Barra de Armadura Compósito: Protegendo Infraestrutura Futura contra Estresse Climático

No mundo todo, estruturas de concreto estão sob ataque como nunca antes. Não só o tráfego aumentou em estradas, pontes e viadutos, mas a mudança climática aumentou eventos climáticos extremos, incluindo tempestades violentas e chuvas torrenciais que resultam em inundações repentinas e outros eventos destrutivos. Sob tal estresse, o concreto pode trincar. Isso permite deterioração rápida em ambientes agressivos através de exposição a elementos como água salgada, que é corrosiva para armadura de aço.

“Trincas criam caminhos para os agentes dos ambientes agressivos atingirem o aço de armadura e/ou protensão e iniciarem o processo corrosivo de oxidação”, explica o site de inovação de estruturas do Departamento de Transportes da Flórida (FDOT, Tallahassee, Flórida, EUA). “Uma abordagem inovadora para combater este grande problema é substituir a armadura tradicional de barras e fios de aço por polímero reforçado com fibra (FRP).” O FDOT tem sido líder no uso e testes de barra de armadura FRP, bem como no desenvolvimento de padrões de design e uso, como os emitidos pelo American Concrete Institute (ACI, Farmington Hills, Michigan, EUA). Embora a barra de armadura compósita seja feita principalmente com fibra de vidro (GFRP ou GRP), produtos também foram desenvolvidos usando basalto (BFRP) ou fibra de carbono (CFRP).

“Com uma longa e cara história de corrosão mundial, o aço não é mais visto como opção custo-efetiva em ambientes agressivos”, diz Nick Crofts, CEO do fabricante de barra GFRP Mateenbar (Dubai, EAU e Concord, NC, EUA), fornecedor líder do maior projeto de barra GFRP do mundo. Este projeto é o canal de mitigação de inundações de 23 km de comprimento e até 80 m de largura em Jizan, Arábia Saudita. Embora a barra GFRP exista há 30-40 anos, diz Crofts, projetos-chave como o Canal de Inundação de Jizan agora a estão impulsionando para a infraestrutura mainstream. Esse crescimento já justifica as novas fábricas da Mateenbar na Arábia Saudita e nos EUA.

 

Pioneirismo em tecnologia de barra GFRP

 

A barra GFRP Mateenbar foi desenvolvida pela Pultron Composites (Gisborne, Nova Zelândia), pioneira e especialista em tecnologia de pultrusão e inovação de produto. A Mateenbar aborda os desafios únicos do mercado de barra de armadura, que não só exige alto volume e preços baixos, mas também requer que o produto seja especificado por arquitetos e/ou engenheiros do projeto. Assim, a primeira fábrica da Mateenbar em 2008 foi construída perto de clientes potenciais e empresas de engenharia de projetos em Dubai, Emirados Árabes Unidos, região conhecida por grandes projetos de infraestrutura e uso pioneiro de compósitos na construção. A Pultron permanece parceira estratégica da Mateenbar e fornecedora-chave de tecnologia e desenvolvimento de produto sob medida.

Etapas de fabricação

A fábrica da Mattenbar usa a tecnologia avançada da Pultron para produzir barra pultrudada muito consistente em alta vazão sem emissões de compostos orgânicos voláteis (VOC). “Injetamos resina e curamos dentro da matriz de pultrusão de aço projetada”, diz Crofts.

“Esta barra é um produto engenheirado com desempenho dimensional melhor que ±1%”, ele adiciona. “Não há desculpa para ver resina no chão ou poeira no ar. A fibra usada é vidro ECR resistente à corrosão da Owens Corning (Toledo, Ohio, EUA) e a resina é nossa própria variante de um éster vinílico com backbone epóxi. Maximiza tenacidade, resistência e durabilidade, e é muito superior a um backbone de poliéster com terminações epóxi.”

As hastes redondas pultrudadas são então usinadas para criar um perfil espiral que permite adesão de carga dentro do concreto. “Isso também é uma operação fechada”, aponta Crofts, “usando cabines de usinagem equipadas com sistemas de filtragem de ar Donaldson (Bloomington, Minnesota, EUA). Então aplicamos um filme de resina no exterior para melhorar o manuseio.” A barra da Mateenbar é produzida em comprimentos de até 80 pés, cortada no comprimento necessário. “É típico ver comprimentos de 40 pés para a maioria dos projetos de infraestrutura e construção”, diz Crofts.

“Nossa barra reta média tem 0,75 polegada de diâmetro, com módulo de tração de 8.700 ksi (60 GPa) feita de fibra de vidro de 11.600 ksi (80 GPa); assim, o teor de fibra é muito alto — mais de 80% em peso. Não há como dobrar isso, então nossa barra GFRP dobrada é feita usando processo e resina diferentes, com tecnologia proprietária.”

 

Maior projeto de barra GFRP do mundo

Jizan (também soletrado Jazan) é a capital da Região de Jizan, que fica no canto sudoeste da Arábia Saudita, ao norte da fronteira com o Iêmen. Inundações repentinas desastrosas ocorrem durante chuvas fortes periódicas devido ao escoamento de montanhas próximas. O canal de drenagem de águas pluviais de concreto armado de 23 km foi construído para proteger uma grande zona industrial que inclui uma refinaria de petróleo da Saudi Aramco (Dhahran, Arábia Saudita).

