Reforço de vigas e pilares de concreto armado com lâminas de CFRP, GFRP e KFRP

Por que concreto mais resistente importa

Pontes, estacionamentos e estruturas de edifícios são construídos com concreto armado—barras de aço envoltas em concreto. Ao longo de décadas, clima severo, tráfego pesado, terremotos e até incêndios vão enfraquecendo essas estruturas. Demolir e reconstruir é caro e intensivo em carbono. Este estudo explora uma opção mais inteligente: envolver vigas e pilares de concreto existentes com envoltórios compostos finos feitos de fibras de carbono, vidro ou da planta kenaf para aumentar a resistência, estender a vida útil e potencialmente reduzir o impacto ambiental.

Envoltórios leves para estruturas cansadas

Os autores concentram-se em lâminas de polímero reforçado com fibra (FRP)—folhas muito finas e resistentes que podem ser coladas na superfície do concreto. O CFRP (FRP de carbono) é o mais resistente e rígido, mas também o mais caro; o GFRP (FRP de vidro) é mais barato e amplamente usado para melhorias moderadas. O KFRP (FRP de kenaf), feito com fibras da planta de rápido crescimento Hibiscus cannabinus, é mais leve e mais ecológico, com emissões de produção menores. Como a maior parte do trabalho anterior se concentrou em fibras sintéticas, este estudo pergunta como um sistema de fibras naturais como o kenaf realmente se compara e se envolver vigas e pilares oferece benefícios semelhantes.

Testando projetos dentro de um computador

Em vez de construir dezenas de vigas e pilares reais, os pesquisadores criaram modelos detalhados em computador usando análise por elementos finitos, um método que divide cada peça de concreto em muitos blocos pequenos para acompanhar tensões e fissuras. Primeiro reproduziram um ensaio laboratorial anterior em viga para garantir que o modelo virtual se comportasse como uma estrutura real, correspondendo capacidade de carga e deformação em menos de 2%. O concreto no modelo poderia fissurar e esmagar, as barras de aço poderiam escoar, e as lâminas finas de FRP poderiam perder rigidez gradualmente à medida que o dano se acumulava—fornecendo um quadro realista de como o reforço ocorreria desde a primeira carga até a falha final.

Como os envoltórios alteram o comportamento de vigas e pilares

Com o modelo validado, a equipe comparou quatro versões de uma viga simplesmente apoiada e quatro versões de um pilar curto: um “controle” não envolvido e três envolvidos com KFRP, GFRP ou CFRP, todos com a mesma espessura de revestimento. Para vigas, o efeito foi dramático. Envolver aumentou a carga máxima que a viga podia suportar em cerca de 14% com KFRP, 24% com GFRP e um impressionante 66% com CFRP. As vigas também sofreram menos flecha sob a mesma carga e absorveram mais energia antes da ruptura—uma medida de ductilidade que subiu aproximadamente 19%, 43% e 72% para os envoltórios de kenaf, vidro e carbono, respectivamente. Em contraste, pilares envolvidos, que atuam principalmente em compressão vertical, tiveram apenas ganhos modestos de capacidade: cerca de 2% para KFRP, 3% para GFRP e 6% para CFRP.

Por que as vigas ganham mais que os pilares

A diferença se resume ao modo como esses elementos trabalham. Vigas são elementos de flexão; suas fibras inferiores se esticam em tração, onde o concreto simples é fraco. Envoltórios externos de FRP são excelentes em tração, então ajudam a assumir esse papel, atrasam a fissuração e transferem mais demanda para as fibras fortes. Os pilares neste estudo eram quadrados, curtos e já muito fortes em compressão. Envolvê-los adiciona principalmente um efeito de confinamento ao núcleo de concreto, em vez de um novo caminho de carga. Para formas quadradas, esse confinamento é desigual—mais forte nos cantos e mais fraco nas faces planas—de modo que grande parte do potencial da lâmina de fibra não é totalmente utilizada. O resultado é um aumento perceptível, mas comparativamente pequeno, na resistência do pilar.

Equilibrando resistência e sustentabilidade

No geral, os envoltórios de fibra de carbono forneceram o maior salto de desempenho e continuam sendo a melhor escolha técnica quando força máxima e ductilidade são críticas, como em vigas muito carregadas em partes essenciais de uma ponte ou edifício. Os envoltórios de fibra de vidro ofereceram uma melhoria sólida e intermediária. Os envoltórios de kenaf aumentaram menos a capacidade, mas ainda reforçaram as vigas de forma significativa, oferecendo vantagens em peso, custo e pegada ambiental. Para muitas reformas do dia a dia—onde um reforço moderado é suficiente e metas de sustentabilidade importam—lâminas de kenaf podem ser uma opção sensata. O estudo mostra que, com modelos computacionais bem calibrados, engenheiros podem comparar esses materiais lado a lado e projetar reforços que troquem uma pequena perda no desempenho mecânico por ganhos significativos em clima e recursos.

Citação: Adel, K., Abdelazeem, M., Sherif, A. et al. Strengthening RC beams and columns with CFRP, GFRP and KFRP laminates. Sci Rep 16, 11004 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43464-1

Palavras-chave: reforço de concreto armado, polímero reforçado com fibra, fibras de carbono e vidro, fibras naturais de kenaf, modelagem por elementos finitos