PT103581A - Varão em material compósito reforçado com estrutura entrançada com reforço axial e seu processo de produção - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO REFERE-SE A UM VARÃO EM MATERIAL COMPÓSITO REFORÇADO COM UMA ESTRUTURA TÊXTIL ENTRANÇADA COM REFORÇO AXIAL, BASEADO NO CONCEITO DE ESTRUTURAS MULTIFUNCIONAIS, ONDE DIFERENTES TIPOS DE FIBRA SÃO UTILIZADOS EM DIFERENTES PARTES DO VARÃO, DE ACORDO COM REQUISITOS MECÂNICOS E FÍSICOS DOS MESMOS. ESTES VARÕES PERMITEM UMA DISTRIBUIÇÃO RACIONAL DO TIPO DE FIBRAS A UTILIZAR, OPTIMIZANDO A SUA UTILIZAÇÃO, GARANTINDO O DESEMPENHO NECESSÁRIO E CONTRIBUINDO PARA A DIMINUIÇÃO DO CUSTO ASSOCIADO À PRODUÇÃO DOS VARÕES. O PRESENTE INVENTO CARACTERIZA-SE POR APRESENTAR, NO PROCESSO DE PRODUÇÃO ATRAVÉS DA TECNOLOGIA DO ENTRANÇAMENTO TRIAXIAL, ACOPLADO À ENTRANÇADEIRA (A) UM BALSEIRO (E) PERMITINDO A IMPREGNAÇÃO DAS FIBRAS DE REFORÇO AXIAL, NA MATRIZ POLIMÉRICA, NO INSTANTE IMEDIATAMENTE ANTERIOR AO PROCESSO DE ENTRANÇAMENTO. DESTA FORMA, GARANTE-SE QUE O PROCESSO DE PRODUÇÃO OCORRE NUMA ÚNICA ETAPA E QUE A IMPREGNAÇÃO DA ESTRUTURA ENTRANÇADA COM REFORÇO AXIAL NA MATRIZ POLIMÉRICA OCORRA DO INTERIOR PARA O EXTERIOR DA ESTRUTURA.

Description

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DESCRIÇÃO "VARÃO EM MATERIAL COMPÓSITO REFORÇADO COM ESTRUTURA ENTRANÇADA COM REFORÇO AXIAL E SEU PROCESSO DE PRODUÇÃO"

CAMPO DO INVENTO 0 presente invento refere-se a um varão em material compósito reforçado com estruturas têxteis entrançadas com reforço axial para substituição do aço no reforço das estruturas de betão, possibilitando a monitorização das mesmas, e ao seu processo de produção. 0 referido processo consiste na produção simultânea da estrutura entrançada e inserção de reforço axial, com fibras de elevado desempenho e com caracteristicas condutoras, previamente embebidas numa matriz polimérica.

Assim, o presente invento é aplicável ao reforço de elementos de betão em geral, mas com maior enfoque nos elementos de betão que estão sujeitos a condições ambientais mais agressivas, como seja o ambiente marítimo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Passaram já décadas desde que os materiais compósitos foram utilizados pela primeira vez em projectos estruturais. 0 principal motivo reside nas inúmeras vantagens que oferecem, nomeadamente, baixo peso associado à elevada rigidez e resistência mecânica proporcionadas, grande versatilidade de moldagem do material de acordo com as necessidades do projecto, alto potencial para redução de custos (iniciais e de manutenção), entre outros. Para além de todas estas vantagens acrescente-se ainda a elevada resistência à corrosão que, combinadas com as propriedades mecânicas, originam materiais compósitos extremamente 2 resistentes utilizados na substituição dos materiais convencionas.

No âmbito das aplicações técnicas de materiais têxteis, uma das áreas que tem suscitado maior interesse nos últimos anos é a sua utilização no reforço de matrizes constituídas por outros materiais, tais como polímeros, dando origem aos materiais compósitos de reforço têxtil. A aplicação destes no reforço de matrizes poliméricas, sob a forma de fibras, fios ou tecidos, tem conhecido desenvolvimentos acentuados nos últimos anos, não só ao nível industrial como também ao nível técnico-científico, devido às propriedades únicas que exibem.

No caso particular da construção civil, verifica-se que as estruturas de betão armado estão sujeitas à acção de agentes agressivos que, por acções físicas e químicas, dão origem à diminuição da resistência mecânica das estruturas durante o seu período de vida útil, comprometendo o seu comportamento e durabilidade. Um dos principais problemas que afecta as estruturas de betão armado é a corrosão das armaduras em aço. A corrosão é provocada, sobretudo, pela carbonatação ou pela acção dos iões cloreto. A corrosão das armaduras compromete o desempenho dos elementos de betão armado levando-os a atingir o estado limite de utilização ou mesmo o estado de limite último.

