Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Direcção de obra – obras de arte auto-estrada Transmontana – área 3

Este relatório diz respeito ao trabalho desenvolvido em ambiente de estágio académico numa Empreitada compreendendo Obras de Arte Correntes e Obras de Arte Especiais inseridas em traçado actual do IP4 que está a ser transformado em Auto-Estrada. As Obras de Arte Correntes compreendem Passagens Superiores, Passagens Inferiores e Passagens superiores de Nó. As Obras de Arte Especiais compreendem duas Pontes com vãos distintos. Todas as Obras de Arte referidas neste relatório contemplam uma solução mista de betão armado “in situ” e tabuleiros com vigas e pré-lajes em betão pré-fabricado. Além da descrição de todas as actividades realizadas em betão armado “in situ”, desde as fundações até ao tabuleiro, descreve também a execução dos diversos tipos de trabalhos de acabamentos. Além das actividades de construção civil, é efectuada uma descrição das actividades a cujo processo de realização estão associados trabalhos de concepção e desenvolvimento, como é o caso dos cimbres. Este relatório faz uma descrição abrangente das funções da Direcção de Obra numa Empreitada de Obras de Arte, que para além da execução da obra, com todas as actividades que lhe são inerentes, compreende várias áreas funcionais que fazem parte de uma empresa de construção civil, como a área comercial, financeira, planeamento, aprovisionamento, controlo orçamental, gestão contratual, gestão de subempreitadas e gestão da qualidade, ambiente e segurança.

Re-use assessment of thermoset composite wastes as aggregate and filler replacement for concrete-polymer composite materials: a case study regarding GFRP pultrusion wastes

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both the cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and the complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, polymer matrix and different types of inorganic fillers. Hence, to date, most of the thermoset based GFRP waste is being incinerated or landfilled leading to negative environmental impacts and additional costs to producers and suppliers. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, the effect of the incorporation of mechanically recycled GFRP pultrusion wastes on flexural and compressive behaviour of polyester polymer mortars (PM) was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (0%, 4%, 8% and 12%, w/w), with distinct size grades (coarse fibrous mixture and fine powdered mixture), were incorporated into polyester PM as sand aggregates and filler replacements. The effect of the incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Experimental results revealed that GFRP waste filled polymer mortars show improved mechanical behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of GFRP waste reuse as raw material in concrete-polymer composites.

Experimental and numerical evaluation of composite repairs on wood beams damaged by cross-graining

An experimental and Finite Element study was performed on the bending behaviour of wood beams of the Pinus Pinaster species repaired with adhesively-bonded carbon–epoxy patches, after sustaining damage by cross-grain failure. This damage is characterized by crack growth at a small angle to the beams longitudinal axis, due to misalignment between the wood fibres and the beam axis. Cross-grain failure can occur in large-scale in a wood member when trees that have grown spirally or with a pronounced taper are cut for lumber. Three patch lengths were tested. The simulations include the possibility of cohesive fracture of the adhesive layer, failure within the wood beam in two propagation planes and patch interlaminar failure, by the use of cohesive zone modelling. The respective cohesive properties were estimated either by an inverse method or from the literature. The comparison with the tests allowed the validation of the proposed methodology, opening a good perspective for the reduction of costs in the design stages of these repairs due to extensive experimentation.

Reforço de estruturas de betão armado com CFRP

Ao longo dos anos as estruturas existentes têm sido adaptadas para novas utilizações. No entanto, devido aos condicionalismos arquitetónicos e patrimoniais, a demolição e substituição por estruturas novas, pode-se tornar pouco viável, sendo cada vez mais exequível a opção de reforçar. A presente dissertação refere-se a uma dessas opções de reforço nomeadamente ao reforço de estruturas em betão armado com CFRP (Compósitos Reforçados com Fibras de Carbono), nomeadamente lajes e vigas. Os objetivos principais deste trabalho consistem em desenvolver uma proposta de critérios de dimensionamento de estruturas de betão armado reforçadas com CFRP tendo por base o disposto no Eurocódigo 2 comparando -a com o relatório técnico publicado “bulletin 14 - Externally bonded FRP reinforcement for RC structures”, da Fédération Internationale du Béton. Recorrendo à revisão bibliográfica, onde estão referidos temas como as características dos materiais de um sistema FRP, as suas técnicas de reforço e com uma exposição do comportamento das vigas reforçadas à flexão, particularmente no seu comportamento mecânico e modos de ruína associados a este tipo de reforço. Apresentam-se duas metodologias de cálculo para dimensionamento deste tipo de reforço para os diferentes estados limites, e aplicam-se a cada uma das metodologias de cálculo a uma viga com necessidade de reforço à flexão e ao corte, devido a um aumento de esforços provocado pelo aumento da sobrecarga. Desenvolve-se um estudo experimental onde se pretende avaliar a eficácia de um sistema de reforço à flexão com compósitos de CFRP colado externamente a uma viga e com diferentes taxas de reforço.

