Comportamento à flexão de arcos tubulares enrolados em PRF preenchidos com concreto e com barras internas em PRF

Suportes de túnel mais resistentes para condições subterrâneas severas

Cidades e sistemas de transporte modernos dependem cada vez mais de túneis e espaços subterrâneos, mas o concreto e o aço que os sustentam podem enfraquecer silenciosamente ao longo do tempo. Ambientes subterrâneos escuros, úmidos e frequentemente quimicamente agressivos corroem o aço e danificam o concreto, elevando os custos de manutenção e as preocupações com a segurança. Este estudo explora um novo tipo de arco de suporte para túneis que substitui o aço propenso à ferrugem por compósitos de fibra de vidro e concreto especialmente reforçado, visando oferecer resistência duradoura onde os materiais tradicionais falham.

Um novo tipo de arco protetor

Os pesquisadores focaram em suportes em forma de arco fabricados a partir de tubos de polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP) que são pré-curvados durante a fabricação automatizada. Esses tubos são então preenchidos com um grout de alta resistência (um concreto fino) e reforçados adicionalmente com barras internas finas de GFRP ao longo do arco. Como o GFRP não enferruja, essa combinação é particularmente atraente para ambientes subterrâneos úmidos, ácidos ou salinos, como túneis, galerias de escoamento e estruturas de proteção. A equipe desenvolveu um processo industrial de filament winding capaz de produzir esses tubos curvos com qualidade consistente, superando uma barreira importante para o uso em larga escala de arcos compósitos.

Submetendo os arcos ao teste

Para entender o desempenho desses arcos compósitos, os autores construíram e testaram 18 espécimes de arco com tamanho e forma fixos, mas com arranjos internos diferentes. Alguns arcos eram tubos de GFRP vazios, outros foram preenchidos apenas com grout, e outros foram preenchidos com grout mais quatro barras internas de GFRP. Também variaram a espessura da parede do tubo (3, 5 ou 7 milímetros). Cada arco foi prensado nas duas extremidades e carregado verticalmente no coroamento em uma máquina universal de ensaios, um arranjo escolhido para criar uma condição clara e severa de flexão em meio vão. Durante o carregamento, a equipe registrou a deflexão dos arcos, como surgiam fissuras e como as deformações se desenvolviam ao longo da curva, permitindo acompanhar como as forças internas se redistribuíam à medida que o dano progredia.

Como a espessura e as barras internas alteram o comportamento

Os experimentos mostraram que simplesmente aumentar a espessura do tubo de GFRP aumentou significativamente a carga que os arcos conseguiam suportar antes da ruptura. Para arcos tanto vazios quanto preenchidos com concreto, passar da parede mais fina para a mais espessa quase dobrou a capacidade última, e tubos mais espessos também tornaram os arcos mais rígidos na fase elástica inicial. Preencher os tubos com concreto proporcionou outro aumento substancial na resistência e na absorção de energia. O maior salto, contudo, ocorreu com a adição das barras internas de GFRP: comparados com tubos vazios, arcos com concreto e barras suportaram cerca de duas a duas vezes e meia até quase quatro vezes mais carga e puderam sofrer mais do que o dobro da deformação antes de perder capacidade. Cálculos sugerem que as barras, embora ocupem apenas uma pequena fração da seção transversal, fornecem aproximadamente metade da capacidade total de carga, enquanto o concreto contribui de forma constante e o tubo tanto resiste à tração quanto confina o concreto na compressão.

Dos dados de ensaio ao projeto preditivo

Além dos ensaios, os autores construíram um modelo de cálculo simplificado para estimar quanta carga um arco desse tipo pode suportar sob uma força concentrada no coroamento. Eles trataram o arco como uma estrutura com extremidades engastadas que eventualmente forma quatro regiões de pino plástico onde a flexão é mais severa. Ao converter a seção tubular curva em um retângulo equivalente e usar fórmulas estabelecidas para concreto confinado e GFRP à tração, derivaram a resistência à flexão nesses pinos e, a partir dela, a carga última global. Quando compararam essas previsões com os resultados de ensaio para arcos contendo barras internas, as diferenças ficaram em torno de 10%, sugerindo que o modelo captura o comportamento essencial para essa forma de arco e essa condição de carregamento específicas.

O que isso significa para estruturas subterrâneas futuras

Em termos práticos, o estudo demonstra que arcos de GFRP preenchidos com concreto e com barras internas de fibras podem ser tanto mais fortes quanto mais dúteis do que arcos de concreto convencionais, além de resistirem à corrosão que afeta o aço. A combinação de um tubo compósito produzido industrialmente, um núcleo de concreto confinado e barras internas de alta resistência resulta em suportes capazes de sustentar grandes cargas e deformar-se sem colapso súbito. Embora as regras de projeto atuais estejam validadas apenas para arcos semelhantes aos testados, os achados apontam para uma nova família de revestimentos de túneis e arcos protetores duráveis e leves que podem tornar a infraestrutura subterrânea mais segura e de vida útil mais longa com menor necessidade de manutenção.

Citação: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Palavras-chave: apoio de túnel, polímero reforçado com fibra, arcos de concreto, resistência à corrosão, estruturas subterrâneas