Neste tipo de aplicação, os materiais compósitos apresentam-se como uma boa alternativa aos materiais 3 convencionais, minimizando os efeitos que advém da corrosão das armaduras.

Existem já processos documentados em que se recorre a fibras impregnadas com resinas para reforço de estruturas de betão. 0 documento JP2001247636: Resin composition for fiber reinforcement, fiber-reinforced resin and method for reinforcing and repairing concrete structure using resin composition for fiber reinforcement, de 9 de Março de 2000, divulga a composição de resinas e a metodologia de aplicação das mesmas no reforço e reparação de estruturas de betão através da utilização de fibras.

Por outro lado, fibras especificas impregnadas com resinas foram já documentadas como permitindo reforçar varões de plástico, como é referido no documento JP7026661: FRP bar and manufacture thereof, de 13 de Julho de 1993, que divulga o processo de produção de varões plásticos reforçados com fibras de carbono através de processo de entrançamento de fibras de carbono com reforço axial em fibra de carbono. 0 processo de produção compreende duas etapas: a primeira compreende a impregnação das fibras de reforço; a segunda compreende a impregnação da estrutura entrançada.

Uma outra solução para reforço de betão é apresentada no documento JP2000240218: Concrete reinforcement member, de 22 de Fevereiro de 1999, que divulga um elemento para reforço e monitorização do betão através de uma fibra óptica com uma película protectora. O documento RU2249085: Rod for concrete structures reinforcement and plant for its production, de 3 de 4

Dezembro de 2002, divulga um varão constituído por mechas de fibras impregnadas numa matriz polimérica e seu processo de produção, por pultrusão, que compreende bobinas para fornecimento das mechas, dispositivos de tensionamento das mechas, câmara de calor, banho de resina, câmaras de pulverização e mecanismos de corte. 0 presente invento difere dos apresentados tanto na técnica de produção como no tipo de materiais utilizados. A matriz polimérica utilizada pode ser qualquer física e quimicamente compatível com as fibras a utilizar e com o processo de produção. As fibras da estrutura do entrançado e do seu reforço axial podem ser quaisquer compatíveis com o processo de produção, de acordo com as propriedades exigidas ao varão a produzir.

As fibras de reforço axial a utilizar vão permitir a monitorização dos estados de tensão do varão e, consequentemente, da estrutura em que está inserido, são todas e quaisquer fibras que sejam piezoeléctricas ou piezoresistivas, ou seja, fibras que sejam condutoras ou semi-condutoras. Nas fibras piezoeléctricas e nas fibras piezoresistivas, a transmissão de carga ou tensão eléctrica varia com as cargas de tensão ou se compressão que lhe estão aplicadas. A introdução de fibras com estas características vai permitir que seja possível identificar os estados de tensão do varão e consequentemente os estados de tensão a que a estrutura de betão reforçada está sujeita. A capacidade de monitorização dos estados de tensão do varão, e da estrutura em que está inserido, permite avaliar regularmente como é que a estrutura se comporta na sua vida 5 útil, permitindo identificar antecipadamente possíveis estados limite de utilização e estados limite último e fornecendo informação técnica imprescindível para a correcta actuação no reforço das estruturas.

Por outro lado, desconhece-se do estado-da-técnica qualquer outro processo de produção de varões em material compósito reforçado com estrutura entrançada com reforço axial que seja efectuado numa única etapa e que a sua impregnação na matriz polimérica seja feita do interior para o exterior da estrutura. Desta forma garante-se que o processo de produção do varão seja em contínuo, que as diferentes etapas de produção ocorram em simultâneo e que a impregnação na matriz polimérica seja uniforme conferindo maior simplicidade ao processo de produção, maior rapidez de produção e melhores caracteristicas ao material a ser produzido, respectivamente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Fig. 1: Representação esquemática do varão em material compósito reforçado com estrutura entrançada com reforço axial e do seu processo de produção.

Fig. 2: Representação esquemática da constituição de um exemplo de varão em material compósito de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO 0 presente invento refere-se a um varão em material compósito reforçado com uma estrutura têxtil entrançada com reforço axial, baseado no conceito de estruturas multifuncionais, onde diferentes tipos de fibra são utilizados em diferentes partes do varão, de acordo com 6 requisitos mecânicos e físicos. Estes varões permitem uma distribuição racional do tipo de fibras a utilizar, optimizando a utilização dos vários tipos de fibra, garantindo o desempenho necessário e contribuindo para a diminuição do custo associado à produção dos varões. 0 presente invento caracteriza-se por apresentar, no processo de produção através da tecnologia do entrançamento triaxial, acoplado à entrançadeira (A) um balseiro (B) permitindo a impregnação das fibras de reforço axial, na matriz polimérica, no instante imediatamente anterior ao processo de entrançamento.

