As Fibras de Carbono são usadas para reforço estrutural de concreto armado por possuir baixo peso específico e resistência mecânica superior (mesmo com a aplicação de menor quantidade de material). Além de ser capaz de suportar de melhor forma ambientes agressivos e atender a geometrias alternativas de peças.

– Resistência mecânica em tração: ocorre devido ao perfeito alinhamento dos átomos de carbono ao longo da fibra;

– Resistência a corrosão: são mais resistentes à corrosão em relação ao aço devido ao caráter das ligações químicas encontradas nas fibras;

– Peso específico: varia de 1,6 a 1,9 g/cm³ (cerca de cinco vezes menor que o aço estrutural, 7,85 g/cm³);

– Estabilidade dimensional: as fibras com caráter estrutural (com exceção das fibras de baixo módulo). Decerto possuem módulos de elasticidade superiores quando comparados ao aço.

Em muitos casos de falhas de projeto, de material ou na execução da estrutura de concreto armado já pronta, não é viável a demolição da estrutura para reconstrução.

Inegavelmente usa-se então a fibra de carbono por não aumentar significativamente a seção da estrutura, não reduzindo a área livre dos pavimentos.

Então em estruturas desgastadas por causa do tempo ou pelo ambiente externo (estádios e ginásios poliesportivos), a fibra de carbono recupera a capacidade portante. Conquanto preserva a integridade da estrutura posteriormente.

Primordialmente para a adaptação estrutural de edificações que suportarão maior carga aplicada (shoppings, industrias e pontes), utiliza-se as fibras de carbono devido à sua baixa interferência e rápida execução, não atrapalhando o fluxo de pessoas e veículos.

O uso da Fibra de Carbono causa pouca ou até nenhuma influência na arquitetura da edificação, sendo possível a redução da altura de uma viga para atender requisitos do cliente, mantendo a sua capacidade de carga. A resina epóxi se mostra ser a matriz mais compatível com as fibras de carbono, pois possui maior capacidade de aderência do compósito com o concreto. O adesivo transfere as tensões tangenciais desse material para o substrato, de modo a estabelecer a integridade do CFC, epóxi e concreto.

Em locais onde serão executados cortes para abertura de vãos, o Reforço com Fibra de Carbono pode ser utilizado sem a necessidade de escoramento. Podemos observar na imagem abaixo que esse sistema não altera o tamanho das seções dos elementos estruturais.

Fibra de Carbono aplicada em laje realizada pela Intech Engenharia

O Compósito de Fibra de Carbono é constituído por uma matriz polimérica que mantém as fibras coesas, favorecendo a transferência das tensões de cisalhamento entre a estrutura de concreto e a fibra de carbono. As fibras de carbono dispostas unidirecionalmente absorvem as tensões de tração dos esforços.

Certamente a matriz polimérica tem que ter um alongamento de ruptura maior do que o alongamento da fibra de carbono, para que a mesma continue possuindo capacidade de carga mesmo após a tensão na fibra atingir a tensão de ruptura.

O CFC pode ser utilizado para reforço estrutural de vigas para absorver a flexão e cisalhamento. Também é usado para reforço de lajes para aumentar a resistência à flexão. Além disso, usado em pilares e colunas para aumentar a resistência à flexão e à compressão axial por meio de confinamento. Nas vigas, a utilização das fibras de carbono potencializa a absorção dos esforços dos momentos fletores, que provocam tração e cisalhamento na peça. Em lajes, o reforço ocorre identicamente ao das vigas, podem ser reforçadas à flexão com lâminas de fibra de carbono dispostas nas duas direções.

Nos pilares, o reforço deve seguir uma sequência na execução, priorizando o reforço à flexão, antes dos reforços para o corte e para o confinamento.

Os Compósitos de Fibra de Carbono utilizados em reforço estrutural podem ser usados sob a forma de lâminas com as fibras dispostas longitudinalmente, também chamados de chapas, ou sob a forma de tecidos armados. Os compósitos são divididos em dois grupos: CFC com elevada resistência à tração e CFC com elevado módulo de elasticidade. A resistência é função do volume de fibras interligadas pela matriz de epóxi.

Reforço com laminado de Fibra de Carbono executado pela Intech Engenharia

– Reforço Estrutural com confinamento: O reforço é feito principalmente em pilares, injetando-se a trinca e em seguida envolvendo o pilar por completo por um cintamento de CFC.

