Experimental and Analytical Evaluation of Reinforced Concrete Beams Strengthened Using a Near-Surface Mounted CFRP U-Wrap Technique

O concreto é o cavalo de carga silencioso do mundo moderno, formando o esqueleto de nossas pontes, edifícios e casas. É forte o suficiente para suportar um peso imenso, mas, como qualquer material, possui limites. Com o tempo, as exigências impostas a essas estruturas podem aumentar, ou os próprios materiais podem envelhecer, deixando-os vulneráveis a dobrar ou quebrar sob estresse. Quando uma viga de concreto começa a mostrar sinais de fraqueza, os engenheiros devem encontrar uma maneira de torná-la mais forte sem demolir toda a estrutura. Durante décadas, a solução padrão tem sido colar finas folhas de fibra de carbono de alta resistência na parte externa da viga. Embora eficaz, este método possui uma falha: a cola pode, às vezes, falhar, fazendo com que a folha se descole antes que a viga atinja seu potencial máximo. Para resolver isso, pesquisadores desenvolveram uma técnica que esconde o material de reforço dentro do próprio concreto, ocultando-o dentro de um sulco cortado na superfície. Essa abordagem, conhecida como montagem próxima à superfície, cria uma ligação muito mais firme entre a viga e o reforço, protegendo o material e permitindo que ele trabalhe com mais intensidade.

Uma equipe de pesquisadores testou recentemente esse método de fortalecimento oculto, observando especificamente como ele performa quando combinado com uma técnica de revestimento que aperta a viga pelas laterais. Eles construíram seis vigas de concreto, cada uma medindo cem milímetros de largura, duzentos milímetros de altura e mil quinhentos milímetros de comprimento. Metade dessas vigas foi deixada pura para servir como uma base de comparação, enquanto a outra metade foi reforçada usando um processo específico. Primeiro, os pesquisadores cortaram um sulco na parte inferior da viga e passaram uma tira de fibra de carbono por ele, fixando-a com uma resina epóxi de dois componentes. Em seguida, eles envolveram folhas adicionais de fibra de carbono ao redor das laterais e da parte inferior da viga em formato de U, criando efetivamente um abraço apertado ao redor do concreto. Por fim, cobriram toda a área reforçada com uma nova camada de concreto para restaurar a forma original da viga. Assim que o novo concreto curou, eles submeteram todas as seis vigas a um rigoroso teste de flexão de quatro pontos, aplicando peso lentamente até que as vigas falhassem.

Os resultados do experimento foram impressionantes. As vigas puras, que não tinham reforço extra, começaram a dobrar visivelmente sob uma carga de cerca de cinquenta e cinco kilonewtons e acabaram falhando em uma carga média de sessenta e seis kilonewtons. No momento em que quebraram, elas haviam sofrido uma deflexão de menos de cinco milímetros. As vigas reforçadas, no entanto, contaram uma história diferente. Elas mantiveram sua forma por muito mais tempo e suportaram uma carga máxima de cem kilonewtons antes de falhar. Isso representa um aumento de cinquenta e um por cento na quantidade de peso que as vigas podiam carregar. Talvez ainda mais impressionante tenha sido o quanto elas puderam dobrar antes de quebrar. As vigas reforçadas sofreram uma deflexão de dezesseis vírgula sete milímetros em seu limite, mais de três vezes a deformação das vigas puras. Essa flexibilidade extra é crucial em cenários do mundo real, pois permite que uma estrutura absorva energia e dê um aviso antes de um colapso catastrófico, em vez de quebrar subitamente.

Os pesquisadores também observaram como as vigas rachavam. As vigas puras desenvolveram algumas rachaduras grandes e profundas que rapidamente subiram através do concreto, atingindo profundidades de cerca de cento e cinquenta e cinco milímetros. Em contraste, as vigas reforçadas desenvolveram muitas rachaduras menores e mais rasas que permaneceram mais próximas da superfície, nunca excedendo uma profundidade de cento e trinta milímetros. O revestimento de fibra de carbono agiu como um cinto apertado, mantendo o concreto unido e impedindo que as rachaduras se espalhassem demais. Esse confinamento significou que o estresse foi distribuído de forma mais uniforme pela viga, permitindo que o material trabalhasse de forma mais eficiente. Para garantir que essas descobertas não fossem apenas uma coincidência das vigas específicas que construíram, a equipe também criou uma simulação computacional detalhada do experimento. O modelo digital previu o comportamento das vigas com alta precisão, combinando-se quase perfeitamente com os resultados dos testes reais em termos de quanto elas dobraram e como eventualmente falharam.

O estudo confirma que embutir fibra de carbono no concreto e revesti-la com uma camada em forma de U é uma maneira altamente eficaz de restaurar e fortalecer estruturas antigas. Isso aumenta significamente a capacidade de carga e permite que as vigas dobrem mais sem quebrar, mantendo as rachaduras pequenas e controláveis. Os pesquisadores observaram que, embora as vigas reforçadas fossem ligeiramente mais flexíveis que as puras, elas não perderam sua capacidade essencial de se deformar com segurança, uma qualidade conhecida como ductilidade. Isso sugere que o método melhora a segurança sem tornar a estrutura quebradiça. Embora o trabalho atual tenha focado em vigas de um tamanho específico e sob condições controladas, as descobertas oferecem um caminho claro para o futuro para engenheiros que buscam estender a vida útil da infraestrutura de concreto. A técnica provou ser uma ferramenta confiável para aumentar o desempenho, oferecendo uma maneira de tornar estruturas antigas mais fortes e seguras para o futuro.