que aumenta ainda mais a complexidade do problema. Com o intuito de simplificar o dimensionamento de estruturas de vidro, têm sido publicados guias de aplicação ou documentos técnico-científicos nos últimos anos que procuram sintetizar e compilar um conjunto de recomendações de dimensionamento, essencialmente obtidas com base na experiência da aplicação, sendo que alguns já foram apresentados na secção 2.7.1 Nessas recomendações encontram-se, em geral, tipos de vidro a aplicar, tipos de sistemas, modos de fixação ou, por exemplo, requisitos mínimos exigidos ao comportamento após rotura. Nas secções seguintes faz-se um resumo das principais recomendações ao dimensionamento, feitas ao nível da aplicação do vidro em fachadas, pavimentos e coberturas. 2.7.2.1. Fachadas O uso do vidro como elemento de fachada, ou até mesmo como parede, está intrinsecamente relacionado com o objectivo de obter a máxima transparência e a máxima translucidez. A estes dois aspectos, acrescentam-se os cada vez mais exigentes requisitos de desempenho térmico, que também devem ser respeitados. Em termos estruturais, as preocupações são sempre as mesmas: 8 resistência, rigidez e robustez . Em termos de resistência, caso se utilizem sistemas de vidro agrafado, é comum recorrer-se a vidros temperados, já que a concentração de tensões nos pontos de ligação assim o exige. Exceptuando estas situações, é habitualmente permitido o uso de qualquer tipo de vidro, desde que os requisitos em termos de resistência sejam todos alcançados. De acordo com Haldimann et al. [5], em geral, não é exigido nenhum requisito de comportamento pós-rotura, mas o bom senso obriga a que, caso a queda de um painel de fachada represente perigo para pessoas, os painéis de fachada apresentem um determinado nível de estabilidade após rotura, de modo a permitir uma reacção por parte das autoridades. Nestas situações, é inevitável o uso de vidro laminado, já que é o único sistema que permite estabilidade pós-rotura. De acordo com Dodd [45], os níveis de estabilidade exigidos podem passar por garantias de que o painel partido permanecerá no lugar até 15 minutos depois da quebra, até exigências de que a resistência do painel 8 De acordo com Knoll e Vogel [84], robustez é definida como a capacidade das estruturas ou sistemas estruturais (que podem englobar edifícios inteiros) têm de resistir a situações ou acções imprevistas ou invulgares. 50 Estado da arte de vidro partido é de no mínimo 60% da acção de dimensionamento do painel intacto. O mais comum é dimensionar os painéis de vidro de modo a que resistam ao total da carga de dimensionamento quando uma camada do vidro laminado está partido, e que resistam a uma parcela dessa carga, quando todas as camadas estão partidas [45]. 2.7.2.2. Pavimentos O dimensionamento de pavimentos difere do dimensionamento das fachadas por haver, obrigatoriamente, uma preocupação constante com o comportamento pós-rotura dos painéis de vidro, o que faz com que este tipo de projectos tenha quase sempre o apoio de ensaios experimentais, nomeadamente de ensaios de impacto e de análise de comportamento pós-rotura. Uma vez que os pavimentos são sempre acessíveis, existe sempre a possibilidade de ocorrer um impacto de um objecto pesado, tanto acidentalmente como por puro vandalismo, situação que se torna muito perigosa caso a estrutura esteja em utilização. Após a quebra, os painéis de vidro devem não só ter a capacidade de permanecer no lugar por um determinado período de tempo, como também devem ter a capacidade de suster carga após essa quebra. Deste modo, compreende-se que os pavimentos envidraçados sejam, em geral, constituídos por vidros laminados de 3 a 4 camadas (a camada interior é a única com significado estrutural, funcionando as exteriores como protecção) e, habitualmente, constituídas por vidro termo endurecido [45], que apresenta maior estabilidade estrutural após a sua quebra. O nível de robustez dependerá da localização do pavimento assim como da sua utilização. Uma cobertura que seja somente acessível para efeitos de manutenção não necessitará das mesmas preocupações que um pavimento no exterior, totalmente acessível ao público. Os painéis de vidro devem, ainda, receber um tratamento superficial que garanta o mínimo de segurança quanto ao escorregamento. 2.7.2.3. Coberturas O dimensionamento de coberturas partilha muitas das recomendações já enunciadas para o dimensionamento de pavimentos e de fachadas. Por exemplo, caso a cobertura tenha possibilidades de acesso, nem que seja para manutenção, a mesma incorpora-se no grupo dos pavimentos e deve ter-se em conta as mesmas preocupações. Por outro lado, as coberturas servem sempre de protecção à circulação de pessoas, o que faz com que partilhe das preocupações de pós-rotura já enunciadas tanto para as fachadas como para os pavimentos. Desta forma, após a quebra, os painéis de vidro devem permanecer no lugar durante um período de tempo e, caso sejam acessíveis, devem ainda ter capacidade resistente durante um certo período de tempo. Ensaios experimentais devem ser realizados de forma a comprovar estes aspectos e, caso não sejam respeitados os requisitos definidos, devem ser tomadas medidas de forma a impedir a queda dos painéis (por exemplo, a colocação de cabos que sustenham os painéis em situações de queda iminente). Em geral, as diferenças no dimensionamento de coberturas face ao dimensionamento de fachadas e de 51 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP pavimentos, surge no tipo e no valor das cargas que os painéis devem suportar e também no período de tempo em que a segurança pós-rotura deve ser garantida. Em Haldimann et al. [5] é recomendada a utilização de vidro laminado, constituído por vidro recozido, termo-endurecido ou temperado, não sendo, de todo, recomendada a utilização de vidro monolítico, especialmente temperado já que este tipo de vidro apresenta elevadas limitações em termos de resistência pós-rotura. Também se recomenda a utilização de ligações por grampos face a ligações aparafusadas já que, nas últimas, a resistência residual após a rotura é inferior [5]. 2.8. Normas de ensaio e de apoio ao dimensionamento Na secção anterior foi apresentado um conjunto de regras práticas, guias de utilização ou normas, que, de um modo simples (essencialmente recorrendo à experiência), apresentam um conjunto de recomendações para a utilização do vidro como elemento estrutural ou como simples elemento de preenchimento de fachada ou pavimento. No entanto, existem normas internacionais que abordam o dimensionamento do vidro de uma forma igualmente útil e cientificamente correcta, procurando explicar o comportamento do vidro com modelos mais exactos e fiáveis. As normas existentes para o vidro podem dividir-se em 3 grupos: (i) normas de certificação de produto, (ii) normas de ensaio e caracterização de material e (iii) normas para dimensionamento de elementos de vidro. No primeiro grupo estão inseridas todas as normas que pretendem garantir a uniformização e qualidade de produtos de vidro, desde os produtos mais simples (vidro recozido de sílica ou de borosilicato), como de produtos elaborados com ou sem tratamento (como o vidro laminado ou o vidro temperado). Acima de tudo, são normas que pretendem garantir que os produtos utilizados na construção estão dentro dos parâmetros mínimos exigidos, tanto a nível europeu como americano. No anexo 1, encontram-se apresentadas as principais normas existentes a este nível. No segundo grupo estão inseridas um conjunto de normas que disponibilizam informação sobre métodos de ensaio que, por sua vez, permitem a caracterização das principais propriedades mecânicas do vidro, como a resistência à flexão, a resistência ao fogo, ente outras. Finalmente, o terceiro grupo incorpora as principais normas ou guias de dimensionamento, em vigor ou não (poderão, no caso europeu, estar em fase de revisão), nas quais se disponibiliza a informação necessária para garantir o correcto dimensionamento de elementos de vidro utilizados na construção. As próximas secções pretendem expor as principais normas existentes ao nível do segundo e terceiro grupos. No entanto, não se pretende fazer uma apresentação de todas as normas existentes e, mesmo dentro das apresentadas, não se tem como objectivo fazer uma avaliação exaustiva do seu conteúdo. Pretende-se, pelo contrário, referir as principais normas existentes a nível Europeu e ao nível dos Estados Unidos da América, fazendo uma apresentação dos principais conceitos por trás do 52 Estado da arte dimensionamento de estruturas de vidro. Esta secção baseia-se, em grande parte, no que é apresentado sobre este tema em [5]. 2.8.1. Normas de ensaio As normas de ensaio apresentadas pretendem caracterizar o comportamento mecânico do vidro, garantindo uma uniformização dos métodos experimentais utilizados para determinar as suas propriedades mecânicas e/ou a sua capacidade resistente a acções específicas, como o fogo, disparos de bala ou vandalismo. Dentro deste conjunto de normas, considerou-se oportuno salientar as normas EN 1288 [50], EN 356 [51] e a EN 12600 [52]. 2.8.1.1. EN 1288 Esta norma europeia fornece informação sobre o modo de determinação da resistência à flexão em placas de vidro monolíticas, sendo constituída por cinco partes [50]. Em cada uma das partes é descrito um tipo de ensaio disponível para o cálculo da resistência à flexão de placas de vidro monolíticas. O facto de existirem quatro tipos de ensaios, prende-se com a razão de que nem sempre se quer entrar com todos os factores em causa para avaliação da resistência. Por exemplo, no ensaio descrito na Parte 2 [50] da norma, o que está em causa é a avaliação da resistência numa área circular limitada ao interior da placa, o que evita que as arestas da placa estejam sujeitas à tensão máxima, evitando que possíveis defeitos existentes ao nível das arestas tenham influência na resistência à flexão da placa. Pelo contrário, o ensaio descrito na Parte 3 [50] da norma, possibilita que se submetam as arestas à tensão máxima, contabilizando, desta forma, possíveis defeitos existentes ao nível das arestas. Na Parte 1 [50] da norma é apresentada uma breve descrição sobre todos estes ensaios, incluindo justificações sucintas para a existência de cada um deles. O procedimento de ensaio descrito na Parte 2 da norma trata-se do procedimento mais utilizado para determinação da resistência do vidro, sendo o procedimento utilizado para determinação do valor da tensão característica do vidro atribuído pena norma prEN 13474. 2.8.1.2. EN 356 Esta norma europeia, com o título “EN 356: Glass in building – Security glazing – Testing and classification of resistance against manual attack”, foi desenvolvida de modo a especificar métodos de ensaio que permitam a avaliação de produtos envidraçados, concebidos, especificamente, para resistir a acções de força, e que são habitualmente designados por “vidros de segurança”. Na norma, são apresentados dois tipos de ensaios que, em função dos resultados obtidos, permitem classificar o vidro em categorias de resistência a acções de força [51]. Os dois ensaios em questão são: Ensaio de queda - consiste na queda de uma esfera metálica a partir de uma determinada altura; as categorias de resistência são obtidas com base no valor da altura a partir da qual se deixou cair a esfera [51]; uma dada placa de vidro pertence a uma determinada categoria, caso impeça a penetração da esfera em três impactos sucessivos; 53 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Ensaio de martelo - consiste no arremesso da cabeça de um martelo contra o vidro; esse mesmo arremesso deve ser feito mecanicamente, de tal forma que seja possível avaliar a sua velocidade; para um dado tipo de cabeça de martelo e uma dada velocidade, as categorias de resistência são avaliadas através do número de pancadas necessárias para penetrar o vidro [51]; 2.8.1.3. EN 12600 Esta norma europeia, com o título “EN 12600: Glass in buildings – Pendulum test – Impact test method and classification for flat glass”, especifica um método de ensaio uniformizado, que tem como objectivo classificar o vidro de acordo com o seu desempenho ao impacto e de acordo com as características do modo de rotura [52]. O ensaio em causa é o denominado “ensaio do pêndulo”, que consiste na libertação de um pêndulo, de uma dada altura, que depois embate no vidro. Os níveis de energia adquiridos pelo pêndulo pretendem simular o impacto de uma pessoa [52]. Mais uma vez, refere-se que se trata de uma norma de ensaio que não tem como objectivo fornecer qualquer tipo de orientações quanto a requisitos de aplicação dos respectivos produtos avaliados. 2.8.2. Normas de apoio ao dimensionamento Como referido secção 2.7.1, as regras práticas expostas devem ser utilizadas com cautela e, acima de tudo, nunca devem substituir o dimensionamento pormenorizado e detalhado que todos os projectos devem incluir. Para este efeito, devem ser utilizadas metodologias e modelos precisos, que tentem eliminar e ultrapassar os defeitos encontrados pelas regras anteriormente expostas, nomeadamente no que se refere ao cálculo adequado da tensão de rotura do vidro. Pelo que foi possível constatar, a nível nacional, não existe qualquer norma que trate em particular o comportamento do vidro, nem mesmo pequenas regras práticas que forneçam soluções ao projectista. A nível internacional, o panorama é ligeiramente diferente. A Alemanha mostra-se como o país mais evoluído neste aspecto, tendo divulgado recentemente (Julho de 2009 [53]) uma primeira versão da nova norma referente ao dimensionamento do vidro: a E DIN 18008 – 1 e a E DIN 18008 2. O objectivo do comité técnico alemão foi o de actualizar as anteriores normas (TRLV e TRAV), que tinham por base factores globais de segurança e eram baseadas em regras práticas de utilização [54], obtidas, por sua vez, através da experiência na aplicação do vidro. A nível europeu, foi publicado em 1999 um rascunho de uma possível norma europeia dedicada ao dimensionamento de elementos de vidro, mas que, desde a data da sua publicação, e de acordo com Haldimann et al. [5], tem sido alvo de forte discussão (falta de consenso), permanecendo numa fase de revisão. Ao nível dos EUA, a norma ASTM E 1300 tem sido alvo de consecutivas revisões, sendo que a última revisão data do ano de 2009 [55]. Nesta secção são apresentadas as duas principais normas internacionais (a norma europeia e a norma norte americana) que, tanto pelo seu conteúdo, como pelas suas especificações, são as que têm tido maior utilização por parte dos projectistas. Contudo, tal como já foi referido, estas normas 54 Estado da arte encontram-se limitadas a elementos de vidro de forma rectangular, com apoio lateral contínuo e sujeitas a cargas uniformes perpendiculares ao plano [5,56]. Para além disso, de acordo com Haldimann et al. [5], aqueles documentos apresentam diversos defeitos de concepção, sendo de realçar os seguintes: alguns dos parâmetros definidos dependem das condições físicas utilizadas para os determinar; as condições da superfície estão implicitamente definidas e não são caracterizáveis por parâmetros passíveis de modificação por parte do utilizador. Para além dos aspectos acima referidos, Haldimann et al. [5], refere, também, que ambas as normas apresentam muitas inconsistências ao nível do seu método de dimensionamento, além de que são baseadas em modelos de cálculo diferentes o que, consequentemente, origina resultados diferentes e, muitas vezes, algo díspares. Dentro do âmbito de normas de apoio ao dimensionamento, tanto na UE como nos EUA, encontramse disponíveis normas de apoio ao dimensionamento de sistemas de vidro exterior colado (VEC). A nível europeu, as referidas orientações encontram-se disponíveis no documento ETAG nº 002 [57], estritamente elaborado para este efeito. A norma tem aplicabilidade para VEC utilizado tanto em fachadas, como em coberturas. Dos princípios incluídos na norma, destacam-se os seguintes: todos os silicones estruturais utilizados em sistemas de VEC devem ter uma ETA (“European Technical Approval”); são definidas tensões normais admissíveis para situações de carga de curta duração (vento) e tensões de corte para situações de carga de curta e longa duração; são aplicados factores de segurança de 6 e de 60, respectivamente, para cargas de curta e longa duração; Contudo, tal como acontece para as restantes normas mencionadas (TRLV e TRAV), esta norma encontra-se limitada a situações de suporte lineares ao longo de quatro lados, além de não ter em conta a rigidez da armação metálica ou da distribuição de tensões não linear ao longo das arestas dos painéis provocada pela deformação do painel. Novamente, tais limitações fazem com a extrapolação dos referidos princípios para situações estruturais mais complexas, seja significativamente limitada. 2.8.2.1. Norma europeia: prEN 13474 9 A norma europeia com maior relevância tem por título “Glass in building - Design of glass panes” e, como referido, tem sido alvo de várias críticas por parte da comunidade científica, encontrando-se 9 De acordo com o Haldimann et al. [5], esta norma encontra-se sob revisão por parte dos comités europeus CEN/TC 250 (“Structural Eurocodes”) e pelo CEN/TC 129 (“Glass in building”), o que faz com que os documentos não publicados sejam substancialmente diferentes dos documentos já publicados. 55 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP neste momento em revisão – o documento é provisório. Tal como o nome indica, esta norma tem como intuito abordar o dimensionamento de placas de vidro. Está previsto que seja dividida em 5 partes [13]: Parte 1 – Conceitos gerais do dimensionamento; Parte 2 – Placas sujeitas a cargas uniformemente distribuídas; Parte 3 – Placas sujeitas a cargas lineares; Parte 4 – Placas sujeitas a cargas concentradas; Parte 5 – Placas sujeitas a cargas sobrepostas. Por agora encontram-se publicadas as duas primeiras partes tendo sido divulgada uma terceira parte que já não segue as intenções iniciais. Fazendo parte das recentes normas europeias, a prEN 13474 tem por base um método de dimensionamento que procura avaliar a resistência do elemento do vidro através do cálculo de um valor equivalente de carga e de um valor equivalente de resistência, recorrendo ao uso de coeficientes parciais. Desta forma, a verificação de segurança a realizar envolve o cálculo da tensão efectiva actuante (eff) e do valor da tensão efectiva permitida (fg:d), de acordo com: (2.2) Em que a tensão efectiva é calculada para a combinação de acções mais desfavorável de acordo com: (2.3) em que, A é a área total de vidro sobre qual actua a acção; é a tensão principal que actua no ponto (x,y), para a respectiva acção actuante; é um parâmetro de forma da tensão de rotura, retirado da distribuição estatística de Weibull. Para as geometrias e os tipos de condições de apoio mais frequentes, a respectiva norma disponibiliza tanto o valor máximo de tensão, como o resultado do cálculo da equação (2.3). A tensão efectiva permitida deve ser calculada de acordo com: (2.4) em que, é o valor característico de rotura a 5%, que depende da composição química do vidro e que para o vidro recozido atinge o valor de 45 MPa; 56 Estado da arte é o valor característico de rotura a 5% para vidros temperados; para o vidro recozido ; para vidros com diferentes condições de têmpera, a norma disponibiliza uma tabela com os respectivos valores característicos de resistência; é o coeficiente parcial que tem em conta a tensão residual devido à têmpera; é o coeficiente parcial que tem em conta a resistência do vidro; é o coeficiente parcial de segurança para cada país; é o coeficiente parcial que tem em conta a área de vidro em causa; é o coeficiente parcial que tem em conta a duração do carregamento, a combinação de cargas e as condições ambientais. A norma prEN 13474 apresenta informação pormenorizada sobre o cálculo de todos os coeficientes parciais apresentados. 2.8.2.2. Norma norte americana: ASTM E 1300 A norma norte-americana que tem vindo a ser utilizada para o dimensionamento de elementos de vidro tem por título “Standard of Practice for Determining Load Resistance of Glass in Buildings“ [55] e tem vindo a ser revista com alguma frequência. A aplicação desta norma é válida para situações de envidraçado vertical ou inclinado, sujeito a cargas laterais uniformes e constituído por vidro monolítico, laminado ou vidros duplos. O elemento a dimensionar deve apresentar, ainda, geometria rectangular com apoio lateral contínuo em pelo menos um dos lados. A norma encontra-se totalmente definida para acções como o vento, neve ou peso próprio, mas que, combinadas, não devem ultrapassar um valor de 10 kPa. O objectivo da norma é fornecer os dados necessários para o cálculo da tensão resistente do vidro e que, dessa forma, seja possível obter a espessura para a placa de vidro. A norma permite, ainda, que se contabilizem uma série de factores que podem influenciar a referida espessura, como por exemplo as acções de temperatura ou as deformações excessivas. A verificação de segurança pode ser resumida da seguinte forma; (2.5) em que, q é o valor da carga de dimensionamento para a respectiva placa de vidro; LR é o valor da carga resistente (do inglês “load resistance”); NFL é o valor característico da carga resistente, para uma carga a actuar durante 3 segundos e com uma probabilidade de rotura de 0.008; GTF é um coeficiente que tem em conta o tipo de vidro em utilização e a duração de aplicação da carga actuante. 57 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Em comparação com a norma europeia, a homónima norte-americana distingue-se, principalmente, por se basear no conceito de cargas e não de tensões e, ao contrário da europeia, não se baseia na utilização de coeficientes parciais, mas na consulta de gráficos (no caso do coeficiente NFL) e de tabelas (no caso de GFT). Os gráficos disponibilizados para o cálculo do coeficiente NFL estão associados a condições específicas de geometria, apoio e espessura de vidro, sendo válidos tanto para vidros monolíticos como para laminados. De acordo com Haldimann et al. [5], este factor NFL incorpora (no caso do vidro laminado) um modelo viscoelástico para o filme intermédio de PVB. 2.8.3. Conclusões Uma análise final dos aspectos referidos no presente capítulo permite concluir que os regulamentos existentes acarretam consigo inúmeros problemas. Um deles recai sobre a sua aplicabilidade que, como referido, apresenta grandes limitações. Na sua maioria, as normas destinam-se a placas rectangulares, sujeitas a cargas laterais uniformes e de valor constante. Considerando estes aspectos, deve mesmo assumir-se que as normas existentes não são adequadas às aplicações mais recentes do vidro que, como se mostrou na secção 2.5, têm tido cada vez maior importância estrutural. Não obstante, deve realçar-se que existem vários estudos técnico-científicos que têm tentado colmatar esta falha, procurando uma melhor adequação das práticas de dimensionamento existentes para um maior número de situações – refere-se, a título de exemplo, o estudo desenvolvido por Haldimann et al. [31]. A própria norma prEN 13474 é baseada numa teoria que incluía uma extensão para vigas de vidro [5], mas no documento da norma divulgado, esta acabou por não ser incluída. Volta-se a referir que o intuito deste capítulo foi o de apresentar uma breve descrição das principais normas internacionais dedicadas ao vidro. Para uma melhor compreensão de todos os conceitos subjacentes às normas apresentadas, aconselha-se a consulta das normas referidas, tal como a restante bibliografia referida, em especial Haldimann et al. [5], onde é feita uma excelente exposição sobre o tema. 58 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 3. ESTUDO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO DE VIGAS MISTAS VIDRO-GFRP 3.1. Introdução No capítulo anterior foram apresentadas as principais utilizações estruturais do vidro, os principais regulamentos existentes para o dimensionamento de elementos de vidro e também os principais meios de conexão entre peças de vidro e entre o vidro e outros tipos de materiais. Paralelamente, e sempre que possível, foram sendo salientadas as principais dificuldades ou lacunas encontradas no vasto meio que é a aplicação do vidro na construção civil. São sobre estas desvantagens que o meio científico dedicado ao estudo do vidro, se tem concentrado. Uma das particularidades do vidro que tem sido alvo de maior atenção prende-se com o tipo de rotura do vidro que, para o vidro simples, é frágil. Para ultrapassar o problema da rotura frágil, a construção recente tem recorrido à aplicação de elementos de vidro constituídos por múltiplas camadas, separadas por um filme de PVB e que dão origem aos denominados painéis de vidro laminados. No decorrer deste estudo, já por várias vezes se referiu que o intuito desta solução não é o de ultrapassar o tipo de rotura do vidro, mas sim de o diminuir probabilisticamente, recorrendo à utilização de material em excesso e de elevados factores de segurança. Deste modo, a possibilidade de ocorrer uma rotura total frágil e sem aviso permanece devido a, por exemplo, consecutivos impactos ou a erros de dimensionamento nos locais de ligação. Estudos recentes deixaram de ter como objectivo a diminuição da probabilidade de rotura, passando a debruçar-se sobre o controlo e a introdução de um processo de rotura dúctil, em analogia com outros materiais estruturais utilizados na construção. Neste contexto, uma das linhas de investigação na área do vidro estrutural tem consistido no desenvolvimento de soluções estruturais mistas (Figura 53), em que o vidro é associado a outros materiais, com o objectivo de aumentar a rigidez e a resistência e/ou de obter modos de rotura mais dúcteis. Entre as soluções que têm vindo a ser propostas e estudadas, refere-se a combinação do vidro com elementos em aço inoxidável Louter et al. [37,38] com compósitos de polímero reforçado com fibras de carbono (CRFP) por Palumbo [58], com betão por Freytag [59], com madeira por Cruz e Pequeno [60] e por Kreher et al. [61] e com aço por Wellershoft e Sedlacek [62] e Bellis et al. [63] Muitos destes estudos foram desenvolvidos de modo a serem integrados em obras de referência, como na reabilitação da cobertura de uma igreja ou para sustentação da cobertura de uma sala de conferências (Figura 54). Na secção 3.2 fazem-se mais algumas considerações sobre estes estudos, apresentando-se o conceito por trás de alguns deles. No geral, o conceito é simples, e tem sido utilizado há já vários anos no que, hoje em dia, é o principal material utilizado na construção, o betão armado. 59 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 54 - Utilização de vigas mistas vidro-madeira numa sala de conferências [61]. Figura 53 - Soluções mistas com vidro e (da esquerda para a direita) aço inoxidável, compósitos de CRFP, betão, madeira e aço [64]. No capítulo que se segue, tem-se como principal objectivo apresentar os resultados do estudo realizado com o objectivo de estudar o comportamento mecânico de elementos de vidro estrutural, e nos quais se decidiu incluir o estudo do comportamento de vigas mistas vidro-GFRP. Os ensaios experimentais incluíram, ainda, o estudo de ligações por sobreposição dupla, que serviram de ensaios preliminares para aferir o comportamento do tipo de ligação usada para as vigas mistas. Antes da apresentação dos resultados foi incluída uma introdução teórica, na qual se pretendeu justificar as vantagens em se utilizar este sistema estrutural. Foi também incluído uma secção onde se pretendeu fazer uma apresentação dos principais estudos realizados no ramo das estruturas mistas à base de vidro. 3.2. Principais estudos de vigas mistas A investigação no ramo das estruturas de vidro é ampla e variada, além de apresentar elevada potencialidade, existindo inúmeros estudos no ramo das estruturas de vidro divulgados nas várias conferências realizadas por todo o mundo e dedicadas à área do vidro, e das quais se destaca a conferência anual Glass Performance Days [65]. Nos últimos anos, uma das linhas de investigação com maior desenvolvimento tem sido a área das estruturas mistas, nas quais o vidro é associado a outros materiais estruturais diferentes. No geral, o objectivo na formulação de vigas mistas de vidro é o de tentar ultrapassar a fragilidade e o comportamento imprevisível da rotura, fazendo com que, estruturalmente, o vidro tenha um comportamento adequado a todo o tipo de aplicações. O objectivo principal passa por, através da combinação do vidro com outros materiais, garantir que a viga mista tenha uma rotura dúctil, ou seja, que tenha um comportamento tal que seja possível antecipar o seu colapso e, acima de tudo, ultrapassá-lo. Nos materiais mais comuns utilizados na construção, existem, no essencial, duas formas de obter uma rotura dúctil de uma viga: a primeira passa pela utilização de um material que, no seu comportamento, inclua uma parcela de ductilidade, como é o caso do aço. 60 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP a segunda passa pela garantia de que o comportamento da viga incluirá duas fases distintas de comportamento: (i) na primeira fase a viga deve exibir um aspecto íntegro, mantendo um nível de rigidez adequado à situação para que foi dimensionada - nos materiais mais comuns, esta fase é caracterizada por apresentar deformações elásticas; (ii) na segunda fase a viga deve exibir um nível de rigidez inferior à da primeira fase, de tal forma que permita a ocorrência de deformações significativamente superiores às ocorridas na primeira fase. Às elevadas deformações devem juntar-se outros aspectos exteriores que salientem a iminência de rotura total, como por exemplo fendilhação elevada e ruídos associados. Nos materiais mais comuns a fendilhação elevada é acompanhada de deformações plásticas. O material mais utilizado na construção, o betão armado, é um material que se inclui na segunda categoria, mas que, por ter na sua constituição um material que se insere na primeira categoria, consegue alcançar níveis de ductilidade satisfatórios (Figura 55). No geral, em serviço, a ductilidade das estruturas de betão armado é garantida através do denominado “efeito tirante” (capacidade de transferência de tensões entre os dois materiais constituintes da secção) que garante a existência de hiperestatia ao nível da secção e assegura que a “rotura” de um dos materiais (isto é, a rotura em tracção do betão) não significará a rotura total da secção. No caso das estruturas mistas de vidro o comportamento é muito semelhante, ou seja, após a ocorrência da primeira fenda no vidro, a parte da secção sujeita a tensões de compressão (zona não fendilhada) e o perfil de reforço, formam um par de esforços que mantém a viga com capacidade resistente (Figura 56). Figura 55 - Gráfico carga vs. deslocamento de uma viga de betão armado (simplificado) [66]. 