[pt] A crescente demanda por reforços em estruturas de concreto motivou a elaboração deste trabalho. Este estudo consiste na comparação entre modelos para o cálculo da parcela da força cortante resistida pelo reforço externo e na implementação computacional de um procedimento numérico para o dimensionamento da área de reforço à força cortante utilizando a NBR 6118, o modelo da treliça generalizada e a teoria do campo de compressão. Os objetivos deste estudo são: fornecer um melhor conhecimento dos materiais utilizados, promover um melhor entendimento dos parâmetros atuantes na interação do concreto com os materiais compósitos e sistematizar o dimensionamento para obtenção da área necessária de reforço com compósitos de fibras de carbono. A análise dos modelos de cálculo da resistência à força cortante e do dimensionamento da área de reforço foi feita através da comparação dos resultados teóricos com resultados experimentais encontrados na literatura. O modelo para o cálculo da parcela da força cortante resistida pelo reforço externo publicado por Chen e Teng em 2003 foi utilizado na implementação computacional por ser o modelo que apresentou melhor desempenho na comparação. As comparações entre os resultados teóricos do dimensionamento e os resultados experimentais da literatura indicaram a necessidade de se avançar nos estudos para a elaboração de um modelo apropriado para o dimensionamento da área de reforço à força cortante com compósito de fibras de carbono. / [en] The increasing demand for reinforcement of concrete structures using carbon fiber composites was the main motivation of this work. This study consists of the comparison of different models that compute the contribution of the external reinforcement to the shear capacity of the beams, and of the implementation of a numerical procedure for the shear design of strengthened beams using the Brazilian code NBR 6118, the generalized truss model and the compression field theory. The objectives of this study are to supply a better knowledge of the materials used in the strengthening, to promote a better understanding of the parameters that act in the interaction between the concrete and the composite, and to systematize the design in order to obtain the carbon fiber composite cross-section area necessary for the reinforcement. The analysis of the shear reinforcement design models for determining the cross-section area of the carbon fiber composite was developed comparing the analytical results with the experimental results found in literature. The Chen and Teng model, published in 2003, for computing the contribution of the external reinforcement to the shear capacity of the beams, was used in the computational implementation due to the fact that it presented the best performance. Comparing the analytical results obtained by the theoretical model with the experimental results found in literature, the investigations showed the necessity of further studies regarding the implementation of a more appropriate model for the design of the shear reinforcement, and for a more precise computation of the cross-section area of the carbon fiber composite reinforcement.

[pt] O objetivo foi estudar a aderência entre o compósito de fibra de carbono (CFC) e o substrato de concreto, em corpos-de-prova compostos de cubos de concreto, por meio do ensaio de tração-compressão. Foram ensaiados 18 corposde- prova compostos de dois cubos de concreto (móvel e fixo) ligados por tiras de CFC coladas às suas laterais opostas onde a região à ser estudada foi devidamente instrumentada. Os parâmetros estudados foram a resistência do concreto, o tipo de carregamento (monotônico crescente e carregamento em ciclos de carga e descarga) e as diferentes superfícies do concreto (superfície lisa e superfície rugosa). Os resultados dos ensaios mostraram que para as diferentes resistências à compressão do concreto no intervalo estudado não se obteve uma formulação que indicasse a influencia da resistência à compressão sob a resistência última de aderência, para a qual foi obtido um valor característico igual a 1,44 MPa. Foram medidas as deformações específicas do CFC assim como do concreto, com as quais foram calculadas as tensões de aderência e as deformações específicas. Com os resultados experimentais foram obtidos gráficos e curvas de ajuste para energia de fratura vs. resistência de aderência. Com o critério de Coulomb-Mohr generalizado pode-se estimar como valor inicial a resistência de aderência da ordem de 30% da tensão tangencial máxima resistida pelo substrato de concreto. / [en] The purpose of this work was study the bond between the composite of fiber carbon (CFC) and the concrete substratum. A total of 18 tension-compression tests on specimens with two concrete cubes (fixed and movable) linked by fiber carbon on opposites sides were performed. The area to be studied was properly monitored. The variables of these tests were the concrete strength, the loading type (monotonic loading and loading/unloading cycles), and different concrete surfaces (smooth face and rough face). The test results showed that in the interval analyzed, could not be obtain a formulation that indicates the influence of ultimate bond stress on concrete strength. A characteristic value of 1,44 MPa was obtained for the ultimate bond stress. The specific deformations of CFC and concrete were measured, allowing to calculate the bond stress and the corresponding mean strain. The experimental results provided graphs and adjustment curves for energy of fracture vs. bond stress. With the Coulomb- Mohr criteria it can be considered as initial value for bond stress 30% of the concrete mean shear strain.