Reusability assessment of thermoset polymeric composite wastes as reinforcement and filler replacement for polymer concrete materials

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fiber reinforced polymers (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Production and consume have increased tremendously mainly for the construction, transportation and automobile sectors [2, 3]. Although the many successful uses of thermoset composite materials, recycling process of byproducts and end of lifecycle products constitutes a more difficult issue. The perceived lack of recyclability of composite materials is now increasingly important and seen as a key barrier to the development or even continued used of these materials in some markets.

New recycling approaches for thermoset polymeric composite wastes – an experimental study on polyester based concrete materials filled with fibre reinforced plastic recyclates

In this study, a new waste management solution for thermoset glass fibre reinforced polymer (GFRP) based products was assessed. Mechanical recycling approach, with reduction of GFRP waste to powdered and fibrous materials was applied, and the prospective added-value of obtained recyclates was experimentally investigated as raw material for polyester based mortars. Different GFRP waste admixed mortar formulations were analyzed varying the content, between 4% up to 12% in weight, of GFRP powder and fibre mix waste. The effect of incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Design of experiments and data treatment was accomplished through implementation of full factorial design and analysis of variance ANOVA. Added value of potential recycling solution was assessed by means of flexural and compressive loading capacity of GFRP waste admixed mortars with regard to unmodified polymer mortars. The key findings of this study showed a viable technological option for improving the quality of polyester based mortars and highlight a potential cost-effective waste management solution for thermoset composite materials in the production of sustainable concrete-polymer based products.

New end-use application for GFRP recyclates as reinforcement for concrete-polymer materials’

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both: cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remolded, and complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, matrix and different types of inorganic fillers. Presently, most of the GFRP waste is landfilled leading to negative environmental impacts and supplementary added costs. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. There are several methods to recycle GFR thermostable materials: (a) incineration, with partial energy recovery due to the heat generated during organic part combustion; (b) thermal and/or chemical recycling, such as solvolysis, pyrolisis and similar thermal decomposition processes, with glass fibre recovering; and (c) mechanical recycling or size reduction, in which the material is subjected to a milling process in order to obtain a specific grain size that makes the material suitable as reinforcement in new formulations. This last method has important advantages over the previous ones: there is no atmospheric pollution by gas emission, a much simpler equipment is required as compared with ovens necessary for thermal recycling processes, and does not require the use of chemical solvents with subsequent environmental impacts. In this study the effect of incorporation of recycled GFRP waste materials, obtained by means of milling processes, on mechanical behavior of polyester polymer mortars was assessed. For this purpose, different contents of recycled GFRP waste materials, with distinct size gradings, were incorporated into polyester polymer mortars as sand aggregates and filler replacements. The effect of GFRP waste treatment with silane coupling agent was also assessed. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of factorial design and analysis of variance ANOVA. The use of factorial experiment design, instead of the one-factor-at-a-time method is efficient at allowing the evaluation of the effects and possible interactions of the different material factors involved. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as aggregates and filler replacements for polymer mortar, with significant gain of mechanical properties with regard to non-modified polymer mortars.

Recycling of pultrusion production waste into innovative concrete-polymer composite solutions

In this study, the added value resultant from the incorporation of pultrusion production waste into polymer based concretes was assessed. For this purpose, different types of thermoset composite scrap material, proceeding from GFRP pultrusion manufacturing process, were mechanical shredded and milled into a fibrous-powdered material. Resultant GFRP recyclates, with two different size gradings, were added to polyester based mortars as fine aggregate and filler replacements, at various load contents between 4% up to 12% in weight of total mass. Flexural and compressive loading capacities were evaluated and found better than those of unmodified polymer mortars. Obtained results highlight the high potential of recycled GFRP pultrusion waste materials as efficient and sustainable admixtures for concrete and mortar-polymer composites, constituting an emergent waste management solution.