3.2.1. Figura 56 - Modelo esquemático da distribuição de esforços após a fendilhação do vidro (adaptado de [64]). Vigas mistas vidro-aço inoxidável Um dos trabalhos mais completos realizado no ramo das estruturas mistas de vidro tem vindo a ser elaborado por investigadores da Universidade de Delft, e envolve a formulação de vigas mistas vidroaço inoxidável, a integrar num projecto académico futuro de construção de um pavilhão totalmente envidraçado. A viga terá capacidade de ultrapassar vãos até 18 m, sendo que, por agora, estudos realizados em modelos de escala reduzida comprovaram ser possível construir com sucesso vigas mistas vidro-aço inoxidável com vãos até 7.2 m. O estudo tem vindo a ser realizado há já vários anos e têm vindo a ser estudados vários aspectos interessantes e importantes para a formulação e conhecimento do comportamento estrutural das 61 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP estruturas mistas de vidro. Aspectos como o efeito da geometria da secção [67-69], da geometria do reforço e do tipo de adesivos [70] foram solidamente estudados, ajudando a eliminar as lacunas conhecidas no comportamento das estruturas mistas. Com o estudo efectuado sobre as várias geometrias de secção de vigas mistas, comprovou-se ser possível criar várias geometrias de secção recorrendo à colagem por adesivos estruturais de sucessivos perfis de vidro (podendo ser laminados ou não), sobrepostos ou perpendiculares entre si, formando geometrias em T (com banzos e almas), quadradas ou rectangulares (Figura 57). Na verdade, os ensaios realizados por Louter et al. [37] demonstraram que algumas das vigas de secção rectangular apresentam susceptibilidade significativa ao bambeamento (Figura 58), demonstrando que a correcta avaliação deste modo de rotura poderá ser importante para um aperfeiçoamento na construção de secções de vigas mistas de vidro. Figura 57 - Geometria das várias secções analisadas na Universidade de Delft [64]. Para além da construção por colagem de várias geometrias de secção, os investigadores demonstraram ser possível construir vigas com vãos superiores a 6 m sem recorrer a qualquer tipo de ligação metálica entre painéis de vidro, recorrendo a colagens sucessivas de painéis de vidro, conjugando a posição dos painéis interiores com a posição das várias juntas de colagem. A Figura 59 ilustra a geometria e a posição dos vários elementos constituintes de uma viga de secção rectangular construída e ensaiada pelos investigadores da Universidade de Delft. Com as possibilidades demonstradas pela formação de várias geometrias, o parâmetro seguinte avaliado pelos investigadores da Universidade de Delft consistiu no efeito que a geometria do reforço tem no comportamento da viga. Neste caso, a atenção debruçou-se no modo de rotura e na avaliação do grau de sucesso com que foi atingido o comportamento dúctil da viga. Os ensaios realizados por Louter et al. [70] demonstram que o reforço pode ser colado de várias maneiras e ocupando diversas posições, recorrendo a adesivos estruturais (Figura 60). Nos mesmos ensaios, Louter et al. [70] demonstram que os três tipos de secções avaliadas apresentam comportamentos distintos. Por exemplo, a secção denominada por 2F na Figura 60, apresentou vantagens do ponto de vista da redundância, já que a colocação de dois perfis de reforço permitiu que o destacamento de um deles não levasse ao colapso da secção. A secção denominada por 3F na Figura 60 (com o reforço integrado na alma da viga e encapsulado entre painéis de vidro), foi a que demonstrou melhor 62 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP comportamento estrutural, com um grau de ductilidade bastante elevado e com um modo de rotura que não consistiu no destacamento do perfil de reforço, mas sim na destruição da alma de vidro, o que leva a crer que totalidade da resistência do vidro foi aproveitada (Figura 61). Contudo, ambas as 10 secções 2F e 3F da Figura 60, provocaram dificuldades no processo de fabrico , que não ocorreram quando a secção de reforço apresentou maior simplicidade, caso da geometria 1F. Com isto, ilustrouse como o processo de fabrico deve ser tido em conta no que se refere à construção das vigas mistas de vidro, já que se trata de uma vantagem deste tipo de vigas (o processo de fabrico deste tipo de vigas é particularmente simples quando comparado, por exemplo, com o de vigas de betão armado), e que, sempre que possível, deverá ser simplificado. Figura 58 - Gráfico tensão no vidro (calculada para o topo inferior da viga) vs. deslocamento a meio vão de uma viga com secção rectangular, analisada na Universidade de Delft (adaptado de [64]). Figura 59 - Perfil transversal e longitudinal de uma viga rectangular ensaiada na Universidade de Delft (adaptado de [37]). Um outro aspecto também estudado pelos investigadores da Universidade de Delft diz respeito ao tipo de adesivo estrutural utilizado. Com efeito, todo o comportamento inerente à teoria das vigas mistas só é possível desde que a “plataforma” utilizada para unir ambos os materiais seja também capaz de efectuar a transferência de tensões. O colapso deste material intermédio levará a um colapso prematuro da viga, uma vez que torna impossível a transferência de tensões entre os dois materiais. No estudo efectuado em Louter et al. [70] foram estudados dois tipos de adesivos estruturais: um adesivo acrílico com cura por UV (DELO GB368) e um adesivo epóxido de dois componentes (Araldite 2013). 10 O fabrico da secção 2F engloba a colagem de dois perfis de reforço, algo que aumenta a dificuldade do processo de fabrico. Por outro lado, para que a junta da secção 3F seja efectuada com sucesso, é necessário que haja uma integração perfeita entre os perfis de vidro e o perfil de reforço, algo que, muitas vezes, é dificultado pelos defeitos inerentes ao facto de os perfis serem fabricados separadamente. 63 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 60 - Diferentes geometrias de reforço estudadas pelos investigadores da Universidade de Delft [70]. Figura 61 - Comportamento geral das vigas com diferentes geometrias de reforço, estudadas pelos investigadores da Universidade de Delft [70]. 11 Cada um dos adesivos apresentou vantagens e desvantagens , nomeadamente no que diz respeito ao seu processo de cura, algo que influencia automaticamente o processo de fabrico das vigas (mais uma vez, deu-se particular atenção ao processo de fabrico das vigas mistas). Em termos de propriedades mecânicas, sabia-se à partida (consultando as informações disponibilizadas pelo fabricante) que o adesivo acrílico apresentava uma menor resistência mecânica e uma menor rigidez, quando comparado com o adesivo epóxido. Pelo estudo elaborado, demonstrou-se que estas diferenças influenciam, principalmente, a distribuição das fendas no vidro, tendo-se registado muito poucas diferenças quanto à resistência global das vigas. Do estudo elaborado em Louter et al. [70], concluiu-se que a utilização do adesivo acrílico proporcionou o aparecimento de poucas fendas mas com substancial desenvolvimento horizontal (Figura 62). Em contrapartida, a utilização do adesivo epóxido proporcionou o aparecimento de um número elevado de fendas, com pequeno desenvolvimento horizontal e ligeiramente espaçadas entre si (Figura 62). Da avaliação do espaçamento entre fendas, foi possível aferir que as diferenças obtidas entre malhas de fendas se devem ao colapso do adesivo em zonas próximas da fenda (aquando da quebra do vidro, ocorre uma transferência de tensões entre o vidro e o aço, que em valor pode ser superior à resistência do adesivo) impedindo que a transferência de tensões decorra de forma regular nas zonas próximas da fenda. De forma sumária, os estudos realizados pela Universidade de Delft comprovam que é possível fabricar com êxito vigas mistas vidro-aço inoxidável, alterando vários parâmetros da sua constituição, 11 As principais vantagens do adesivo acrílico residem no seu processo de cura, que se distingue por apenas se iniciar quando se sujeita o adesivo a luz UV, e por, dependendo da intensidade da fonte luminosa, estar terminado num espaço temporal de 0.5 a 5 minutos; por outro lado, o facto de se tratar de um adesivo de contacto, faz com o seu uso seja indicado a situações em que a espessura a preencher é menor que 0.1 mm. O adesivo epóxido distingue-se por ser indicado a situações em que a junta a preencher apresenta espessuras superiores a 5 mm; no entanto, em contrapartida, o seu processo de cura inicia-se muito cedo e desenvolve-se num espaço temporal de 5 a 10 horas, dificultando o processo de fabrico das vigas. 64 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP como a geometria da secção ou a geometria do reforço, alcançando com maior ou menor sucesso uma rotura dúctil da viga. Figura 62 - Formação esquemática de fendas para o adesivo acrílico (à esquerda) e para o adesivo epóxido (à direita), na geometria 3F [64]. Nos parágrafos seguintes, é dado ênfase a outros projectos ou estudos, nos quais se recorreu a soluções estruturais de vigas mistas e cujo principal material é o vidro. Em termos teóricos, o comportamento assemelha-se ao referido para vigas mistas de vidro-aço inoxidável, ou seja, os objectivos deste tipo de projectos passam sempre pela optimização do comportamento pós-rotura do vidro e pelo melhoramento do comportamento à tracção de vigas de vidro. 3.2.2. Vigas mistas vidro-CFRP de carbono Uma das primeiras aplicações estruturais de vigas mistas de vidro foi efectuada em Itália, num projecto de reabilitação da cobertura de uma igreja do séc. XIII [58] (Figura 63). Nesta situação, os projectistas da referida cobertura, combinaram a utilização do vidro com a utilização de um material amplamente utilizado em situações de reforço e reabilitação de estruturas de alvenaria ou de betão: compósitos de polímero reforçado com fibras de carbono ou, como mais frequentemente são designados, CFRP. Tal como nas utilizações com aço-inoxidável, e de acordo com Palumbo [58], a utilização de compósitos de CFRP teve como principal objectivo a redução do valor das tensões de tracção que actuavam no vidro, já que a utilização de um material com maior módulo de elasticidade provoca uma diminuição da altura da posição da linha neutra, diminuindo, consequentemente, as tensões de tracção no vidro. Para além disso, a colocação do reforço de CFRP provoca um aumento da redundância estrutural, já que além dos painéis anti-choque, que são sempre colocados, o reforço em CFRP garante que, mesmo que um painel de vidro ceda, a cobertura permanecerá com uma significativa capacidade portante, já que o perfil de CFRP permanecerá inquebrado. Uma vez que se tratava de um projecto isolado, sem a mesma solidez dos estudos académicos elaborados na Universidade de Delft, apenas um tipo de geometria foi estudado, permitindo apenas verificar os conceitos teóricos expostos através de ensaios experimentais efectuados em vigas com 1.1 m de vão. As vigas finais foram construídas com 6 m de vão. 65 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 63 - Vigas mistas vidro-CFRP utilizadas numa cobertura de uma Igreja do séc. XIII [58]. 3.2.3. Vigas mistas vidro-madeira Dos vários estudos realizados com estruturas mistas de vidro-madeira, optou-se pelo destaque de dois: o estudo realizado por Kreher et al. [61] e os estudos realizados por Cruz e Pequeno [60,71]. O primeiro destaca-se, essencialmente, porque após estudos integrados em teses de pósdoutoramento, houve a oportunidade de aplicação numa construção corrente de engenharia civil (já ilustrada na Figura 54). A aplicação consistiu na implementação de vigas mistas vidro-madeira num edifício destinado a servir como sala de conferências. Além das exigências estéticas patentes neste tipo de edifícios, exigia-se, igualmente, que a estrutura apresentasse características que permitissem uma desmontagem segura e simples, seguida da respectiva reposição num outro local. De acordo com o autor, estas foram as principais características a favorecer a implementação do projecto desenvolvido até então. A solução estrutural estudada e implementada compreendia a construção de vigas mistas vidro-madeira de 6 m, com secção transversal de geometria em I, em que a alma, constituída por vidro, era encapsulada por perfis de madeira, tanto no banzo superior como no banzo inferior (Figura 53). Foi dos primeiros projectos em que foram dimensionadas vigas mistas de vidro de acordo com os exigentes regulamentos em vigor um pouco por toda a Europa, nomeadamente os regulamentos estruturais e os regulamentos dedicados ao fogo. Os estudos realizados por Cruz e Pequeno [60] seguiram pressupostos muito semelhantes aos encontrados nos estudos relacionados com vigas mistas vidro-aço inoxidável. Em adição aos estudos realizados por Kreher et al. [61], o autor realizou ensaios em vigas mistas vidro-madeira com diferentes secções transversais (com geometria em I e geometria rectangular), com diferentes vãos (650 mm, 1000 mm, 1700 mm e 3200 mm) e com diferentes adesivos estruturais (poliméricos, silicone e de poliuretano). Mais uma vez, os resultados obtidos a partir deste estudo mostraram a potencialidade da utilização de vigas mistas de vidro, demonstrando mais uma vez que é possível obter vigas de elevado valor estético, com comportamentos estruturais bastante interessantes (Figura 64 e 65). Adicionalmente, Cruz e Pequeno [71] estudaram várias hipóteses de adesivos 66 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP estruturais que pudessem ser utilizados para efectivar a ligação vidro/madeira. Foram realizados ensaios de corte, de resistência à acção da temperatura e de resistência à acção da água. Figura 64 – Ensaios de flexão em vigas mistas vidro-madeira realizados por Cruz e Pequeno [60]. Figura 65 - Fendilhação numa viga mista vidro-madeira ensaiada por Cruz e Pequeno [60]. 3.2.4. Vigas mistas vidro-betão Vigas mistas vidro-betão foram estudadas por Freytag [59], num estudo que, além dos ensaios experimentais a vigas mistas com 7.8 m, incorporou a formulação de teorias analíticas quanto ao comportamento da fendilhação do vidro em tais estruturas. Face às restantes soluções estruturais já abordadas, a utilização de vigas mistas vidro-betão distingue-se, essencialmente, porque a ligação vidro/betão é efectivada através da incorporação/envolvimento do vidro pelo betão nos topos superior e inferior (criando banzos de betão - Figura 53 e 66). Além dos banzos de betão, as vigas ensaiadas eram constituídas por painéis laminados triplos, que formavam a respectiva alma de vidro. Para alcançar os 7.8 m o autor recorreu a um método de sobreposição entre o pano interior de vidro e os panos exteriores, fazendo com que as juntas verticais interiores não coincidissem com as juntas verticais exteriores. No mesmo estudo, Freytag interpreta o processo de fendilhação do vidro, desde as primeiras fendas nos painéis exteriores até à rotura total do painel interior, adaptando a teoria de escoras e tirantes utilizada para descrever o processo de fendilhação no betão armado. Écom base nesta teoria que os seus modelos analíticos (e posteriormente numéricos) são desenvolvidos (Figura 67). 67 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 66 - Viga mista vidro-betão armado ensaiada por Freytag [59] num estado inicial de fendilhação. 3.2.5. Figura 67 - Modelo de escoras utilizado na abordagem analítica e na abordagem numérica. Vigas mistas vidro-aço Vigas mistas de vidro-aço foram estudadas por Wellershoff e Sedlacek [62]. O estudo seguiu os parâmetros de muitos dos estudos já citados: inicialmente foram estudados uma série de adesivos de forma a compreender qual o mais adequado para efectuar a ligação vidro/aço; após a escolha do melhor adesivo procedeu-se ao fabrico e ensaio de vigas mistas vidro-aço, constituídas por uma alma de vidro e banzos de aço, ligados ao vidro através do adesivo estrutural (Figura 53). O estudo demonstrou que é possível construir vigas mistas vidro-aço até 12 m de comprimento, alcançando melhorias significativas na estabilidade estrutural do sistema (de acordo com o autor, o principal objectivo deste estudo era o de alcançar melhoramentos na instabilidade por flexão-torção, o principal modo de rotura de glass fins pertencentes a fachadas). 3.3. Vigas mistas vidro-GFRP O estudo que a seguir se apresenta pretende obter o efeito exposto atrás, mas para vigas de vidro ligadas a um material compósito, constituído por polímero reforçado com fibras de vidro, ou simplesmente GFRP (do inglês, “Glass Fiber Reinforced Polymer”), aplicado na zona de tracção ou, em alternativa, nas zonas de tracção e compressão em simultâneo. Os perfis de GFRP têm despertado grande interesse na indústria da construção, destacando-se pelas suas relações resistência/peso próprio, rigidez/peso próprio e durabilidade. Este material tem um comportamento mecânico similar ao vidro (comportamento elástico linear até à rotura) mas com uma tensão de rotura muito superior (variável entre 200 e 500 MPa à tracção na direcção longitudinal das fibras [72]). Apesar da resistência elevada, o GFRP tem um módulo de elasticidade relativamente reduzido, em comparação com outros materiais estruturais (varia entre 20 e 40 GPa na direcção paralela às fibras [72] o que faz com, caso seja solicitado, tenha uma deformação significativa, o que por si só servirá 68 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP como meio de aviso de que a rotura total estará iminente. O seu método de fabrico permite que tome várias possibilidades de cor, forma ou tamanho, características que deixam em aberto várias possibilidades de compatibilização com o vidro. Com base em bibliografia anterior, nomeadamente nos estudos apresentados na secção anterior, é possível prever que o comportamento da viga mista vidro-GFRP deverá ser qualitativamente semelhante ao da Figura 68, dividindo-se nas seguintes fases: i) na primeira fase, a viga deverá apresentar um comportamento elástico linear até à primeira rotura, uma vez que todos os materiais constituintes da viga têm esse comportamento quando isolados. O material que irá sofrer o primeiro dano será o vidro (em tracção). ii) após o inicio da fendilhação do vidro, espera-se que a viga mantenha a sua integridade, ou seja, que a rotura seja apenas parcial e não total; espera-se, também, que a vinha tenha ainda reserva de capacidade resistente, que alcançará nesta segunda fase; a segunda fase será caracterizada pelo aparecimento e aumento de fendas no vidro, o que provocará a consecutiva perda de rigidez de flexão da viga. Figura 68 - Comportamento exemplificativo de uma viga mista vidro-GFRP (adaptado de [64]). Através de simples cálculos analíticos com base na teoria utilizada no cálculo de estruturas mistas, é possível comprovar que a incorporação de um reforço de GFRP numa viga de vidro traz vantagens não só no seu comportamento após fendilhação inicial, como também no comportamento da viga antes da fendilhação inicial. Deste modo, foram consideradas os seguintes tipos de vigas para comparação: (i) viga de vidro recozido e (ii) viga de vidro recozido em que se colocou um reforço de GFRP na parte inferior da viga (Figura 69). Foram também consideradas as propriedades dos materiais apresentadas na Tabela 7. O coeficiente de homogeneização considerado corresponde ao quociente entre o módulo de elasticidade do GFRP (EGFRP) e o módulo de elasticidade do vidro (Evidro). A tensão máxima admitida corresponde ao valor característico aconselhado pela principal bibliografia consultada. 69 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Tabela 7 - Propriedades dos materiais utilizados no cálculo analítico das vigas mistas. Propriedades da Viga mista Evidro [MPa] 70 000 EGFRP [MPa] 33 500 n 2.08 Tensão máxima no vidro [MPa] 45 Tensão máxima no GFRP [MPa] 475 Figura 69 - Secção transversal das vigas tidas em conta para o cálculo analítico de vigas mistas. Uma vez que os materiais envolvidos têm comportamento elástico linear até à rotura, é de esperar que também a secção demonstre esse comportamento. Desta forma, a posição da linha neutra é igual, em ambas as vigas, à posição do centro de massa da secção homogeneizada. A Tabela 8 resume as características mais importantes para cálculo das tensões nas partes mais importantes da secção, nomeadamente o centro de massa da secção ( xCM), o momento de inércia da secção (ILN), distância do centro de massa à parte superior da viga ( vsup), a distância do centro de massa à parte inferior do vidro (vinf,vidro), a distância do centro de massa à parte superior do perfil de GFRP ( vsup,GFRP) e a distância do centro de massa à parte inferior do perfil de GFRP (vinf,GFRP). Tabela 8 - Propriedades das secções transversais. Caracterização das vigas xCM Vidro Simples Viga Mista 50 58.4 [mm] 4 ILN [mm ] 1000000 1172349 vsup [mm] 50 52 vinf,vidro [mm] 50 48.4 vsup,GFRP [mm] - 48.4 vinf,GFRP [mm] - 58.4 Tenha-se também em conta a situação de vigas simplesmente apoiadas e com 1.5 m de vão, impedidas de ter movimentos no plano transversal e carregadas simetricamente a 1/3 de vão. Sendo P a carga aplicada em cada ponto de carga, o momento máximo obtido na zona central é dado por 70 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP pela expressão (3.1) e a tensão máxima de tracção no vidro ( ) é calculada com base na expressão (3.2). (3.1) (3.2) A Tabela 9 ilustra os resultados obtidos para uma força F = 3.6 kN, valor que origina uma de tensão na viga de vidro simples de 45 MPa (tanto de compressão como de tracção, uma vez que a viga é simétrica), valor habitualmente considerado como o valor médio da resistência à tracção do vidro. Tabela 9 - Tensões máximas de compressão e/ou tracção obtidas em cada um dos materiais. σsup do vidro σvidro σsup do GFRP σinf do GFRP Força P = 1.8 kN Viga simples [MPa] - 45.0 [MPa] 45.0 [MPa] [MPa] - Viga mista - 39.6 37.2 17.8 21.5 Com base nos valores da Tabela 9 verifica-se que a incorporação do material GFRP na viga resulta numa diminuição da tensão máxima do vidro em cerca de 21% o que se, caso seja alcançável, traz evidentes benefícios. No entanto, volta-se a salientar que as maiores vantagens a alcançar com a incorporação do reforço de GFRP no vidro são esperadas ao nível do comportamento da viga depois de fendilhar (o comportamento pós-rotura), já que esse é efectivamente o cerne dos problemas na utilização de vigas de vidro. Resta acrescentar que, em termos estéticos, a viga será tanto mais afectada quanto maior e mais intrusiva for a forma e/ou a cor do perfil de reforço. No entanto, caso o perfil de GFRP ocupe somente a faixa inferior e/ou superior das vigas, a imagem das mesmas pouco será afectada uma vez que, antes da inclusão do reforço já a própria espessura da placa de vidro impedia que a viga fosse transparente quando vista de um ângulo inferior/superior. 3.4. Programa experimental e objectivos De forma a verificar o funcionamento do sistema estrutural atrás enunciado, foi desenvolvido um programa experimental em que se decidiu estudar dois tipos de vigas (Figura 70): (i) vigas rectangulares de vidro, reforçadas com um perfil de GFRP na face inferior e (ii) vigas com secção transversal em I, constituídas por banzos em GFRP e alma em vidro. Nesta última solução, é de realçar que, para a correcta localização dos banzos, se utilizaram cantoneiras em GFRP, o que implicou que parte da alma do vidro ficasse contida numa secção parcial em GFRP. As duas soluções desenvolvidas têm como principal intuito responder aos conceitos atrás enunciados: desenvolver um elemento estrutural com elevadas características de transparência, resistência e ductilidade. A 71 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP primeira solução desenvolvida, a viga rectangular, é o elemento estrutural mais simples de desenvolver. Além de alcançar os objectivos referidos, trata-se da solução mais simples de se construir. A segunda solução, a viga com geometria em I, é uma evolução da anterior na medida em que permite alcançar níveis de estabilidade lateral superiores, respeitando ao mesmo tempo o conceito geral enunciado. Figura 70 - Geometria e constituição das vigas mistas vidro-GFRP: a) geometria rectangular e b) geometria em I. A ligação dos dois materiais foi efectuada através de adesivos estruturais. O uso deste tipo de adesivos não é propriamente novo, tendo já sido utilizado noutros estudos (como em [38,72,73]), onde foi alcançado um elevado grau de sucesso. Em geral, as ligações “por colagem” aplicam-se na junção de materiais que, pela sua forma, propriedades físicas ou mecânicas, não têm capacidade para suster uma ligação por conectores metálicos, os mais comuns na indústria da construção – por exemplo na construção mista. Como em qualquer método de ligação, o adesivo tem como principal função efectivar a ligação entre ambos os materiais, permitindo a transferência de tensões e/ou esforços, garantindo o maior nível possível de conexão e de interacção. Desta forma, sendo que um dos objectivos é garantir um uso adequado e partilhado de ambos os materiais, a ligação toma uma importância acrescida, já que o mau funcionamento da mesma inviabiliza um desempenho adequado da secção. É, então, de grande importância a escolha do adesivo, tal como o conhecimento adequado do seu comportamento, tanto em serviço como na rotura. Uma pesquisa no mercado dos adesivos permitiu concluir que não existe um adesivo estrutural específico para a ligação entre estes dois tipos de materiais. Através do contacto com alguns dos maiores fornecedores de adesivos (SIKA, DELO e ARALDITE), tomou-se conhecimento da existência de adesivos com capacidade de aderir tanto em vidro, alumínio, aço ou alguns tipos de plásticos. Considerando ainda os estudos realizados por Louter e Veer [38], Louter et al. [43], Correia [72] e por Correia et al. [73], tomou-se a decisão de efectuar testes preliminares em três tipos de adesivos: um adesivo de poliuretano, um epóxido e um acrílico. Estes testes, além de terem permitido aferir a qualidade da adesão entre os dois materiais, serviram também para analisar os seguintes aspectos: 72 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP (i) o comportamento da ligação, (ii) a influência na transparência do vidro e (iii) o modo de aplicação e possíveis dificuldades a ele associadas. Os testes escolhidos para este efeito foram ensaios de tracção em ligações por sobreposição dupla, tendo sido ensaiados três tipos de adesivos diferentes: Sikaflex 265, Sikadur 330 e Delo Photobond 4468 – consultar secção 3.5. A principal diferença entre os adesivos estava na sua base, que variava entre poliuretano, resina epóxi e acrílico, respectivamente. Uma vez que os três principais componentes de cada um dos adesivos apresentam características mecânicas diferentes, é de esperar que vigas mistas constituídas pelos diferentes adesivos apresentem, também, diferenças nos seus comportamentos. Em termos práticos, o adesivo epóxido apresenta um valor de rigidez e de resistência substancialmente superior ao dos restantes adesivos – ver secção 3.5. Se por um lado estas características mecânicas podem beneficiar o comportamento da viga (garante que a capacidade resistente da viga não será afectada por problemas ao nível do adesivo), por outro podem prejudicar (em termos de rigidez impedirá que a viga apresente deformações significativas que originem um nível de ductilidade satisfatório). Nesse sentido, o objectivo da realização de ensaios em três adesivos diferentes passou pela tentativa de alcançar um compromisso entre a resistência residual e o patamar de ductilidade – ver gráfico da Figura 68. O programa experimental desenvolvido foi constituído por três tipos de ensaios: Ensaios de caracterização de material, que tinham como principal objectivo obter as características mecânicas dos principais materiais constituintes das vigas mistas vidroGFRP (vidro, GFRP e adesivos). Ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla, que tinham como principal objectivo retirar ilações quanto à qualidade da adesão entre os dois tipos de materiais. Em particular, estes ensaios permitiram a escolha dos dois adesivos que melhor se adequaram à construção das vigas mistas vidro-GFRP 12 e dos objectivos definidos. Ensaios de flexão em 4-pontos em vigas de vidro e em vigas mistas vido-GFRP, com três secções transversais diferentes: (i) vigas rectangulares de vidro simples, que serviram de referência – quatro provetes; (ii) vigas rectangulares com reforço em GFRP na face inferior – dois provetes, um para cada tipo de adesivo (Sikadur 330 e Sikaflex 265); (iii) viga em I – novamente dois provetes, um para cada tipo de adesivo (Sikadur 330 e Sikaflex 265). O principal objectivo destes ensaios consistiu em analisar o comportamento das vigas mistas face às vigas de vidro simples, em particular no que se refere ao aumento da resistência e ductilidade. 12 Para os ensaios de flexão foram escolhidos os adesivos de poliuretano (Sikaflex 265) e de resina epóxido (Sikadur 330). 73 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.5. Materiais O estudo de vigas mistas vidro-GFRP englobou a utilização de três tipos de materiais: vidro recozido, adesivos estruturais e GFRP. Para o correcto conhecimento das propriedades mecânicas mais importantes de todos os materiais (nomeadamente o módulo de elasticidade e a resistência última), assim como do seu comportamento geral (em particular, no caso dos adesivos estruturais), foram realizados ensaios para caracterização dos materiais, utilizando para isso provetes de menor dimensão que se consideraram representativos dos materiais utilizados. Na secção presente, encontram-se descritos os principais ensaios realizados no material vidro e em dois dos adesivos estruturais utilizados: o adesivo à base de resina epóxi (Sikadur 330) e o adesivo à base de poliuretano (Sikaflex 265). São também apresentados os resultados aferidos desses mesmos ensaios, assim como as respectivas conclusões. Em relação ao GFRP, somente são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios de caracterização mecânica realizados por Correia [72]. Para efeitos de modelação (ver capítulo 4), foi ainda utilizado um terceiro adesivo. O objectivo da aplicação deste terceiro adesivo foi o de avaliar o efeito que teria uma possível solução em que se empregasse este adesivo. Para a obtenção das suas características mecânicas, teve-se em conta os dados obtidos através de ensaios de caracterização de material realizados por Román [74]. Em primeira instância, os resultados obtidos através destes ensaios permitiram confirmar os dados disponibilizados pelos fornecedores, garantindo o máximo rigor no que diz respeito ao conhecimento das características dos materiais. Por outro lado, os resultados aferidos através destes ensaios foram utilizados na modelação das vigas (ver capítulo 4), já que nesta etapa foi necessário caracterizar todos os materiais com o seu correcto comportamento. 3.5.1. Vidro recozido 3.5.1.1. Dimensões O vidro utilizado em todos os ensaios foi fornecido pela empresa Guardian e entregue já cortado nas dimensões requeridas. Todas as placas eram constituídas por vidro recozido de 12 mm de espessura, tendo sido submetidas a tratamento de arestas. Para este estudo não se considerou adequado a utilização de vidro temperado, uma vez que o aumento da tensão resistente originaria, ao mesmo tempo, uma diminuição da coesão após fendilhação, aspecto que já foi explicado no capitulo 2. A aplicação de tratamento nas arestas teve como objectivo eliminar (ou tentar reduzir) possíveis fendas existentes nestas zonas, apesar de vários autores já terem comprovado que este efeito benéfico nem sempre é alcançado [9]. Foram requeridas placas de vidro com três tamanhos diferentes: placas de vidro recozido com 12 mm de espessura, 100 mm de largura e 350 mm de comprimento, utilizadas para os ensaios de caracterização de material; 74 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP placas de vidro recozido com 12 mm de espessura, 50 mm de largura e 350 mm de comprimento, utilizadas para os ensaios em ligações coladas por sobreposição dupla; placas de vidro recozido com 12 mm de espessura, 100 mm de largura e 1800 mm de comprimento, utilizadas para o fabrico das vigas mistas vidro-GFRP. Como referido, o primeiro conjunto de placas foi submetido a ensaios com o objectivo de caracterizar mecanicamente o material em causa. No caso do vidro, a norma EN 1288 [50] disponibiliza indicações quanto ao modo de determinar a resistência à flexão do vidro. Contudo, optou-se por não seguir em rigor todas as indicações aí disponibilizadas uma vez que, não só não se disponha do material com as dimensões adequadas, como a máquina de ensaios disponível não permitia a realização dos ensaios nos provetes com as dimensões requeridas pela referida norma. Por outro lado, houve uma preocupação em seguir o maior número de parâmetros indicados na norma EN 1288-3 [50], onde são dadas indicações quanto ao procedimento de ensaio que se deve seguir para determinar a resistência à flexão tendo em conta o efeito das arestas. 3.5.1.2. Procedimento de ensaio As placas de vidro em causa foram submetidas a ensaios de flexão em 4-pontos, apoiadas sobre apoios rígidos a toda a largura. Entre os apoios e a placa foram colocadas tiras de neoprene com 5 mm de espessura, de modo a impedir o contacto vidro-metal. A transmissão de carga foi efectuada através de uma máquina universal de ensaios da marca Lloyd Instruments, modelo LR 50K, com uma capacidade de carga de 50 kN. Em termos de recolha de dados, a referida prensa hidráulica, apenas permitia a recolha do deslocamento e da carga máxima, não permitindo a recolha da sua evolução ao longo do ensaio. Desta forma, entre a prensa hidráulica e o provete de ensaio, foi colocada uma célula de carga da marca Peek, com capacidade de carga de 30 kN, que permitia a recolha dos dados referentes à evolução do carregamento ao longo do tempo. A carga actuante foi controlada electronicamente e aplicada de forma constante a uma velocidade de 5 mm/min até à rotura dos provetes. Os ensaios foram realizados sob condições ambientais do laboratório. Para que o ensaio fosse de 4-pontos foi montado, entre o provete e a célula de carga, uma pequena viga de distribuição constituída por uma placa em GFRP com 200 × 75 mm, e à qual foram colados, transversalmente, dois perfis metálicos rectangulares com secção 20 × 30 mm e comprimento de 100 mm (distribuindo a carga por toda a largura da placa de vidro – Figura 71). Os pontos de carga foram colocados a uma distância de 100 mm, de modo a que o carregamento fosse efectuado simetricamente a um terço de vão. Novamente, para evitar o contacto vidro-metal, foi colocada uma faixa de neoprene entre o provete e os perfis metálicos. Finalmente, para a medição dos deslocamentos a meio vão, foram utilizados dois deflectómetros electrónicos, ambos da marca Apek, modelo HS-10, com 10 mm de curso e 0.01 mm de precisão, colocados em cada um dos lados da placa (Figura 71). Outros dois deflectómetros, da marca TML, modelo CDP-5, com 5 mm de curso e 0.01 mm de precisão, foram colocados nos apoios, de modo a permitir a medição dos deslocamentos aí ocorridos devido à existência do neoprene (Figura 71). 75 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 71 - Configuração do ensaio de flexão das placas de vidro. Estes ensaios de flexão tinham como objectivo determinar a carga de rotura das placas de vidro e a respectiva tensão de rotura. 