A CYPE desenvolveu em conjunto com a SIKA®, empresa líder no desenvolvimento de especialidades químicas para impermeabilizar, colar, amortecer, reforçar e proteger estruturas, uma ferramenta informática denominada SIKA® CarboDur® Design Software com a qual os profissionais podem realizar o cálculo de uma forma automática de um projeto de reforço estrutural, utilizando as diferentes soluções de fibra de carbono que a empresa suíça oferece, para normas internacionais específicas. Falámos com David Vázquez Cacho, responsável Internacional da Sika para o apoio técnico dos sistemas de reforço da empresa através de compósitos.
Antes de mais, gostaríamos de saber quais são as soluções em fibra de carbono que a Sika® desenvolveu.
É uma solução baseada num composto não metálico que é entre três e cinco vezes mais leve do que o aço de reforço e entre oito e dez vezes mais resistente do que o aço. Isto faz com que a sua durabilidade e alta resistência o coloquem como um material altamente qualificado para proporcionar segurança nas obras e integridade às estruturas. São, portanto, sistemas de muito pouco peso, frequentemente utilizados como sistemas de reforço para aumentar a resistência estrutural em qualquer tipo de elemento estrutural, desde uma pequena viga de construção até uma grande barragem.
Desde quando é que a Sika® desenvolve este tipo de produto?
A Sika iniciou o desenvolvimento dos seus sistemas de reforço de carbono nos anos 80. Este desenvolvimento foi essencialmente realizado pela Sika na Suíça, com a colaboração da EMPA, o Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais. Nessa altura, os primeiros desenvolvimentos baseavam-se essencialmente na utilização de tecidos de fibra de carbono que eram impregnados manualmente com adesivos na superfície do betão. Esta técnica continua a ser utilizada atualmente, embora tenha sido substituída na maioria dos casos por sistemas pré-fabricados mais simples, mais seguros e mais eficazes.
Qual era o principal objetivo deste produto na altura?
O objetivo dos primeiros desenvolvimentos era essencialmente alcançar uma solução que pudesse superar os problemas de durabilidade detetados nos reforços existentes, feitos com aço. Era evidente que muitos dos reforços metálicos executados há dez ou quinze anos atrás apresentavam sérios problemas de corrosão nessa altura. Como resultado, muitos engenheiros começaram a exigir uma solução que não colocasse tal limitação e que pudesse exceder em muito as capacidades mecânicas do aço.
Como tem evoluído esta solução de construção nos últimos anos em termos de melhorias e inovação?
Ao longo da década dos 90, os tecidos foram sendo gradualmente substituídos por folhas pré-formadas de carbono, principalmente nos reforços destinados a aumentar a capacidade resistente à flexão de vigas e lajes de betão. Este sistema baseado em laminados pré-fabricados permitiu reduzir drasticamente os prazos de execução, tornando possível planear em poucos dias trabalhos que demoravam várias semanas utilizando técnicas de reforço tradicionais.
E com a chegada do século XXI?
Continuaram a surgir novas técnicas, tais como a utilização de pequenos perfis ou barras de fibra de carbono orientadas para serem incorporadas em ranhuras na superfície do betão. Esta técnica, chamada NSM (Near Surface Mounted), trouxe uma série de benefícios, tais como poder fazer o carbono trabalhar sob maior tensão, ao reduzir-se o risco de descolagem sob tração ou encurvadura sob compressão.
Foram também desenvolvidas técnicas de pós-tensionamento, tais como o sistema Sika® CarboStress. Esta técnica permitiu não só um aumento significativo das resistências finais do elemento reforçado, mas também poder corrigir de uma forma ativa os defeitos na estrutura relacionados com as suas condições de operacionalidade, tais como flechas e fissuração.
Os últimos anos trouxeram o aparecimento de técnicas como a TRM (Textile Reinforced Mortar), com as quais as colas sintéticas foram substituídas por argamassas de cimento, sendo a sua utilização principalmente centrada no reforço de elementos de alvenaria.
“Os técnicos que utilizam o carbono como sistema de reabilitação pela primeira vez ficam entusiasmados com ele e repetem-no devido à sua simplicidade e segurança”
Em que está a Sika a trabalhar hoje?
Estamos atualmente a trabalhar em desenvolvimentos destinados a aumentar o desempenho dos seus sistemas de fibra de carbono CarboDur e SikaWrap através de sistemas complementares de ancoragem ou colas estruturais de última geração que permitem aumentar as deformações de desenho do composto, podendo reduzir a quantidade de reforço a aplicar.
Qual é o perfil profissional do utilizador desta solução de construção?
Não existe um perfil pré-definido, uma vez que se trata de uma técnica de reforço válida tanto para uma laje de habitações como para uma grande ponte sobre o mar. No caso específico do mercado espanhol, é um sistema amplamente utilizado por um bom número de engenheiros, arquitetos e armadores, devido à vasta oferta de produtos existentes e à larga experiência adquirida. Os técnicos que utilizam o carbono como sistema de reabilitação pela primeira vez ficam entusiasmados com ele e repetem-no devido à sua simplicidade e segurança.