[pt] O reforço de estruturas de concreto armado torna-se necessário por uma série de fatores, tais como: erros de projeto ou de execução que levam a sistemas estruturais inseguros; deterioração do concreto e do aço causada por envelhecimento natural; agentes agressivos ou acidentes como incêndio e choques; mudança no tipo de utilização original da estrutura através do aumento do carregamento e/ou modificações na sua geometria. A aplicação de compósitos de fibra de carbono para reforço de estruturas de concreto armado representa o que há de mais moderno em engenharia estrutural. O uso deste material é bastante interessante devido à sua leveza, alta resistência mecânica, resistência à corrosão, neutralidade eletromagnética, fácil aplicação e manutenção das dimensões originais do elemento estrutural. A escolha deste tipo de reforço, em vez de sistemas tradicionais que utilizam chapas de aço, depende da viabilidade econômica e de restrições específicas feitas no projeto. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo analítico para o dimensionamento à flexão de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibras de carbono. Foi realizada uma revisão da literatura disponível de modo a se obter evidências experimentais acerca do assunto. Com o propósito de avaliar a eficiência do modelo analítico desenvolvido, os resultados numéricos calculados com este modelo são discutidos e comparados com os resultados experimentais e teóricos obtidos da literatura. / [en] The strengthening of reinforced concrete structures turns to be necessary due to a number of factors, such as: mistakes in the design or in the construction leading to unsafe structural systems; deterioration of concrete and steel caused by natural aging, aggressive agents or accidents like fire and shocks; the changing of the original use of the structure with the increase of loading and/or modifications in the geometry. The application of carbon fiber composites for strengthening of reinforced concrete structures is a very new and modern issue in structural engineering. The use of this material is very interesting due to its lightness, high mechanical strength, resistance to corrosion, electromagnetic neutrality, easy application and maintenance of the original shape of the structural element. The choice of this type of reinforcement, instead of more traditional systems using steel plates, depends on the economical viability and specific restrictions made in the project. The objective of this work is to develop analytical model for flexural design of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber composites. A literature review was carried out in order to obtain the experimental evidences on this subject. In order to evaluate the efficiency of the analytical model, the numerical results obtained with this model are discussed and compared with the experimental and numerical results obtained from literature.

[pt] O objetivo deste trabalho é o estudo experimental do comportamento e do desempenho de vigas de concreto armado reforçadas à flexão com tecidos de compósitos de fibras de carbono.O programa experimental consiste no ensaio de sete vigas biapoiadas com um vão em balanço. Todas as vigas possuem a mesma seção transversal, armaduras e vãos,dimensionadas de forma que, antes do reforço, o valor do momento positivo máximo seja igual ao do momento negativo máximo. A primeira viga ensaiada não foi reforçada e foi utilizada como viga de referência. As vigas reforçadas foram divididas em dois grupos. No primeiro grupo, três vigas foram igualmente reforçadas nas regiões de momentos máximos positivos e negativos. No segundo grupo, três vigas tiveram sua armadura de reforço duplicada, em relação às vigas do primeiro grupo, na região de momento máximo negativo.As vigas foram concretadas, instrumentadas e ensaiadas no Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio. Para tentar reproduzir a situação real, o carregamento foi aplicado nas vigas reforçadas até atingir cerca de 50% do valor previsto para a ruptura. Neste instante a viga já apresentava diversas fissuras e o ensaio foi interrompido para aplicação do reforço sob carregamento.Os resultados obtidos para as vigas em termos de deflexão, deformação da armadura,fissuração, modo e carga de ruptura são analisados. É possível verificar um aumento significativo de resistência e rigidez das vigas reforçadas, confirmando a eficiência deste tipo de reforço. A ductilidade avaliada em termos de critérios energéticos aparece como um parâmetro adequado para a análise do comportamento estrutural de vigas reforçadas com tecidos de compósitos de fibras de carbono. / [en] This investigation deals with the experimental evaluation of the performance of carbon fiber composites used for flexural strengthening of six reinforced concrete beams. The experimental program consists on the tests of seven simply supported beams with an overhanging portion, each one with the same cross section, steel reinforcement and span.The beams were designed to have the same value of maximum positive and negative moments. The first beam was not strengthened and it was used as a reference beam. The flexural strengthening of two categories of beams was considered. Category I beams were designed with equal flexural strengthening in the maximum negative and positive moments region. Category II beams were designed with double flexural strengthening in the maximum negative moment region.A total of three concrete beams of each category were constructed, instrumented and tested at the PUC-Rios Structures and Materials Laboratory. The average concrete strength was 20 MPa. The reinforcement steel bars have a yield strength of MPa. The flexural strengthening was applied under loading.The responses of the beams in terms of deflections, strains and modes of failure were examined. It was possible to verify a significant increasing in loading-carrying capacity of the beams due to strengthening. The results of this investigation are useful in substantiating the design data and providing design guidelines for this type of strengthening and they show that the energetic criterions are adequate parameters for the analysis of the beams.