3.5.1.3. Resultados e discussão Na Tabela 10 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios de flexão das placas de vidro, nomeadamente o valor do deslocamento no momento da rotura (δu), o valor da força de rotura (Fu) e a respectiva tensão de rotura (σu). Tabela 10 - Resultados obtidos através dos ensaios de flexão para caracterização das placas de vidro. δu [mm] Fu [kN] σu [MPa] Provete 1 4.75 2.74 57.02 Provete 2 4.44 3.25 67.71 Provete 3 4.57 2.99 62.25 Provete 4 3.38 1.81 37.71 Provete 5 3.71 2.23 46.52 Provete 6 3.85 2.50 51.98 Provete 7 4.09 2.92 60.91 Provete 8 4.08 2.91 60.67 Provete 9 4.62 3.50 72.81 Provete 10 3.63 2.33 48.52 Provete 11 4.90 3.94 82.04 Média 4.18 2.83 58.92 CV 0.50 0.60 12.60 12% 21% 21% Analisando os dados recolhidos e comparando-os com os valores expostos na secção 2.2.2 (ver Tabela 2 e 3), verifica-se que os resultados obtidos são inconclusivos. De facto, se por um lado o valor médio da tensão de rotura obtido nos ensaios encontra-se acima do valor médio habitualmente atribuído ao vidro (relembre-se que diversos autores atribuem um valor médio de tensão de rotura ao 76 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP vidro de 45 MPa), por outro, o valor obtido encontra-se abaixo dos valores registados por Veer et al. 13 [8], em ensaios que, a partir da informação disponibilizada, se consideraram semelhantes . Note-se, contudo, que o elevado desvio padrão permite que os resultados obtidos se encontrem dentro dos limites admitidos pelos referidos autores. A colocação de neoprene na zona dos apoios fez com que esta configuração de ensaio não fosse adequada para determinar o módulo de elasticidade do vidro, já que a resposta da prensa hidráulica era dependente da rigidez dos apoios, que, devido aos neoprenes, apresentaram um comportamento elástico e não rígido. Desta forma, para efeitos de caracterização de material, considerou-se adequado calcular o valor do módulo de elasticidade do vidro com base nos ensaios das vigas de vidro simples realizados na secção 3.7.4 e através da expressão (3.2), que permite calcular o módulo de elasticidade (E) em função do comprimento do vão (L), da inércia da viga (I) e da relação força total/deslocamento a meio vão (P/). Os resultados obtidos encontram-se expostos na Tabela 11. (3.2) Tabela 11 - Módulo de elasticidade obtido para as vigas de vidro simples. Viga S1 Viga S2 Viga S3 Viga S4 Média Relação (P/) [kN/mm] E [GPa] 1.312 1.339 1.332 1.398 1.345 0.0367 78.6 80.3 79.8 83.7 80.6 2.2 Através dos dados da Tabela 11 constata-se que o valor do módulo de elasticidade obtido, e consequentemente, o valor de rigidez de flexão das vigas, é substancialmente superior ao indicado na bibliografia da especialidade (relembre-se que, aquando da caracterização do vidro no capítulo 2, se indicou um valor de referência de 70 GPa). Para este facto não foram encontradas justificações plausíveis, deixando-se para estudos futuros a análise deste problema. Refere-se, contudo, o resultado obtido por Olgaard et al. [75] que, com base em ensaios realizados em vigas de vidro determinou um módulo de elasticidade de 75.1 GPa, valor igualmente superior aos 70 GPa de referência. 3.5.2. Adesivos estruturais Como material de ligação foram utilizados os seguintes tipos de adesivos estruturais: (i) epóxido (Sikadur 330), (ii) de poliuretano (Sikaflex 265) e (iii) acrílico (Delo Photobond 468). Os dois primeiros, 13 Apesar de a área ser muito semelhante, podem existir diferenças, por exemplo, no tipo de tratamento das arestas, informação que não é clara nos documentos disponibilizados. 77 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP como o nome indica, foram fornecidos pela empresa SIKA e o último pela empresa DELO. O adesivo epóxido foi disponibilizado em embalagens não industriais de 5 kg (Figura 72), com os dois componentes do qual é constituído separados em embalagens diferentes pré-doseadas. A aplicação do adesivo foi executada após a mistura dos dois componentes em quantidades pesadas e doseadas na relação de 4 para 1. O adesivo de poliuretano foi fornecido em cartuxos de 300 ml (Figura 72) e a sua aplicação foi executada com o auxílio de uma pistola de pressão. O adesivo da empresa DELO foi fornecido em bisnagas de 50 ml (Figura 72) e aplicado através das mesmas. Na Tabela 12 encontram-se resumidas algumas das informações disponibilizadas pelos respectivos fornecedores de cada um dos adesivos e que se podem encontrar em Sika [76] ou em DELO [77] ou, em alternativa, podem ser consultadas no Anexo 3. Figura 72 - Embalagens do adesivo a) epóxido (Sikadur 330), b) de poliuretano (Sikaflex-265) e c) acrílico (Delo Photobond 4468). Tabela 12 - Dados informativos disponibilizados pelos fornecedores dos adesivos (adaptado de [76,77]). Adesivo Sikadur 330 Sikaflex 265 Delo photobond 4468 Resina epóxi Poliuretano Acrílico 2 componentes 1 componente 1 componente Tempo de aplicação Sika Temperatura Ambiente 60 min, a +10 °C Sika Temperatura Ambiente 30 min, a +23 °C Delo Luz Ultravioleta (320 nm a 450 nm) - Temperatura de aplicação +10 °C a +35 °C -40 °C a +90 °C -40 °C a +120 °C 6 MPa (aprox.) 14 MPa 450% (aprox.) 250 MPa 200% Base química Fornecedor Modo de cura Resistência à tracção Módulo de Elasticidade Flexão Tracção Alongamento à rotura 1 30 MPa 1 1 3.80 MPa 1 4.50 MPa 1 0.9% Cura de 7 dias a +23°C Tanto o adesivo de poliuretano como o adesivo epóxido foram submetidos a ensaios de tracção para determinação das suas propriedades mecânicas. Não foi possível a realização dos mesmos ensaios no adesivo da DELO, dada a escassez de material disponível. De qualquer forma, este adesivo acabou por ter um papel secundário na conclusão do estudo. 78 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Para a realização dos ensaios, teve-se em conta as indicações disponibilizadas na norma ISO 527 [78], onde são as expostas as condições necessárias para a correcta determinação das propriedades de tracção de plásticos e outros derivados. Com estes ensaios pretendia-se não só a caracterização das principais características mecânicas dos adesivos (tensão de rotura, extensão na rotura e módulo de elasticidade), como também a obtenção da curva tensão vs. extensão que permitisse caracterizar parcelas de não linearidade no comportamento dos adesivos. 3.5.2.1. Dimensões e fabrico dos provetes A norma ISO-527 [78] indica que os provetes utilizados nestes ensaios devem apresentar uma geometria prismática em forma de haltere, sendo as suas dimensões dependentes da rigidez do adesivo: para adesivos mais rígidos devem ser fabricados provetes maiores, por apresentarem deformações mais pequenas. Não tendo disponíveis moldes de diferentes tamanhos, os provetes de ambos os adesivos foram fabricados com as mesmas dimensões, apesar de à partida se saber que o adesivo de poliuretano iria apresentar deformações elevadas (Tabela 12). As dimensões dos moldes e, consequentemente dos provetes, são apresentadas na Figura 73. Na Figura 74 encontra-se ilustrado o fabrico dos provetes do adesivo epóxido, ilustrando-se também as placas de polietileno com a forma de haltere. A utilização de placas de polietileno garantiu uma aderência mínima entre o molde e o adesivo, facilitando a descofragem. Não obstante, antes da moldagem do adesivo aplicou-se sempre uma camada de óleo descofrante à base de glicerina para garantir uma descofragem fácil e segura. Após a colocação do adesivo no molde, a cura do mesmo desenvolveu-se durante 24 horas, após as quais se efectuou a descofragem. Uma vez separados do molde, a cura dos adesivos desenvolveu-se durante aproximadamente 12 semanas, sob temperatura ambiente. Foram fabricados 10 provetes de ensaio, 5 de cada tipo de adesivo. Antes do ensaio foi registada a espessura e largura de todos os provetes, em três pontos distintos ao longo do comprimento interior do provete. Figura 73 - Dimensões dos provetes fabricados de acordo a norma ISO 527 (em mm - adpatado de [78]). 79 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 74 - Molde e fabrico dos provetes dos adesivos. 3.5.2.2. Procedimento de ensaio Os ensaios de tracção foram realizados na mesma máquina de ensaios universal (uma prensa hidráulica com uma capacidade de carga de 50 kN) utilizada nos ensaios de flexão de caracterização das placas de vidro, fazendo somente algumas alterações para que a máquina pudesse efectuar ensaios de tracção e não de flexão. Tal como no caso do vidro, pretendia-se com estes ensaios determinar não só os valores máximos da força, dos deslocamentos ou das extensões, mas também obter a relação entre os mesmos. Deste modo, tal como no caso do vidro, entre a prensa e o provete foi colocada uma célula de carga da marca Peek, com 30 kN de capacidade (Figura 75 e 76), o que permitiu a contabilização do valor da carga ao longo do ensaio. Uma vez que se tratavam de ensaios de tracção, foi necessário utilizar garras em cunha de aperto manual, próprias para a realização deste tipo de ensaios (Figura 75 e 76). Figura 75 - Configuração dos ensaios dos provetes do adesivo epóxido. Figura 76 - Configuração dos ensaios do adesivo de poliuretano. Seguindo as indicações da norma ISO 527, a aplicação da carga foi efectuada a diferentes velocidades, variando de acordo com o tipo de adesivo e com o tipo de característica mecânica que se pretendia determinar. Ou seja, para os provetes de adesivo epóxido e para os ensaios em que se 80 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP pretendia determinar o módulo de Young, a carga foi aplicada a uma velocidade constante de 0.5 mm/min até uma deformação de 0.25%. Para o mesmo adesivo e para os ensaios em que se pretendia determinar a resistência, a velocidade de carregamento foi alterada para 5 mm/min e os provetes foram levados até à rotura. No caso dos provetes do adesivo de poliuretano, foi aplicada uma velocidade de carga de 50 mm/min até se atingir a rotura, não se tendo aplicado uma uma velocidade diferente para obtenção do módulo de elasticidade. Para obtenção das extensões axiais foi colado um extensómetro ao eixo e ao centro de três dos provetes do adesivo epóxido. Os extensómetros utilizados eram todos da marca TML, modelo FLK-611-3L. Foi também utilizado um deflectómetro eléctrico da marca TML, com 25 mm de curso e 0.01 mm de precisão, de forma a permitir a obtenção e o registo dos deslocamentos sofridos pelas garras (no caso, só a garra de cima é que se desloca) durante o ensaio (Figura 75). No caso dos provetes do adesivo de poliuretano, as extensões axiais tiveram de ser medidas de forma indirecta, através da expressão (3.3) que relaciona as extensões axiais () com o comprimento livre entre garras (L0) com variação de comprimento sofrido pelo provete (L) obtida através dos dados do deflectómetro. Teve-se de optar por esta abordagem, uma vez que se previa a ocorrência de grandes deformações, que em valor sairiam fora da gama de registo dos extensómetros disponíveis. (3.3) Assim, foi colocado um deflectómetro da marca TML, com 500 mm de curso e 0.01 mm de precisão (Figura 76), que permitiu a medição e o registo dos deslocamentos entre garras, que, ao mesmo tempo, corresponde à variação de comprimento sofrido pelo provete. Para se obter o comprimento inicial do provete sujeito a deformações bastou medir-se o comprimento livre entre garras no início de cada ensaio. Note-se que, para estes provetes, o eventual escorregamento dos provetes nas garras (observado visualmente durante os ensaios e evitado apertando progressivamente as garras) apresenta uma magnitude muito inferior ao alongamento do provete fora das garras. 3.5.2.3. Resultados do adesivo epóxido Os ensaios do adesivo epóxido decorreram de acordo com o esperado. Na Tabela 13 encontram-se resumidos esses mesmos resultados, através da apresentação do módulo de elasticidade (E) e da tensão de rotura dos provetes (u). Para efeitos de média, a tensão de rotura do provete 3 não foi contabilizada, tendo sido considerada inadequada devido ao seu modo de rotura. Pela análise da Figura 77, verifica-se que a rotura deste provete se distingue das dos restantes por apresentar um descasque no provete, dando a ideia de que a rotura ocorreu, inicialmente, em parte da espessura de uma secção, tendo-se propagado por corte para parte da espessura de uma outra secção, fazendo com que a rotura ocorresse em duas secções e não só numa. Em alguns dos provetes, nomeadamente nos provetes 1 e 4, verificou-se que a secção de rotura dos mesmos apresentava alguns vazios no seu interior (Figura 77), algo que 81 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP aparentemente não terá tido influência nos resultados globais obtidos, mas que poderá estar na origem das discrepâncias registadas para os valores fornecidos pelo fornecedor. Tabela 13 - Resultados obtidos através dos ensaios de tracção do adesivo epóxido. E [MPa] u [MPa] Provete 1 - 25.45 Provete 2 - 19.59 Provete 3 5197 - Provete 4 4979 26.20 Provete 5 5219 18.61 Média 5132 22.46 CV 108 3.92 2% 17.4% 1 1 A tensão de rotura do provete foi de 14.58 MPa Figura 77 – Provetes do adesivo epóxido depois de ensaiados: a) secções de rotura de todos os provetes; b) e c) secção de rotura do provete 4 e 1, respectivamente, com realce para zonas com bolhas de ar. Na Figura 78 são ilustradas as curvas força vs. deslocamento de todos os provetes ensaiados e na Figura 79 são ilustradas as curvas tensão vs. extensão dos três provetes em que foram colocadas extensómetros. Em ambas as figuras é possível verificar o comportamento praticamente linear do adesivo em grande parte da curva, apresentando apenas uma ligeira perda de rigidez ao aproximarse do ponto de rotura. Analisando os dados indicados pelo fornecedor e os resultados obtidos dos ensaios de tracção, verifica-se que ambos se encontram em consonância. As diferenças registadas, nomeadamente no módulo de elasticidade, que apresentou um valor significativamente superior ao indicado pelo 82 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP fornecedor, podem ser justificadas com base no tempo de cura que, por ter sido superior a 7 dias, pode ter levado a um aumento de rigidez do adesivo, assim como da resistência. 1,6 30 1,4 25 Tensão [Mpa] Força [kN] 1,2 1,0 0,8 Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 15 10 Provete 3 Provete 4 Provete 5 5 0 0 1,2 1 2 3 4 5 6 7 Extensão axial [10-3 ] Deslocamento [mm] Figura 78 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes do adesivo epóxido. 3.5.2.4. 20 Figura 79 - Gráfico tensão vs. extensão dos provetes do adesivo epóxido. Resultados do adesivo de poliuretano Enquanto para o adesivo epóxido os ensaios se desenrolaram sem maiores problemas, para o adesivo de poliuretano o mesmo já não aconteceu, tendo surgido vários problemas associados ao facto de se terem desenvolvido elevadas deformações nos provetes. A ocorrência de elevadas deformações deu origem a significativas alterações nas dimensões da peça, não só na direcção traccionada como também nas direcções perpendiculares, o que obrigatoriamente causa alterações no valor da área. Ou seja, os três pontos onde inicialmente se mediu a espessura e a largura da peça, apresentavam, a meio do ensaio, valores significativamente inferiores e por conseguinte, valores significativamente inferiores de área. Isto faz com que o cálculo da tensão de rotura do provete seja dependente não da área inicial, mas da área que o provete apresentava na altura da rotura, valor que dificilmente se podia registar. Para além disso, as alterações de espessura não se verificaram somente ao nível do comprimento livre entre garras, verificando-se também ao nível da zona de aperto, o que fez com que a força de aperto fosse diminuindo com o decorrer do ensaio, originando escorregamentos. Este facto obrigou a que se fossem efectuando constantes correcções ao nível de aperto das garras com o decorrer do ensaio, o que, contudo, não impediu a ocorrência de ligeiros escorregamentos. Finalmente, o último problema registado esteve relacionado com o valor das deformações, ultrapassou significativamente o valor 450% anunciado pelo fornecedor (ver Tabela 12), o que fez com que a prensa não tivesse capacidade de aplicar tais deslocamentos (alguns dos ensaios foram dados como concluídos porque a prensa atingiu o fim do seu curso – ver Figura 80). A solução mais lógica para este problema estaria na produção e no ensaio de provetes de menor dimensão, para os quais não se disponha de moldes. 83 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 80 - Ensaio dos provetes de poliuretano numa fase inicial do ensaios (à esquerda) e numa fase final do ensaio (à direita ). Na Figura 81 e 82 são apresentados, respectivamente, os gráficos força vs. deslocamento e os gráficos tensão extensão de todos os provetes ensaiados. As curvas obtidas sugerem o comportamento habitual associado aos elastómeros (curva em S [79]) e que foram registadas, por exemplo, em Wellershoft e Sedlacek [39]. Na curva da Figura 82 é ainda possível comprovar as elevadas deformações dos provetes, que somente no provete 2 não ultrapassou os 450%. Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 0,14 Força [kN] 0,12 0,10 0,08 0,06 4,0 3,0 2,5 2,0 1,5 0,04 1,0 0,02 0,5 0,00 0,0 0 Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 3,5 Tensão [MPa] 0,16 0,0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Deslocamento [mm] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Extensão axial [m/m] Figura 81 - Gráfico força vs. deslocamento do adesivo de poliuretano. Figura 82 - Gráfico tensão vs. extensão axial do adesivo de poliuretano. Apesar das dificuldades encontradas, na Tabela 14 são apresentados os valores do módulo de elasticidade (E) e os valores da tensão de rotura (u) calculados para todos os provetes. A tensão de rotura do provete 1 (o único provete em que se conseguiu alcançar a rotura) foi calculada com base na área inicial e não na área final, por isso será de prever que o valor de tensão seja mais elevado, podendo aproximar-se do valor anunciado pelo fornecedor. Em todos os outros provetes não foi possível alcançar a rotura, essencialmente devido ao facto dos provetes terem apresentado 84 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP elevadas deformações que não puderam ser acompanhadas tanto pelo curso da prensa, como pela capacidade de fecho das garras. Tabela 14 - Resultados obtidos através dos ensaios de tracção dos adesivos de poliuretano. u [MPa] E [MPa] Provete 1 3.091 1.55 Provete 2 - 1.41 Provete 3 - 1.83 Provete 4 - 1.24 Provete 5 - 1.42 3.091 1.49 Média CV - 0.22 - 14.68% O módulo de Young (E) foi calculado com base no gráfico tensão vs. extensão apresentado na Figura 82 e corresponde ao declive da curva, obtida por regressão linear, entre valores de extensão de 0.5 e 2.0 m/m. O valor obtido para o módulo de elasticidade, tal como o comportamento global do adesivo, está de acordo com o que era expectável. De facto, o valor significativamente baixo do módulo de elasticidade reflecte as características físicas observadas nos provetes do adesivo (era com relativa facilidade que se efectuavam elevadas deformações nos provetes recorrendo apenas a força manual) e reflectem as intenções iniciais em se utilizar um adesivo com elevada capacidade de deformação e reduzido módulo de elasticidade. Em termos de modelação, refere-se, desde já que, apesar das várias fases no comportamento do adesivo, este será modelado como tendo um comportamento elástico linear até à rotura. Esta aproximação, apesar de grosseira para os provetes 2 e 3, considerou-se plausível para os restantes provetes. Deve-se ainda acrescentar que, além das fortes deformações elásticas, as deformações obtidas contêm uma componente plástica, que foi facilmente identificada pelas deformações residuais registadas nos provetes onde não foi possível atingir a rotura. Na Figura 83 é comparado o comprimento total dos provetes do adesivo de poliuretano, com o comprimento inicial de um provete base. Figura 83 - Provetes do adesivo de poliuretano depois dos ensaios. 85 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.5.3. Perfis de GFRP Como material de reforço foram utilizadas chapas rectangulares e cantoneiras de perfis pultrudidos de GFRP fornecidos pela empresa STEP - ambas as secções são constituídas por uma matriz de poliéster isoftálico reforçada com camadas alternadas de mechas de fibras longitudinais e mantas de fibra de vidro. Os ensaios de caracterização das chapas rectangulares foram realizados por Correia [72], através de ensaios mecânicos de tracção (tendo em conta a norma ISO 527), compressão (tendo em conta a norma ASTM D695) e flexão (tendo em conta a norma ISO 14125). Na Figura 84 encontram-se ilustrados alguns dos modos de rotura obtidos nesses ensaios. Figura 84 - Ensaios de a) tracção, b) compressão, c) flexão e d) corte interlaminar em placas de GFRP (adaptado de [72]). A Tabela 15 apresenta os valores médios e respectivos desvios padrão, das propriedades mecânicas mais relevantes para este estudo, como é o caso da tensão de rotura (σu), do módulo de Young (E), a extensão axial máxima (εu) e do coeficiente de Poisson no plano do laminado (νxy). Tabela 15 - Propriedades mecânicas dos perfis de GFRP (adaptado de [72]). Propriedade Mecânica Flexão Tracção Direcção Longitudinal Longitudinal Longitudinal Transversal σu [MPa] 624.6 ± 26.9 475.5 ± 25.5 375.8 ± 67.9 122.0 ± 15.4 E [GPa] 26.9 ± 1.3 32.8 ± 0.9 26.4 ± 1.9 7.4 ± 0.4 εu [10 ] 24.9 ± 1.3 15.4 ± 1.5 17.0 ± 2.5 21.5 ± 1.7 νxy [-] - 0.28 - - -3 Compressão Não foram realizados quaisquer ensaios de caracterização mecânica das cantoneiras, uma vez que estas representaram um papel de menor importância nas secções em estudo. Para efeitos de modelação, foram utilizadas as informações disponibilizadas pelo fornecedor, afectados por um factor correctivo, determinado a partir da comparação dos dados recolhidos do estudo realizado por Correia [72] e as informações disponibilizadas pelo fornecedor. 86 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 3.6. Ensaios à tracção em ligações coladas Os ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla foram realizados em provetes constituídos por duas camadas de material: uma exterior, em GFRP, na qual foi aplicada a força de tracção; e uma interior, em vidro, sobreposta à exterior e ligada à mesma por meio do adesivo (Figura 85). Figura 85 – Visão geral de um provete de uma ligação colada por sobreposição dupla (imagem sem escala). De acordo com Vallée et al. [80] este tipo de ensaios, além de permitirem aferir a capacidade de adesão do material ao adesivo, permitem também analisar a influência da geometria da ligação na sua resistência, podendo-se analisar vários parâmetros como a espessura e/ou o acabamento - por exemplo o raio de curvatura da camada do adesivo. Não tendo por intuito analisar pormenorizadamente o comportamento da ligação, estes ensaios permitiram ter um primeiro contacto com o comportamento mecânico da ligação, simular o método de aplicação dos adesivos e testar a qualidade de adesão entre os dois tipos de materiais. Estes ensaios foram também importantes para testar a espessura de colagem, que se estipulou ser de 2 mm, para qualquer tipo de adesivo. Deve-se realçar que os fornecedores aconselham uma espessura mínima de colagem, apesar de, muitas vezes, esse valor não estar especificado nas respectivas fichas informativas de produto. Finalmente, estes ensaios tinham também como objectivo analisar a influência na ligação de adesivos com propriedades e características mecânicas diferentes. 3.6.1. Propriedades e fabrico dos provetes Para estes ensaios foram fabricados 10 provetes, todos com a mesma geometria e secção transversal. A camada interior era constituída por vidro, com secção transversal de 12 × 50 mm, e a camada exterior era constituída por uma chapa de GFRP, com secção transversal de 10 × 50 mm. Ambas as camadas tinham um comprimento de 350 mm. O comprimento de sobreposição (zona de adesão entre ambos os materiais) era de 100 mm, aproximadamente 1/3 da camada exterior, perfazendo um comprimento total de 850 mm. O comprimento total dos provetes esteve directamente relacionado com a máquina utilizada para realizar os ensaios, neste caso uma máquina universal de ensaios Instron - esta máquina apresenta uma distância máxima entre garras de 1 m, dispondo de uma área de contacto de 70 × 50 mm, para prender os provetes durante o ensaio. A Figura 86 mostra a geometria dos provetes e um pormenor da zona de sobreposição. 87 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 86 - Geometria dos provetes para os ensaios à tracção em ligações coladas por sobreposição dupla: a) comprimento e b) pormenor da zona de sobreposição. Distribuíram-se os 10 provetes por três séries, uma para cada tipo de adesivo, com as seguintes designações: PU-[i], para os provetes constituídos pelo adesivo de poliuretano (4 provetes); EP-[i], para os provetes constituídos pelo adesivo epóxido (3 provetes); e AC-[i] para os provetes constituídos pelo adesivo à base de acrílico (3 provetes). Em todos os provetes foram utilizados elementos de vidro e de GFRP do mesmo lote. A preparação das diferentes séries de provetes teve em comum os seguintes passos preliminares: (i) polimento de todas as superfícies de GFRP com o recurso a uma lixa de mão, de forma a eliminar eventuais sujidades e para garantir uma melhor aderência dos adesivos; (ii) limpeza de todas as superfícies com acetona, com o intuito de eliminar definitivamente possíveis gorduras e pó, que impedissem a correcta aderência dos adesivos. A espessura de colagem foi garantida através da colocação de espaçadores rectangulares em PVC, colocados em 4 pontos da zona de colagem, e que não ocuparam mais do que 1% da área de colagem. No que respeita à camada de adesivo, a maior preocupação incidiu sobre o preenchimento dos cantos, já que em estudos anteriores [80] verificou-se serem os pontos cruciais. Houve ainda uma preocupação adicional com o acabamento do provete, já que a utilização do vidro pressupõe, geralmente, uma preocupação com a estética. O processo de aplicação dos adesivos consistiu nos seguintes passos: (i) aplicação do adesivo na camada inferior de vidro, (ii) colocação dos perfis de GFRP, (iii) aplicação do adesivo nos perfis de GFRP, 4 a 5 horas depois e, por último, (iv) colocação da camada superior de vidro. A cura do adesivo da série AC (adesivo acrílico) só se desenvolve quando o adesivo é exposto a luz UV. Uma vez que os perfis de GFRP eram totalmente opacos, a transmissibilidade dos raios UV só ocorria através da superfície de vidro. Desta forma, no processo de colagem da série AC, o adesivo teve que ser obrigatoriamente colocado nos perfis de GFRP (em vez de ser colocado no vidro), para que depois se pudesse colocar por cima as camadas de vidro; de seguida, aplicou-se a luz UV e, só após 88 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 4 a 5 horas, é que se considerou adequado rodar os perfis e proceder à colagem do segundo perfil de vidro. Durante todos os processos de cura foram utilizados pesos de forma a garantir a espessura da camada de adesivo. O processo de cura prolongou-se durante 8 semanas, à temperatura ambiente do laboratório. A Figura 87 mostra o conjunto de todos os perfis antes dos ensaios. Figura 87 – Ilustração dos provetes para os ensaios à tracção de ligações coladas por sobreposição dupla. 3.6.2. Características dos adesivos Após a colagem de todos os provetes, e ainda antes da realização dos ensaios, foi possível retirar algumas conclusões quanto à aplicabilidade dos adesivos. Desta forma, salientam-se nesta secção as principais vantagens e desvantagens de cada um dos adesivos. 3.6.2.1. Adesivo de poliuretano (SIKAFLEX-265) No folheto informativo deste adesivo é referido que o mesmo se destina a aplicações como a colagem de pára-brisas e outros tipos de vidro na indústria automóvel. Realça-se de imediato a cor preta e o 3 modo de aplicação por pistola. Apesar de ter uma densidade de apenas 1.2 kg/cm , este adesivo demonstrou ter uma elevada viscosidade, o que dificultou a sua aplicação. Além disso, durante o seu processo de cura, o adesivo sofreu alterações volumétricas significativas, que terão contribuído (a par da elevada viscosidade) para o aparecimento de bolhas de ar entre as superfícies em contacto, que durante o processo de aplicação, estavam aparentemente totalmente cobertas com adesivo. Após a cura, o adesivo apresentou características de comportamento elastomérico (como uma borracha) e uma dureza reduzida. Esta última característica permitiu que, utilizando uma lâmina ou acetona, se aperfeiçoasse o acabamento da camada de adesivo, ajudando a eliminar vestígios da sua cor preta. Este é um aspecto importante, já que são de evitar acabamentos que diminuam a transparência do vidro. 89 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Concluiu-se que, caso este adesivo seja escolhido, deve-se ter em atenção as suas alterações volumétricas. Para restringir ao máximo o seu movimento, deve-se colocar o maior número de pesos possíveis na zona de colagem, de modo a que se evitem movimentos relativos das peças a ligar. 3.6.2.2. Adesivo epóxido (SIKADUR-330) Por comparação com o adesivo anterior, este material de colagem apresentou melhor fluidez, o que facilitou o processo de colocação. O modo de aplicação (utilizando uma espátula), a par da elevada fluidez, permitiu obter um bom acabamento, algo que se concluiu ser essencial garantir antes da cura do adesivo, já que após a cura, o adesivo adquire uma dureza elevada que impede a alteração do acabamento sem o recurso a meios mecânicos. A cura do adesivo desenrolou-se para temperaturas e humidades ambientes. É um adesivo de cor cinzenta que, apesar de ser menos intrusiva (os perfis de GFRP apresentavam a mesma cor), continua a eliminar localmente a transparência oferecida pelo vidro. De acordo com estudos anteriores realizados por Vallée et al. [80], este adesivo apresenta um comportamento elástico linear até a rotura com elevada rigidez, o que o aproxima dos restantes materiais, ao contrário do adesivo anterior. 3.6.2.3. Adesivo acrílico (DELO PHOTOBOND-468) O destaque neste adesivo foi o seu processo de cura. De facto, para que a cura deste adesivo se desenvolvesse, a camada do mesmo tinha de ser sujeita a luz UV e/ou visível, numa gama de frequências limitada e que é especificada na ficha informativa do adesivo – ver Anexo 3. Como se trata de uma gama pouco inserida no visível, foi necessário aplicar uma lâmpada que emitisse na gama dos UV (correntemente chamada luz negra) para que a cura se desenrolasse. No entanto, a cura não se processou de maneira eficiente, muito provavelmente devido à falta de potência da lâmpada de UV utilizada e devido aos 2 mm de espessura, que poderão ser demasiado elevados para este tipo de adesivo (trata-se de um adesivo de contacto em que o fabricante garante obter colagens satisfatórias com espessuras abaixo de 1 mm). Facto é que, mesmo após longos períodos de cura, a camada de adesivo continuava a aparentar uma certa humidade, o que pareceu indicar que a cura não estaria completa. O próprio processo de colagem também não se desenrolou de forma eficiente, apesar do modo de aplicação por bisnagas. Estas, apesar de cómodas, possibilitam o aparecimento de pequenas bolhas de ar, difíceis de eliminar sem que haja desperdícios o que, face ao elevado custo do adesivo, não era de todo desejável. De todos os adesivos, este foi o que apresentou a melhor aparência, uma vez que não tinha qualquer tipo de coloração. Em vez disso apresentava alguma transparência, que, no entanto, era ainda inferior à dos vidros. 90 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Tendo estes aspectos em consideração, este seria um adesivo a não escolher, a não ser que o seu desempenho mecânico se mostrasse claramente superior ao dos adesivos anteriores. O seu custo elevado e o seu processo de cura foram os principais factores que levaram ao seu abandono. 3.6.3. Sistema e procedimento de ensaio Para a realização dos ensaios de tracção foi utilizada uma máquina universal de ensaios Instron, Modelo 1343, com uma capacidade de carga de 250 kN, em tensão e compressão, e com uma distância máxima entre garras de 1000 mm. Durante o ensaio foi medida a força aplicada nas extremidades e o respectivo deslocamento relativo que ocorreu na zona de sobreposição. Para evitar que as leituras do deslocamento medidas fossem afectadas por possíveis deslizamentos nas garras, foi montado junto à zona de sobreposição, o sistema de monitorização, constituído por deflectómetros da marca TML, modelo CDP500, com um curso de 500 mm e precisão de 0.01 mm, garantido que só se mediriam os deslocamentos relativos nessa zona (Figura 88). Figura 88 – Ensaios de tracção nos provetes do a) adesivo epóxido, b) do adesivo de poliuretano e c) do adesivo acrílico; pormenor do sistema de deflectómetros. Todos os provetes foram envolvidos em película de celofane, com o objectivo de evitar a dispersão de fragmentos de vidro pela máquina de ensaios ou pelo próprio laboratório após a rotura dos provetes. 