Esse envolvimento provoca um confinamento da peça que faz melhorar seu comportamento frente as cargas, controlando a dilatação transversal, melhorando a capacidade portante.

Após a execução do reforço, deve-se aplicar um reforço de argamassa polimérica (proteção contra raios ultravioleta e vandalismo).

– Reforço à cortante: Para o reforço de peças à cortante o que se faz é colocar as fibras de carbono a modo de estribos externos, aderidos pela resina epóxi. Este tipo de reforço consiste em envolver ou cercar transversalmente o elemento a reforçar.

– Reforço de muros: Outro tipo de reforço é o de muros, tanto de alvenaria de tijolo como de concreto. Estes muros podem estar submetidos à esforços longitudinais (cargas sísmicas, de vento e outros) ou verticais (cargas gravitacionais). Com o sistema de colado de tecidos, colocado em forma de cruz, consegue-se melhorar a capacidade portante dos muros contra cargas.

Existe no mercado três sistemas de reforços que utilizam as fibras de carbono:

– Lâmina de alta resistência impregnada com resina epóxi ou poliéster que são coladas sobre a superfície a ser reparada;

– Fios de Fibra de Carbono, enrolados sob tensão.  São colados como filamentos sobre a superfície ou enrolados a seco e então curados a quente;

– Tecidos pré-impregnados (prepreg), com espessura parecida com a do papel de parede. São coladas com resina, permitindo a aplicação em cantos vivos.

O tecido e lâmina de fibra de carbono são os mais utilizados e pouco diferem em desempenho e modo de aplicação.

Sendo assim, a diferença é que o tecido apresenta espessura 0,5 mm e largura de 1,5 m, as lâminas possuem espessura que varia de 1,2 a 1,4 mm e largura de 5 a 10 cm.

A colagem do tecido de Compósito de Fibra de Carbono é realizada em quatro etapas. Em cada etapa é necessária a utilização de um produto específico que permite a correta aplicação do compósito. São eles:

– Argamassa de reparo

– Resina de imprimação

– Argamassa epoxídica

– Resina epoxídica

Etapas construtivas dos compósitos com fibra de carbono

Inicialmente é feito o levantamento da quantidade de compósito que será utilizado e a área a ser tratada. O levantamento prévio do tamanho das tiras, com comprimento e largura de cada uma, permite que o material seja cortado de modo a minimizar perdas.

Em seguida, deve-se fazer a marcação no concreto do material que vai ser aplicado para limitar a área que receberá tratamento prévio. No caso de armaduras corroídas, as mesmas devem ser tratadas e o concreto recomposto antes de prosseguir. Em superfícies com trincas e infiltrações deve ser feito o tratamento das trincas, seja com injeção de resina ou com poliuretano.

Posteriormente o tratamento das trincas, os locais de aplicação são lixados a fim de garantir uma superfície lisa e contínua para a aplicação da manta. Recomenda-se a utilização de lixadeiras e em alguns casos de discos diamantados. Em seguida, é feita a retirada do pó e a imprimação e saturação da superfície com Primer com a finalidade de regularizar o local para preenchimento de vazios.

Na presença de obstáculos como revestimentos, instalações hidráulicas e elétricas, os mesmos devem ser cuidadosamente retirados.

Entretanto devem também ser afastados para a fixação adequada do material.

Após a massa regularizadora, aplica-se a resina de impregnação com o objetivo de estabelecer uma ponte de aderência entre a resina de laminação e o concreto.

Deve-se ficar atento ao tempo de cura da resina, devido ao seu endurecimento rápido.

Primordialmente sendo necessário que as mistura seja feita aos poucos conforme vai sendo aplicada.

Além disso, a resina de impregnação esquenta após a mistura, sendo necessário um recipiente que suporte esse aumento de temperatura.

Em seguida, procede-se para a aplicação da resina de laminação, responsável por colar o compósito no concreto.

Logo após é feita a aplicação da Fibra de Carbono para reforçar o sistema composto. Em seguida da aplicação de um rolo tira bolhas para comprimir o compósito no concreto e eliminar os vazios.