PLSR Models for Mechanical Strengths of Concrete Composite Materials Reinforced with Pultrusion Wastes

In this paper, we present two Partial Least Squares Regression (PLSR) models for compressive and flexural strength responses of a concrete composite material reinforced with pultrusion wastes. The main objective is to characterize this cost-effective waste management solution for glass fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion wastes and end-of-life products that will lead, thereby, to a more sustainable composite materials industry. The experiments took into account formulations with the incorporation of three different weight contents of GFRP waste materials into polyester based mortars, as sand aggregate and filler replacements, two waste particle size grades and the incorporation of silane adhesion promoter into the polyester resin matrix in order to improve binder aggregates interfaces. The regression models were achieved for these data and two latent variables were identified as suitable, with a 95% confidence level. This technological option, for improving the quality of GFRP filled polymer mortars, is viable thus opening a door to selective recycling of GFRP waste and its use in the production of concrete-polymer based products. However, further and complementary studies will be necessary to confirm the technical and economic viability of the process.

Dimensionamento de soluções de vigas pré-esforçadas por pós-tensão, pré-fabricadas in situ para tabuleiros de pontes e viadutos

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Projeto de uma ponte atirantada rodoferroviária sobre o rio Lima, Viana do Castelo

Trabalho académico com o objetivo do autor desenvolver um estudo prévio e um projeto de uma travessia sobre o rio Lima, na cidade de Viana do Castelo constituída por uma ponte de tirantes rodoferroviária. O projeto académico visa, também, desenvolver e compreender: os conceitos básicos, as metodologias de conceção, e o funcionamento de estruturas desse género. O motivo principal da escolha do tema é a necessidade de uma alternativa à ponte Eiffel em Viana do Castelo, e juntando o facto de em Portugal não existir nenhuma obra de arte de tirantes rodoferroviária até ao presente, seria interessante estudar e projetar uma estrutura rodoferroviária de tirantes. Das diversas possibilidades de sistemas estruturais estudados, adotou-se uma ponte que acomodará 4 vias rodoviárias e 2 vias ferroviárias, com um desenvolvimento total de 660 metros, constituída por dois vãos laterais com 165 metros cada um, e com um vão central de 330 metros. A obra de arte será em semi-leque com dois planos de tirantes, ancorados a duas torres de betão em Y invertido de altura aproximadamente de 110 metros. O tabuleiro será duplo misto aço-betão, constituído por duas vigas trianguladas do tipo Warren, e por carlingas, afastadas entre si de 15 metros com secções tubulares metálicas de espessura variável. As carlingas ao nível superior suportam a laje de betão, que constitui a rodovia, e inferiormente, suportam outra laje de betão para a parte ferroviária. O trabalho inicia-se com o enquadramento conceptual geral da envolvente da obra de arte, seguidamente com apresentação da evolução histórica ao longo do tempo das pontes de tirantes, e à apresentação de algumas pontes rodoferroviárias de tirantes. É realizada uma análise preliminar, onde se estudam as restrições, as condicionantes, o local de implantação, e o sistema da configuração geométrica a adotar na conceção estrutural. São descritos todos os tipos de materiais, equipamentos a utilizar, bem como as suas características mecânicas necessárias para o cálculo estrutural. A quantificação das ações e das combinações de cálculo efetuaram-se de acordo com as normas em vigor nacionais e europeias, designadamente os Eurocódigos das várias especialidades e o Regulamento de Segurança e Ações para Estruturas de Edifícios e Pontes. Efetuou-se um pré-dimensionamento e uma otimização de vários sistemas estruturais possíveis de todos os elementos estruturais, tendo em conta variáveis de estudo como a economia e a resistência estrutural das secções, por forma a chegar à solução final. A estrutura foi discretizada e analisada num modelo estático tridimensional num programa de cálculo automático. A análise de resultados foi efetuada longitudinalmente para a verificação dos Estados Limites Últimos e Estados Limites de Utilização dos elementos estruturais que constituem a ponte. Foi ainda efetuada uma estimativa orçamental da ponte no rio Lima na cidade de Viana do Castelo.