91 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.6.4. Resultados 3.6.4.1. Comportamento força vs. deslocamento Os gráficos força vs. deslocamento das séries PU, AC e EP são apresentados na Figura 89, 90 e 91, respectivamente. As leituras de deslocamento apresentadas correspondem à média dos valores medidos pelos dois deflectómetros. 4,5 4,0 3,5 Força [kN] 3,0 2,5 PU-0 2,0 PU-1 1,5 PU-2 1,0 PU-3 0,5 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Deslocamento relativo [mm] 7,0 8,0 Figura 89 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série PU. Os provetes da série PU apresentaram um comportamento inicialmente linear; no entanto, para forças relativamente reduzidas, os provetes apresentaram uma redução progressiva da rigidez, presumivelmente devido ao descolamento entre aderentes. Por outro lado, o comportamento exibido pelos vários provetes foi algo distinto, tendo-se verificado diminuições de rigidez significativas em alguns dos provetes – este comportamento, associado aos deslizamentos relativos entre as peças da ligação, está relacionado com as dificuldades adesivas encontradas no processo de aplicação, e referidas anteriormente. Sendo um adesivo à base de poliuretano foram bem patentes as elevadas deformações e reduzida rigidez na ligação. Juntamente com a série PU, também a série AC (com um adesivo acrílico) apresentou um comportamento nitidamente não linear, sendo que nesta última série tal comportamento foi ainda foi mais evidente. Face ao comportamento do adesivo anterior, a série AC apresentou uma menor variabilidade no que concerne ao andamento da curva até à rotura. Este aspecto deverá indicar que a não linearidade do comportamento da ligação deverá estar associada ao comportamento mecânico do adesivo e não a problemas de adesão entre os materiais (relembre-se que não houve oportunidade de efectuar ensaios de caracterização mecânica deste adesivo). Por outro lado, nesta série verificou-se uma dispersão elevada nos valores máximos de força, associados em grande medida a um provete (AC-3) que teve um comportamento presumivelmente anómalo. 92 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 9,0 8,0 AC-1 Força [kN] 7,0 AC-2 6,0 AC-3 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Deslocamento relativo [mm] Figura 90 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série AC. O comportamento da série EP foi bastante diferente das duas anteriores, mostrando-se praticamente linear até á rotura. A inexistência de variações no declive da curva evidencia que a ligação, para as cargas solicitadas, não sofreu qualquer alteração na sua aderência e, consequentemente, na qualidade da ligação. Esta conclusão advém também do facto das roturas terem sempre ocorrido no perfil de vidro (ver secção 3.6.4.2), demonstrando a capacidade de transferência de cargas da ligação. Os patamares existentes no gráfico da Figura 91 estão provavelmente associados ao facto de os deflectómetros não terem capacidade de efectuar leituras a uma escala tão reduzida, o que fez com os deslocamentos só fossem medidos após uma maior variação de carga e que, consequentemente, originavam um maior deslocamento. 45 40 35 Força [kN] 30 25 20 EP1 15 EP2 10 EP3 5 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Deslocamento relativo [mm] Figura 91 - Gráfico força vs. deslocamento dos provetes da série EP. 93 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.6.4.2. Modos de rotura As séries PU e AC tiveram os mesmos modos de rotura: roturas adesivas nas interfaces, com elevado deslizamento do perfil de GFRP face ao perfil de vidro, dando origem ao respectivo descolamento e consequente separação de ambas as camadas (Figura 92). A diferença entre ambos residiu na maior ou menor magnitude desse mesmo deslizamento durante o ensaio que, como é perceptível pelos gráficos força vs. deslocamento, foi muito maior para a série PU. Para a série AC, mesmo após a rotura, a separação dos perfis não foi fácil, exigindo alguma força mecânica (manual) para o fazer. Este efeito pode ser indicativo de que a rotura naquele tipo de adesivo não ocorreu de ambos os lados do perfil ensaiado, o que dificulta a sua separação. Em todos os provetes da série EP o colapso da ligação deu-se por rotura do perfil de vidro em tracção (Figura 93). No provete EP-1 foi também visível rotura por corte laminar no perfil de GFRP (rotura por pelagem). Uma vez que o vidro também quebrou, este facto será indicativo de que os dois tipos de rotura ocorreram ao mesmo tempo. Apesar de a rotura do vidro ser frágil, dada a redundância dos provetes, foi sempre possível ouvir alguns ruídos de vidro a partir antes de ocorrer a rotura total do provete. Isto indicará que a rotura dos dois lados do provete nunca ocorreu ao mesmo tempo. Figura 92 – Ilustração dos modos de rotura dos provetes a) PU-0, b) PU-1 (pormenor do deslizamento relativo na ligação) e c) AC-1. Figura 93 - Ilustração dos modos de rotura dos provetes a) EP-2 e b) EP-1 (pormenor para o modo de rotura por pelagem). 3.6.5. Sumário e escolha dos adesivos A Tabela 16 resume os valores máximos de força atingidos pelos provetes durante os ensaios de tracção, os respectivos deslocamentos relativos máximos e os valores de rigidez em fase elástica linear apresentados pela ligação em todos os provetes, de todas as séries. Os gráficos da Figura 94 à 94 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 96 mostram, para cada uma das séries, a comparação entre os valores da média (± desvio padrão) da rigidez, os valores da média (± desvio padrão) dos deslocamentos na rotura e do valor da média (± desvio padrão) da força na rotura, respectivamente. Tabela 16 - Valores máximos de força, deslocamento e rotura em fase elástica linear de todos os provetes dos ensaios das ligações coladas por sobreposição dupla. Deslocamento na rotura [mm] Rigidez [kN/mm] PU-1 2,60 PU-2 3.49 PU-3 PU-4 EP-1 4.05 3.61 41.46 EP-2 35.26 EP-3 36.03 0.336 87.97 AC-1 6.33 0.384 17.31 AC-2 8.03 AC-3 2.53 Acrilíco Epóxido Provete Poliuretano Força máxima [kN] Adesivo Fu,i Fu ± σ δu,i δu ± σ 5.053 3.55 ± 0.61 37.58 ± 3.38 5.63 ± 2.82 k,i k±σ 1.20 7.401 5.79 ± 1.31 4.540 6.528 0.489 0.480 0.44 ± 0.09 0.750 0.48 ± 0.24 0.293 0.57 1.30 1.25 98.57 89.05 23.00 1.08 ± 0.34 91.86 ± 5.83 18.71 ± 3.78 15.83 140 120 Rigidez [kN/mm] 100 80 60 91,86 40 20 1,08 18,71 Poliuretano Acrílico 0 -20 Epóxido Figura 94 - Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) da rigidez. 7,0 Força de rotura [kN] Deslocamento relativo [mm] 8,0 6,0 5,0 4,0 3,0 5,791 2,0 1,0 0,476 0,435 Acrílico Epóxido 0,0 Poliuretano Figura 95 - Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) dos deslocamentos relativos na rotura. 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 37,58 3,55 Poliuretano 5,63 Acrílico Epóxido Figura 96 Comparação entre os adesivos da média (± desvio padrão) das forças de rotura. 95 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Pela análise dos gráficos é visível que dois dos adesivos se destacam por ocuparem posições opostas, ou seja, durante os ensaios apresentaram comportamentos distintos. Esta análise aplica-se ao adesivo de poliuretano e ao adesivo epóxido, com o adesivo acrílico a apresentar um comportamento intermédio. A série PU apresentou uma ligação com reduzida rigidez, valores reduzidos de força na rotura e elevados valores de deslocamento na rotura. Com efeito, estes resultados estão de acordo com o expectável, já que o principal constituinte do adesivo é um poliuretano de baixa rigidez e com elevadas características elásticas, que originou um comportamento típico dos elastómeros (borracha, pneu, preservativos, entre outros). Em oposição, o adesivo epóxido conferiu uma elevada rigidez à ligação, o que resultou em pequenos deslocamentos com forças de rotura cerca de 10 vezes superiores às do adesivo anterior. A série AC apresentou resultados intermédios que, globalmente, não se aproximam de nenhum dos adesivos anteriores. Isto é, em termos de rigidez, os resultados aproximam-se dos obtidos para o adesivo epóxido mas, em termos de resistência, a série aproximase do adesivo à base de poliuretano. Por outro lado, no que se refere à força de rotura, este adesivo foi o que apresentou maior variabilidade, com um desvio padrão de 50% - como referido anteriormente, tal estará associado ao comportamento aparentemente anómalo de um provete. Relativamente ao processo construtivo e ao método de aplicação, todos os adesivos mostraram-se aplicáveis à construção de vigas mistas vidro-GFRP. A maior desvantagem do adesivo epóxido residiu na dureza adquirida pelo adesivo após a cura, que impede qualquer tipo alteração ao acabamento, sem que se recorra a métodos mecânicos, algo que pode não ser o mais adequado dada a fragilidade do vidro. No entanto, o adesivo epóxido tem a vantagem de ter uma excelente trabalhabilidade durante o processo construtivo, o que proporciona a obtenção de um bom acabamento antes de ocorrer a cura do adesivo. Quanto ao adesivo acrílico, considerou-se que as dificuldades constatadas para que ocorresse a cura do mesmo, tornavam este adesivo pouco adequado para a colagem de vigas mistas. A falta de uma fonte luminosa de raios UV adequada para este processo e o facto de o tipo de reforços (perfis de GFRP) serem totalmente opacos, impediu que a cura do adesivo se desenrolasse de forma adequada, não garantindo a obtenção de uma ligação de qualidade para a espessura atribuída. Com efeito, o facto de o adesivo ser considerado como um adesivo de contacto, faz com que não seja adequado ao preenchimento de juntas tão espessas. A viscosidade e as fortes alterações volumétricas foram as principais desvantagens constatadas no adesivo à base de poliuretano. Sendo assim, o adesivo epóxido foi o que apresentou melhores características, tanto estruturais, como físicas (importantes na fase de aplicação). Foi o único adesivo que permitiu mobilizar toda a resistência do vidro, o que indubitavelmente esteve relacionado com a capacidade de transmissão de tensões na ligação. 96 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Uma possível desvantagem deste adesivo poderá ser a sua elevada rigidez em utilização. Um dos objectivos no estudo de vigas mistas é alcançar uma rotura dúctil, algo que, com os materiais em questão, poderá ser alcançado por via do efeito tirante (transmissão de tensões entre os dois materiais) mas também pela deformabilidade do elemento de reforço e da própria ligação. Desde que a capacidade de transmissão de esforços esteja assegurada na ligação entre os dois materiais, a maior ou menor margem de segurança fica dependente do comportamento da viga como elemento misto. No caso da viga mista com adesivo epóxido, é de esperar que o de efeito tirante só seja visualmente perceptível através da forte fendilhação do vidro, algo que pode não ser suficiente para servir como meio de aviso de uma rotura iminente. Com efeito, na construção tradicional é habitual dar-se preferência à ocorrência de elevadas deformações, podendo ser acompanhadas, ou não, pela destruição contínua do elemento estrutural. Nessa medida, uma vez que todos os materiais da viga mista epóxido têm elevada rigidez, será de esperar que a viga também apresente elevada rigidez de flexão (quando comparada com a viga mista com adesivo de poliuretano) e, por conseguinte, não seja perceptível a iminência de rotura através de fortes deformações. Por outro lado, a ocorrência de elevados deslocamentos permite que as construções dissipem energia, evitando o colapso explosivo dos elementos em questão. Tendo em conta estes aspectos, mostrou-se interessante ensaiar vigas mistas com um adesivo que, além de ter a capacidade de transmissão de esforços entre materiais, permita também a ocorrência de deslocamentos elevados. Acima de tudo, pretendeu-se que o adesivo permitisse uma dissipação de energia, mesmo que isso originasse deslocamentos significativos na viga (deve-se salientar que o material GFRP, apesar de apresentar uma elevada resistência, apresenta também uma rigidez relativamente reduzida, o que permite a ocorrência de maiores deslocamentos, quando em comparação com o vidro). No global, observando a Figura 68, o objectivo será o de tentar maximizar tanto o “patamar de segurança” como o “patamar de ductilidade”, aí representados. Assim, não se descartou nesta fase a utilização do adesivo à base de poliuretano, apesar das limitações que este adesivo mostrou noutros aspectos. 3.7. Ensaios de flexão em vigas mistas Após os ensaios preliminares em ligações coladas por sobreposição dupla e após a escolha de dois adesivos para fabrico de vigas mistas vidro-GFRP, o programa experimental incluía o fabrico e o ensaio das respectivas vigas mistas vidro-GFRP. Na secção que se segue, são apresentados os resultados experimentais de tais ensaios. Começa-se por fazer referência ao conteúdo do programa experimental dedicado às vigas, seguindo-se uma descrição das propriedades e do processo de fabrico das vigas mistas. Finalmente, após a descrição do procedimento de ensaio, são apresentados os resultados dos ensaios experimentais realizados em vigas mistas vidro-GFRP, incluindo as respectivas conclusões. 97 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 3.7.1. Programa experimental Foram ensaiadas oito vigas, variando entre simples vigas de vidro, vigas de vidro reforçadas com GFRP no bordo inferior e vigas com geometria em I, compostas por almas de vidro e banzos de GFRP. Nas vigas mistas, a ligação entre o vidro e o GFRP foi realizada com um adesivo à base de poliuretano e um adesivo à base de resina epóxi. Todas as vigas foram ensaiadas à flexão, num sistema simétrico de 4-pontos, com pontos de carga colocados a 1/3 de vão. Tanto as vigas mistas como as vigas de vidro simples, com um comprimento de 1.80 m, foram ensaiadas num vão de 1.50 m, com um comprimento livre de 0.15 m em cada extremidade. Nas vigas mistas foi utilizada a seguinte notação: viga de secção transversal rectangular e adesivo de poliuretano, R-PU; viga de secção transversal rectangular e adesivo epóxido, R-EP; viga de secção transversal em I, com banzos em GFRP e adesivo de poliuretano, I-PU; viga de secção transversal em I, com banzos em GFRP e adesivo epóxido, I-EP. Os ensaios de flexão permitiram analisar o comportamento das vigas em serviço e na rotura, tendo em atenção os seguintes aspectos: (i) rigidez de flexão, (ii) resistência última, (iii) modo de rotura, (iv) análise da evolução da fendilhação e (vi) comportamento da ligação. 3.7.2. Propriedades e fabrico das vigas A escolha das dimensões das vigas teve por base conceitos usais de pré-dimensionamento, tendo em conta o tipo de material em utilização. Para a viga de vidro simples, adoptou-se uma esbelteza (vão/altura) de 15 o que, para um vão de 1.5 m, originou uma altura de secção de 100 mm. Dentro da gama das espessuras possíveis, entre os 2 e os 25 mm, optou-se por uma espessura intermédia de 12 mm. O reforço em GFRP da viga rectangular tem uma espessura correspondente a 10% da altura da viga. Para as vigas em I, a dimensão mínima das cantoneiras existentes no mercado é de 30 mm, o que origina, contabilizando a espessura de adesivo, uma largura do banzo de 76 mm. Os banzos mantêm uma espessura de 10 mm, à semelhança das vigas rectangulares. Para se garantir uma maior transparência da viga, reduziu-se, em cada um dos banzos, 10 mm do lado interior das cantoneiras (face vertical). A Figura 97 mostra as várias dimensões adoptadas para todos os elementos das vigas. A espessura de colagem está de acordo com as instruções dadas pelo fornecedor. De forma a garantir a espessura desejada, foram colados a priori pequenos espaçadores de PVC com uma altura de 2 mm, espaçados de 100 mm, tanto no vidro como nos reforços de GFRP, conforme o método de colagem. O fabrico das vigas mistas vidro-GFRP envolveu, no essencial, a colagem das várias peças constituintes das mesmas. As vigas rectangulares eram constituídas por duas peças independentes: uma placa de vidro e um perfil de GFRP. As vigas em I eram constituídas por sete peças 98 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP independentes: quatro cantoneiras de GFRP, dois perfis rectangulares de GFRP e uma placa de vidro. Todas as peças foram ligadas por meio dos respectivos adesivos estruturais. Ainda durante o fabrico das vigas, teve-se em atenção os extensómetros previstos para a secção de meio vão, já que alguns deles se encontravam na zona de interface dos dois materiais, tendo, por isso, de ser colados antes da aplicação dos adesivos. Figura 97 - Dimensões de todos os elementos constituintes das vigas mistas. Antes de se colocar o adesivo, todas as superfícies de GFRP foram polidas com lixa de mão. De seguida, o processo de fabrico das vigas rectangulares dividiu-se nas seguintes fases: 1. Limpeza e eliminação de gorduras nas superfícies que iriam receber os adesivos. 2. Colocação dos espaçadores no perfil de GFRP. 3. Colocação do adesivo no perfil de GFRP. 4. Colocação da placa de vidro sobre o perfil de GFRP. 5. Eliminação dos excessos de adesivo, de forma a proporcionar o melhor acabamento possível. 6. Colocação de alguns apoios de madeira no vidro e, recorrendo a pesos, ligeiro carregamento da viga. A colocação dos apoios de madeira possibilitou que o carregamento da viga ocorresse sem qualquer contacto com o vidro. 7. Últimos cuidados com o acabamento, já que, depois da cura, qualquer alteração ao mesmo exigiria a utilização de meios mecânicos. Ambas as vigas rectangulares foram fabricadas num só dia. O seu processo de cura desenrolou-se ao longo de cerca de 10 semanas, até ao dia do ensaio. Na Figura 98 encontram-se ilustrados alguns passos do processo de fabrico das vigas rectangulares. 99 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 98 - Processo de fabrico das vigas rectangulares; a) placa de vidro e perfil de GFRP (já com o adesivo epóxido colocado); b) colocação do adesivo de poliuretano no perfil de GFRP; c) carregamento das vigas rectangulares de modo a garantir a espessura de colagem. Para as vigas em I, o processo de fabrico desenrolou-se nas seguintes fases: 1. Limpeza e eliminação de gorduras nas superfícies que iriam receber os adesivos. 2. Colocação dos espaçadores no vidro para colagem das cantoneiras. 3. Com a placa de vidro colocada na horizontal, colagem da face da cantoneira paralela ao vidro (tanto a inferior como a superior) paralela ao vidro. 4. Com o adesivo ainda trabalhável, procurou-se garantir o melhor acabamento possível, para evitar recorrer a métodos mecânicos elaborados aquando da limpeza da superfície superior e inferior da viga. 5. Cura durante 24h. 6. No dia seguinte, rotação e colocação da viga na posição simétrica, o que permitiu a colagem das restantes cantoneiras de modo idêntico ao feito para as primeiras duas (voltou-se a ter particular atenção ao acabamento, para garantir a melhor superfície de aderência nos topos da viga). 7. Cura durante 48h. 8. Após a cura parcial do adesivo, colocou-se a viga numa posição vertical que permitia a colagem dos perfis rectangulares pertencentes aos banzos de GFRP. Com recurso à lixa de mão, eliminaram-se possíveis sulcos nos topos da viga, causados pela colagem das cantoneiras - antes da colocação do adesivo, teve-se o cuidado de colar os extensómetros previstos para a interface entre os dois materiais. 9. Colagem do banzo inferior de GFRP. 100 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 10. Cura durante mais 24h. 11. Finalmente, procedeu-se à colagem do banzo superior de GFRP, que dispensou qualquer alteração da posição da viga. O processo de fabrico das vigas em I desenrolou-se ao longo de 1 semana, para a viga com adesivo epóxido, e ao longo de 2 semanas, para a viga com adesivo de poliuretano. Ambas as vigas foram ensaiadas juntamente com as vigas rectangulares, o que significa que tiveram um tempo de cura de cerca de 8 semanas. A Figura 99 e 100 ilustram alguns passos do processo de fabrico das vigas mistas vidro-GFRP com geometria em I. Figura 99 - Processo de fabrico das vigas mistas com geometria em I - colocação das cantoneiras: a) colocação dos espaçadores no vidro; b) colocação do adesivo no vidro; c) processo de carregamento das cantoneiras; d) posição da viga para colocação das restantes cantoneiras. Figura 100 - Processo de fabrico das vigas mistas em I - colocação dos banzos: a) carregamento e posição durante a cura do banzo inferior; b) posição da viga para colagem do banzo superior; c) carregamento durante a cura do banzo superior. 101 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP O processo levado a cabo para fabrico das vigas mistas, nomeadamente no caso das vigas mistas com geometria em I, apresentou uma série de passos que tornam o processo de fabrico, aqui enunciado, pouco adequado para a indústria e para processos de construção mais eficientes. Contudo, através de uma pesquisa do mercado foi possível encontrar empresas especializadas (nomeadamente no ramo aeronáutico) no fabrico de adesivos para utilizações estruturais, em que o seu fornecimento é feito através de filmes com espessuras variáveis. A aplicação destes filmes é feita através de calor e/ou pressão, eliminando processos de mistura de componentes ou de colocação por espátula. De modo a eliminar passos no processo construtivo e, especialmente, eliminar o número de peças soltas a colar, seria também possível substituir as cantoneiras e as chapas rectangulares constituintes dos banzos por uma única peça, uma vez que as empresas de pultrusão permitem a encomenda de peças com diferentes geometrias. 3.7.3. Procedimento de ensaio Tanto as vigas de vidro simples como as vigas mistas foram sujeitas a um ensaio de flexão de 4pontos, apoiadas sobre rótulas cilíndricas e colocadas entre chapas metálicas com área de 2 0.08 × 0.12 m . As vigas em I foram apoiadas directamente sobre as rótulas cilíndricas, o que resulta 2 numa área de apoio na rótula de 0.08 × 0.076 m . Para as vigas simples e rectangulares, foram colocadas guias entre as rótulas e as vigas, simulando um apoio com travamento lateral. As guias 2 tinham uma área de apoio nas rótulas de 0.08 × 0.10 m e uma altura de 0.075 m (Figura 101). A carga foi transmitida por meio de um macaco hidráulico da marca Enerpac, com uma capacidade de carga de 100 kN, que transmitia a sua reacção a uma viga metálica superior, pertencente a um pórtico metálico fechado. O controlo da velocidade de carga foi feito manualmente, a uma velocidade média de 1.5 kN/min. Para que o ensaio de flexão fosse de 4-pontos (com os pontos de carga colocados simetricamente a 1/3 de vão), foram utilizadas duas vigas de distribuição metálicas: para as vigas simples e rectangulares foi utilizada uma viga metálica rectangular, com 0.60 m de comprimento e um peso de 1.3 kgf - Figura 101; para as restantes vigas, foi utilizada uma viga de distribuição metálica em I, com 0.60 m de comprimento e um peso de 3.6 kgf. Para a primeira viga de 2 distribuição, foram ainda soldados dois apoios metálicos, com uma área de 0.05 × 0.03 m , nos quais se colaram duas borrachas de modo a evitar o contacto directo vidro-metal. A segunda viga de distribuição não sofreu alterações, colocando-se somente duas rótulas metálicas cilíndricas com uma 2 área de 0.06 × 0.12 m , entre a viga de distribuição e a viga mista, para garantir os dois pontos de contacto e uma distribuição simétrica de cargas. Entre as vigas de distribuição e o macaco hidráulico foi colocada uma rótula esférica, com dimensões de 10 × 5 m, e uma célula de carga da marca Novatech, com uma capacidade de carga de 50 kN. Simetricamente ao meio vão, foram colocados dois pares de prumos metálicos (separados de 72.5 cm) para impedir fenómenos de instabilidade lateral, tanto nos ensaios das vigas simples como nos ensaios das vigas rectangulares (a pequena secção transversal, passível de ser sujeita a elevadas tensões de compressão, possibilita a ocorrência do fenómeno, além de que, já tinha sido 102 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP verificada a sua ocorrência noutros estudos – [37]). Os prumos foram colocados entre a viga inferior e superior do pórtico de carga, tendo o cuidado de manter uma distância para as faces laterais das vigas a ensaiar, evitando qualquer atrito. A Figura 102 mostra a disposição geral das vigas, com as respectivas dimensões. Figura 101 - Objectos que serviram de apoio aos ensaios de flexão nas vigas simples e rectangulares: a) guias para apoio das vigas; b) viga de distribuição de cargas. Figura 102 – Disposição geral das vigas para ensaio e respectivas dimensões (em metros). Para a medição do deslocamento vertical a meio vão foram posicionados, sobre o pórtico, deflectómetros electrónicos da marca Compac. Nas vigas simples e na viga R-PU foi utilizado um deflectómetro de 25 mm de curso da marca TML e uma precisão de 0.01 mm. Para as restantes vigas foi utilizado um deflectómetro de 50 mm de curso, também da marca TML e com uma precisão de 0.01 mm. Com os ensaios de flexão pretendia-se, ainda, o registo da evolução das extensões axiais ao longo da altura da secção de meio vão das vigas reforçadas com GFRP. Para isso, foram utilizados extensómetros de várias dimensões, todos da marca TML, modelos PFL-10-11, PL-30-11 e FLA-6-11. As posições e a respectiva numeração dos extensómetros estão ilustradas na Figura 103. Para a viga R-PU, devido a um percalço durante o processo de fabrico não foi possível registar as leituras no extensómetro 3. O registo do valor da carga, do deslocamento e das extensões foi realizado em PC, a uma taxa de 1 leitura por segundo, por meio de uma unidade de aquisição de dados de 100 canais, da marca HBM modelo UPM100. Antes do ensaio, todas as vigas foram envolvidas em papel de celofane, tal como já tinha acontecido para os ensaios de tracção nas ligações. A sua colocação teve como principal objectivo evitar o dano 103 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP de qualquer material eléctrico, aquando do colapso da viga. Nas Figura 104 a 108, ilustram-se os vários tipos de vigas no momento antes do início do ensaio, onde se podem observar vários dos pormenores referidos anteriormente. Figura 103 - Posições dos extensómetros na secção de meio vão: a) vigas rectangulares, de ambos os adesivos; b) vigas em I, de ambos os adesivos. Todas as vigas foram carregadas e levadas à rotura num só ciclo, sem qualquer tipo de descarga durante o ensaio. Somente na viga R-EP é que houve necessidade de efectuar uma paragem a meio do ensaio, devido à ocorrência de um erro informático. Pelas imagens que seguem, verifica-se que a inclusão de reforços de GFRP, tal como seria de esperar, tem efeitos na transparência da viga, diminuindo a quantidade de área transparente. De qualquer forma, as vigas permaneceram com uma considerável transparência, nomeadamente as vigas rectangulares. Esteticamente, as vigas mistas em que se utilizou o adesivo de poliuretano e de cor preta foram as mais afectadas. Novamente, salienta-se que o modo de aplicação não permitiu garantir o melhor acabamento possível, estando em aberto a possibilidade de que um modo de aplicação mais preciso garanta um melhor acabamento. Figura 104 – Configuração do ensaio de uma das vigas de vidro simples. 104 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Figura 105 - Configuração do ensaio da viga mista rectangular com adesivo de poliuretano (R-PU). Figura 106 - Configuração do ensaio da viga mista rectangular com adesivo epóxido (R-EP). Figura 107 - Configuração do ensaio da viga mista com geometria em I e adesivo de poliuretano (I-PU). Figura 108 - Configuração do ensaio da viga mista com geometria em I e adesivo epóxido (I-EP). 3.7.4. Vigas simples – resultados e discussão 3.7.4.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura Foram realizados ensaios de flexão em quatro vigas de vidro simples. Na Tabela 17 são apresentados os valores de rigidez (K), de força última (Fu), do deslocamento a meio vão na rotura (δu) e do local de rotura, obtidos para cada uma das vigas ensaiadas. As respectivas curvas força vs. deslocamento a meio vão estão representadas na Figura 109. O comportamento das vigas esteve de acordo com o previsto, isto é, foi elástico linear até à rotura. Exceptuando pequenas alterações na rigidez de flexão, os resultados foram bastante regulares, com um valor médio da força de rotura de 3.94 kN (e um coeficiente de variação de 12%). Este valor de carga corresponde a uma tensão média de rotura no vidro de aproximadamente 50 MPa. Ainda assim, salienta-se que o valor obtido é substancialmente superior (cerca do dobro) ao obtido por Veer et al. [8] em ensaios realizados em placas de vidro com dimensões inferiores (ver Tabela 2), não 105 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP estando, contudo, fora dos limites atribuídos por outros autores. Uma vez que a rotura nem sempre ocorreu na zona de momento máximo (entre pontos de carga), deve-se tomar este valor de tensão como uma estimativa, remetendo-se a sua justificação para a problemática da fendilhação, exposta no capítulo 2. A Figura 110 exemplifica o modo de rotura das vigas e a Figura 111 demonstra que a rotura da viga S1 ocorreu fora da zona de momento máximo. Tabela 17 - Valores de rigidez (k), força última (Fu), deslocamento a meio vão na rotura (δ u) e local da rotura, alcançados pelas vigas de vidro simples. k [kN/mm] 1.31 1.34 1.33 1.39 1.41 ± 0.04 2.5% Força [kN] Viga S1 S2 S3 S4 CV Fu [kN] 4.10 3.19 3.94 4.31 3.74 ± 0.49 13.0% δu 3.20 2.41 2.98 3.09 2.92 ± 0.35 12.0% Local da rotura fora da zona de momento máximo sob um ponto de carga sob um ponto de carga sob um ponto de carga - 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 S1 S2 S3 S4 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Deslocamento a meio vão [mm] Figura 109 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão das vigas de vidro simples. Figura 110 - Exemplo de uma viga de vidro simples depois da rotura. Figura 111 -Localização da rotura fora da zona de momentos máximos numa das vigas de vidro simples. 106 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Volta-se a referir que estes ensaios tinham como principal intenção servirem de comparação para os ensaios que se seguiram, em vigas mistas. Daqui para a frente, quando em comparação com as vigas mistas, apresenta-se a curva correspondente à viga S3, que se considerou ser representativa do comportamento geral demonstrado pelas vigas de vidro simples. 3.7.5. Viga mista R-PU – resultados e discussão 3.7.5.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura O carregamento da viga mista R-PU foi efectuado de forma idêntica às vigas simples. A viga foi descarregada sem que tivesse colapsado, uma vez que o deflectómetro, por ter atingido o final do seu curso, deixou de ter possibilidades de medir o deslocamento a meio vão. O gráfico força vs. deslocamento é apresentado na Figura 112 e mostra que o comportamento da viga se processa essencialmente em 3 fases. 4,5 S3 4,0 Força [kN] 3,5 R-PU 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 Deslocamento a meio vão Figura 112 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga R-PU. Numa primeira fase o comportamento foi aproximadamente linear até se atingir um valor da força de 3.6 kN. De seguida, houve uma redução da força que correspondeu ao aparecimento da primeira fenda visível no vidro - ponto A. Esta primeira fase de comportamento foi, aliás, muito idêntica ao verificado nas vigas simples, sem que tenha havido alterações significativas na rigidez de flexão. O valor de carga atingido antes do aparecimento da primeira fenda esteve dentro da média dos valores apresentados na Tabela 17, o que indica que não houve qualquer melhoria com a utilização do reforço. Em simultâneo com a descarga, ocorreu um aumento do deslocamento a meio vão praticamente para o dobro – de 3.03 mm para 6.02 mm. No entanto, como se referiu, a descarga foi parcial e não total, o que levou a que a viga mantivesse a sua integridade e permanecesse com capacidade resistente, mesmo após a fendilhação do vidro. O aparecimento da fenda, além de visível, esteve também associado a um forte ruído. A segunda fase do diagrama força vs. deslocamento começa no fim da descarga anterior, após o que, a viga manteve alguma capacidade resistente (perto de 1.04 kN), que aumentou linearmente até 107 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 2.4 kN – ponto B. Esta recuperação deu-se com uma rigidez de flexão menor, comprovada pela inclinação da recta. No ponto B voltou a ocorrer uma nova descarga (visualmente, a perda de capacidade de carga voltou a ser acompanhada de um forte ruído, juntamente com uma nova quebra do vidro). Em geral, após a fendilhação do vidro no ponto A, ao qual correspondeu um forte ruído, os sons característicos de vidro a partir foram uma constante, conjuntamente com a propagação das fendas em direcção aos apoios (Figura 113). A terceira fase foi muito semelhante à segunda. Após a descarga, que levou a viga a perder a quase totalidade da capacidade de carga (a descarga terminou perto de 0.5 kN), voltou a ocorrer uma ligeira recuperação da capacidade resistente, com uma rigidez de flexão ainda mais reduzida. Por esta altura, tanto a deformação da viga (que já apresentava a meio vão mais de 17 mm) como a fendilhação eram já bastante visíveis. Para além disso, no momento da conclusão do ensaio, era já visível uma forte fragmentação do vidro no topo da viga, o que possibilitava facilmente a degradação da mesma (Figura 114). Figura 113 - Propagação das fendas no vidro, durante a fase B do comportamento da viga R-PU. Figura 114 - Forte fragmentação do vidro no topo da viga R-PU após a conclusão do ensaio. Apesar de não ter sido alcançada a rotura total da viga, no momento da conclusão do ensaio, era já visível uma forte fragmentação do vidro no topo da viga, o que possibilitava facilmente a degradação da mesma (Figura 114). No fim do ensaio, a viga apresentava uma força instalada de 0.8 kN e um deslocamento a meio vão de 19.3 mm – ponto C. Comparando a viga mista R-PU com as vigas simples analisadas anteriormente, verificaram-se as seguintes diferenças: Após o aparecimento da primeira fenda no vidro, não se verificou a rotura total da viga. A viga manteve a sua integridade, o que significa que permaneceu com alguma capacidade resistente. 