Characterization of reinforcement solutions in timber elements in construction. Experimental and analytical assesment of FRP composite systems

Dissertação de Mestrado em Reabilitação de Edifícios apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaThe present work has as main objective an experimental analysis of the mechanical properties of wooden beams reinforced with composite materials of polymeric matrix reinforced with fiber. More specifically, focus on analyzing stiffness and flexural strength and develop theoretical analyzes for predicting flexural stiffness. In addition, check the service and ultimate limit states of FRP reinforced wooden beams. Finally, develop the study to evaluate the usual materials of the reinforcement system based on the results of the theoretical analysis of the slabs.This work, then, was divided into two main campaigns, theoretical and experimental. For a theoretical campaign, an analysis was carried out for three types of fiber and two FRP reinforcement systems, to assess the expected gains in flexural stiffness in cryptomeria beams. The materials considered for reinforcing FRP were aramid, carbon and glass, within the blankets, and carbon for laminates. It was also considered an evaluation of the flexural stiffness it was used as a function of the variation in the number of layers for reinforcements with blanket. For that, it uses the variation of one to five layers.For experimental campaign, the Cryptomeria species was used, primarily without reinforcement, to characterize the raw material in terms of stiffness. After the application of reinforcement with FRP (sheet or laminate), the same specimens were evaluated for the perception of gains in terms of bending stiffness and resistance moment. Six groups of specimens were considered, whose variables were: i) reinforcement length, ii) FRP system and iii) number of layers. A bonding technique was considered for all types, this being the EBR, with the use of two epoxy resins.Also, at the theoretical level, cryptomeria wood slabs with and without reinforcement were evaluated according to EC 5 (EN 1995-1-1, 2004). The stiffness results obtained in the experimental campaign for, Cryptomeria reinforced with FRP were used in this analysis. With the results, obtained, the cost of each floor was analyzed, having a comparison between the unreinforced and the reinforced ones.O presente trabalho tem como objetivo principal a análise experimental das propriedades mecânicas de vigas de madeira de Criptoméria (Cryptomeria japónica D. Don) reforçadas com materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra. Mais especificamente, concentrou-se em analisar a rigidez e o momento resistente e desenvolver as análises teóricas para a previsão da rigidez à flexão. Para além disso, verificar o estado limite de serviço de vigas de madeira reforçadas com materiais compósitos de matriz polimérica reforçada com fibra (Fiber Reinforced Polymers, FRP) em pavimentos. Por fim, desenvolver o estudo para avaliação do custo dos materiais do sistema de reforço e de execução, com base nos resultados da análise teórica das lajes. Este trabalho dividiu-se em duas principais campanhas, teórica e experimental. Para a campanha teórica foi feita a análise para três tipos de fibra e dois sistemas de reforço FRP, visando avaliar os ganhos expectáveis de rigidez à flexão em vigas de Criptoméria. Os materiais considerados para o reforço de FRP foram de aramida, carbono e vidro, no âmbito das mantas, e de carbono para os laminados. Considerou-se, também, a avaliação da rigidez à flexão em função da variação do número de camadas para os reforços com manta. Para tal, foi adotada uma variação de uma a cinco camadas .Ao que tange a campanha experimental, utilizou-se a espécie Criptoméria, primeiramente sem reforço para caracterizar a matéria prima ao nível de rigidez. Após a aplicação de reforço com FRP (manta ou laminado), foram avaliados os mesmos provetes para perceção dos ganhos ao nível de rigidez de flexão e momento resistente. Foram considerados seis grupos de provetes, cujas variáveis foram: i) comprimento de reforço, ii) sistema FRP e iii) número de camadas. Considerou-se uma técnica de colagem para todas as tipologias, sendo esta a EBR, com a utilização de duas resinas epóxis. Ainda, a nível teórico, foram avaliadas lajes de madeira de criptoméria com e sem reforço à luz do EC 5 (EN 1995-1-1, 2004). Utilizou-se nesta análise os resultados de rigidez obtidos na campanha experimental para a Criptoméria reforçada com FRP. Com os resultados obtidos, analisou-se o custo de cada pavimento, tendo uma comparação entre o não reforçado e os reforçados