[pt] Neste trabalho é realizado o estudo experimental de oito vigas de concreto armado de seção T (cm bw=15cm e cm h=40cm), com 300 cm de comprimento, biapoiadas e com a mesma armadura longitudinal, reforçadas à força cortante com compósitos de fibras de carbono (CFC). As mesmas foram divididas em duas séries de quatro vigas, com uma viga de referência para cada série, onde a taxa de armadura transversal interna foi maior para a Série I do que para a Série II. Para as três vigas reforçadas de cada série variou-se o número de camadas do reforço em CFC por meio de estribos em U, os quais foram ancorados longitudinalmente por meio de faixas desse compósito. A colagem do CFC foi executada após o surgimento das primeiras fissuras diagonais no trecho de maior cortante. Os resultados dos ensaios mostraram que as vigas reforçadas apresentaram um aumento mínimo de resistência à força cortante de 36% em relação às respectivas vigas de referência, e que a ruptura de todas as vigas ocorreu por tração diagonal, com o descolamento do CFC na região de sua ancoragem. O modelo cinemático e do ACI-440 (2001) apresentaram resultados mais próximos aos dos ensaios realizados para a resistência total da força cortante. O resultado experimental da parcela da força cortante resistida pelo CFC apresentou resultados superiores aos calculados por diversos modelos teóricos, e os resultados mais consistentes foram os modelos da FIB-Bulletin 14 (2001) e Khalifa e Nanni (2002). A análise de diversos parâmetros mostrou que o fator de efetividade Vf do reforço diminui quando a rigidez E(f)P(f) do CFC aumenta, portanto, há um menor acréscimo de resistência total à força cortante. / [en] This analysis involves the experimental study of eight reinforced concrete beams of T section ( cm bw=15cm e h=40cm), with cm 300cm of length, bisupported and with the same longitudinal reinforcement, strengthened for shear force with carbon fiber composites (CFC). They were divided in two series of four beams, with a reference beam for each series, where the internal transversal reinforcement ratio was greater for Serie I than Serie II. For the three strengthened beams of each series the number of layers of the reinforcement in CFC made by U stirrup varied, which were anchored longitudinally by stirrups of this composite. The CFC glue was done after the first diagonal cracks in the shear region. The results of the tests showed that the strengthened beams had a minimum increase of shear force of 36% in relation to the respective reference beams and the rupture of them occurred due to diagonal tension, with the CFC debonding in the region of its anchorage. The cinematic (upper-bound solution) and ACI-440 (2001) model presented results close to the experimental results for the shear strength. The experimental result of the shear force parcel resisted by the CFC presented superior results to the calculated by diverse theoretical models, and the most consistent ones were FIB-Bulletin 14 (2001) and Khalifa and Nanni (2002) models. The analyses of diverse parameters showed that the strengthening effectiveness Vf decreases when the rigidity E(f)P(f) of CFC increases, therefore there is a lesser increase of total strength to the shear force.

[pt] A necessidade cada vez mais freqüente de reforço em estruturas de concreto armado, exige um completo conhecimento do comportamento da estrutura reforçada devido a alterações de rigidez do conjunto, aumento da carga de ruptura, alterações na distribuição de fissuras, modificação de comportamento e posição da linha neutra, entre outros. Nos últimos anos diversos estudos experimentais têm sido conduzidos, fornecendo parâmetros cada vez mais confiáveis à elaboração de projetos e ao dimensionamento seguro em relação aos estados limites de utilização e de ruptura. No desenvolvimento deste trabalho, utiliza-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos,capaz de descrever o comportamento de elementos estruturais prismáticos em concreto armado reforçados à flexão. Descreve-se o modelo hipoelástico de Elwi e Murray -1979- para o concreto simples e um modelo multilinear para simulação dos reforços. Tais relações resultam de estudos analíticos e experimentais sobre o concreto armado e estão originalmente implementadas no programa FEPARCS -Elwi e Murray, 1980-, que neste trabalho é modificado e adaptado de acordo com a realidade da execução de reforços em estruturas em serviço. O programa FEPACS, capaz de realizar análises numéricas não-lineares, é acoplado a um programa de pré e pós-processamento gráfico especialmente desenvolvido para geração, gerenciamento do processo de cálculo e para análise de resultados obtidos. Os resultados obtidos utilizando o programa proposto são validados através de uma comparação com resultados experimentais obtidos na literatura. / [en] The frequent use of composite materials, in the strengthening of reinforced concrete structures requires complete knowledge of the structural behavior because of the changes that such strengthening will cause to the overall stiffness,the collapse load, the cracks distribution and the behavior and position of the neutral axis. Over the last few years experimental studies have been performed,bringing out more trustworthy parameters for ultimate strength design. In this work, a computational program was implemented based on the finite element method, which is able to describe the flexural strengthening of reinforced concrete beams. The model used in this program is that of Elwi and Murray -1979-, which assumes a so-called hypo elastic theory for concrete and a approach to simulate the reinforcement. These relationships were derived from reinforced concrete analytical and experimental studies and are originally implemented in the FEPARCS program -Elwi and Murray, 1980-, which has been modified in order to obtain a more realistic approach to in- service structural strengthening. The program developed, which is able to perform non-linear numerical analyses, is coupled to pre and pos-processing graphic programs specially developed for model generation, management of the calculation sequence and presentation of final results. The results produced by this program have been validated by comparison with experimental results available in literature.