108 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Essa capacidade resistente foi cerca de 66% da força máxima atingida, antes da quebra do vidro. A colocação do reforço de GFRP na base da viga permitiu que se alcançasse um patamar de ductilidade (definido como a relação entre o deslocamento registado aquando da rotura final da viga 14 e o deslocamento registado aquando do aparecimento da primeira fenda visível) antes da rotura global da viga, com uma deformação e fendilhação bem visíveis. Esse patamar de ductilidade correspondeu a um aumento do deslocamento a meio vão de cerca de 640%, por comparação com o deslocamento correspondente ao aparecimento da primeira fenda. Uma vez que com o aumento do patamar de ductilidade há uma substancial perda de carga, para efeitos práticos, é comum considerar-se apenas valores de deslocamentos até 80% do valor máximo de carga registado; a realidade é que, no caso da viga R-PU, não foi possível ultrapassar valores de 65% da carga máxima, o que faz com o que, de forma rigorosa, não se deva admitir patamar de ductilidade; caso se considere que o patamar de ductilidade é válido até ao valor de carga de 65% da força máxima, então o patamar de ductilidade toma o valor de 438%. Apesar das vantagens acima descritas, ao contrário do que seria previsto analiticamente, não foi alcançada qualquer melhoria em termos da capacidade resistente. Como se refere na secção seguinte, tal facto deverá estar relacionado com a reduzido nível de interacção garantido pela ligação entre o GFRP e o vidro, o que impossibilitando a obtenção de um grau de conexão adequado e necessário para que se verificasse um aumento da resistência. Esta dificuldade em garantir um grau de conexão adequado já tinha sido verificada nos ensaios preliminares (ensaios de tracção em ligações por sobreposição dupla). 3.7.5.2. Análise das deformações e grau de interacção Como se referiu, foram colocados extensómetros na secção de meio vão com o intuito de analisar a variação das extensões ao longo da altura da secção. Também foi anteriormente referido que, devido a um percalço durante a fase construtiva, não houve possibilidade de contabilizar a extensão no bordo inferior do vidro (extensómetro 3). Desta forma, o valor correspondente a esse extensómetro que se apresenta é teórico, e resulta da consideração de que a secção do vidro se mantêm plana até ao aparecimento da primeira fenda visível. Optou-se por fazer esta ligação uma vez que sem ela, as possibilidades de análise são limitadas. Além disso, este comportamento assemelha-se ao verificado para a viga I-PU, como se verá mais à frente. Após o aparecimento da primeira fenda deixou de ser 14 Como foi referido, o ensaio da viga R-PU deu-se por concluído antes de a viga atingir a rotura total. Para esta situação, o patamar de ductilidade foi calculado utilizando o deslocamento que a viga apresentava aquando da conclusão do ensaio. 109 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP possível fazer qualquer análise, já que também as variações do extensómetro 2, por comparação com os restantes, parecem ter sido afectadas pela fendilhação no vidro (Figura 116). Contudo, o gráfico da Figura 115 ilustra a variação das extensões axiais na secção de meio vão até ao valor de força que correspondeu ao aparecimento da primeira fenda (primeira fase do gráfico da Figura 112). 120 F=1.0 F=1.5 F=2.0 F=2.5 F=3.0 F=3.6 Altura da secção [mm] 100 80 60 40 20 0 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 Extensão axial [1x10-6] Figura 115 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga R-PU (para várias forças aplicadas [kN]). Antes da fendilhação do vidro e mesmo para valores reduzidos de carga, foi visível a existência de deslizamento entre os dois materiais, e que este foi aumentando à medida que se aumentava a carga. Desta forma, não havendo interacção total entre os dois materiais, concluiu-se que não se verificou a hipótese de Bernoulli (secção manter-se plana e perpendicular ao eixo da viga) na secção analisada. Note-se, contudo, que este nível de interacção foi suficiente para garantir o efeito de tirante entre os dois materiais, sendo bastante visível o aumento da curvatura no material GFRP após o aparecimento da primeira fenda visível, quer pela análise da Figura 115, quer pela análise da Figura 116, onde em ambas se verifica o aumento da inclinação na segunda fase de carregamento. Na Figura 116 encontra-se ilustrado o andamento do registo das leituras dos extensómetros ao longo do ensaio. Pela análise do gráfico da Figura 117 verifica-se que, eliminando as primeiras leituras dos extensómetros (assumindo que poderão haver erros de leitura para níveis reduzidos de força), a posição da linha neutra aproxima-se do valor calculado analiticamente, e que era igual a 58.5 mm, apesar de este valor ter em conta a hipótese de conexão total. 110 Posição da linha neutra [mm] Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 100 80 A 60 40 20 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Força Aplicada [kN] (Fase 1) Figura 116 – Gráfico extensão axial vs. força aplicada medidas na secção de meio vão da viga R-PU. Figura 117 - Gráfico força aplicada vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga R-PU, até ao ponto A da Figura 112. 3.7.6. Viga mista R-EP – resultados e discussão 3.7.6.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura O carregamento da viga mista R-EP decorreu da mesma forma que os dois tipos de vigas anteriores, tendo-se tido o cuidado de substituir o deflectómetro utilizado anteriormente por outro com 50 mm de curso, o que permitiu a medição do deslocamento a meio vão da viga até ao colapso. O gráfico força vs. deslocamento da viga R-EP é apresentado na Figura 118. 6,0 S3 B Força [kN] 5,0 R-PU A R-EP 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 Deslocamento a meio vão [mm] Figura 118 – Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga R-EP. Numa análise global, é visível que o comportamento desta viga foi consideravelmente diferente do que o da viga R-PU, particularmente ao nível da resistência. No entanto, voltaram a demonstrar-se características de ductilidade antes da rotura total da viga. Em termos de análise, ao contrário da viga R-PU, aqui já não fará muito sentido dividir o gráfico em várias trajectórias, já que apesar de serem 111 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP facilmente identificáveis, poucas são as diferenças entre elas. Por outro lado, é importante distinguir no gráfico duas fases completamente distintas. O início do carregamento (até ao ponto A) desenvolveu-se de forma linear, já que é assim que se comportam todos os materiais constituintes da viga – incluindo o adesivo epóxido. O carregamento ocorreu sob rigidez de flexão constante e terminou com uma descarga parcial para um valor da força de cerca de 4.75 kN – neste ponto, a viga apresentava um deslocamento a meio vão de 3.5 mm. A esta descarga correspondeu o aparecimento da primeira fenda visível na viga, à qual se seguiu, de imediato, o aparecimento de outras tantas fendas de igual formato (com orientação aproximadamente vertical) e ao longo de todo o comprimento de momento máximo (Figura 119), algo que não tinha sido registado no comportamento da viga R-PU. Do ponto A ao ponto B, o comportamento da viga caracterizou-se por uma nítida capacidade de redistribuição de tensões por todos os materiais da mesma, o que garantiu uma gradual recuperação da força. Como se pode ver pela Figura 118, esta fase foi constituída por pequenas trajectórias lineares de carregamento e outras tantas de descarga. Estas últimas foram sempre inferiores às descargas que ocorreram no fim da fase A, de tal modo que permitiram que o nível de força fosse aumentando gradualmente, embora com uma significativa redução de rigidez. Associado à progressiva redução de rigidez esteve o aumento da fendilhação no placa de vidro, que tanto se caracterizou pela ampliação e união das fendas existentes a meio vão, como também por uma propagação de novas fendas, inclinadas, em direcção os apoios, num fenómeno muito idêntico ao ocorrido em vigas de betão armado (Figura 120). Figura 119 - Fendas entre pontos de carregamento que surgiram após a primeira descarga da viga R-EP. Figura 120 - Encaminhamento e inclinação das fendas em direcção ao apoio na viga R-EP. Ao alcançar o ponto B e imediatamente antes da rotura, houve uma recuperação total da capacidade resistente e até um ligeiro aumento, atingindo-se um valor de força de 4.94 kN. Acompanhando esta recuperação houve um forte aumento da deformação a meio vão, com o consecutivo e progressivo aparecimento de fendas. 112 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Antes de atingir a rotura, a fendilhação da viga continuou a desenvolver-se atingindo, inclusive, o topo da mesma. Ao aumento da fendilhação, correspondeu também um aumento da fragmentação do vidro e o aumento da reunião das fendas (Figura 121). A rotura final da viga acabou por ocorrer por destacamento entre o vidro e o perfil de GFRP, junto ao apoio. Imediatamente após este destacamento, formou-se uma fenda a toda a altura do vidro, que levou ao colapso da viga (Figura 122). A rotura ocorreu quando a viga apresentava uma força aplicada de 4.85 kN e um deslocamento a meio vão de 13.8 mm. Figura 121 - Fragmentação do centro da viga antes da rotura da viga R-EP. Figura 122 - Rotura da viga R-EP, por destacamento entre o vidro e o perfil de GFRP perto do apoio. Comparando o comportamento da viga mista R-EP, com as restantes vigas ensaiadas até então, são visíveis várias alterações, nomeadamente as seguintes: Não houve um aumento significativo da rigidez de flexão inicial face às vigas de vidro simples e, consequentemente, face à viga R-PU. Houve um aumento de 22% da capacidade resistente inicial (antes do aparecimento da primeira fenda), face à média obtida das vigas de vidro simples, e de 32% face à viga RPU. Após o aparecimento da primeira fenda, foi possível manter a integridade da viga sem a quebra total da mesma. Com a primeira fenda, houve uma redução súbita da força instalada de cerca de 30%. Após a fendilhação inicial, foi possível recuperar a totalidade da força resistente da viga atingindo-se, até, um pequeno aumento imediatamente antes da rotura. O patamar de ductilidade correspondeu a um aumento de deformação a meio vão de cerca de 394%. 3.7.6.2. Análise das deformações e grau de interacção O resultado da medição das extensões axiais na secção de meio vão da viga está representado na Figura 123. Tal como para a viga anterior, o aparecimento da primeira fenda visível no vidro afectou 113 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP as leituras registadas pelo extensómetro que se encontrava na posição 2, deixando mesmo de transmitir resultados, obrigando a que, mais uma vez, a análise do comportamento da ligação e da secção se restrinja até ao momento em que surgiu a primeira fenda. Este aspecto encontra-se salientado no gráfico da Figura 124, onde se ilustra a variação das leituras dos extensómetros ao longo do ensaio e se verifica como as leituras do extensómetro 2 terminam abruptamente após o aparecimento da primeira fenda visível. A partir da análise das leituras dos extensómetros, confirma-se que a viga foi solicitada como um todo, isto é, apresentou um nível de interacção muito perto do total. De facto, até uma força de 4.75 kN a hipótese de Bernoulli foi validada, com a secção a manter-se praticamente plana. Consequentemente, a verificação da hipótese de Bernoulli implica a existência de um elevado grau de conexão e de interacção, algo que também é verificável pela Figura 123. 120 F=1.0 F=1.5 F=2.0 F=2.5 F=3.0 F=3.5 F=4.0 F=4.5 F=5.0 Altura da secção [mm] 100 80 60 40 20 0 -800 -600 -400 -200 0 Extensão axial 200 400 600 800 [1x10-6 ] Figura 123 – Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga R-EP (para várias forças aplicadas [kN]). Após a rotura do vidro (que, como referido, ocorreu para uma força ligeiramente superior a 4.7 kN), houve uma clara alteração no comportamento da secção. A mais visível prendeu-se com um aumento da extensão no GFRP, o que é consistente, já que a fendilhação no vidro obrigou a uma transferência de tensões para o perfil de reforço, levando a um aumento de tensões neste material e, consequentemente, a um aumento das extensões. A evolução da posição da linha neutra ao longo do ensaio, também indica uma boa integração do reforço de GFRP - Figura 125. A altura da linha neutra esteve muito próxima da posição calculada segundo processos analíticos (58.5 mm). 114 Posição da linha neutra [mm] Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 100 80 A 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Força aplicada [kN] Figura 124 – Gráfico extensão axial vs. força aplicada, medidas na secção de meio vão da viga R-EP. Figura 125 – Gráfico força aplicada vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga R-EP. 3.7.7. Viga mista I-PU – resultados e discussão 3.7.7.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura O gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga com geometria em I e adesivo de poliuretano (IPU) é apresentado na Figura 126. Nessa mesma figura apresenta-se, também, a curva representativa do comportamento das vigas simples de vidro (a viga S3), já apresentada na Figura 109. A viga foi carregada monotonicamente, tendo-se concluído o ensaio quando o deflectómetro a meio vão atingiu o final do seu curso. Também esta viga mista de vidro-GFRP evidenciou alguns pontos importantes no que se refere ao seu comportamento. 9 C 8 B 7 D Força [kN] 6 A 5 4 S3 3 I-PU 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Deslocamento a meio vão [mm] Figura 126 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga I-PU. Até ao ponto A e até uma força aplicada de 5.02 kN, o comportamento da viga foi linear com rigidez de flexão constante, muito semelhante ao que se tinha verificado tanto nas vigas simples como nas vigas mistas já analisadas. O ponto A coincidiu com um ponto de descarga que, como já ocorrido nas 115 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP vigas anteriores, correspondeu ao aparecimento da primeira fenda visível e do primeiro forte ruído de vidro a partir. Esta primeira fenda ocorreu precisamente sob um dos pontos de carga e teve uma evolução imediata até ao topo visível da viga, ao mesmo tempo que se ramificava em várias fendas, em forma de leque (Figura 127). O troço AB apresentou um comportamento inicialmente linear, mas, perto do ponto B, começou a apresentar sinais de não linearidade. O aparecimento da primeira fenda visível não foi sinónimo de rotura total e, após a pequena perda de força no ponto A, a viga teve capacidade não só de recuperar a força perdida como também de a ultrapassar, até um valor acima de 7.5 kN – ponto B. No ponto B o deslocamento a meio vão era de 10.5 mm, sendo já facilmente perceptível uma curvatura acentuada da viga. Durante a recuperação gradual de força, houve ainda uma ligeira descarga, que originou o/a desenvolvimento/propagação horizontal da primeira fenda, em direcção ao apoio. No entanto, este desenvolvimento mostrou-se muito menos extenso horizontalmente quando em comparação com as outras vigas, nunca chegando a alcançar o apoio. No ponto B, voltou a registar-se o aparecimento de uma nova fenda, desta vez sob o outro ponto de carga, com forma e desenvolvimento idênticos aos da primeira fenda (Figura 128). Na curva força vs.. deslocamento esta ocorrência foi acompanhada de uma nova descarga. Daqui para a frente, a viga voltou a recuperar força mas, desta vez, com comportamento claramente não linear. Perto do ponto C, a viga recuperou o máximo da sua capacidade resistente (antes disso atingida no ponto B), mas apresentou de seguida um patamar horizontal, com aumento de deformação para força constante. Visualmente, o troço BC não foi caracterizado por um aumento da fendilhação ao longo de todo o comprimento da viga, mas sim por um aumento concentrado da fendilhação do vidro, nomeadamente no local onde apareceu a primeira fenda e donde, continuamente, foram audíveis sons de vidro a partir (Figura 129). Ao atingir o ponto C, a viga apresentava um deslocamento a meio vão de 23.0 mm, acompanhado de uma forte curvatura das suas secções. A força aplicada na viga era de 7.8 kN. Figura 127 - Primeira fenda visível na viga I-PU. Figura 128 - Segunda fenda visível na viga I-PU. 116 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Depois do ponto C, gradualmente, a força aplicada foi diminuindo até estabilizar num valor de 5.5 kN, tendo ocorrido um aumento do deslocamento a meio vão sem que se verificassem grandes alterações na força. Antes de se finalizar o ensaio, a viga mostrou uma ligeira recuperação da força até 6.0 kN, mas com o contínuo aumento de deslocamento a meio vão, bem visível na Figura 131 – cerca de 40 mm. Visualmente, o troço CD foi caracterizado pela forte fragmentação do vidro na zona da primeira fenda. Foram registados pequenos fragmentos de vidro a saltar e foram ouvidos repetidos sons de vidro a partir. Ao mesmo tempo, num dos limites laterais da viga, foi perceptível o deslocamento relativo do vidro (juntamente com o banzo superior da viga) face ao banzo inferior da mesma (Figura 130). Este deslizamento deveu-se à forte fragmentação da viga na zona da primeira fenda, o que possibilitou o destacamento do vidro do banzo inferior. Como foi referido, tal como no ensaio da viga R-PU, este ensaio foi concluído pelo facto de o deflectómetro ter atingido o final do seu curso. Ao descarregar-se a viga, ela recuperou uma parte significativa das suas deformações, o que se deveu, em grande medida, à manutenção da integridade e resposta elástica-linear dos perfis de GFRP. Figura 130 - Pormenor do deslizamento ocorrido da alma de vidro na viga I-PU. Figura 129 - Pormenor da forte fragmentação junto à primeira fenda da viga I-PU. Figura 131 - Forte curvatura da viga I-PU antes da conclusão do ensaio. 117 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP A alteração da geometria e da quantidade de reforço (com consequentes alterações nas propriedades geométricas e na rigidez da viga) possibilitou, relativamente às vigas anteriores, as seguintes alterações no comportamento: Ocorreu um aumento da rigidez de flexão inicial, que se deveu tanto ao aumento da quantidade de reforço (o que, globalmente, conferiu mais inércia às vigas), como também devido às alterações geométricas efectuadas. A primeira fenda visível teve um desenvolvimento horizontal inferior ao ocorrido nas vigas anteriores. A primeira descarga originou uma redução da força aplicada de 37%. No ponto B, a redução da força foi de 22%. Após um determinado nível de dano, registou-se a ocorrência de um patamar praticamente horizontal na curva força vs. deslocamento, com aumento do deslocamento, sem variação da força aplicada. Após a primeira fenda, a viga voltou a recuperar a sua capacidade de carga, tendo a força aplicada aumentado cerca de 150%. O patamar de ductilidade, já definido anteriormente, foi cerca de 883% ou de 1343%, respectivamente, caso se tenha em conta que o patamar de ductilidade deve terminar no valor de 80% da carga máxima registada ou não, respectivamente. Apesar do deslocamento máximo a meio vão ter sido muito significativo, após a conclusão do ensaio, a viga recuperou uma parte substancial das deformações sofridas. 3.7.7.2. Análise das deformações e grau de interacção A variação das extensões axiais ao longo da altura da secção de meio vão da viga, para diferentes valores de força aplicada, é apresentada na Figura 132. Para esta viga, é também apresentado o gráfico com a variação das leituras dos extensómetros com o decorrer do ensaio (Figura 133) e o gráfico com a variação do deslizamento na interface superior e na interface inferior ao longo do carregamento (Figura 134). Do gráfico da Figura 133 é visível que, exceptuando o extensómetro número 2 (que, a partir fendilhação do vidro, parece ter um comportamento distinto do que vinha a apresentar), todos os extensómetros parecem apresentar um bom comportamento. Não obstante, optou-se por representar a variação das extensões axiais até pouco depois da ocorrência da primeira fenda, de forma a ser possível analisar a ocorrência do efeito de tirante. Globalmente, pode-se concluir que o nível de interacção obtido nesta viga é reduzido. São visíveis deslizamentos significativos entre os perfis de GFRP e o perfil de vidro, tanto na interface superior como na interface inferior. Desta forma, a teoria de Bernoulli nunca foi garantida nesta secção, nem mesmo antes de ocorrer qualquer fendilhação no vidro. A Figura 134 pretende ilustrar esse mesmo 118 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP deslizamento, que foi aumentando continuamente com o valor da força aplicada. Somente a ocorrência de fortes fendas (recorde-se que as fendas surgiram debaixo dos pontos de carga e que o deslizamento e que as extensões foram medidas a meio vão, local onde a extensão relativa entre os dois materiais é menor) moderou a constante subida do deslizamento. Por outro lado, a transmissão de tensões entre os dois materiais prova que, apesar de a secção aparentar um nível de interacção na ligação entre os dois materiais muito reduzido, este nível foi suficiente para que se mantivesse uma ligação efectiva com capacidade de garantir o efeito de tirante, tal como já tinha acontecido para a viga R-PU. Da mesma forma, por análise do gráfico da Figura 132, verifica-se que ao ocorrer a primeira fenda, verifica-se uma diminuição das extensões no vidro e um aumento no GFRP. Altura da secção [mm] 125 F=1.0 F=2.0 F=3.0 F=4.0 F=4.5 F=5.37 F=3.37 (Fase A a B) F=4.5 (Fase A a B) 100 75 50 25 0 -600 -400 -200 0 Extensão axial 200 400 600 [1x10-6 ] Figura 132 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga I-PU (para várias forças aplicadas [kN]). Extensão de deslizamento [1x10-6] 800 D sup 700 D inf 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Força aplicada [kN] Figura 134 – Gráfico força vs. extensão de deslizamento na interface superior e inferior na viga I-PU. Figura 133 - Extensão axial vs. número de leitura, medidas na secção de meio vão da viga I-PU. O gráfico da Figura 135 ilustra o comportamento da altura da linha neutra à medida que se aumentou a força aplicada. Deste gráfico constata-se que após a fendilhação do vidro a posição da linha neutra baixou relativamente ao momento imediatamente anterior, comportamento que não esteve de acordo 119 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP com o esperado. De facto, de acordo com a teoria de fendilhação exposta no início do capítulo, a representação teórica de uma secção fendilhada pode ser feita através de uma secção de vidro em que se elimina a parte fendilhada, o que resulta numa secção com menor altura de material. Deste modo, o momento estático da parte inferior da secção diminuiu o que obriga a uma subida do centro de gravidade da secção de modo a colmatar essa diminuição. Dado que está em regime linear, a posição da linha neutra deveria acompanhar a posição do centro de gravidade, daí que não fosse expectável uma diminuição da altura da linha neutra. Uma possível justificação para este facto poderá residir no nível de interacção, que poderá ter sido afectado após a fendilhação do vidro (e a consequente subida de tensões no GFRP) criando alguma assimetria na secção, colmatando a subida da altura da linha neutra. Posição da linha neutra [mm] 125 100 75 A B 50 25 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Força Aplicada [kN] Figura 135 – Gráfico força vs. altura da linha neutra na secção de meio vão da viga I-PU. 3.7.8. Viga mista I-EP – resultados e discussão 3.7.8.1. Deformabilidade, resistência última e modo de rotura O gráfico força vs. deslocamento da última viga analisada, a viga I-EP, é apresentado na Figura 136. Tal como para as vigas rectangulares, a viga em I com adesivo epóxido demonstrou um comportamento global bastante distinto da viga com a mesma geometria mas com um adesivo de poliuretano. Mais uma vez, é possível dividir o comportamento da viga em várias trajectórias, algo que já se tinha verificado nas restantes vigas reforçadas. A primeira fase (até um nível de força próximo de 15.5 kN) foi caracterizada por uma variação linear do deslocamento a meio vão com a força aplicada, reflectindo as características mecânicas de todos os materiais constituintes da viga – incluindo o adesivo epóxido. No ponto A ocorreu o aparecimento da primeira fenda visível no vidro, algo que é perceptível no gráfico pela ligeira diminuição da inclinação da recta que até então tinha caracterizado o comportamento da viga - ligeira diminuição da rigidez da viga. Esta fenda teve um aspecto muito idêntico ao ocorrido na viga I-PU e apareceu precisamente a meio vão (Figura 137). 120 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP 35 E C 30 B Força [kN] 25 S3 D I-PU 20 I-EP A 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Deslocamento a meio vão [mm] Figura 136 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão da viga I-EP. Do ponto A ao ponto B, a curva força vs. deslocamento apresentou uma certa curvatura, ou seja, o comportamento foi ligeiramente não linear. Este comportamento foi fruto da consecutiva diminuição de rigidez da viga, que foi acompanhada por pequenas diminuições da força aplicada, quase insignificantes. Visualmente, a perda de rigidez foi verificada pelo aparecimento consecutivo de fendas com geometria e abertura semelhantes à da primeira fenda visível e com alguma ordem e espaçamento (começaram por aparecer fendas debaixo dos pontos de carga e, de seguida, todo o comprimento entre pontos de carga ficou totalmente preenchido por fendas - Figura 138). Figura 137 - Primeira fenda visível na viga I-EP, que surgiu precisamente a meio vão. Figura 138 - Fendilhação entre pontos de carga na viga I-EP. Quando se atingiu o ponto B (força aplicada de 26.0 kN e deslocamento a meio vão de 6.5 mm), ocorreu a primeira redução de força evidente, consequência da forte fendilhação visualizada por essa altura e que se caracterizou pelo encaminhamento das fendas até um dos apoios, num fenómeno idêntico ao que já tinha sido visualizado para a viga R-EP (Figura 139). 121 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP No segmento seguinte da curva, o comportamento voltou a ser aproximadamente linear e a viga, não só atingiu a força máxima anterior (correspondente ao ponto B), como chegou mesmo a atingir um novo valor máximo da força no ponto C, cerca de 28 kN. Apesar de o grau de fendilhação ser já elevado e não ter sido perceptível o aparecimento de novas fendas (a não ser a união das já existentes na parte superior do vidro), o ruído de vidro a partir era uma constante. Ao atingir o ponto C, houve uma nova perda de força, acompanhada pelo encaminhamento de fendas para o outro apoio - Figura 140. Figura 139 - Encaminhamento da fendilhação para um dos apoios na viga I-EP. Figura 140 - Encaminhamento da fendilhação para ambos os apoios na viga I-EP. O troço CD caracterizou-se por reduções e aumentos da força aplicada, sem que a viga tenha conseguido recuperar a carga máxima. Ao atingir o ponto D a viga apresentava um deslocamento a meio vão de 11.8 mm. No troço DE a viga voltou a recuperar a força instalada, desta vez de uma forma claramente não linear, o que certamente se deveu ao aumento da fragmentação do vidro. Por outro lado, a extensa fendilhação não foi impeditiva para que a viga voltasse a recuperar toda a carga já perdida e mesmo de atingir um novo máximo de força, correspondente a uma capacidade resistente de valor igual a 30.8 kN – ponto E. Este ponto foi coincidente com a rotura da viga. Esta mostrou-se explosiva e levou à total desintegração da alma de vidro (Figura 141). Para a viga I-EP, comparativamente às restantes vigas ensaiadas, foram verificas francas melhorias no comportamento à flexão, destacando-se as seguintes: No primeiro troço, verificou-se uma elevada rigidez de flexão, que foi cerca de 3 vezes superior às vigas rectangulares e 2.5 vezes superior à viga I-PU. A perda de capacidade de carga que acompanhou o aparecimento da primeira fenda visível foi insignificante, face ao registado nos casos anteriores. A primeira fenda visível desenvolveu-se para uma força de 16.3 kN, o que representa um aumento de 325% face à viga R-EP e de 302% face à viga I-PU. 122 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Após o aparecimento da primeira fenda visível foi possível aumentar significativamente a força instalada, nomeadamente em cerca de 200%. O patamar de ductilidade alcançado foi de 426%, valor que é bastante inferior ao alcançado na viga I-PU, mas que, ainda assim, é bastante significativo. Figura 141 - Viga I-EP após rotura total. 3.7.8.2. Análise das deformações e grau de interacção Para permitir a análise do grau de interacção da secção, foram medidas as deformações axiais a diferentes alturas da secção de meio vão, através da colocação de extensómetros. Os resultados são visíveis através do gráfico da Figura 142, que mostra a variação da extensão com a altura da secção para diferentes valores da força. Apresenta-se também a evolução das leituras dos extensómetros com o aumento da força aplicada (Figura 143). Nesta última figura, é perceptível que o extensómetro 6 sofreu um decréscimo das tensões axiais no momento do aparecimento da primeira fenda visível no vidro, algo que contrastou com o comportamento dos restantes extensómetros. Mais tarde, perto da leitura 1200, o extensómetro 5 também sofreu um decréscimo de extensões, o que leva a crer que também foi afectado pelo desenvolvimento de fendas no vidro. As leituras dos restantes extensómetros parecem não ter sido afectadas com o decorrer do ensaio. Da análise da Figura 142 é perceptível o comportamento misto da secção na fase inicial, com um deslizamento praticamente nulo entre os materiais, comprovando um excelente nível de interacção. A ligeira diferença na inclinação da curva dos dois materiais, especialmente no banzo superior, mostra que a hipótese de Bernoulli não é totalmente comprovada, mas que é uma boa aproximação, demonstrando, mais uma vez, o excelente nível de interacção obtido na ligação com este tipo de adesivo. Pelas leituras dos extensómetros é ainda possível constatar o funcionamento em conjunto dos dois materiais na redistribuição de tensões, já que após a fendilhação do vidro é denotado o 123 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP aumento da curvatura no banzo inferior da viga mista, devido à transferência de tensões entre os dois materiais. Para carregamentos superiores o nível de interacção manteve-se, tal como as diferenças verificadas ao nível das curvaturas (Figura 144). Altura da secção [mm] 125 F=2.5 F=5.0 F=7.5 F=10.0 F=12.5 F=15.0 F=17.5 (Fase A a B) 100 75 50 25 0 -1000 -500 0 500 Extensão axial 1000 1500 [1x10-6 ] Figura 142 – Gráfico extensão axial vs. altura da secção da viga I-EP (para várias forças aplicadas [kN]). Altura da secção [mm] 125 100 F=25 F=28 F=29 F=30.8 75 50 25 0 -2000 Figura 143 – Gráfico extensão axial vs. número de leituras, medidas na secção de meio vão da viga I-EP. -1000 0 1000 2000 Extensão axial [1x10-6] Figura 144 - Extensão axial vs. altura da secção da viga I-EP (para várias forças aplicadas [kN], durante a fase D a E). A variação da posição da linha neutra com a evolução do carregamento é ilustrada na Figura 145. Como se pode observar, na primeira fase de carregamento, a posição da linha neutra é praticamente constante, localizando-se muito perto dos 60 mm e muito perto da posição meia altura da secção (relembre-se que a secção é totalmente simétrica, com 124 mm de altura, o que faz com que a meia altura seja a 62 mm). Após a primeira fenda, e eliminando as leituras do extensómetro 6, verifica-se que ocorreu uma subida da posição da linha neutra, tal como seria expectável, o que novamente demonstra o excelente comportamento da secção para além da concordância com os conceitos teóricos expostos. 124 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Altura da linha neutra [mm] 125 100 75 A 50 25 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Número de leitura [-] Figura 145 - Gráfico altura da linha neutra no decorrer do ensaio. 