Este varão em material compósito desempenha simultaneamente duas funções, reforço e monitorização, contribuindo para a minimização da degradação das estruturas de betão armado. 0 conceito de "estrutura multifuncional" presente neste invento, caracterizado pela existência de diferentes partes do varão com diferentes tipos de fibras, é possível devido ao tipo de tecnologia utilizada para a produção do mesmo.

Esta tecnologia, o entrançamento, permite produzir entrançados com diferentes geometrias, nomeadamente diferentes ângulos de entrançamento, função do número de bobinas utilizadas, da posição do anel formador no ponto de entrançamento e da velocidade de tiragem. Se o número de bobinas, a posição do anel formador no ponto de entrançamento e a velocidade de tiragem forem devidamente programados, o ângulo e o diâmetro do entrançado podem ser controlados. A direcção de entrançamento é flexível podendo ser horizontal, vertical, de baixo para cima ou invertida. 7

Pretendendo-se um reforço axial no entrançado pode inserir-se um sistema de fibras de reforço axial, produzindo-se assim uma estrutura triaxial com orientação de fibras a zero graus em relação ao eixo de rotação do equipamento de entrançamento. 0 entrançado é composto por um conjunto de fibras que são distribuídas pelo equipamento de entrançamento usualmente, de um modo simétrico formando assim um entrançado com metade das fibras a ter um ângulo e a outra metade a ter o ângulo simétrico. Assim a estrutura triaxial é composta pelas fibras entrançados, com os dois ângulos simétricos, e pelas fibras de reforço axial.

Se houver necessidade da estrutura ter mais espessura, podem ser entrançadas diversas camadas, umas sobre as outras, ou aumentar a quantidade de fibras no reforço longitudinal, produzindo desta forma o entrançado com a espessura pretendida - chama-se a isto "overbraiding".

Em termos práticos, a inserção dos diferentes tipos de fibras é feita através das bobinas da entrançadeira (A) e através do fornecimento de fibras de reforço axial.

Para produzir o varão em material compósito, aquando do processo de produção do entrançado procede-se à impregnação prévia do sistema de fibras de reforço axial, orientadas a zero graus em relação ao eixo de rotação do equipamento de entrançamento.

As funcionalidades apresentadas pelo varão são de dois tipos: reforço de elementos de betão e monitorização dos estados de tensão do elemento de betão reforçado. 8

Nos varões em material compósito reforçado com estrutura têxtil entrançada com reforço axial, destacam-se três componentes com funções distintas.

Assim, existe, o componente (1), que compreende a estrutura entrançada, que é responsável pela manutenção da correcta posição das fibras de reforço axial e, através da produção de uma estrutura entrançada nervurada, pela criação de condições favoráveis à maximização das tensões de aderência entre o varão e o betão que o envolve. 0 componente (2), que compreende fibras de reforço axial da estrutura entrançada, que é responsável pelo comportamento mecânico do varão. Este componente é ainda responsável pelas propriedades condutoras do varão. 0 componente (3), que compreende a matriz polimérica, é responsável pela correcta distribuição de esforços entre os diferentes elementos que constituem a estrutura entrançada com reforço axial.

De acordo com a representação esquemática da produção (Fig. 1), o processo de produção do varão compósito ocorre numa única etapa. A estrutura entrançada nervurada é produzida recorrendo à utilização de bobinas com mechas de fibras com diferentes massas lineares e o processo de resinagem do entrançado ocorre através da prévia impregnação das fibras de reforço axial. Desta forma, ao ficar confinada à alma da estrutura entrançada, a resina presente nas fibras de reforço axial tende a envolver as fibras da estrutura entrançada, 9 ocorrendo uma impregnação do interior para o exterior, garantindo, desta forma, que toda a estrutura entrançada com reforço axial fique impregnada na matriz polimérica, evitando descontinuidades no material a ser produzido.