Entretanto para o acabamento final pode ser aplicada uma proteção contra incêndio. Sendo assim, desde pinturas até revestimentos de alto desempenho, para alcançar melhor desempenho frente ao fogo e raios ultravioleta. Geralmente são empregadas argamassas poliméricas ou pintura anti-fogo.

Laje finalizada com Fibra de Carbono

Fibras de Carbono: propriedades e estrutura

• Propriedades:

– Alta rigidez;

– Alta resistência à tração;

– Baixo índice de peso para força;

– Alta resistência química;

– Tolerância de temperatura ao calor excessivo;

– Baixa expansão térmica.

Custo x Benefício da utilização do Compósito de Fibra de Carbono como reforço

A opção pelo reforço estrutural com fibra de carbono é considerada cara. Isso pelo fato do material em si ter um valor alto.

Porém, ao compor um orçamento, a utilização do material pode ser uma escolha vantajosa.

Acima de tudo já que o material não é o único fator a ser considerado.

Por utilizar pouca mão de obra e ter prazos curtos, além de se tratar de um material leve, de fácil transporte e que gera pouco entulho. Certamente o custo alto do material é compensado.

Supreendentemente ao contrário do reforço de vigas e pilares com estrutura metálica, a utilização da Fibra de Carbono dispensa grandes maquinários e grandes mobilizações.

Inegavelmente outra grande vantagem é que a estrutura pode ser reforçada sem a remoção das utilidades e/ou instalações. Sendo assim contribuindo também para a economia do processo.

• Estrutura:

CertamenteA orientação das fibras faz com que o material possa ser resistente igualmente em todas as direções, inclusive é possível alcançar altas resistências no período de 4 a 5 horas. A estrutura molecular das fibras é muito estável, resultando em um alto ponto de fusão e sendo menos propenso à reações químicas com outras substâncias.

O Compósito de Fibra de Carbono (CFC) é um material têxtil sintético com estrutura semelhante à do grafite. Formado por átomos de carbono, dispostos em anéis hexagonais unidos para formar folhas, que não se soltam facilmente. Para a fabricação da fibra, o polímero de poliacrilonitrila é submetido à altas temperaturas, formando uma liga bem rígida e resistente. Na engenharia, o compósito é muito utilizado no reforço de estruturas.

Durante o processo de fabricação, o polímero é esticado. Dessa forma ficando paralelo ao eixo das fibras, formando uma liga bem rígida e resistente.

Após essa fase, ocorre a oxidação em altas temperaturas (200°C a 300°C), para que sendo assim ocorra uma troca: o hidrogênio ser removido das chapas. Simultaneamente, o oxigênio ser adicionado.

Antes de tudo, logo em seguida, aumenta-se a temperatura novamente até 2.500°C para se ter uma total carbonização. Por último, se faz o dimensionamento que consiste na moldagem das fibras, que são tecidas em fios de até 10 micrômetros de espessura, e depois resinadas para se unirem. Nessa etapa, o epóxi é adicionado, servindo como uma cola muito potente.

Entretanto o CFC apresenta vantagens frente às chapas de aço. Dentre elas, o fato de ser mais leves, mais resistente e comprimento que pode chegar a 300 metros. Podendo ser 50 vezes maior que o das chapas. Além disso, as fibras de carbono não estão sujeitas a corrosão. Dessa forma possuem alto poder de aderência, fácil aplicação e menor necessidade de mão de obra. Senso assim, não sendo necessário o reforço da fundação.

Ademais os tecidos de fibra de carbono, devido à sua maleabilidade, permitem o uso em locais mais complexos, onde a utilização das chapas se torna impossível.

Certamente o Módulo de Elasticidade do CFC é classificado como muito bom, enquanto o das chapas de aço é bom.

Além disso, a resistência à tração, compressão e fadiga das Fibras de Carbono é classificada como muito boa, enquanto a das chapas de aço é boa.

Dessa forma, a Massa Específica do compósito é excelente, enquanto das chapas de aço é classificada como ruim. Além disso, o CFC possui alta Resistência Alcalina.

Grandes vantagens das Fibra de Carbono

• a alta resistência a alcalinidade e exposição à meios ácidos
• a expansão térmica próxima de zero que causa altas tensões de aderência
• alta condutividade elétrica
• baixa tolerância ao impacto
• alta resistência à fluência e fadiga.