3.8. Sumário e discussão de resultados O estudo efectuado incluiu o ensaio de quatro vigas mistas vidro-GFRP. Em todas as vigas, o comportamento misto foi garantido pela aplicação de um adesivo estrutural, tendo sido ensaiadas vigas constituídas por dois tipos de adesivo. Os dois tipos de adesivos, quando isolados, apresentaram características e comportamentos estruturais distintos, particularmente em termos de rigidez, suscitando interesse em estudar vigas compostas pelos dois tipos de adesivos. Apesar disso, em ambas as vigas foi possível registar uma rotura dúctil, variando somente a dimensão do patamar de ductilidade, definido no estudo como a relação entre o deslocamento ocorrido aquando registado aquando da rotura final da viga e o deslocamento registado aquando do aparecimento da primeira fenda visível e a resistência pós-rotura, definida no estudo como a relação entre a força registada aquando do aparecimento da primeira fenda visível e a força registada na rotura total da viga. As principais diferenças foram observadas ao nível da eficiência na utilização do reforço, resultado que, intrinsecamente, esteve relacionado com a eficiência da ligação. Deve-se então, retirar ilações distintas para as vigas constituídas pelo adesivo à base de poliuretano e para as vigas à base de resina epóxi. Para uma comparação mais sucinta, tenha-se em conta os dados contidos na Tabela 18, que resume os valores mais importantes a reter no que se refere aos resultados dos ensaios de flexão das vigas. Tenha-se também em conta que a variação de rigidez é obtida por comparação com a rigidez média das vigas de vidro, que a resistência pós-rotura é obtida pela divisão entre o valor máximo de força alcançado pela viga após fissuração e o valor de força registado aquando do aparecimento da primeira fenda visível, e que o patamar de ductilidade é a comparação entre o deslocamento final da viga e o deslocamento registado aquando do aparecimento da primeira fenda visível. Apresenta-se, ainda, o valor do patamar de ductilidade corrigido, que difere do patamar de ductilidade não corrigido por ser calculado com base no deslocamento da viga em 80% da força máxima alcançada pela viga e não com base no deslocamento final (já numa fase de descarga ou e recuperação, dependendo dos 125 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP casos). A comparação gráfica e as curvas força vs. deslocamento a meio vão de todas as vigas é ilustrada na Figura 146. Tabela 18 - Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de flexão das vigas de vidro e das vigas mistas vidroGFRP. Tipo de viga Vidro Carga na primeira fenda [kN] Variação da carga de fendilhação [%] Carga máxima [kN] Resistência pós rotura [%] Rigidez inicial [kN/mm] Variação de rigidez [%] δ na primeira fenda [mm] δ em 80% da carga máxima [mm] δ na rotura R-PU I-PU I-EP 3.60 4.75 5.00 - 96% 127% 134% 414% 3.74 3.60 4.94 7.80 30.81 0% 67% 104% 156% 199% 1.34 1.294 1.437 1.735 4.551 - 97% 107% 129% 340% 2.92 3.03 3.5 3.0 3.5 - 13.27 - 26.5 - [mm] 2.92 19.3 13.8 40.3 14.9 Patamar de ductilidade [%] 0% 537% 294% 1243% 326% Patamar de ductilidade corrigido [%] - 338% 294% 783% 326% 1 Valor que não correspondeu ao colapso da viga. 2 Calculado com base no δ em 80% da carga máxima. 3.74 R-EP 15.5 Como se referiu, com este estudo comprovou-se ser possível o uso de vigas mistas vidro-GFRP, com os dois materiais ligados por adesivos estruturais. Comprovou-se, também, ser possível obter uma rotura “segura” de elementos de vidro por ligação adesiva a um perfil de GFRP. Ou seja, após a primeira fenda, todas as vigas reforçadas com GFRP mantiveram a sua integridade, permanecendo com uma reserva de capacidade resistente, que foi variável de viga para viga. Mais concretamente, após o aparecimento da primeira fenda, as vigas tiveram uma redução de força de 34%, de 30%, e de 37%, respectivamente para as vigas R-PU, R-EP e I-PU. A viga I-EP teve uma redução de carga desprezável. 35 S3 30 I-PU Força [klN] 25 I-EP 20 R-PU 15 R-EP 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Deslocamento a meio vão [mm] Figura 146 - Gráfico força vs. deslocamento a meio vão de todas as vigas ensaiadas. 126 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP Uma característica comum às vigas R-PU e I-PU (ou seja, em que a ligação foi efectivada com adesivo de poliuretano) foi o deslizamento muito significativo verificado na interface entre os materiais, vidro e GFRP, ou seja, obteve-se um nível de interacção parcial. A justificação para este facto prendeu-se com a qualidade e rigidez da colagem obtida com este adesivo. A elevada viscosidade, juntamente com as elevadas alterações volumétricas, proporcionaram o aparecimento de bolhas de ar que alteraram significativamente a qualidade da camada de colagem. Para além disso, de acordo com Correia [72], adesivo com reduzida rigidez podem originar ligações de interacção parcial, estando, neste caso, unicamente dependentes das características mecânicas do adesivo. Por agora, os dados experimentais não permitem aferir se o comportamento registado nas vigas com adesivo de poliuretano se deve a um ou a outro fenómeno (problemas de adesão ou reduzida rigidez). Contudo, o nível de interacção parcial é comprovado tendo em conta o comportamento obtido pelas vigas R-EP e I-EP, que por serem constituídas por um adesivo que não apresentou as mesmas dificuldades durante o processo de colagem, apresentarem valores de deslizamento praticamente desprezáveis. Da análise dos extensómetros destas últimas vigas, comprovou-se ser possível obter um grau elevado de interacção, caso se utilize um adesivo que proporcione uma rigidez e níveis de qualidade suficientes. Mesmo para níveis de carga elevados, a ligação foi capaz de manter a sua capacidade de transmissão de esforços, capacidade que se revelou fulcral após a fendilhação do vidro. A capacidade de transmissão de esforços tem efeitos directos na resposta estrutural da viga, como seria de esperar e como se pôde observar. Dos ensaios realizados, concluiu-se que o desempenho das vigas constituídas por adesivo de poliuretano ficou aquém do que seria de esperar, caso a ligação tivesse melhores características. O gráfico da Figura 146 corrobora essa ideia, já que para ambas as geometrias de viga, foi recorrente as vigas constituídas por adesivo poliuretano apresentarem resistências relativamente inferiores face às vigas constituídas por adesivo epóxido. Para as vigas rectangulares, a diferença de resistência foi de 135%, quando comparando a carga máxima atingida. Na realidade, a viga R-PU apresentou uma resistência inferior à média das vigas de vidro simples, o que poderá, todavia, dever-se às normais imperfeições no material vidro. Para as vigas em com geometria em I, a diferença é mais significativa, aumentando para 396%. As diferenças de desempenho podem ainda ser observadas pelo grau de fendilhação das vigas, nomeadamente do material vidro. Pelas imagens apresentadas ao longo desta campanha experimental, observa-se que o vidro apresentou uma maior fendilhação nas vigas que utilizaram adesivo epóxido facto que corrobora a conclusão de que nestas vigas se explorou em maior grau as capacidades dos materiais utilizados. Considera-se, portanto, que o potencial (em termos de resistência) da junção destes dois tipos de materiais fica demonstrado pelas vigas em que se utilizou adesivo epóxido. Um outro aspecto importante a salientar prende-se com a definição carga de fendilhação, isto é, a resistência alcançada pelas vigas sem que ocorresse qualquer fendilhação visível, valor que passa a ser possível definir com a incorporação do reforço de GFRP. Com efeito, uma vez que a fendilhação 127 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP inicial do vidro não coincidiu com o colapso da viga, passa a existir um valor intermédio de resistência que faz a passagem entre a fase não fendilhada do vidro e a fase fendilhada. Note-se, contudo, que além da importância que este valor tem pela evolução que significa em termos de comportamento, este valor foi, em três (viga R-EP, viga I-PU e viga I-EP) das quatro vigas analisadas, superior ao registado para as vigas de vidro simples. Este facto estava previsto pelos cálculos analíticos, mas salienta-se a sua importância caso se queira fazer a distinção, em estudos futuros, entre um estado limite de serviço e um estado limite último, por analogia ao que acontece com outros materiais estruturais. Ao contrário do betão, um ELS do vidro exigirá sempre que os elementos em vidro não se encontrem fendilhados (dificilmente se aceitarão fendas numa placa de vidro que estraguem a estética da peça) o que demonstra a importância deste valor intermédio. Outro aspecto que é interessante analisar prende-se com o grau de ductilidade das vigas. Já se referiu anteriormente que, em todas as vigas reforçadas com GFRP, foi possível obter uma rotura dúctil, ou seja, o comportamento frágil observado nas vigas de vidro simples não se repetiu para as vigas reforçadas com GFRP. Em vez disso, após o aparecimento da primeira fenda (que coincidiu, em três das quatro vigas, com uma redução da força aplicada) as vigas mantiveram a sua integridade e alguma da sua capacidade resistente. Nas conclusões dos ensaios de sobreposição dupla, foi referido que o principal interesse em utilizar um adesivo com comportamento reduzida rigidez e elevada capacidade de deformação, caso do adesivo de poliuretano, era conferir à viga um comportamento dúctil obtido pelo desenvolvimento de elevados deslocamentos que seriam garantidos pela flexibilidade do material adesivo. Tal acabou por não se revelar fulcral, já que tanto a viga R-EP como a viga I-EP mostraram comportamento dúctil após a fendilhação, garantido pelo efeito tirante e pela capacidade de redistribuição de esforços do conjunto. Assim, em termos de deformação, as vigas com os dois tipos de adesivos distinguiram-se pela dimensão do patamar de ductilidade, que se mostrou muito maior nas vigas com adesivo de poliuretano. Para as leituras registadas, a diferença entre o patamar de ductilidade foi de 1.4 vezes para as vigas rectangulares, e de 2.7 vezes para as vigas com geometria em I. Volta-se a referir que, em nenhuma das vigas com adesivo de poliuretano se obteve uma rotura total, tendo-se descarregado as vigas antes do colapso e quando os respectivos deflectómetros atingiram o final do seu curso. No entanto, é de salientar que a viga I-PU só obteve um patamar com tal extensão, à custa de um deslizamento do vidro no interior dos banzos de GFRP. Caso esse movimento estivesse impedido, provavelmente não se teria obtido um patamar de ductilidade tão elevado. Por outro lado, é usual dar-se primazia a materiais que, mesmo oferecendo um patamar de ductilidade com origem numa dada carga de cedência, tenham a capacidade de mobilizar uma resistência superior ou igual à carga de cedência. Tendo isto em conta, a dimensão do patamar de ductilidade das vigas PU aproxima-se do obtido para as vigas EP, sendo que as vigas EP têm ainda associado, uma maior mobilização de resistência após a primeira fenda, o que globalmente acaba por resultar numa maior margem de segurança (Figura 147). Nesse sentido, só se deve fazer referência a um patamar de segurança para as vigas em I, já que nas vigas rectangulares este é inexistente (a 128 Estudo experimental do comportamento de vigas mistas Vidro-GFRP viga R-PU não conseguiu recuperar a força máxima atingida antes do aparecimento da primeira fenda, e a viga R-EP apenas conseguiu recuperar a sua resistência inicial, acabando por colapsar ao alcançar essa resistência). Figura 147: Comparação do patamar de ductilidade e da resistência residual de ambas as vigas em I, estando à esquerda a viga I-PU e à direita a viga I-EP. Relativamente à rigidez de flexão, também se verificaram diferenças significativas entre os dois tipos de vigas, PU e EP. A viga rectangular constituída por adesivo de poliuretano demonstrou um ligeiro decréscimo no valor da rigidez de flexão, quando comparada com a viga de vidro simples, o que denota, novamente, as menores potencialidades conferidas por aquela ligação. De facto, nem o incremento de material e o consequente aumento de inércia, que foi conferido pela geometria em I, permitiu obter um valor distante do registado para as vigas simples, algo que se salienta ao se comparar com o valor obtido pela viga I-EP, que chega a ser 3.4 vezes superior ao obtido para as vigas de vidro simples. Por comparação com os resultados analíticos apresentados no início do capítulo, verifica-se que, mais uma vez, as vigas constituídas por adesivo epóxido foram as que mais se aproximaram desses resultados, o que está directamente ligado à maior ou menor aproximação do comportamento das vigas às hipóteses assumidas nesses cálculos, nomeadamente a hipótese de conexão total e a hipótese de Bernoulli. Já foi referido que, em termos de fendilhação, as vigas com adesivo epóxido apresentaram um maior nível de fendilhação ao atingir a rotura (ou ao terminar o ensaio), tendo-se remetido a sua justificação para o nível de interacção garantido pela ligação, dadas as diferenças entre as vigas PU e as vigas EP. A viga I-EP acabou mesmo por colapsar devido à desintegração total da alma de vidro. Constataram-se, igualmente, algumas diferenças no que se refere à fendilhação inicial. Nas vigas rectangulares, logo após o aparecimento da primeira fenda, registou-se o aparecimento de fendas sucessivas com um desenvolvimento vertical significativo, sem ordem e espaçamento definidos (Figura 148). Nas vigas em I verificou-se que a fendilhação foi menos repentina, sendo possível observar e fotografar o aparecimento de quase todas as fendas. Contudo, estas fendas também se caracterizaram por terem um menor desenvolvimento vertical e uma abertura em leque bem definida Figura 149. Estas diferenças dever-se-ão, não só ao nível de interacção obtido, mas também devido 129 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP à quantidade de reforço colocado que, por ser muito maior nas vigas em I, permitiu um melhor controlo do desenvolvimento da fendilhação na alma de vidro. Figura 148 - Formato geral da fendilhação inicial na viga R-EP: fendas com desenvolvimento vertical significativo. Figura 149 - Formato geral da fendilhação inicial na viga I-EP: fendas com forma e desenvolvimento em leque. Uma vez que somente nas vigas com adesivo epóxido foi possível alcançar a rotura total, não é possível aferir conclusões gerais sobre este aspecto. Neste estudo permanece a dúvida se eventualmente se se alcançaria o colapso explosivo das vigas PU, caso não se tivesse dado por terminado o ensaio ou se a rotura na viga rectangular voltaria a ser por destacamento. No entanto, uma vez que a ocorrência de fortes deformações está directamente relacionada com dissipação de energia, seria de esperar que, a acontecer, o colapso explosivo da viga seria menos abrangente, já que a própria alma de vidro não apresentava um nível de fendilhação tão grande. 130 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP 4. ESTUDO NUMÉRICO DO COMPORTAMENTO EM SERVIÇO DE VIGAS MISTAS VIDRO-GFRP 4.1. Introdução A aplicação de métodos numéricos a problemas estruturais correntes tem como principal objectivo o desenvolvimento de modelos que permitam simular e analisar o comportamento mecânico desses mesmos problemas, sem que para isso se tenha de recorrer a ensaios experimentais que o comprovem. Dentro desse objectivo, no presente capítulo, é apresentado o estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP. Através dos dados apresentados no capítulo anterior, a realização deste estudo teve como principal objectivo verificar a adequabilidade de um modelo numérico simples, realizado com um programa de elementos finitos (EF) comercial, à realidade ensaiada no capítulo anterior. Numa fase inicial foram modeladas as vigas de vidro simples que, dada a sua simplicidade, serviram também como validação. Posteriormente, foram também modeladas as vigas mistas vidro-GFRP, tanto as com geometria rectangular, como as com geometria em I, ambas ensaiadas e analisadas no capítulo 3. Além dos adesivos utilizados nos ensaios experimentais (o adesivo de poliuretano Sikaflex 265 e o adesivo epóxido Sikadur 330), foram também modeladas vigas recorrendo a um outro adesivo à base de poliuretano (Sikaforce 7851), com o qual se teve contacto através de um estudo realizado por Román [74]. O objectivo do estudo do comportamento das vigas com este adesivo, prende-se com a intenção de, dadas as diferenças registadas entre o comportamento das vigas com adesivo de poliuretano e o comportamento das vigas com adesivo epóxido, encontrar um adesivo que possibilite a obtenção de resultados intermédios às duas vigas ensaiadas. Todos os modelos de vigas foram elaborados recorrendo a modelos numéricos tridimensionais de elementos sólidos. No capítulo que se segue, além da descrição detalhada dos modelos numéricos elaborados, são também apresentados um conjunto de dados retirados dos modelos numéricos e com os quais se procedeu a uma comparação directa com os dados recolhidos nos ensaios experimentais. Após a validação do modelo procedeu-se a uma análise directa do comportamento das vigas mistas ensaiadas, com o objectivo de melhorar o conhecimento do comportamento da realidade ensaiada. Foi dado especial relevo aos seguintes aspectos: (i) tensão de rotura do vidro, (ii) distribuição de tensões pelos vários materiais, (iii) análise das deformações e (iv) análise do comportamento da ligação. 131 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 4.2. Descrição do modelo e tipo de análise Para o desenvolvimento dos modelos numéricos das vigas mistas vidro-GFRP foi utilizado o programa de cálculo automático ANSYS (versão 11.0 [81]). As vigas mistas foram modeladas recorrendo a elementos estruturais tridimensionais 15 de 8 nós SOLID185 (Figura 150) presentes na base de dados do programa, e que apresentavam três graus de liberdade nodais: translação na direcção x, y e z. O elemento possibilita, ainda, a modelação de materiais ortotrópicos e de materiais com comportamento não linear. O elemento foi utilizado com geometria tipo “tijolo” (Figura 150), dada 16 a geometria regular das vigas e a disposição da malha . De forma a simplificar a modelação das vigas, todos os materiais constituintes das vigas mistas foram dimensionados utilizando os elementos sólidos já referidos. Figura 150 - Elemento estrutural SOLID185 utilizado para modelação das vigas mistas vidro-GFRP [82]. As dimensões dos modelos desenvolvidos correspondem exactamente às dimensões dos modelos submetidos a ensaios experimentais e cujos dados foram disponibilizados na Figura 97 e na Figura 102. Da Figura 151 à 153 encontram-se ilustradas perspectivas 3D das várias vigas modeladas, dando-se destaque aos vários materiais constituintes das vigas e ao sistema de coordenadas utilizado para identificar várias propriedades e características das vigas. Figura 151 - Viga de vidro simples (perspectiva 3D). 15 Para as vigas rectangulares era totalmente plausível que se recorresse a elementos bi-dimensionais (2D) e se efectuasse a uma análise plana. Contudo, para as vigas com geometria em I, a utilização de elementos tridimensionais simplifica a criação do modelo, dadas as irregularidades existentes. 16 Para malhas geradas aleatoriamente, o programa de EF utiliza a opção prismática do elemento (Figura 150). No entanto para malhas geradas manualmente, o programa utiliza o elemento tijolo, que é, efectivamente, a melhor opção. 132 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Figura 152 - Viga mista rectangular vidro-GFRP (prespectiva 3D). Figura 153 - Viga mista vidro-GFRP com geometria em I (prespectiva 3D). A malha utilizada para a análise das vigas de vidro e das vigas rectangulares foi obtida através da divisão (em altura) por camadas dos vários blocos de material: tanto o bloco de material GFRP como o bloco de material adesivo foram divididos em 3 camadas; o bloco de material vidro foi dividido em 10 camadas. Transversalmente, efectuou-se uma só divisão a meia espessura, para todos os materiais e para todas as camadas. Longitudinalmente, e para todas as camadas, foram efectuadas divisões uniformes para que o seu comprimento máximo fosse de 10 mm. Assim, os elementos do material vidro tinham 10 mm de altura, 10 mm de comprimento e 6 mm de profundidade; os elementos do GFRP tinham 1.66(6) mm de altura, 10 mm de comprimento e 6 mm de profundidade; os elementos do adesivo estrutural tinham 0.33(3) mm de altura, 10 mm de comprimento e 6 mm de profundidade. A malha utilizada para a análise das vigas com geometria em I foi obtida com base na malha utilizada para as vigas rectangulares. Ou seja, longitudinalmente, os elementos permaneceram com um comprimento uniforme de 10 mm em todas as camadas. Transversalmente, além da divisão a meio, efectuaram-se divisões em zonas em que as irregularidades da secção transversal o exigiam (a cantoneira tem uma geometria em L, o que obriga a que haja pelo menos uma divisão que faça a passagem da face vertical para a horizontal) e na zona de ligação do vidro às cantoneiras (é precisamente nesta zona que se pretende obter um maior rigor no cálculo do valor das tensões). Para além disso, efectuaram-se divisões verticais de modo a criar elementos com uma dimensão máxima 133 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP de 10 mm. Tal como para as vigas rectangulares, os vários blocos de material foram divididos em duas ou três camadas de elementos. Na Figura 154 e na 155 encontram-se ilustrados pormenores das malhas geradas para as vigas rectangulares e para as vigas em I, respectivamente. Figura 154 - Malha gerada para as vigas rectangulares. Figura 155 - Malha gerada para as vigas com geometria em I. Nos ensaios experimentais, as forças foram aplicadas às vigas através de cargas de superfície, uma vez que a aplicação das forças foi efectuada através de rótulas metálicas que ocuparam uma determinada área na face superior das vigas. Para as vigas em I, a área de contacto foi de 2 2 40 × 76 mm . Para as vigas rectangulares, a área de contacto foi de 60 × 12 mm . Em termos numéricos, de forma a reproduzir as condições laboratoriais, a aplicação das forças foi efectuada através da distribuição das mesmas pelas superfícies dos elementos correspondentes às áreas do topo superior das vigas carregadas nos ensaios (Figura 156). 134 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Figura 156 - Aplicação do carregamento num dos pontos de carga da viga rectangular. Os apoios foram modelados seguindo o mesmo raciocínio, ou seja, optou-se por distribuir a zona de apoio por uma área equivalente à área de contacto da rótula utilizada em laboratório evitando-se, assim, possíveis concentrações de tensões de elevado valor. De modo a que se reproduzisse as condições de rotação da zona do apoio, optou-se por modelar o mesmo com elementos de barra rígidos unidimensionais, estando um dos extremos ligado ao ponto no qual se aplicaram as condições de apoio da viga, e estando o outro extremo ligado ao elemento sólido pertencente à viga (correspondência dos movimentos de translação do nó do elemento barra com o nó mais próximo e no mesmo plano do elemento sólido da viga - Figura 157). Figura 157 - Modelação dos apoios da viga rectangular: a) alçado da viga na zona do apoio, ilustrando os elementos barra; b) perspectiva do apoio, ilustrando o seu desenvolvimento em profundidade. Pretendendo-se reproduzir as condições de apoio de uma viga simplesmente apoiada, num dos apoios foram restringidos todos os movimentos de translação e no outro foram restringidos somente os movimentos de translação na direcção vertical e na direcção horizontal perpendicular ao eixo da viga, respectivamente, as direcções y e z. Verificou-se, posteriormente, que o método utilizado para a modelação dos apoios promovia movimentos de translação na direcção z, impossibilitando a resolução correcta do problema numérico. Desta forma, foi imposta uma restrição adicional a meio vão da viga que impedia o movimento na direcção z. A posição dos apoios e a posição da aplicação das cargas encontra-se ilustrada na Figura 102, sendo que as suas coordenadas têm por base o que foi elaborado experimentalmente. 135 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Ambas as vigas foram submetidas a uma análise estática linear, quando o adesivo estrutural em causa apresentava um comportamento físico elástico linear (caso do adesivo de poliuretano Sikaflex 265 e do adesivo epóxido Sikadur 330) e a uma análise estática não linear quando o adesivo estrutural apresentava características de comportamento fisicamente não linear (caso do adesivo Sikaforce 7851). Finalmente, a ligação entre os dois materiais e efectivada através da colocação dos elementos do adesivo, foi considerada como não tendo qualquer problema de adesão, algo que não foi registado experimental e que, como se concluiu, poderá ter afectado os resultados experimentais. Ainda assim, tal como se verá mais à frente, a modelação efectuada não foi impeditiva para que se registassem níveis de interacção parciais nas vigas com adesivo de poliuretano. 4.3. Propriedades dos materiais Dada a existência de três tipos de materais (vidro, GFRP e adesivos estruturais) a modelação geral da viga, e em particular das propriedades dos materiais, obrigou à definição de três tipos de materiais diferentes: o GFRP foi modelado como material ortotrópico com comportamento elástico linear; o vidro foi modelado como material isotrópico com comportamento elástico linear; todos os adesivos foram modelados como materiais isotrópicos mas, dadas as diferenças de comportamento estrutural dos adesivos, foram adoptados dois tipos de comportamento: (i) o adesivo de poliuretano 1 (Sikaflex 265) e o adesivo de resina epóxi (Sikadur 330) foram modelados como tendo comportamento elástico linear; (ii) o adesivo de poliuretano 2 (Sikaforce 7851) foi modelado como tendo comportamento plástico bilinear. No caso do GFRP, fez-se ainda a distinção entre o perfil rectangular utilizado como reforço no bordo superior e no bordo inferior, e o perfil em L utilizado para as cantoneiras, tendo-se diferenciado algumas das suas características mecânicas, nomeadamente o módulo de elasticidade. No caso dos adesivos, além da distinção de comportamento físico, efectuou-se a respectiva distinção de características mecânicas, tendo em conta os resultados obtidos nos ensaios de caracterização de material, expostos na secção 3.5. As características para a modelação do adesivo adicional de poliuretano foram obtidas através do estudo elaborado por Román [74], onde foi registado um comportamento bilinear e que se encontra ilustrado na Figura 158, onde é apresentado o gráfico tensão vs. extensão axial, obtido através de ensaios à tracção idênticos aos elaborados na secção 3.5.2. Para a modelação correcta dos apoios foi necessário proceder à modelação de um outro tipo de material, neste caso um material que apresentasse características de elevada rigidez, não necessitando para isso de ter representação real. 136 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Figura 158 - Gráfico tensões axiais vs. extensões axiais de um adesivo à base de poliuretano (adaptado de [74]) . Na Tabela 19 e 20 são apresentadas as características mecânicas utilizadas para a modelação de todos os materiais. Para o GFRP, sendo um material ortotrópico, encontram-se listados os módulos de elasticidade elásticos em todas as direcções (Ex,, Ey, e Ez,), assim como os respectivos coeficientes de Poisson (xy, yz e xz) e os respectivos módulos de distorção (Gxy, Gyz e Gxz). Para o material vidro, é apresentado o valor do módulo de elasticidade na direcção x (Ex) e o valor do coeficiente de Poisson no plano xy (xy). Por último, para o material rígido utilizado para caracterização dos apoios é apresentado o módulo de elasticidade na direcção principal (Ex) assim como o valor do coeficiente de Poisson no plano xy (xy). Para o adesivo PU-1 (Sikaflex 265) e para o adesivo EP (Sikadur 330) encontram-se listados o módulo de elasticidade elástico ( Ex,e) e o coeficiente de Poisson no plano xy (xy). O comportamento bilinear do adesivo PU-2 (Sikaforce 7851) foi definido através de um módulo de elasticidade elástico (Ex,e), de um módulo de elasticidade plástico (Ex,p), pelo coeficiente de Poisson no plano xy (xy) e ainda, pela respectiva tensão de cedência (x,ced). Como referido anteriormente, os dados apresentados nas Tabela 19 e 20 foram obtidos através dos ensaios de caracterização de material expostos na secção 3.5, excepção feita aos dados utilizados para caracterizar as cantoneiras de GFRP (foram utilizados os dados disponibilizados pelo fornecedor, afectados por um factor correctivo, obtido através da comparação dos resultados dos ensaios realizados para os perfis rectangulares com os dados disponibilizados pelo mesmo fornecedor), ao valor do módulo de elasticidade do vidro (como referido na secção 3.5, o valor do valor do módulo de elasticidade do vidro foi obtido através dos resultados obtidos nos ensaios de flexão das vigas de vidro) e aos dados do adesivo PU-2 (obtidos através do estudo realizado por Román [74]). 137 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Tabela 19 - Características utilizadas na modelação dos materiais GFRP, vidro e do material rígido dos apoios. Características Reforço Cantoneira Vidro Material rígido Ex, [GPa] 32.8 19.7 80.6 210 × 10 Ey, [GPa] 3.5 3.5 - - Ez, [GPa] 8.5 8.5 - - xy 0.3 0.3 0.2 0.3 yz 0.09 0.09 - - xz Gxy [GPa] 0.09 0.09 - - 3.6 3.6 - - Gyz [GPa] 3.6 3.6 - - Gxz [GPa] 3.6 3.6 - - 7 Tabela 20 - Características utilizadas na modelação dos adesivos. Características Adesivo PU-1 Adesivo PU-2 Adesivo EP 1.48 586 5137 Ex,e [MPa] Ex,p [MPa] xy x,ced [MPa] - 31 - 0.42 0.42 0.37 - 15 - 4.4. Resultados e discussão 4.4.1. Validação do modelo De modo a verificar a fiabilidade dos modelos numéricos criados, foi elaborada uma comparação entre os deslocamentos a meio vão das vigas (para uma força total de 2.5 kN no caso das vigas rectangulares e no caso das vigas de vidro, e de 4.5 kN no caso das vigas com geometria em I), obtidos experimentalmente Experimental) e os obtidos através dos modelos numéricos ( Modelação). O resumo dessa comparação é apresentado na Tabela 21, onde também são apresentados os valores de erro entre os resultados experimentais e os do modelo ( O deslocamento apresentado para as vigas de vidro corresponde ao deslocamento obtido para uma força de 2.5 kN na viga de vidro S3, considerada, representativa da amostra de vigas de vidro ensaiada. Na Tabela 21 são também apresentados os valores dos mesmos deslocamentos para as vigas constituídas pelo adesivo de poliuretano Sikaforce 7851. Por fim, na Tabela 21 são igualmente apresentados os valores dos deslocamentos obtidos utilizando a teoria das peças lineares ( Analítico) para as vigas de vidro e para as vigas rectangulares (obtidos de acordo com o exposto em 3.3 mas para um E = 80.6 GPa), assim como a sua comparação com os valores obtidos recorrendo a modelos numéricos ( Relembre-se que os valores analíticos obtidos para as vigas rectangulares não têm em conta a existência do adesivo, nem as suas características mecânicas. 