Assim, aquando da produção da estrutura entrançada no equipamento de entrançamento (A), o processo de impregnação das fibras de reforço axial ocorre no instante imediatamente anterior à sua introdução no sistema, através da utilização de um balseiro (B) acoplado ao equipamento de entrançamento. É o balseiro (B), acoplado ao equipamento de entrançamento, contendo a matriz polimérica, o responsável pela impregnação simultânea ao processo de entrançamento triaxial, dotando o processo de uma única etapa de produção. 0 varão assim produzido pode apresentar várias modificações no que concerne à geometria e ao tipo de fibra utilizada na estrutura entrançada, ao tipo de fibra utilizado no reforço axial da estrutura entrançada e ao tipo de matriz polimérica a ser reforçada pela estrutura entrançada com reforço axial.

No que diz respeito à geometria da estrutura entrançada, os varões poderão ser produzidos com diferentes ângulos de entrançamento, vários diâmetros e com várias configurações de nervuras, através do diferente número de bobinas utilizadas com mechas de fibras com diferentes massas lineares. A estrutura entrançada poderá ainda ser produzida com diferentes tipos de fibra. A fibra utilizada no reforço 10 axial da estrutura entrançada poderá ser de vários tipos, bem como a matriz polimérica a ser reforçada. A definição e fixação destes parâmetros permitem a produção de diferentes tipos de varão em material compósito reforçado com uma estrutura têxtil entrançada com reforço axial, maximizando a utilização racional dos materiais em função das especificidades da estrutura de betão a reforçar.

Numa forma de realização preferida, o varão, de acordo com o presente invento, é constituído por: estrutura entrançada (1) produzida com oito bobines de fibra de poliéster (duas das quais com um fio a quatro cabos); reforço axial da estrutura entrançada (2) em fibra de vidro, fibra de carbono, fibra de polietileno, fibra de sisal ou utilização simultânea de diferentes tipos de fibras; e uma matriz polimérica (3) tal como resina de vinil éster.

Tabela 1 - Estrutura entrançada com reforço axial (tipo de fibra, densidade linear e número de mechas/filamentos utilizados) e matriz polimérica.

Estrutura entrançada Reforço axial Tipo de fibra Poliéster Vidro Carbono Densidade linear [Tex] 110 900 1600 Número de mechas/ filamentos 6 bobinas com 1 fio 2 1 2 bobinas com 1 fio a 4 cabos Densidade linear total [Tex] 1540 1800 1600 Matriz polimérica Resina de vinil éster 11

Tabela 2 - Propriedades mecânicas de varões em material compósito reforçado com estrutura têxtil com reforço axial.

Reforço axial Tensão de rotura [MPa] Módulo de elê (0,2%) is ti cidade [GPa] Tracção Flexão Tracção Flexão Vidro 454,5 161,0 9,0 5, 9 Carbono 685,7 351,7 23,3 20,3

Lisboa, 6 de Outubro de 2006

Claims (4)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo de produção de varão em material compósito reforçado com estrutura entrançada com reforço axial, para reforço de elementos de betão e monitorização dos estados de tensão do elemento de betão reforçado caracterizado por ser continuo e as diferentes etapas ocorrerem em simultâneo, em que: a. a estrutura entrançada nervurada, é realizada num equipamento de entrançamento (A); b. o sistema de fibras de reforço axial (2) é envolvido pela estrutura entrançada (1), c. as fibras de reforço axial (2) são impregnadas na matriz polimérica, imediatamente antes da sua introdução no processo de entrançamento, através do balseiro (B) acoplado ao equipamento de entrançamento (A); c. a impregnação da estrutura entrançada nervurada com reforço axial, na matriz polimérica, é feita do interior para o exterior da estrutura de modo uniforme; d. a produção do varão é feita em continuo.

2. Processo, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a direcção de entrançamento ser flexível podendo ser horizontal, vertical, de baixo para cima ou invertida.

3. Processo, de acordo com as reivindicações 1-2, caracterizado por o balseiro se encontrar instalado no equipamento de entrançamento de forma a que o fornecimento das fibras de reforço axial da estrutura entrançada, impregnadas na matriz polimérica, seja feito no sentido de produção do entrançado. 2

4. Varão em material compósito reforçado com estrutura entrançada com reforço axial, para reforço de elementos de betão e monitorização dos estados de tensão do elemento de betão reforçado que compreende: uma estrutura entrançada nervurada (1) produzida com oito bobinas de fibra de poliéster (duas das quais com um fio a quatro cabos); reforço axial da estrutura entrançada nervurada (2) em fibra de vidro, fibra de carbono, fibra de polietileno, fibra de sisal ou utilização simultânea de diferentes tipos de fibras; e uma matriz polimérica (3) tal como resina de vinil éster, caracterizado por ser obtido a partir do método anterior. Lisboa, 07 de Dezembro de 2010.