Experimental Reinforcement of Wood Beams

Rehabilitation is becoming more and more usual in the construction sector in Portugal. The introduction of newer construction materials and technical know-how of integrating different materials for achieving desired engineering goals is an important step to the development of the sector. Wood industry is also getting more and more adapted to composite technologies with the introduction of the so called “highly engineered wood products” and with the use of modification treatments. This work is an attempt to explain the viability of using stainless steel and glass fibre reinforced polymer (GFRP) as reinforcements in wood beams. This thesis specifically focuses on the flexural behaviour of Portuguese Pine unmodified and modified wood beams. Two types of modification were used: 1,3-dimethylol-4,5- dihydroxyethyleneurea (DMDHEU) resin and amid wax. The behaviour of the material was analysed with a nonlinear model. The latter model simulates the behaviour of the reinforced wood beams under flexural loading. Small-scale beams (1:15) were experimented in flexural bending and the experimental results obtained were compared with the analytical model results. The experiments confirm the viability of the reinforcing schemes and the working procedures. Experimental results showed fair agreement with the nonlinear model. A strength increase between 15% and 80% was achieved. Stiffness increased by 40% to 50% in beams reinforced with steel but no significant increase was achieved with the glass fibre reinforcement.

Adaptação do programa PAC-Pórticos ao EC2 e sua integração com o conceito BIM

Atualmente existe uma grande variedade de programas de cálculo automático de estruturas de betão armado disponíveis no mercado, pois estes, cada vez mais, são inerentes ao desenvolvimento de cada projeto de estruturas. O PAC-Pórticos foi um dos primeiros a chegar ao mercado nacional surgindo no início da década de noventa. Foi totalmente desenvolvido em Portugal, tendo tido bastante sucesso nas suas vendas a nível nacional. O PAC-Pórticos não está preparado para operar diretamente nos mais recentes sistemas operativos nem foi programado para dimensionar os diversos elementos de betão armado seguindo os termos das normas mais recentes (Eurocódigos). O tema do presente trabalho vai de encontro aos atuais problemas do programa, assim sendo, definiu-se como primeiro objetivo a adaptação do PAC-Pórticos à regulamentação europeia para o betão armado. Numa 1ª fase, para a adaptação do PAC-Pórticos aos novos códigos, foi necessário estudar o programa em si, perceber o seu funcionamento e posteriormente realizar uma comparação entre a legislação para qual o software está programado, o Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado (ainda em vigor) e a Norma Europeia correspondente a EN 1992-1-1 (Eurocódigo 2). Seguidamente, procedeu-se ao estudo e adaptação de todas as sub-rotinas de cálculo do PAC-Pórticos para o dimensionamento de vigas e pilares, tendo finalmente sido testado o novo código e comprovados os resultados obtidos com o mesmo. Na realização do presente trabalho, não foi ignorada a importância crescente da metodologia BIM que, nos dias de hoje, tende a ser implementada nos programas de cálculo de engenharia civil. Neste âmbito, o segundo objetivo é o de conseguir visualizar uma solução obtida do PAC-Pórticos numa qualquer ferramenta tridimensional BIM. Para tal, foram ponderadas várias hipóteses, mas optou-se por criar dois plug-in para o programa AutoCAD da Autodesk. O primeiro destes plug-in contempla o desenho das vigas e o segundo para os pilares, ambos em 3D e elaborados de forma automática.

Projeto de estruturas do edifício administrativo de um polo logístico em Viana-Angola

O objetivo deste trabalho consiste em efetuar o dimensionamento estrutural de um edifício em betão armado, contemplando as diferentes fases, desde a conceção inicial, com a definição do modelo estrutural e escolha criteriosa dos elementos e soluções constituintes, até à fase final de dimensionamento, considerando para além das cargas gravíticas, a ação do vento e a ação sísmica. No âmbito deste trabalho considerou-se o dimensionamento de elementos estruturais nomeadamente, sapatas, paredes, pilares, vigas e lajes, com a verificação de segurança à flexão simples, flexão composta, esforço transverso e punçoamento, consoante a necessidade de cada elemento. Para tal, foi desenvolvido uma folha de cálculo automático (Macro) que permite a verificação da capacidade resistente de secções, à flexão simples e ao esforço transverso, quer em elementos com ou sem armadura de esforço transverso. Os esforços atuantes que estiveram na origem das verificações estruturais foram calculados com base na aplicação de um programa tridimensional de elementos finitos, nomeadamente o programa de cálculo ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS. Os Critérios Gerais de Dimensionamento considerados, com base na regulamentação em vigor em Portugal – RSA, REBAP e Eurocódigos, bem como as Hipóteses de Cálculo consideradas na verificação aos estados limites últimos dos elementos estruturais são detalhadamente enunciados ao longo do trabalho. Os desenhos de elementos estruturais dimensionados, bem como os desenhos de dimensionamento do edifício encontram-se em Anexo.