Os varões de FRP que incorporam apenas fibras e resina, quando carregados apresentam comportamento linear elástico até à rotura, não apresentando um comportamento plástico tal como o aço. A resistência à tração e a rigidez dependem das propriedades e distribuição dos constituintes (fibras e matriz) e do seu volume, da sua interação química e física, do processo de fabrico e controlo de qualidade (varões com diâmetros iguais e volumes de fibras diferentes apresentam distintas tensões de rotura).
Para ampla aceitação e aplicação na construção, é necessária uma completa caracterização das propriedades mecânicas dos varões. De acordo com o regulamento American Concrete Institute [23] para a conceção e construção de estruturas de betão com reforço de FRP, os fabricantes dos varões devem fornecer as propriedades mecânicas, tais como a resistência à tração, a extensão rotura e módulo de elasticidade, de modo a que os engenheiros possam utilizar para efeitos de conceção, e os fabricantes para o controlo de qualidade e para fins de otimização dos varões.
Variados fatores podem afetar as características mecânicas dos varões, desde o tipo de fibra e a fracção de volume de fibra, que é definida como o rácio entre o volume de fibra e o volume global do varão ao longo do comprimento por unidade unitária. O processo de fabricação dos
varões, controle de qualidade e a taxa de cura de resinas também afetam a resistência à tração [39].
A maior parte das fibras que incorporam materiais de FRP são anisotrópicas, devido à sua orientação. As fibras nos varões são caracterizadas por uma elevada resistência à tração mas só na direção das fibras, uma vez na direção perpendicular à orientação das fibras apresentam uma diminuição das propriedades, afetando a resistência corte [22], supondo-se geralmente que o desempenho dos varões de FRP em estruturas de betão e alvenaria é ditada pelas propriedades longitudinais destes materiais.
Visto que as propriedades mecânicas são principalmente afetadas pelas propriedades das fibras no sentido longitudinal, deve ser usado um método de ensaio que seja capaz de resolver diversos problemas identificados pela comunidade científica, tais como:
k Nos ensaios de tração em que é puxado o varão ao longo de um comprimento curto, causa o destacamento do revestimento superficial relativamente ao núcleo [39];
k Destruição da amostra devido à força de aperto ser excessiva;
k Rotura fora do comprimento do teste, acontece quando são geradas uma grande concentração de tensões e forças de flexão, devido ao desalinhamento da amostra; k Escorregamento/deslizamento dos varões para fora das fixações, que pode ser
provocado pelas baixas forças de atrito ou por altas tensões de tração.
Os problemas acima referidos, mostram que as técnicas tradicionais para fixação do aço para a realização de ensaio de tração não se aplica a varões compósitos.
Ao longo dos anos foram desenvolvidos variados sistema de ancoragem e aperto de varões compósitos para ensaio de tração. Estes ensaios são destrutivos da amostra para se conseguir apurar a extensão e a força de ruptura.
Em 1996 [34], utilizou-se um método de ensaio que permitiu a eliminação das forças de compressão lateral e também as forças na região de aperto (Figura 30 (a)). As extremidades dos varões com o comprimentos de dez vezes o diâmetro do varão eram desgastadas com uma lixa fina e limpas com acetona, para posteriormente serem colocadas num cone concêntrico. Esse cone era preenchido com areia fina de sílica juntamente com uma resina epóxida, e na extremidade mais pequena é colocada um anel de borracha para que a resina não curada, não seja vazada.
A Figura 30 (b) ilustra outro sistema de fixação potêncial [41]. As extremidades dos varões estão inseridas em tubos de metal com roscas externas e uma porca é aparafusada em cada extremidade do tubo. A carga é transferida para o tubo por meio de um sistema de carregamento em particular, com a tomada de carga no centro, ou por modificação das amaras de uma máquina de ensaio universal . Este sistema evita também a força de compressão sobre as extremidades laterais dos varões de FRP.
A Figura 30 (c) mostra um sistema desenvolvido [42], utilizando resina epóxida e um tubo com rosca interna. A resina epóxida é usada para incorporar no final varão de FRP no tubo de rosca interna. O comprimento embebido é dez vezes o diâmetro da barra saindo do tubo um varão roscado que é utilizado para ligar o tubo ao sistema de tração da máquina de teste.