138 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Tabela 21 – Comparação do valor do deslocamento a meio vão, obtido na análise analítica, na análise numérica e na análise experimental das vigas estudadas. Carga aplicada F=2.5 kN Viga Modelação Experimental Analítica Vidro R-PU R-EP R-PU-2 I-PU I-EP R-PU-2 [mm] 1.867 2.229 1.625 1.633 3.006 0.987 1.024 [mm] 1 1.921 2.191 1.844 - 2.655 1.099 - [%] -2.8% 1.7% -11.9% - 13.2% -10.2% - [mm] 1.858 1 F=4.5 kN 0.5% 1.612 38.3% 0.8% - 0.993 67.0% - 0.6% - Valor obtido através dos resultados da viga S3, que se considerou representativa da amostra ensaiada. Analisando os dados contidos na Tabela 21 verifica-se que: para todas as vigas, os resultados obtidos por via experimental não diferem mais de 13% dos resultados obtidos por via numérica; para as vigas de vidro e para as vigas constituídas por adesivo epóxido, a diferença de resultados deu-se por defeito, com o modelo numérico a apresentar deslocamentos inferiores aos registados experimentalmente; para as vigas constituídas por adesivo de poliuretano, essa diferença ocorreu por excesso, sendo que, para a viga R-PU, a diferença foi nula; para as vigas analisadas analiticamente, os resultados obtidos são consideravelmente próximos dos obtidos numericamente; os resultados obtidos para o modelo numérico constituído pelo adesivo PU-2 demonstram que o comportamento das vigas com este adesivo, e para as cargas de serviço analisadas, se aproxima do comportamento obtido para as vigas com adesivo epóxido. Face às constatações apresentadas é plausível admitir que o modelo numérico utilizado para representar o estudo experimental realizado em vigas mistas vidro-GFRP, e cujos resultados foram expostos no capítulo 3, se trata de uma boa representação da realidade ensaiada, dadas as diferenças de resultados obtidas entre o modelo numérico e os resultados experimentais. Esta conclusão é válida, desde que se assumam como aceitáveis as diferenças de até 13% registadas entre os deslocamentos obtidos por via experimental e os deslocamentos obtidos por via numérica. Na realidade, em estudos deste género (em que se pretende fazer uma comparação entre os resultados obtidos por via experimental e os resultados obtidos por via numérica) é frequente, e muitas vezes aceitável, ocorrerem diferenças da ordem dos 10%, o que faz com que os resultados obtidos neste estudo sejam plausíveis. Habitualmente, estas diferenças encontram-se relacionadas com pequenas incertezas associadas à determinação experimental de algumas propriedades dos materiais, à respectiva variabilidade e à própria sensibilidade dos equipamentos utilizados nos ensaios laboratoriais. Um outro aspecto essencial para a aprovação do modelo prendeu-se com o comportamento geral da viga, que seguiu os pressupostos teóricos conhecidos para problemas mecânicos idênticos. Por 139 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP exemplo, o deslocamento vertical da viga ao longo de todo o seu comprimento seguiu o comportamento esperado, neste caso semelhante a uma curva do 3º grau (Figura 159). A distribuição das tensões axiais também se assentou no que se espera encontrar de uma viga simplesmente apoiada e carregada em dois pontos, tanto ao longo do comprimento da viga, como ao longo da secção transversal (Figura 160). O mesmo se aplica à distribuição das deformações axiais que se relaciona com as tensões axiais através da respectiva matriz de elasticidade (Figura 161). No Anexo 2 encontram-se compilados gráficos demonstrativos do comportamento dos deslocamentos, das tensões axiais e das extensões axiais para todas as vigas modeladas. Figura 159 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura 160 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura 161 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). 140 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP No entanto, apesar de os resultados obtidos numericamente serem, aproximadamente, semelhantes à realidade ensaiada, os resultados obtidos para as vigas com adesivo de poliuretano devem ser observados com cuidado. A causa advém do facto de os deslocamentos para estas vigas, obtidos no modelo numérico, serem iguais ou maiores que os obtidos nos ensaios experimentais. A justificação para esta observação reside, essencialmente, num aspecto importante da formulação do modelo numérico e intrínseco à própria formulação do Método dos Elementos Finitos (MEF). Um dos passos na resolução de problemas de EF compreende a definição da aproximação. Nos programas mais comuns de EF, essa aproximação é feita ao nível dos deslocamentos, garantindo assim que a solução encontrada é cinematicamente admissível. A nível estático, procura-se que a solução obtida satisfaça, aproximadamente, as condições de admissibilidade estática. Desta forma, sendo uma solução compatível, sabe-se, à partida, que a solução obtida será uma solução contra a segurança, ou seja, a solução exacta, não sendo igual, apresentará sempre valores superiores de deslocamentos. De forma simplificada, caso se considere como solução exacta os resultados obtidos experimentalmente, os resultados obtidos por via numérica deverão, obrigatoriamente, ser inferiores aos registados experimentalmente, isto é, as vigas obtidas por via numérica, deverão apresentar uma rigidez de flexão superior à registada experimentalmente. Assim, de acordo com as observações anteriores, apesar de os resultados obtidos para as vigas rectangulares com adesivo de poliuretano serem aproximadamente iguais ao registado experimentalmente, deve-se ter em conta que, quantitativamente, os resultados obtidos para estas vigas devem ser analisados com cuidado. Ainda assim, deve-se concluir que os modelos formulados para representar genericamente vigas mistas vidro-GFRP são credíveis e reproduzem resultados semelhantes à realidade ensaiada. Salienta-se novamente, que as diferenças registadas foram associadas a imprecisões ocorridas na determinação das propriedades mecânicas dos materiais constituintes da viga, nomeadamente o adesivo de poliuretano. De acordo com o exposto na secção 3.5.2 o módulo de elasticidade deste adesivo foi obtido com base nos deslocamentos e não com base no registo das extensões axiais. Foi verificado, por comparação com os dados do adesivo epóxido, que o módulo de elasticidade determinado a partir deste método pode ser substancialmente inferior ao valor obtido por registo das extensões. Considerando como válidos os modelos numéricos elaborados é possível avaliar os resultados obtidos para as vigas mistas com o adesivo adicional de poliuretano (Sikaforce 7851). Tendo em conta os dados da Tabela 21, verifica-se que uma possível viga constituída por este adesivo apresentaria resultados, para cargas de serviço, muito próximos dos resultados obtidos para vigas constituídas pelo adesivo epóxido. Desta forma, deve-se considerar que uma possível utilização deste adesivo poderia trazer benefícios ao comportamento das vigas, já que, em termos gerais, o adesivo apresenta características mecânicas intermédias entre o adesivo epóxido e o adesivo de poliuretano Sikaflex 265, o que poderá resultar num comportamento intermédio ao obtido para os dois tipos de vigas ensaiadas (Figura 162). 141 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura 162 - Ilustração do possível comportamento de uma viga mista com geometria em I, constituída pelo adesivo PU-2. Na secção seguinte, analisam-se alguns dados retirados dos modelos formulados e utilizados de forma a compreender melhor a realidade ensaiada. Na respectiva análise foram incluídos os resultados obtidos para as vigas de poliuretano, mesmo sabendo que, em termos quantitativos, os resultados obtidos para estas vigas poderão ser menos credíveis. 4.4.2. Análise de resultados Através dos modelos numéricos elaborados foi recolhido o valor da tensão máxima de tracção no vidro (vidro) para cada uma das vigas e para cada uma das forças registadas nos ensaios experimentais aquando do aparecimento da primeira fenda visível. Os resultados obtidos encontramse registados na Tabela 22. Dos resultados obtidos, verifica-se que o valor da tensão de rotura do vidro se aproximou do valor médio de 50 MPa, 5 MPa acima do valor de referência apresentado na Tabela 3, capítulo 2. Contudo, se se tiver em conta os aspectos que originam a variabilidade da tensão de rotura do vidro, nomeadamente a questão da dimensão do elemento, estado e condição da superfície, e o facto de, em consecutivos ensaios, o valor da tensão de rotura do vidro apresentar um elevado desvio padrão para vidro novo [8], o valor obtido encontra-se dentro do que seria expectável. Para além disso, os parâmetros de variação da tensão de rotura do vidro são de tal forma variados, que os valores aqui indicados para as vigas devem ser considerados como estimativas, já que os modelos numéricos elaborados não reproduzem as condições superficiais do vidro. Tabela 22 - Valor da tensão de rotura do vidro (aparecimento da primeira fenda visível na viga) obtida através do modelo numérico elaborado. Viga u,vidro [MPa] 1 Vidro 49.955 R-PU 43.476 R-EP 49.754 I-PU 51.910 Valor de tensão para uma força aplicada de 5 e de 15 kN, respectivamente. 142 I-EP 59.261 R-PU-2 I-PU-2 1 55.595 49.853 1 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Dos dados apresentados na Tabela 22, também se verifica que existe uma discrepância entre o valor da tensão de rotura do vidro obtido nas vigas com adesivo de poliuretano e o mesmo valor nas vigas com adesivo epóxido. Para além dos já referidos problemas com a determinação do módulo de elasticidade do adesivo de poliuretano, deve-se ter em conta que a solução das tensões disponibilizada pelos modelos numéricos é, em termos quantitativos, mais fraca que a solução ao nível dos deslocamentos. Este situação, intrínseca à formulação do MEF, está relacionado com o facto de a aproximação ser feita ao nível do campo dos deslocamentos, o que faz da solução deste campo, a que melhor qualidade apresenta. Para a obtenção do campo de tensões é necessário aplicar um operador diferencial e, de seguida, as equações de elasticidade (o operador faz a passagem do campo de deslocamentos para o campo das deformações e as equações fazem a passagem do campo de deformações para o campo de tensões). Esta operação matemática, apesar de correcta, provoca uma degradação dos campos intermédios, nomeadamente do campo de tensões. Verifica-se também que, comparativamente, a tensão de rotura do vidro nas vigas rectangulares é inferior ao valor da tensão de rotura nas vigas com geometria em I correspondentes. Para este facto, não se encontrou uma explicação plausível. Somente recorrendo a um maior numero de ensaios é que se poderia confirmar a validade deste resultado. Apesar de os resultados das vigas PU serem quantitativamente diferentes dos obtidos experimentalmente, mostrou-se interessante analisar a distribuição de tensões pelos vários materiais das vigas e para as várias vigas ensaiadas. Os resultados dessa comparação encontram-se na Tabela 23. Tabela 23 - Tensões no vidro, no GFRP e no adesivo para as vigas com os diferentes adesivos. Tipo de Viga vidro GFRP adesivo [MPa] [MPa] [MPa] F = 2.5 kN F = 4.5 kN R-PU R-EP R-PU-2 I-PU I-EP I-PU-2 28.556 24.771 24.884 43.258 16.360 16.679 2.054 10.777 10.768 0.640 6.806 6.919 1.741×10-4 1.566 0.199 -1.175 ×10-3 1.007 0.129 Dos dados da Tabela 23, constata-se que as vigas constituídas por adesivo à base de poliuretano registam uma distribuição de tensões menos eficaz por todos os materiais, o que faz com que o vidro apresente valores de tensão superiores aos registados para a mesma força numa viga com adesivo epóxido (ou mesmo para o adesivo de poliuretano testado numericamente). Esta constatação é coerente com os dados registados na Tabela 22 (por exemplo, para as vigas rectangulares, a diferença entre as forças de rotura do vidro é de 26%, enquanto que a diferença entre as tensões é de apenas 13%, o que indica que o vidro nas vigas com adesivo de poliuretano se encontra mais solicitado) e com o comportamento registado experimentalmente (por exemplo, o valor da força de rotura do vidro nas vigas PU foi sempre inferior ao registado para as vigas EP que, fora possíveis variações da tensão de rotura do vidro, indica que o vidro foi mais solicitado nas vigas PU que nas vigas EP). Esta diferença na distribuição de tensões é justificável pelo reduzido valor da rigidez do 143 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP adesivo de poliuretano, que impossibilita uma transferência de tensões para o GFRP mais eficaz. Comprova-se que, caso a “ponte” entre os dois principais materiais das vigas mistas não apresente as características apropriadas, o comportamento, e em particular o valor da resistência última da viga mista, pode vir a ser comprometido. Relativamente às vigas com o adesivo PU-2, os dados contidos nas Tabela 22 e 23 vão de encontro às conclusões já obtidas anteriormente, já que o valor de tensões obtido é intermédio entre os dois tipos de vigas analisados, mostrando maior proximidade aos resultados obtidos para as vigas EP. Mais uma vez fica demonstrado que a utilização deste adesivo em estudos posteriores poderá vir a ser elaborado com sucesso, além de que poderá vir a trazer benefícios quanto ao desempenho das vigas. Na verdade, para as cargas analisadas, a diferença entre as vigas PU-2 e as vigas EP é muito ligeira, mostrando que o comportamento de futuras vigas com este adesivo poderá equivaler-se ao obtido para as vigas EP, até à fendilhação inicial do vidro. Por último, na Tabela 24 são apresentados os valores das deformações registadas experimentalmente e as obtidas através do modelo numérico. É também apresentado, em percentagem, o valor das diferenças entre ambos os modelos e para ambos os materiais ().Pela análise dos respectivos dados verifica-se que as deformações obtidas numericamente são superiores às registadas experimentalmente, o que implica que, em termos de rigidez, se obtenha uma avaliação contrária à obtida pelos dados da Tabela 21. Contudo, a avaliação dos resultados obtidos dos extensómetros deve ser feita com cuidado, uma vez que a correcta medição das deformações exige uma colocação rigorosa do extensómetro, já que há mínima falha a medição das deformações pode ser substancialmente alterada. Para além disso, mais uma vez, dado que a aproximação é elaborada ao nível do campo dos deslocamentos, os resultados obtidos ao nível das deformações são qualitativamente inferiores aos obtidos ao nível dos deslocamentos, dada a aplicação do operador diferencial quando se passa do campo dos deslocamentos para o campo das deformações. No entanto, não se deve deixar de parte de que a medição das deformações poderá não ter sido efectuada nas melhores condições, sendo que como possíveis falhas se destaca a colagem não completamente perfeita do extensómetro, pequenos desvios no alinhamento do extensómetro, pequenos defeitos nos materiais. Tabela 24 - Valor das deformações registadas experimentalmente e as obtidas no modelo numérico, em pontos situados tanto no vidro como no GFRP, em pontos da interface e situados a meio vão da viga (vigas rectangulares F = 2.5 kN; para as vigas com geometria em I F = 4.5 kN). Material Tipo de Análise R-EP I-EP R-PU I-PU 1 no vidro [1×10 ] Numérica Experimental 1 298 300 -1% (-2 ) 1 195 160 22%(35 ) 1 344 332 3% (12 ) 1 516 470 10% (47 ) -6 Valor absoluto 144 no GFRP [1×10 ] Numérica Experimental 1 329 312 5% (17 ) 1 208 168 24% (40 ) 1 63 110 -43%(-43 ) 1 19 7 191%(13 ) -6 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP Outra possível causa reside no nível de interacção considerado. De facto, analisando a secção 3.7.6.2 e a 3.7.8.2, verifica-se que a viga R-EP foi aquela que maior segurança trouxe quanto ao grau de interacção obtido, tendo-se considerado que se aproximava claramente dos 100%. Já para a viga I-EP, verificou-se a existência de alguns desvios, tendo-se considerado que estes se deviam a causas associadas aos ensaios experimentais, já enunciadas nesta secção. Analisando a Tabela 24, as conclusões atrás referidas são totalmente corroboradas, já que os valores das extensões obtidos são muito próximos na viga R-EP e ligeiramente mais afastados para a viga I-EP. A comparação das extensões axiais também pode ser efectuada através do comportamento das mesmas ao longo da secção de meio vão da viga. A Figura 163 ilustra esse mesmo comportamento para a viga R-EP. Como se pode verificar, os valores numéricos obtidos também apresentam alguns desvios, nomeadamente na zona da interface, zona onde se efectuou a comparação com a análise experimental, justificando, mais uma vez, os desvios obtidos na Tabela 24. R-EP numérico Altura da secção [mm] 100 R-EP experimental 80 60 40 20 0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 Extensão axial [1x10-6] 300 400 Figura 163 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica e dos resultados experimentais para a viga R-EP (força aplicada de 2.5 kN). Por outro lado, analisando a posição da linha neutra obtida experimentalmente (ver Figura 125, secção 3.7.6.2), verifica-se que os resultados coincidem consideravelmente, apresentando pequenos desvios por excesso (quer face à análise numérica, quer face à análise analítica – ver Tabela 25) algo que, apesar de os desvios serem ligeiros, também proporciona um aumento no valor das extensões na zona de interface inferior. Tabela 25 - Posição do centro de gravidade obtido por análise numérica, análise analítica e análise experimental. Tipo de viga Numérica Analítica Experimental Viga R-EP 59.7 59.8 58.3 ± 0.7 Viga I-EP 62.0 62.0 59.4 ± 0.6 A análise elaborada para a viga R-EP também é válida para a viga I-EP, que como se pode ver pela Figura 164, apresentou um comportamento nas interfaces em tudo idêntico ao registado para a viga 145 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP R-EP. No caso da viga I-EP é visível que as discrepâncias registadas ao nível das deformações poderão estar relacionadas com uma diferença significativa na rigidez de flexão da viga, já que existe uma diferença evidente na inclinação das curvas. No caso da posição da linha neutra, o valor obtido numericamente é igual ao obtido analiticamente (a secção é totalmente simétrica), mas acima do valor obtido experimentalmente (Tabela 25). A comparação entre a evolução das extensões na secção de meio vão das vigas EP permite também concluir que, tal como se tinha avançado aquando da análise dos dados obtidos experimentalmente, um futuro dimensionamento deste tipo de vigas poderá vir a ser desenvolvido utilizando a teoria das peças lineares, uma vez que a hipótese de Bernoulli é válida na gama de forças analisadas. Altura da secção [mm] 120 R-EP numérico R-EP experimental 100 80 60 40 20 0 -300 -200 -100 0 100 200 300 Extensão axial [1x10-6] Figura 164 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica para a viga R-EP (força aplicada de 4.5 kN). Nos dados da Tabela 24 verifica-se que as diferenças registadas nas deformações para as vigas com adesivo de poliuretano, percentualmente, apresentaram dois comportamentos: para as vigas rectangulares, as diferenças são da mesma ordem de grandeza do obtido para as vigas com adesivo epóxido; para as vigas com geometria em I, as diferenças são significativamente superiores ao registado para as vigas com adesivo epóxido. No entanto, dado o reduzido valor desta grandeza na zona da interface, em termos absolutos, a diferença é ligeira apresentando-se na mesma ordem de grandeza das diferenças registadas para as vigas com adesivo epóxido. Esta conclusão é comprovada pelo comportamento ilustrado nas Figura 165 e 166, onde se encontram representados o andamento das extensões axiais ao longo da secção de meio vão de ambas as vigas analisadas com adesivo de poliuretano. Mais uma vez, verifica-se que, globalmente, o comportamento numérico obtido é bastante semelhante ao comportamento registado experimentalmente. 146 120 R-PU numérico 100 R-PU experimental 80 60 40 20 Altura da secção [mm] Altura da secção [mm] Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP 0 100 R-PU numérico R-EP experimental 80 60 40 20 0 -400 -200 0 200 400 -750 -500 -250 0 250 500 750 Extensão axial [1x10-6 ] Extensão axial [1x10-6 ] Figura 165 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção Figura 166 - Gráfico extensão axial vs. altura da secção obtido através da análise numérica e dos resultados obtido através da análise numérica e dos resultados experimentais, para a viga R-PU (força aplicada de 2.5 experimentais, para a viga I-PU (força aplicada de 4.5 kN). kN). Na verdade, esta ocorrência permite retirar uma outra conclusão que não foi possível de se obter através dos dados experimentais: uma vez que a ligação nos modelos numéricos desenvolvidos foi 17 modelada como não apresentando problemas de adesão , o facto de se ter registado um nível de interacção parcial (isto é, terem-se obtido deslizamentos na zona de interface) esteve relacionado, unicamente, com as características mecânicas da ligação aí introduzidas (nomeadamente a sua reduzida rigidez e elevada capacidade de deformação). Contudo, esta constatação não deve ser assumida como a única justificação para a ocorrência de deslizamentos na interface entre o vidro e o GFRP registados experimentalmente. A campanha experimental desenvolvida, principalmente os ensaios realizados em ligações coladas por sobreposição dupla, permitem afirmar que o adesivo de poliuretano, devido às fortes alterações volumétricas e a outros problemas também registados (ver secção 3.6), origina deficiências ao nível da adesão, problemas esses que participam activamente na diminuição do grau de interacção. O que os dados numéricos apenas permitem concluir é que, ao contrário do era inicialmente previsto, o nível de interacção parcial registado experimentalmente esteve relacionado, em grande medida, com as características mecânicas do adesivo e não tanto, com as características físicas obtidas na ligação. Resta acrescentar que, os resultados obtidos para as deformações nas vigas com adesivo de poliuretano, quantitativamente, estão de acordo com o esperado: tal como os deslocamentos verticais, também as extensões demonstram que o modelo numérico alcançado apresenta menor rigidez que o modelo experimental. Registaram-se apenas algumas diferenças de valores entre as extensões no material vidro/GFRP e as extensões, para a mesma altura, no material adesivo (este facto é particularmente evidente na interface do banzo superior da viga I-PU, onde dá a ideia de o modelo numérico ter apresentado 17 Uma vez que durante os ensaios foram registados problemas de adesão do adesivo de poliuretano, esta realidade poderia ter sido transposta para os modelos numéricos através da eliminação local de determinados elementos na zona de interface. 147 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP dificuldades em reproduzir esta ligação). Esta situação é possível de acontecer uma vez que os modelos de elementos finitos são formulados de modo a procurarem o equilíbrio de tensões na zona entre elementos, e não de forma a igualar as extensões, o que faz com que não seja impeditivo a diferença de valores. Contudo, as elevadas diferenças registadas para as vigas de poliuretano, indicam que a malha utilizada para resolução do problema numérico não foi a mais indicada. Um refinamento da malha poderá levar a um melhoramento da solução ao nível das extensões. Por útlimo, a ocorrência de descontinuidades nas deformações demonstra que, tal como o referido no capítulo experimental, para as vigas constituídas pelo adesivo de poliuretano a hipótese de Bernoulli não é válida, o que faz com que possíveis futuros métodos de dimensionamento não possam ser baseados nesta hipótese. 4.4.3. Sumário e discussão de resultados O estudo numérico atrás apresentado consistiu no desenvolvimento de modelos numéricos tridimensionais das vigas de vidro e das vigas mistas vidro-GFRP analisadas experimentalmente no capítulo 3. A validação do modelo foi efectuada através da comparação do valor dos deslocamentos a meio vão topo inferior da viga, obtidos experimentalmente e registados numericamente. Os resultados demonstram que os modelos numéricos representam com relativa fiabilidade a realidade ensaiada, tendo-se registado um erro nunca superior a 13%. Esta diferença foi atribuída a possíveis erros de caracterização das vigas e a erros que poderão ter decorrido durante os vários ensaios levados a cabo durante a campanha experimental. Dada a positiva validação dos modelos, foi possível, a partir dos mesmos, aferir resultados que possibilitassem um melhor conhecimento da realidade ensaiada. Foi analisada a tensão de rotura do vidro em todas as vigas (utilizando a força registada experimentalmente aquando do aparecimento da primeira fenda visível), a distribuição das tensões pelos vários materiais da viga e o comportamento das deformações na secção de meio vão da viga. Dos resultados obtidos ao nível da tensão de rotura do vidro concluiu-se que apesar de o valor se aproximar dos valores referenciados em grande parte da bibliografia, os modelos numéricos não representam com eficácia toda a problemática da tensão de rotura do vidro. Para uma melhor compreensão do tema (obtenção de modelos numéricos que representem com eficácia a tensão de rotura do vidro), aconselha a leitura do trabalho elaborado por Haldimann [31], onde são dadas indicações de como melhor representar este fenómeno. Por agora, salienta-se que a tensão de rotura é dependente de inúmeros factores associados à qualidade e estado da superfície do vidro, factores esses, que não foram representados numericamente. Por essa razão, os valores da tensão de rotura obtidos devem ser interpretados como estimativas e não como valores totalmente correctos. Por outro lado, registe-se que os modelos numéricos desenvolvidos devolveram valores de tensão de rotura no vidro superiores nas vigas com geometria em I e para ambos os tipos de adesivo. Estudos futuros 148 Estudo numérico do comportamento em serviço de vigas mistas vidro-GFRP deverão debruçar-se sobre este tema, procurando perceber se se trata de uma coincidência ou se realmente se alcançou um melhor controlo da fendilhação do vidro para este tipo de geometria. Os resultados obtidos da distribuição de tensões estão de acordo com o que era expectável, tendo em conta fundamentos teóricos e os registos experimentais. O adesivo com maior rigidez, o adesivo epóxido, proporcionou uma melhor distribuição de tensões por todos os materiais, garantindo um melhor funcionamento do conjunto. Por outro lado a ligação constituída pelo adesivo à base de poliuretano conferiu um fraco comportamento do conjunto, já que a reduzida rigidez do adesivo impossibilitou a correcta transferência de tensões do vidro para o GFRP. Para as cargas de serviço analisadas, o nível de tensão a que o perfil de GFRP esteve submetido era, de facto, muito reduzido, o que consequentemente, submeteu o vidro a um maior estado de tensão, impossibilitando este tipo de vigas de alcançar os valores de resistência registados pelas vigas com adesivo epóxido. Além da pior distribuição de tensões entre os dois materiais, a reduzida rigidez do adesivo de poliuretano também esteve na origem dos deslizamentos registados experimentalmente. De facto, da análise do comportamento das deformações, verificou-se que as vigas com este tipo de adesivo apresentavam deslizamento ao nível da interface entre o material vidro e GFRP, mesmo tendo sido desenvolvidos modelos numéricos em que a adesão entre os dois materiais era total. Concluiu-se, então, que os deslizamentos ocorridos experimentalmente (e que experimentalmente não foi possível de aferir se se deviam a problemas de adesão ou ao comportamento mecânico da ligação) se devem, em grande parte, ao comportamento mecânico da ligação, delegando para segundo plano os problemas de adesão registados experimentalmente, nomeadamente, nos ensaios das ligações coladas por sobreposição dupla. Os resultados da análise das deformações demonstram, igualmente, que a malha utilizada para discretizar as vigas mistas não devolve com total qualidade os resultados obtidos. Foram registados algumas diferenças entre as extensões na zona da interface, nomeadamente nos valores à mesma altura, mas em materiais diferentes. Esta situação é aceitável, na medida em que formulação do MEF o permite. Contudo, um refinamento da malha, nomeadamente na zona de transição entre materiais, poderá devolver melhores resultados, melhorando a solução obtida, especialmente nesta zona. Foram também obtidos resultados para um adesivo não testado experimentalmente. Os resultados obtidos, tendo em conta os possíveis erros já referidos, demonstrando que este adesivo poderá ser uma boa solução para a construção de vigas mistas vidro-GFRP. Os resultados obtidos com este adesivo encontram-se muito próximos dos resultados obtidos para a viga com adesivo epóxido, o que indica o bom comportamento em serviço. Note-se, contudo, que as verdadeiras vantagens deste adesivo são esperados ao nível do comportamento pós-fendilhação, e especialmente depois do adesivo entrar em comportamento plástico. Finalmente, refira-se que não foi possível (por uma questão de tempo) elaborar modelos numéricos que reflectissem o comportamento na rotura das vigas. Esta situação exigiria uma melhor compreensão do fenómeno da fendilhação do vidro e a sua transposição para modelos numéricos, algo que, não sendo simples, necessita do devido tempo de estudo. Estudos desenvolvidos por 149 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Louter et al. [83] e por Olgaard et al. [75], demonstram ser possível alcançarem-se bons resultados nesta área. 150 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros 5. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTOS FUTUROS 5.1. Conclusões Como referido, o presente estudo teve dois objectivos principais: (i) elaborar um estudo bibliográfico sobre a área do vidro estrutural aplicado à engenharia civil, disponibilizando um conjunto de informações necessárias para se obter um correcto conhecimento dos principais aspectos que caracterizam este material e (ii) avaliar experimentalmente o comportamento de vigas mistas vidroGFRP, analisando a sua utilidade e viabilidade. Posteriormente, o segundo objectivo foi complementado com um estudo numérico em que foram desenvolvidos modelos de elementos finitos com o objectivo de analisar em maior profundidade o comportamento em serviço das vigas mistas ensaiadas experimentalmente. De uma forma geral, deve-se considerar que ambos os objectivos foram alcançados com sucesso. De seguida, analisa-se de forma mais pormenorizada todas as conclusões retiradas das várias áreas abordadas. 