Portanto, esta técnica é utilizada tanto por pequenas como por grandes empresas de construção, uma vez que não interfere com outros processos construtivos nem altera as condições geométricas da estrutura, tapamentos ou elementos de distribuição.
Em que tipo de obras é habitualmente utilizado?
Por um lado, podemos mencionar a reabilitação de edifícios existentes, quer como resultado da degradação da sua estrutura ao longo do tempo, quer devido a alterações nas suas condições de carga. É particularmente notável a sua utilização em estruturas marinhas ou edifícios localizados na proximidade de zonas costeiras devido ao risco de corrosão que sofrem os sistemas de reforço com elementos metálicos. Num bom número de casos, o prazo de execução dos trabalhos é extremamente reduzido, pelo que o uso de fibra de carbono pode ser a única alternativa viável.
Pode dar alguns exemplos destes últimos casos?
Entre eles estariam, por exemplo, estádios desportivos, grandes centros comerciais, parques de estacionamento, pontes, indústrias e centrais de produção de energia onde os períodos de inatividade são críticos.
E algum outro tipo de construção?
Sim, nos mercados europeus e norte-americanos vale a pena destacar a sua utilização como "commodity" ou material de utilização habitual em obras em execução, permitindo que sejam corrigidos de imediato problemas estruturais decorrentes de erros de desenho ou problemas que surjam durante os trabalhos de construção, tais como diminuição de resistências no betão, problemas na colocação de armaduras ou furos em vigas.
O número de projetos que utilizam esta solução construtiva tem aumentado nos últimos anos?
A utilização de reforços de fibra de carbono é algo extremamente frequente em mercados maduros como a Europa, Oceânia ou América do Norte, onde existem requisitos estruturais rigorosos. Isto significa que em muitos casos seja considerada a primeira opção num grande número de projetos de reforço estrutural, mesmo à frente dos sistemas tradicionais baseados em elementos metálicos ou betonilhas de betão.
Qual acha que é a razão desta escolha por parte dos profissionais?
Isto deve-se tanto à sua grande disponibilidade nestes países durante mais de 20 anos, como ao reduzido custo e prazo para a instalação, em comparação com outras alternativas. Isto é tido em conta tanto por profissionais do sector como por empresas de construção, que têm utilizado extensivamente reforços de carbono para resolver uma série de pequenos problemas que têm surgido regularmente durante a construção de novos edifícios.
A sua utilização é a mesma em todos os países do mundo?
São utilizações similares. Uma situação semelhante encontra-se em países da América Latina, como o México, Colômbia, Argentina, Peru, etc., onde a utilização de compósitos teve também uma grande aceitação como sistema de reforço sísmico de estruturas existentes, uma vez que permite levar a cabo o trabalho sem afetar a geometria e os volumes existentes em edifícios, parques de estacionamento ou pontes.
Outras regiões, principalmente o Médio Oriente e a Ásia, orientam principalmente a utilização de reforços de carbono para a reabilitação de grandes infraestruturas, tais como arranha-céus, pontes ou grandes centros comerciais.
“A utilização de reforços de fibra de carbono é especialmente destacada nas estruturas marinhas ou edifícios localizados em zonas costeiras devido ao risco de corrosão dos sistemas de reforço com elementos metálicos”
Como responsável internacional deste produto, em que países é mais solicitada e procurada esta solução de fibra de carbono?
Há dez ou quinze anos, os principais consumidores de reforços com fibra de carbono eram a Europa Ocidental, o Japão, os Estados Unidos e alguns países da América Latina, como o México, o Chile e a Colômbia. Ao longo dos anos, a procura cresceu em novas regiões, principalmente na Ásia e no Médio Oriente. Hoje em dia, a procura continua a aumentar significativamente a nível internacional, e pode dizer-se que a sua utilização está amplamente generalizada em todo o mundo, com exceção de partes da África Subsaariana.
Que vantagens oferece a solução de fibra de carbono sobre outros tipos de soluções, tais como a utilização de aço, betão, etc.?
O técnico destaca principalmente dos sistemas CFRP, as suas impressionantes capacidades mecânicas e o elevado nível de segurança que proporciona a sua utilização devido à intervenção mínima do operador e ao risco de erros durante a instalação. Outro fator que ele aponta é a segurança nos cálculos, uma vez que já existe um grande número de guias de desenho que regulam o seu dimensionamento de acordo com os parâmetros do Eurocódigo 2 ou ACI318-14.
O proprietário da estrutura tem um reforço estrutural livre de manutenção ou de problemas de degradação ou corrosão, que pode ser instalado em poucas horas ou dias. Deve ter-se em conta que um reforço de carbono tem uma espessura de aproximadamente 1-2 milímetros, pelo que desaparece da vista sob um simples reboco, sem alterar o resto dos elementos construtivos. Isto é algo impensável com técnicas tradicionais de reforço baseadas em perfis de aço ou betonilhas de betão.
Há países, como por exemplo a Espanha, que não têm regulamentação específica para a utilização desta solução de fibra de carbono para estruturas. Sabe se a introdução de regulamentação específica está a ser estudada em Espanha? Qual é a sua opinião sobre esta falta de regulamentação em Espanha?