Figura 30 Sistemas de ancoragem utilizados para ensaio de tração de barras de FRP [40] Outros estudos foram concluídos com o intuito da substituição da resina epóxida, substituindo por argamassa de cimento [45] e argamassa de cimento expansivo. A utilização de argamassa
de cimento expansivo dentro do tubo de aço provoca uma força radial causada pela expansão da argamassa confinando o varão de FRP na zona do tubo. Os topos dos tubos foram limitados com tampas com um orifício central para permitir o posicionamento correto e centrado do varão, que depois da cura do cimento expansivo são removidos para a realização do ensaio à tração (Figura 31).
Figura 31 Tampas perfuradas de PVC utilizados para o alinhamento [45]
A pressão desenvolvida pela argamassa no interior dos tubos aumenta com o diâmetro interno (Figura 32), por conseguinte, uma pressão mais elevada aumenta a força de compressão sobre a extremidade do varão. Assim, a escolha da espessura da parede dos tubos está relacionada com a pressão desenvolvida pela expansão da argamassa, mas esta estará também fortemente relacionada com a força máxima esperada do varão, uma vez que uma força de tração é aplicada sobre os tubos [40].
Figura 32 Gráfico da pressão em função do diâmetro [42]
Qualquer um destes mecanismos de ancoragem, independente da sua forma, são colocados nas duas extremidades do varão para posteriores ensaios no equipamento de ensaio (Figura 33).
Figura 33 Mecanismo de ancoragem
Os ensaios para a realização do teste à tração, foram realizados com recurso a equipamento universal de ensaios (Figura 34). O equipamento apresenta distância de ensaio entre duas cabeças transversais alinhados com o eixo do próprio equipamento.
Figura 34 Máquina universal para ensaios de tração [41]
Uma extremidade do varão que contém a ancoragem assenta sobre a cabeça superior, que se encontra fixa durante o ensaio. Foi também utilizada uma placa de aço com cerca de 19mm, que apresenta uma ranhura, sendo esta inserida entre a extremidade do varão com ancoragem e cabeça, com o intuito de distribuir melhor a carga. Uma placa idêntica foi utilizada na parte inferior com a mesma finalidade, mas, no entanto, a cabeça inferior ao contrário da superior é móvel.
Figura 35 Posição das fixações no equipamento de ensaios [40]
A componente móvel da máquina de ensaio foi posicionada de modo a que a placa na extremidade inferior estivesse sem forçar o varão. Para aquisição de dados utilizaram-se
extensómetros electrónicos ligados a um sistema de aquisição de dados, colocados estrategicamente no centro da amostra para medir o deslocamento.
O regulamento American Concrete Institute ACI 440.3R -04: B.2 – “Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures”, protagoniza outra abordagem para a realização de ensaios de tração curto e longo prazo, no entanto estes ensaios são considerados como ensaios de materiais e dos seus componentes, não como ensaios que caracterizam o desempenho estrutural em elementos.
O documento contém apenas métodos de ensaio e não normas de ensaio de materiais. Os métodos de ensaio individuais contidos neste documento não especificam as propriedades mínimas de materiais que devem ser atendidos, para os materiais serem considerados aceitáveis para o uso [43].
O sistema de ancoragem tem de ser capaz de transmitir as cargas do aparelho de teste para a secção de teste da amostra. Assim, as amostras são preparadas com tubos de aço nas extremidades com um comprimento definido pelo regulamento e tampas PVC com um furo concêntrico no topo dos tubos. O tubo de aço deverá ser roscado no interior ou soldado para acoplar no equipamento de ensaio.
Figura 36 Detalhes da ancoragem [44]
O sistema de ancoragem pode ser adaptado para se encaixar nas amarras de qualquer máquina de teste ou um quadro, como mostra a Figura 37.
Figura 37 Exemplo de ancoragem para várias máquinas de teste [45]
As amostras podem ser preparadas com a remoção do material estranho que possa afetar o desempenho, seja na zona da amostra ou para garantir melhor ligação ao mecanismo de ancoragem.
Em 2009 [48], ensaiou à tração varões compósitos, compostos por fibra de basalto e resina epóxida, tendo sido produzidos por um fabricante russo “Kammeny Vek”, fabricadas pelo o processo de pultrusão, com a recomendação do regulamento [44].
As âncoras consistem num tubo de aço com rosca preenchido com epóxi, para permitir a aplicação de pressão de confinamento, sem danificar a barra. O dispositivo de ancoragem é mostrado na Figura 38.
Todos os varões testados acabaram por ter uma rutura parcial ou completa, apresentando algumas falhas no centro e nas extremidades do comprimento de ensaio. Na realização dos ensaios, diferentes níveis de deslizamento foram observados para valores elevados de carga, na maioria dos varões ensaiados. No entanto, existem evidências de escorregamento das barras no interior dos tubos de aço de ancoragem.