5.1.1. Estado da arte sobre o vidro estrutural Relativamente ao primeiro objectivo, considerou-se que a informação bibliográfica disponibilizada, dedicada aos quatro principais temas da aplicação estrutural do vidro (propriedades e tipos de vidro, aplicações do vidro estrutural, tecnologia das ligações e regulamentação aplicada ao vidro), apesar de não se encontrar completa, apresenta um conjunto de conteúdos que permitem a um leitor menos especializado, uma fluida e satisfatória integração no vasto mundo do vidro estrutural. O estudo elaborado ao nível das características e tipos de vidro permitiu concluir que, nos dias de hoje, a indústria vidraceira apresenta um nível de tecnologia substancialmente evoluído, e que tem apresentado ao longo dos anos sucessivas evoluções, essencialmente de forma a responder às diferentes necessidades dos utilizadores e disposições dos mais recentes regulamentos. As principais limitações encontradas estão associadas ao processo de fabrico que, por agora, tanto não permite o 2 fabrico de peças envidraçadas com dimensões superiores a 3.21 × 6.00 m (na verdade, alguns fabricantes fabricam peças de maior dimensão, mas os seus custos são, em geral, muito elevados), como também não permite o fabrico de painéis de vidro livres de defeitos microscópicos. Esta última característica dos painéis de vidro é a que está na origem de um dos principais problemas associados ao vidro: a reduzida resistência a tensões de tracção que, para além disso, depende de vários parâmetros. Contudo, a indústria vidraceira respondeu a estes dois obstáculos de forma positiva e 151 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP hoje em dia são fabricados vidros de elevada resistência, recorrendo a processos de tratamento, e com comprimentos superiores aos valores padrões, recorrendo a tecnologias de ligação evoluídas. Complementarmente, com a criação de vidros laminados, a indústria vidraceira conseguiu contornar um dos outros problemas associados ao vidro: o comportamento frágil. Foram as evoluções descritas no parágrafo anterior que, associadas às principais características físicas do vidro (transparência e luminosidade), permitiram ao vidro converter-se num dos principais materiais utilizados na construção civil, nomeadamente em aplicações em fachadas, coberturas ou pavimentos. Na última década verificou-se, também, um aumento da popularidade das aplicações do vidro como elemento estrutural, sendo a utilização de glass fins em fachadas envidraçadas disso exemplo. São já inúmeros os exemplos de aplicações do tipo viga, não só em fachadas, mas também em coberturas ou pavimentos. As aplicações do vidro do tipo coluna, permanecem pouco populares, mas a evolução neste género de aplicações mostra excelentes perspectivas (em zonas não sísmicas), assim como as utilizações do tipo placa ou casca. Com o estudo realizado ao nível da tecnologia das ligações pretendeu-se, acima de tudo, consciencializar o leitor para a importância desta temática. De facto, à medida que é delegada maior importância estrutural aos elementos de vidro, maior deve ser o cuidado com o dimensionamento e pormenorização das ligações. Como referido, a utilização de ligações é um dos métodos utilizados para ultrapassar as limitações do processo de fabrico e, em geral, a utilização do vidro como elemento de suporte requer a utilização de elementos com dimensões superiores às dimensões de fabrico, o que faz das ligações uma parte essencial do projecto. Por outro lado, a substituição cada vez mais frequente dos suportes lineares por ligações pontuais, faz com que o vidro seja cada vez mais solicitado e sujeito a complexos estados de tensão, que requerem um esforço e rigor de análise adicional por parte do projectista. A área da tecnologia das ligações também tem sofrido constantes evoluções, sendo a mais popular a utilização de ligações aparafusadas. No entanto, nos últimos anos têm surgido vários documentos de investigação a impulsionar a utilização de ligações coladas através de adesivos estruturais (de elevada ou baixa rigidez), sendo um exemplo disso o estudo aqui apresentado. Presentemente, a sua utilização permanece limitada, uma vez que o conhecimento sobre este tipo de ligações ainda se encontra numa fase embrionária. Contudo, os estudos realizados neste âmbito revelam boas perspectivas sobre a utilização deste tipo de ligações (mais uma vez, a campanha experimental realizada neste estudo disponibiliza informações que poderão vir a ser úteis para um melhor conhecimento geral do comportamento deste tipo de ligações). Relativamente à regulamentação em vigor, a principal conclusão a retirar é que esta é, provavelmente, a área de aplicação do vidro que menos evolução tem sofrido ao longo dos anos. Se por um lado será utópico esperar que a regulamentação acompanhe em tempo real todas as evoluções tecnológicas que vão surgindo, não é menos verdade que a regulamentação até agora publicada revelou excessivas falhas desde a sua criação, sendo prova disso o facto de a comunidade cientifica nunca ter chegado a um consenso quanto à única pré-norma europeia publicada e destinada ao dimensionamento de painéis de vidro. As normas existentes permanecem com 152 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros inúmeras limitações, isto é, destinam-se a casos muito particulares da aplicação do vidro, não sendo adequadas às aplicações mais recentes e, em particular, às aplicações estruturais cada vez mais requeridas. Contudo, a comunidade científica tem vindo a responder a esta lacuna com a publicação de inúmeros documentos técnico-científicos de apoio ao dimensionamento, mas que, em geral, se baseiam em dados retirados da experiência de utilização e não em cálculos científicos precisos. Normas de âmbito nacional (referência particular às normas alemãs e norte-americanas) também têm vindo a responder a estas necessidades, sendo já possível encontrar informações relativas ao dimensionamento de glass fins. 5.1.2. Comportamento estrutural de vigas mistas vidro-GFRP Quanto ao segundo objectivo, de acordo com os resultados experimentais obtidos, verificou-se ser possível a construção e utilização de vigas mistas vidro-GFRP, tendo-se obtido vantagens significativas vantagens quando comparadas com vigas de vidro recozido. Os ensaios de caracterização de material permitiram determinar as constantes elásticas e a resistência dos vários materiais constituintes das vigas mistas de vidro-GFRP, nomeadamente, do material vidro e dos dois adesivos estruturais utilizados no fabrico das vigas mistas. As características mecânicas do GFRP tinham sido determinadas num outro estudo realizado por Correia [72]. Com os ensaios de caracterização do material vidro foi possível analisar a problemática da tensão de rotura do vidro, exposta no capítulo do estado da arte. Os resultados demonstraram a elevada dispersão de valores que a tensão de rotura apresenta, demonstrando também a importância que a dimensão do provete tem na avaliação da tensão de rotura do vidro. Os resultados obtidos para a tensão de rotura são significativamente superiores ao valor médio que muitos autores atribuem à tensão de rotura do vidro, demonstrando como pode ser errado utilizar este tipo de abordagem em relação ao dimensionamento do vidro. Com os ensaios de tracção realizados no adesivo epóxido foi possível determinar a tensão de rotura à tracção do adesivo e o módulo de elasticidade inicial do mesmo. Comparando com os dados fornecidos pelo fornecedor, registou-se uma tensão de rotura mais reduzida e um módulo de elasticidade superior. O primeiro facto foi associado tanto à presença de vazios nas secções de rotura, como ao facto de a sua embalagem não ter sido aberta na altura do fabrico dos provetes, situações que eventualmente terão afectado a resistência do material. Quanto ao módulo de elasticidade, o valor indicado pelo fornecedor, destina-se a provetes ensaiados após uma cura de 7 dias. O facto de os provetes ensaiados terem sido sujeitos a um período de cura de 2 meses, deverá ter estado na origem das discrepâncias encontradas no valor do módulo de elasticidade (a cura do adesivo utilizado nas vigas mistas desenvolveu-se durante o mesmo período de tempo). Os ensaios de tracção realizados no adesivo de poliuretano tiveram os mesmos objectivos que os ensaios realizados no adesivo epóxido. Contudo, apenas foi possível determinar o módulo de elasticidade inicial do adesivo, não tendo sido possível a determinação da tensão de rotura (apenas se levou à rotura um dos provetes, o que fez com o que o valor não tivesse representatividade 153 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP estatística). O módulo de elasticidade foi determinado de forma indirecta, com base nos deslocamentos, e não de forma directa, através das extensões axiais, que, nestes ensaios não foram registadas. Isto fez com que o valor obtido fosse quantitativamente inferior ao valor que seria obtido com base nas extensões axiais. A tensão de rotura do adesivo não foi determinada correctamente devido às elevadas deformações apresentadas pelo adesivo que apresentaram um valor de tal forma elevado (apesar de irem de encontro ao valor de 450% apresentado pelo fornecedor), que o material utilizado para a realização dos ensaios não se mostrou adequado para a correcta realização dos mesmos. O estudo realizado em ligações coladas por sobreposição dupla permitiu aferir a capacidade de adesão dos aderentes, vidro e GFRP, ao material adesivo. Estes ensaios tiveram igualmente como objectivo determinar, de entre uma amostra de três tipos de adesivos, quais os que melhor se adequavam à utilização e fabrico de vigas mistas vidro-GFRP. O estudo realizado em ligações coladas com adesivo de poliuretano permitiu concluir que uma ligação constituída por este material se caracteriza pela reduzida rigidez e resistência, com a força máxima a corresponder a valores elevados do deslocamento, essencialmente devido à elevada capacidade de deformação do adesivo. Em oposição, o adesivo à base de resina epóxi conferiu uma resistência que foi cerca de 10 vezes superior à obtida com o adesivo de poliuretano, tendo, ao mesmo tempo, garantido uma elevada rigidez, com deslocamentos máximos muito reduzidos. Os provetes com adesivo acrílico apresentaram resultados intermédios - em termos de rigidez, os valores aproximam-se dos obtidos para o adesivo epóxido; contudo, em termos de resistência (é de referir que foi nesta série que se obteve a maior variabilidade), os resultados aproximam-se dos obtidos com o adesivo de poliuretano. Relativamente ao processo construtivo, todos os adesivos mostraram-se aplicáveis à construção de vigas mistas vidro-GFRP. O adesivo epóxido apresentou uma excelente trabalhabilidade durante o processo construtivo, que permitiu obter excelentes acabamentos; a maior desvantagem deste adesivo residiu na dureza adquirida após a cura, que dificultou a execução posterior de alterações ao acabamento. O adesivo acrílico apresentou um processo de cura pouco adequado para as condições disponíveis laboratorialmente, o que, provavelmente, esteve na origem da considerável dispersão dos resultados. Para o adesivo de poliuretano, as principais desvantagens corresponderam à elevada viscosidade e às significativas alterações volumétricas. Deste modo, concluiu-se ser o adesivo epóxido o que melhores características apresentava, tanto físicas (relevante na fase de aplicação), como estruturais. Não obstante, e sendo um dos objectivos deste estudo o desenvolvimento de vigas mistas com um comportamento dúctil, considerou-se ser interessante utilizar também o adesivo de poliuretano nos ensaios das vigas. De facto, apesar das desvantagens já referidas, considerou-se que a elevada capacidade de deformação (e a reduzia rigidez) deste adesivo poderia contribuir para o aumento da ductilidade das vigas. Note-se que para o adesivo epóxido, dada a sua elevada rigidez e comportamento linear, a ductilidade apenas poderia ser garantida pelo efeito de tirante. 154 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros Finalmente, o último objectivo da campanha experimental passava pelo ensaio à flexão de vigas de vidro simples e de vigas mistas vidro-GFRP, com o objectivo de analisar o seu comportamento em serviço e à rotura. Como referido, de uma forma geral, verificou-se ser possível a construção e utilização de vigas mistas vidro-GFRP. Em particular, comprovou-se ser possível obter uma rotura “segura” de elementos de vidro por ligação adesiva a um perfil de GFRP. Ou seja, após a primeira fenda, todas as vigas reforçadas com GFRP mantiveram a sua integridade, permanecendo com uma reserva de capacidade resistente, que foi variável de viga para viga. Foi também possível verificar que a utilização da geometria em I trouxe benefícios em termos de comportamento, já que este tipo de vigas apresentaram desempenhos superiores aos registados para as vigas rectangulares, tanto em termos de resistência (carga última ou de fendilhação) como em termos de ductilidade. Por outro lado, a utilização dos dois adesivos estruturais permitiu concluir que o comportamento da ligação apresenta uma influência significativa no valor da carga de fendilhação (carga à qual corresponde o aparecimento da primeira fenda visível) e no comportamento pós-fendilhação inicial das vigas, nomeadamente o seu deslocamento e resistência última. Dos ensaios realizados, concluiu-se que o desempenho das vigas constituídas por adesivo de poliuretano foi, em termos de resistência, inferior ao apresentado pelas vigas com adesivo epóxido. De facto, as vigas constituídas por adesivo poliuretano apresentaram resistências significativamente inferiores face às vigas constituídas por adesivo epóxido, para ambas as geometrias analisadas (para as vigas rectangulares a diferença foi de 135% e para as vigas em I a diferença foi de 396%), sendo que a viga R-PU (viga rectangular com adesivo de poliuretano) apresentou mesmo uma resistência inferior à média das vigas de vidro simples. Esta conclusão aplica-se tanto à resistência última, como para a carga fendilhação Contudo, se a avaliação for efectuada em termos de ductilidade, os ensaios demonstram que as vigas com adesivo de poliuretano apresentaram, neste caso, melhor desempenho. Tal como tinha sido previsto, o adesivo de poliuretano, por comparação com o adesivo epóxido, permitiu obter uma maior ductilidade, o que se reflectiu na maior deformação apresentada por estas vigas e pelas respectivas diferenças no patamar de ductilidade (definido como a relação entre o deslocamento aquando do aparecimento da primeira fenda visível e o deslocamento na rotura), que no caso das vigas rectangulares foi 1.4 vezes e no caso das vigas com geometria em I foi de 2.7 vezes. Não obstante, volta-se a salientar que, para todas as vigas, o patamar de ductilidade registado foi muito significativo. Foram também registadas diferenças entre as vigas com adesivo de poliuretano e as vigas com adesivo epóxido ao nível das leituras dos extensómetros, que permitiram aferir a qualidade e o comportamento da ligação, essencialmente a partir da análise de dois parâmetros: (i) o grau de interacção garantido pelos dois tipos de adesivos e (ii) o efeito de tirante durante o processo de fissuração do vidro. Nas vigas constituídas pelo adesivo de poliuretano, mesmo para níveis reduzidos de força (inclusivamente, antes do início da fissuração do vidro), ocorreram deslizamentos significativos (interacção parcial) nas zonas de interface – a hipótese de Bernoulli não foi assim verificada. Nas vigas com adesivo epóxido (R-EP e I-EP), até ao início da fissuração do vidro, as 155 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP secções instrumentadas permaneceram planas, tendo-se verificado uma interacção completa entre os materiais unidos pelo adesivo. Após o início do processo de fendilhação, a ligação com adesivo epóxido manteve, nesta fase, e para níveis de força crescentes, rigidez e resistência suficientes para garantir uma adequada redistribuição de tensões entre o vidro e o GFRP. A explicação para tais diferenças foi, nesta altura, justificada tanto com base na rigidez apresentada pelos adesivos, como pela capacidade de adesão de cada um dos adesivos, que, com os ensaios de ligações coladas se comprovou ser deficiente, no caso do adesivo de poliuretano. 5.1.3. Modelos numéricos Finalmente, como complemento ao estudo experimental realizado, foram desenvolvidos modelos numéricos das vigas ensaiadas que tiveram como objectivo (i) reproduzir o comportamento em serviço das vigas mistas vidro-GFRP, (ii) disponibilizar informações quanto à tensão de rotura do vidro e (iii) disponibilizar informações quanto à distribuição de esforços pelos materiais constituintes das vigas. Com efeito, os modelos formulados reproduziram com significativa exactidão o comportamento em serviço das vigas mistas ensaiadas, o que permitiu obter resultados plausíveis. Verificou-se que, tanto as vigas com adesivo epóxido como as vigas com geometria em I, apresentaram tensões de rotura no vidro superiores às vigas com adesivo de poliuretano e às vigas rectangulares. Confirmou-se também que o adesivo de poliuretano não proporcionou a melhor qualidade de ligação, impossibilitando uma correcta distribuição de esforços por ambos os materiais (vidro e GFRP), tendo-se registado, mesmo para níveis de interacção total (ou seja, não tendo em conta possíveis problemas de adesão), os mesmos deslizamento registados experimentalmente. Assim, de uma forma geral, os modelos numéricos desenvolvidos permitiram comprovar que, caso o adesivo não apresente as características mecânicas apropriadas, com destaque para a sua rigidez, o comportamento global da viga mista pode vir a ser comprometido. Desta forma, concluiu-se que a utilização de um adesivo de reduzida rigidez (adesivo Sikaflex 265) foi uma das causas para a observação de um comportamento menos eficaz das vigas mistas, tendo sido particularmente afectada a sua resistência última. 5.2. Perspectivas de desenvolvimentos futuros Ao longo desta dissertação foi por várias vezes referido que a utilização do vidro como elemento estrutural, nomeadamente como elemento de viga ou coluna, é uma utilização relativamente recente e, como tal, o seu estudo encontra-se ainda numa fase embrionária. O estudo apresentado na área das estruturas mistas de vidro e, em particular, na área das estruturas mistas de vidro-GFRP, é igualmente recente, o que torna o campo de investigação deste tipo de solução estrutural muito alargado. Nesse sentido, apresenta-se, de seguida, um conjunto de sugestões de desenvolvimentos 156 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros futuros que poderão servir tanto para o aprofundamento dos conhecimentos aqui adquiridos, como para o desenvolvimento de novas soluções estruturais. A primeira sugestão está relacionada com o número de ensaios realizados neste estudo. De facto, apesar de os resultados obtidos serem substancialmente positivos, são resultados que estatisticamente não têm significado, dado o número limitado de amostras ensaiadas. Com efeito, a campanha de ensaios realizada em vigas mistas incluiu apenas uma amostra de cada tipo de viga, o que impede qualquer tipo de avaliação estatística. Os resultados dos ensaios em painéis e vigas de vidro demonstram que algumas características mecânicas, nomeadamente a tensão de rotura à tracção do vidro, apresentam elevada dispersão o que faz com que o comportamento de elementos constituídos por este material não seja independente da sua variação estatística. Será importante determinar se os resultados obtidos neste estudo se encontram na média de resultados, ou se, por outro lado, se encontram nos registos com melhor desempenho ou nos registos com pior desempenho. Será também importante avaliar se os modos de rotura ocorridos se repetem (por exemplo, uma das vigas mistas rectangulares apresentou uma rotura por corte), ou se a evolução da fendilhação se processa da mesma forma. Em suma, os ensaios aqui apresentados poderão coincidir com aspectos circunstanciais associados ao comportamento do vidro, aspectos esses que deverão ser esclarecidos ou eliminados em estudos futuros. Da mesma forma, muitos dos ensaios aqui expostos foram realizados sem o correcto conhecimento na área de todos os materiais utilizados (principalmente na área do vidro), podendo ter sido, por vezes, afectados pela inexperiência do autor. Nesse sentido, alguns dos resultados obtidos apresentam determinadas lacunas que deveriam ser estudadas em maior profundidade, em ensaios que teriam a vantagem de serem realizados com um nível de experiência superior aos aqui apresentados. Nos pontos seguintes salientam-se alguns desses aspectos passíveis de melhoramento: A partir dos ensaios em vigas de vidro simples, verificou-se que as mesmas apresentaram um módulo de elasticidade de E = 80 GPa. Em geral, a bibliografia analisada sugere um valor para o módulo de elasticidade de E = 70 GPa, o que faz com que, em futuros ensaios, seja importante analisar se este acréscimo de rigidez registado se repete novamente ou se esta ocorrência esteve relacionada com o processo de ensaio utilizado. Os resultados numéricos demonstram que existe ainda uma ligeira diferença entre os resultados experimentais e os resultados numéricos, que estará, no essencial, relacionada com a caracterização dos materiais, em particular, do adesivo de poliuretano. Com efeito, futuros estudos dedicados ao tema, e que recorram novamente a este adesivo, deverão ter em conta as dificuldades registadas e apresentadas neste estudo, procurando novos métodos de realizar os ensaios à tracção em provetes deste adesivo. A escolha de provetes de dimensão inferior e a utilização de um método de aperto que tenha em conta as alterações volumétricas deverá ser suficiente para que se obtenha uma correcta caracterização do material. 157 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Os resultados numéricos também poderão ser melhorados recorrendo a uma refinação da malha e à utilização de um grau de aproximação dos deslocamentos superior ao utilizado neste estudo. Por outro lado, caso haja uma progressiva evolução no conhecimento das estruturas mistas vidro-GFRP, evolução essa que encaminhe esta solução para utilizações comerciais, deverse-á ter em conta que o estudo aqui apresentado e dedicado aos adesivos não é suficiente para permitir a sua utilização comercial. Estudos dedicados ao comportamento do adesivo a longo prazo, sob diferentes carregamentos e sob diferentes temperaturas, são essenciais para o correcto conhecimento de todas as características dos adesivos utilizados neste tipo de estruturas. Um outro objectivo deixado em aberto neste estudo foi o de desenvolver uma solução estrutural que apresente resultados intermédios aos obtidos para os dois tipos de vigas aqui estudados, nomeadamente, entre as vigas com adesivo de poliuretano e as vigas com adesivo epóxido. A análise numérica em serviço elaborada para uma viga com as mesmas características estudadas, mas constituída por um adesivo com características intermédias dos dois adesivos aqui utilizados (o adesivo Sikaforce 7851), deixou boas perspectivas, passíveis de análise em estudos futuros. Finalmente, deixou-se também em aberto a possibilidade de se recorrer a um processo de fabrico de maior precisão e mais adequado à indústria. Futuros desenvolvimentos poderão também debruçar-se sobre aspecto. Por outro lado, tal como foi apresentado no capítulo 2, o valor da tensão de rotura do vidro depende de inúmeros factores, sendo relevante salientar a dimensão do provete de ensaio e o historial do carregamento. Assim, estudos futuros poderão dedicar-se ao estudo da influência destes parâmetros, analisando se o comportamento último das vigas mistas é também influenciado por estas variáveis ou se, por exemplo, somente a carga de fendilhação é afectada. É possível que, com o aumento da dimensão das vigas, não ocorra um aumento proporcional da resistência das mesmas, já que o aumento da dimensão do elemento de vidro origina, ao mesmo tempo, uma diminuição da respectiva tensão de rotura. Também o historial do carregamento poderá ter influência no comportamento das vigas e, nesse sentido, a realização de ensaios de carga cíclicos poderão ser interessantes de forma a analisar de que modo este aspecto influencia a carga última das vigas e o seu comportamento global. Ao nível da análise numérica foi patente que o estudo aqui apresentado apenas de dedicou à análise de uma parte do comportamento das vigas. No futuro será interessante modelar o comportamento pós-fendilhação das vigas mistas, prevendo-se a necessidade de recorrer a modelos que incorporem a mecânica da fractura do vidro. Existem alguns estudos que têm procurado modelar estes aspectos, como por exemplo o estudo de Olgaard et al. [75] e Louter et al. [83], mas que nesta dissertação não foi possível ter em conta. 158 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros Após a consolidação dos conhecimentos adquiridos ao longo deste estudo e anteriormente referidos, os desenvolvimentos futuros nesta área poderão dedicar-se à análise de outras situações estruturais, como por exemplo, submeter as vigas mistas a situações em que as mesmas estejam continuamente apoiadas (vigas hiperestáticas). Este aspecto é particularmente interessante na medida em que permitiria perceber como é que a viga efectuaria a distribuição de tensões ao longo do vão ou de que modo é que se desenvolveria a fendilhação no vidro. Seria também interessante analisar novas geometrias de reforço e novas geometrias de vigas. Seria também interessante elaborar um estudo uniformizado sobre todas as soluções mistas apresentadas por vários investigadores. Este estudo teria como objectivo a recolha e a comparação de resultados de todas as soluções mistas possíveis na área do vidro, retirando conclusões quanto à sua eficácia e adequabilidade. Neste estudo, não poderia faltar a comparação com soluções estruturais que recorram apenas a vidro laminado, já que esta é, ainda, a solução mais procurada para reforçar a segurança pós-rotura de estruturas de vidro. Por último, o estudo bibliográfico aqui apresentado, e que se pretendia introdutório a um tema muito abrangente, demonstra que existem vários aspectos passíveis de investigação adicional, nomeadamente no que diz respeito à mecânica da fractura do vidro, à tecnologia das ligações e à preparação de uma regulamentação adequada às mais recentes utilizações do vidro. 159 Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP 160 Conclusões e perspectivas de desenvolvimentos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Vários autores, “Manual do vidro”, Saint-Gobain Glass, Uk, 2000, 631 pp. [2] Niccolé, B., “New trends in free-form design”, In Proceedings of Glass Performance Days 2009, Tampere, Finland, 2009. [3] O’Callaghan, J. and O’Callaghan, E., “Thinking big with structural glass”, In Proceedings of Glass Performance Days 2009, Tampere, Finland, 2009. [4] Vários autores, “Apontamentos de materiais de construção I”, Volume III, IST, Lisboa, 20062007. 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EN 572-1:2004 EN 572-2:2004 EN 572-3:2004 EN 572-4:2004 EN 572-5:2004 EN 572-6:2004 EN 572-7:2004 EN 572-8:2004 EN 572-9:2004 ASTM C 1036.2001 EN 1748-1-1:2004 EN 1748-1-2:2004 EN 1748-2-1:2004 EN 1748-2-2:2004 EN 1051-1:2003 EN 1051-2:2003 EN1863-1:2000 EN1863-2:2004 EN 12150-1:2000 EN 12150-2:2000 EN 14179-1:2005 EN 14179-2:2005 EN 13024-1:2002 EN 13024-2:2004 EN 14321-1:2005 EN 14321-2:2005 EN 12337-1:2000 EN 12337-2:2004 EN 1096-1:1998 Basic soda lime silicate glass products - Part 1: Definitions and general physical and mechanical properties Basic soda lime silicate glass products - Part 2: Float Glass Basic soda lime silicate glass products - Part 3: Polished wire glass Basic soda lime silicate glass products - Part 4: Drawn sheet glass Basic soda lime silicate glass products - Part 5: Patterned glass Basic soda lime silicate glass products - Part 6: Wired patterned glass Basic soda lime silicate glass products - Part 7: Wired or unwired channel shaped glass Basic soda lime silicate glass products - Part 8: Supplied and final cut sizes Basic soda lime silicate glass products - Part 9: Evaluation of conformity/Product standard Standard Specification for Flat Glass Special basic products - Borosilicate glasses - Part 1-1: Definitions and general physical and mechanical properties Special basic products - Borosilicate glasses - Part 1-2: Evaluation of conformity/Product standard Special basic products - Glass Ceramics - Part 1-1: Definitions and general physical and mechanical properties Special basic products - Glass ceramics - Part 1-2: Evaluation of conformity/Product standard Glass blocks and glass paver units - Part 1: Definitions and description Glass blocks and glass paver units - Part 2: Evaluation of conformity Heat strengthened sola lime silicate glass - Part 1: Definition and description Heat strengthened sola lime silicate glass - Part 2: Evaluation of conformity/Product standard Thermally toughened sola lime silicate safety glass - Part 1: Definition and description Thermally toughened sola lime silicate safety glass - Part 2: Evaluation of conformity/Product standard Heat soaked thermally toughened soda lime silicate safety glass - Part 1: Definition and description Heat soaked thermally toughened soda lime silicate safety glass - Part 2: Evaluation of conformity/Product standard Thermally toughened borosilicate safety glass - Part 1: Definition and description Thermally toughened borosilicate safety glass - Part 2: Evaluation of conformity/Product standard Thermally toughened alkaline earth silicate safety glass - Part 1: Definition and description Thermally toughened alkaline earth silicate safety glass - Part 2: Evaluation of conformity/Product standard Chemically strengthened sola lime silicate glass - Part 1: Definition and description Chemically strengthened sola lime silicate glass - Part 2: Evaluation and conformity/Product standard Coated glass - Part 1: Definition and classification IV ANEXOS EN 1096-2:2001 EN 1096-3:2001 EN 1096-4:2004 ISO 12543-1:1998 ISO 12543-2:2004 ISO 12543-3:1998 ISO 12543-4:1998 ISO 12543-5:1998 ISO 12543-6:1998 EN 14449:2005 EN 1279-1:2004 EN 1279-2:2002 EN 1279-3:2002 EN 1279-4:2002 EN 1279-5:2005 EN 1279-6:2002 ASTM C 1048-04 ASTM C 1172-03 ASTM C 1376-03 ASTM C 1422-99 ASTM C 1464-06 ASTM C 1503-01 Coated glass - Part 2: Requirements and test methods for class A, B and S coatings Coated glass - Part 3: Requirements and test methods for class C and D coatings Coated glass - Part 4: Evaluation of conformity/Product standard Laminated glass and laminated safety glass - Part 1: Definitions and description of components parts Laminated glass and laminated safety glass - Part 2: Laminated safety glass Laminated glass and laminated safety glass - Part 3: Laminated glass Laminated glass and laminated safety glass - Part 4: Test methods for durability Laminated glass and laminated safety glass - Part 5: Dimensions and edge finishing Laminated glass and laminated safety glass - Part 6: Appearance Laminated glass and laminated safety glass - Evaluation of conformity/Product standard Insulating glass units - Part 1: Generalities, dimensional tolerances and rules for the system description Insulating glass units - Part 2: Long term test method and requirements for moisture penetration Insulating glass units - Part 3: Long term test method and requirements for gas leakage rate and for gas concentration tolerances Insulating glass units - Part 4: Methods for test for the physical attributes of edge seals Insulating glass units - Part 5: Evaluation of conformity/Product standard Insulating glass units - Part 6: Factory production control and periodic tests Standard Specification for Heat-Treated Flat Glass - Kind HS, Kind FT Coated and Uncoated Standard Specification for Laminated Architectural Flat Glass Standard Specification for Pyrolytic and Vacuum Deposition Coatings on Flat Glass Standard Specification for Chemically Strengthened Flat Glass Standard Specification for Bent Glass Standard Specification for Silvered Flat Glass Mirror V Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP VI ANEXOS ANEXO 2 Resultados gráficos da análise numérica VII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Viga de vidro Figura A2.1 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.2 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.3 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN. VIII ANEXOS Figura A2.4 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.5 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga de vidro, para uma força aplicada de 2.5 kN. Viga R-EP Figura A2.6 – Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). IX Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.7 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.8 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) da viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona central do vão). Figura A2.9 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN. X ANEXOS Figura A2.10 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.11 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-EP, para uma força aplicada de 2.5 kN. Viga R-PU Figura A2.12 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). XI Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.13 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). Figura A2.14 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona de meio vão). Figura A2. 15 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. XII ANEXOS Figura A2. 16 - Distribuição das extensões axiais (em m/m) da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. Figura A2. 17 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-PU, para uma força aplicada de 2.5 kN. Viga R-PU2 Figura A2.18 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). XIII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.19 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.20 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (pormenor da zona de meio vão). Figura A2.21 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN. XIV ANEXOS Figura A2.22 - Distribuição de extensões axiais (em MPa) na viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.23 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga R-PU2, para uma força aplicada de 2.5 kN. Viga I-EP Figura A2.24 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga I-EP para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). XV Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.25 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) da viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.26 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (perspectiva 3D). Figura A2.27 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-EP com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor nas tensões no vidro, para uma força aplicada de 4.5 kN. XVI ANEXOS Figura A2.28 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.29 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-EP, para uma força aplicada de 4.5 kN. Viga I-PU Figura A2.30 - Distribuição dos deslocamentos (em m) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). XVII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.31 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). Figura A2.32 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU, para uma força aplicada de 4.5 kN (perspectiva 3D). Figura A2.33 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-PU com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor das tensões no vidro, para uma força aplicada de 4.5 kN. XVIII ANEXOS Figura A2. 34 - Distribuição das extensões axiais (em m/m) na viga I-PU, para uma força de 4.5 kN (deformada ampliada 20 vezes). Figura A2. 35 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-PU2, para uma força de 4.5 kN. Viga I-PU2 Figura A2. 36 - Distribuição dos deslocamentos (em mm) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). XIX Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Figura A2.37 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.38 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na viga I-PU2 (perspectiva 3D). Figura A2.39 - Distribuição de tensões axiais (em MPa) na secção de meio vão da viga I-PU2 com (da esquerda para a direita) pormenor das tensões no GFRP e pormenor das tensões no vidro. XX ANEXOS Figura A2.40 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na viga I-PU2 (deformada ampliada 50 vezes). Figura A2.41 - Distribuição de extensões axiais (em m/m) na secção de meio vão da viga I-PU2. XXI Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP XXII ANEXOS ANEXO 3 Fichas informativas dos fornecedores XXIII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Adesivo de poliuretano (Sikaflex 265) XXIV ANEXOS XXV Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP Adesivo epóxido (Sikadur 330) XXVI ANEXOS XXVII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP XXVIII ANEXOS XXIX Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP XXX ANEXOS Adesivo acrílico (Delo photobond 468) XXXI Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP XXXII ANEXOS XXXIII Construção em vidro estrutural: comportamento mecânico de vigas mistas vidro-GFRP XXXIV
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