Muitos países têm os seus próprios códigos para o desenho dos reforços com CFRP. Alguns exemplos são o Canadá, Estados Unidos, Japão, Egipto, Reino Unido, Itália, Holanda, Alemanha, etc. Na maior parte dos casos, estes guias de cálculo foram elaborados há dez ou quinze anos e têm sido atualizados periodicamente.
Os restantes países, como é o caso da Espanha, utilizam guias de cálculo internacionais, tais como o boletim 14 da Fib (Federação Internacional do Betão), redigido em 2001, que será atualizado em 2016. Este guia foi concebido como um anexo ao Eurocódigo Europeu 2, seguindo as mesmas diretrizes de cálculo.
No caso de países europeus sem normas próprias, como é o caso da Espanha, não faz sentido atualmente propor um código de desenho próprio. Isto deve-se, por um lado, à existência de outros guias internacionais que podem ser perfeitamente utilizados e que seguem padrões de cálculo europeus e, principalmente, ao facto de a nova atualização do Eurocódigo 2, prevista para 2020, já incluir nos seus artigos o dimensionamento de reforços de fibra de carbono.
No caso dos países americanos e asiáticos, o principal guia de desenho é o ACI 440.2R, que segue os mesmos princípios que a norma de betão estrutural ACI 318.
A Sika® tem um acordo de colaboração com a CYPE para o desenvolvimento de um software capaz de realizar o cálculo de reforços de fibra de carbono em estruturas que, atualmente, tem a norma norte-americana ACI 440.R2-08, a norma suíça SIA 166 e a britânica TR-55. Quais são as vantagens para o profissional em ter uma ferramenta deste tipo?
No final dos anos 90, as primeiras diretrizes de cálculo eram apenas documentos derivados de dados experimentais obtidos a partir de testes de laboratório. Assim, apenas era possível utilizar reforços depois de aumentar a capacidade à flexão das vigas retangulares e à resistência de pilares sob cargas centradas. Contudo, a principal vantagem era que o dimensionamento podia ser facilmente realizado com um lápis e papel em poucos minutos.
As diretrizes para o cálculo dos reforços de carbono evoluíram de forma exponencial ao longo dos últimos 15 anos. Isto permite na atualidade utilizar sistemas sofisticados de PRFV para o reforço de um número infinito de elementos construtivos sob complexas combinações de solicitações. No entanto, muitos destes cálculos baseiam-se em mecanismos complexos de iteração e verificação, fazendo com que o seu dimensionamento seja praticamente impossível utilizando folhas de cálculo, e muito menos de forma manual.
Isto, aliado ao conhecimento limitado dos engenheiros e arquitetos das diretrizes de cálculo com fibra de carbono, faz com que o principal inconveniente para o projetista seja realizar o dimensionamento de forma segura e fácil. Por esta razão, a Sika começou a promover a utilização de ferramentas de cálculo há 15 anos. O acordo com a CYPE permitiu-nos ir mais longe e a Sika® está agora em condições de fornecer de forma gratuita aos seus clientes o melhor software existente atualmente em todo o mundo para o desenho específico de reforços de fibra de carbono.
“A Sika® e a CYPE desenvolveram um módulo específico no software que inclui o cálculo automático da resistência ao fogo dos diferentes elementos a serem reforçados”
Um dos problemas que esta solução construtiva pode ter em comparação com outras é a sua proteção em caso de incêndio. Que tipo de soluções podem ser propostas para melhorar a segurança nesta área? É muito diferente das restantes soluções, como com a utilização do aço?
É um erro muito frequente considerar que a perda do reforço como consequência de uma ação acidental leva ao colapso da estrutura. Isto é geralmente devido à falta de conhecimento por parte de muitos engenheiros e arquitetos dos artigos das atuais normas de cálculo de betão relativamente ao desenho estrutural em situação de incêndio.
Por isso, convém lembrar que a resistência residual do elemento estrutural em caso de incêndio não tem em conta os fatores habituais de redução de resistência do betão e do aço. Do mesmo modo, a combinação de cargas em caso de incêndio é também regulada nas atuais normas de betão armado, sendo sensivelmente inferior às cargas habituais de desenho.
Isto faz com que o reforço seja totalmente dispensável na grande maioria dos casos, pelo que é desnecessário considerar qualquer tipo de ação para a sua proteção.
Portanto, nessa situação, só é de esperar uma proteção passiva da secção de betão armado (e não do reforço) para se obter uma certa resistência ao fogo, cujo dimensionamento é geralmente realizado utilizando o método da Isotherm 500 indicado na regulamentação espanhola e europeia.
Nas raras situações em que é essencial proteger o laminado de carbono, é possível utilizar argamassas específicas de proteção da gama Sikacrete, ou painéis de isolamento, de forma similar aos sistemas de proteção para placas de aço.
Cientes das dificuldades e da falta de conhecimento generalizado sobre esta matéria, a Sika® e a CYPE incluíram um módulo específico no software que desenvolveram conjuntamente, que inclui o cálculo automático da resistência ao fogo dos diferentes elementos a reforçar.
