O que os engenheiros do Exército dos EUA descobriram quando consertaram aço corroído com polímeros de fibra

Na verdade, a Associação Nacional de Engenheiros de Corrosão dos EUA estimou o custo anual total global da corrosão em US$ 2,5 trilhões — e isso foi em 2013. O custo agora provavelmente será significativamente maior.

Mas a mesma associação estimou que o custo da corrosão do aço poderia ser reduzido em 35% se controles adequados fossem introduzidos.

É aí que entra um novo estudo do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenharia do Exército dos EUA (ERDC).

O estudo retoma trabalhos anteriores para explorar o potencial da aplicação de polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) e fibra de basalto (BFRP) para reparar seções transversais de aço corroídas.

Ela conduziu uma série de testes experimentais em grande escala em vigas de aço para ver como o CFRP e o BFRP afetavam suas características estruturais, incluindo sua ductilidade (a capacidade de um metal ser trefilado ou esticado sem quebrar).

As apostas

Ponte Morandi, na Itália, em Gênova, que desabou em 2018. Foto: Adobe Stock

Os riscos são altos quando se trata da corrosão do aço em infraestrutura — e é um problema particular para estruturas que estão na água ou perto dela, sejam pontes, estruturas de controle de enchentes, oleodutos para edifícios e outras estruturas marinhas subaquáticas.

Além do custo de inspeção e reparo de componentes estruturais (que em alguns casos pode incluir a drenagem deles), há a potencial interrupção do serviço.

E não controlar a ameaça silenciosa da corrosão pode levar à deterioração da estrutura, a reparos ainda mais caros e, como destaca o relatório, até mesmo à falha da estrutura.

Ele apontou para o exemplo de alto perfil do colapso da Ponte Morandi em Gênova, Itália, que resultou na morte de 43 pessoas. O viaduto de três vãos, de 51 anos, fazia parte da rodovia A10 que leva a Savona e foi projetado como uma viga contínua, suportada por três sistemas diagonais estaiados. Especialistas em engenharia italianos acreditam que a corrosão gradual dos cabos de aço desempenhou um papel fundamental no colapso da ponte, diminuindo sua integridade estrutural em 20%.

Reparos de corrosão de aço

O estudo do ERDC observou que há várias abordagens existentes para reparar e reformar aço corroído em estruturas. Elas podem ser tão simples quanto remover corrosão e repintar o aço.

Mas quando se trata de corrosão mais severa, cada método de retrofit traz suas próprias desvantagens. Esse é o caso, seja ao envolver a substituição de elementos de aço corroídos por novas seções transversais (o que pode causar interrupção do serviço) ou a fixação de placas de aço extras (o que aumenta a carga morta da estrutura e potencialmente interrompe o serviço).

Mais recentemente, a aplicação de CFRP para envolver seções transversais de aço corroídas se tornou mais popular, mas requer um material isolante, como fibras de vidro, para evitar corrosão galvânica entre a fibra de carbono e o aço.

E embora os materiais de FRP tenham sido investigados por vários estudos nos últimos anos, que sugeriram que eles podem aumentar a capacidade de carga e a capacidade de escoamento das vigas em comparação com as não reparadas, o ERDC sugeriu que mais testes experimentais eram necessários para avaliar o comportamento estrutural completo das vigas reparadas e o impacto da descolamento dos envoltórios de polímero de fibra no desempenho das vigas.

Os testes

O estudo teve como objetivo verificar a eficácia dos polímeros reforçados com fibras para reparar vigas de aço corroídas que são submetidas a tensões de flexão e cisalhamento.

Para fazer isso, os pesquisadores instalaram sete vigas de aço diferentes, de tamanho W x 24, com vão de três metros, em uma estrutura de teste que foi então submetida a quatro pontos de flexão e carga usando um atuador de 489 KN.

Fonte: Avaliação Experimental de Vigas de Aço com Redução Mecânica de Seção Retrofitadas com Fibras Polímeras (ERDC)

A primeira das vigas era um espécime de controle onde não havia corrosão ou reparo (veja a. no diagrama acima). A próxima era uma viga onde a seção mecânica do flange inferior havia sido reduzida em 20%, efetivamente por ter uma seção do aço cortada, para simular os efeitos da corrosão (b).

A terceira viga era semelhante, pois tinha uma redução de 20% em sua alma (c).

Então, havia duas vigas onde as seções no flange de tensão e na alma, respectivamente, foram reduzidas em 20% e então reparadas com remendos de CFRP com fibras de carbono unidirecionais (veja d. e e.). E as duas vigas finais tiveram seu flange de tensão e alma reduzidos em 20% respectivamente e então foram reparadas por remendos de BFRP com fibras quadridirecionais (veja d. e e.).

Todos os remendos foram instalados em uma superfície áspera, feita com uma esmerilhadeira angular, usando um epóxi chamado Tyfo S, misturado com sílica ativa.

Fonte: Avaliação Experimental de Vigas de Aço com Redução Mecânica de Seção Retrofitadas com Fibras Polímeras (ERDC)

Os resultados

Os pesquisadores do ERDC descobriram que suas tentativas de simular a corrosão cortando partes das vigas no flange inferior e nos elementos da alma reduziram a resistência e a ductilidade do aço.

Adicionar remendos de CFRP às vigas "corroídas" ajudou a aumentar sua capacidade final em 7%, tanto quando o reparo foi adicionado ao flange inferior quanto ao elemento de teia. Mas teve um impacto negativo na ductilidade e os remendos começaram a se descolar precocemente, descobriu o estudo.

Os resultados foram melhores para os remendos de BFRP. Houve uma melhoria de 10% na resistência final para a viga onde um remendo foi aplicado ao flange inferior e a descolagem foi mínima. O remendo de BFRP no elemento de teia da viga aumentou a capacidade final em 5%, a ductilidade melhorou e não houve descolagem.

Em sua conclusão, o estudo disse: “O BFRP superou os remendos de CFRP na melhoria do comportamento estrutural das vigas testadas, e sua descolagem, se existir, deve ocorrer após as vigas atingirem sua capacidade máxima. O BFRP causou uma mudança mínima na distribuição de deformação nas vigas reparadas, o que é crítico para manter as mesmas condições estruturais e o desempenho dos membros estruturais não danificados.”

Recomendações

Dada a descolagem dos remendos de CFRP, os pesquisadores recomendaram estudos mais aprofundados que examinassem diferentes tipos de adesivos para polímeros reforçados com fibras (porque as falhas de descolagem ocorreram na superfície adesiva, sem nenhuma fratura nos remendos).

Eles também observaram que os remendos BFRP quadridirecionais mostraram “desempenho promissor” em áreas sujeitas a maiores forças de cisalhamento e recomendaram testar remendos CFRP bidirecionais.

Investigações futuras também poderão estudar o desempenho de seções transversais corroídas que são completamente envolvidas em remendos de FRP, uma abordagem frequentemente aplicada no reparo de estruturas de aço para navegação, disseram os pesquisadores.

Outra recomendação foi investigar a durabilidade das abordagens de reparo aplicadas para entender a vida útil dos materiais de FRP como uma abordagem de longo prazo para estruturas hidráulicas de aço.

Para acessar o relatório completo, clique aqui.