Até a pandemia de COVID-19, a Saudi Aramco era a maior empresa do mundo em termos de receita. Ela gerencia todo o negócio de petróleo e derivados do Reino e também responde por 10% de toda a construção na Arábia Saudita. “A Saudi Aramco percebeu que uma enorme porcentagem de seu orçamento anual era gasta substituindo estruturas de concreto”, diz Crofts. “A alta salinidade na areia da região e a grande variação de temperatura do dia para a noite causam trincas mais rápidas no concreto. A Saudi Aramco começou a buscar tecnologias alternativas e, como membros do ACI, basearam sua estratégia nos padrões de barra FRP desenvolvidos, adaptando e refinando-os ainda mais como padrões da Saudi Aramco. A empresa então determinou o uso de barra GFRP em certos ambientes de alta corrosão.”

A Saudi Aramco solicitou licitações para o projeto do canal de inundação de Jizan e então selecionou três fornecedores de barra GFRP. A Mateenbar recebeu 50% do contrato. “Esperamos vários meses enquanto o projeto ganhava impulso”, recorda Crofts, “e então, de repente, todos os materiais foram necessários imediatamente. A fábrica de Dubai passou a operar a plena capacidade em uma semana e produziu quase 6.000 km de barra GFRP em sete meses.”

Uma vez entregue, a barra foi instalada pelo contratante do projeto, Al Yamama Group (Dammam, Arábia Saudita). “Pensamos que precisaríamos fornecer muita assistência durante a instalação, mas não foi necessário”, diz Crofts. “Eles acharam muito mais rápido instalar que barra de aço.” Com peso 25% do aço, a barra GRFP permite manuseio de comprimentos maiores com menos pessoas e é mais fácil de mover e posicionar. “Também requer menos tubos de posicionamento”, ele adiciona. “Estas seções redondas de tubo são usadas para apoiar a barra na altura correta dentro do concreto.”

Após a barra ser colocada, amarrada com fios de aço inoxidável e inspecionada, está pronta para o concreto ser despejado por cima. A equipe de instalação da barra moveu-se tão rapidamente, nota Crofts, que estavam a um quilômetro ao longo do canal de 40 a 80 m de largura antes de perceberem que as operações de concretagem não conseguiam acompanhar. “Então pararam e deixaram o concreto alcançar”, ele adiciona. “Isso é importante porque se chuvas fortes vêm, a inundação enche o canal de areia. Isso aconteceu em algumas ocasiões, causando atrasos, mas também destacando a importância deste canal de drenagem.”

Após despejar o concreto sobre a barra, a equipe de instalação adensa e compacta para remover bolhas de ar, e então cura nos dias e semanas seguintes. “Não há diferença entre barra GFRP e aço para estas etapas”, diz Crofts. “Terminamos o fornecimento de barra em janeiro de 2020, e o canal acabou de ser concluído.”

 

Design, custo e futuro do GFRP

Crofts aponta que a barra GFRP não é substituta direta do aço. “A barra GFRP tem propriedades diferentes da barra de aço. Essas diferenças devem ser acomodadas no design. Então, enquanto concreto armado com aço seria tipicamente projetado segundo ACI 318, isso não seria adequado para barra GFRP, que depende do guia de design ACI 440. Como exemplo, a barra GFRP tem resistência à tração maior que o aço, mas módulo de tração menor. Também é elástica até o ponto de falha.” Crofts nota que em um design de aço, a quantidade de barra seria tipicamente determinada pela resistência à tração. No entanto, para GFRP, o módulo é tipicamente o fator que determina a quantidade de barra necessária. Atender a este requisito tipicamente resulta em uma estrutura que excederá os requisitos de resistência final. Também garante um modo de falha desejável na estrutura reforçada com barra GFRP.

Outra consideração é a produção de curvas e formas. Crofts nota a proporção de barra dobrada para reta em projetos é, em média, aproximadamente 30%. Com barra de aço, esta fabricação é frequentemente concluída no local. “As barras dobradas Mateenbar são produzidas em nossa fábrica de ambiente controlado e entregues diretamente no local sem etapas intermediárias de fabricação”, ele explica. “Isso pode ser um desafio do ponto de vista de suprimento conforme as necessidades mudam de uma semana para outra. Descobrimos que flexibilidade e ter uma fábrica na mesma região são muito importantes.”

“O custo da barra GFRP é 3-4 vezes maior que o aço se calculado em dólares por libra”, diz Crofts, “porque nosso produto tem um quarto da densidade. A medida apropriada é dólares por pé porque a barra é especificada e comprada como fração do volume de concreto. Quando você mede seu custo por volume, a barra GFRP é competitiva com aço.”

“Jizan foi o primeiro mega-projeto a não permitir aço”, diz Crofts. “Eles tinham uma equipe para projetar as estruturas requeridas com vida útil de mais de 100 anos. Vários produtores de barra GFRP estão procurando se instalar na Arábia Saudita agora que a demanda cresce.” A Mateenbar também está construindo uma nova fábrica lá, bem como uma em Concord, N.C., EUA, para atender a América do Norte, que é o segundo maior mercado após o Oriente Médio. Ambas as novas fábricas são modernas, instalações de 100.000 pés quadrados, usando tecnologia avançada de pultrusão da Pultron. Para ambas, equipamentos foram entregues em outubro de 2020, e a produção deve começar no início de 2021.

À medida que a demanda por barra GFRP aumenta no Oriente Médio, o mercado na América do Norte continua a amadurecer. “Atualmente, as maiores aplicações de barra GFRP na América do Norte são muros de arrimo e pontes ao longo da costa ou onde estradas são fortemente salgadas”, diz Croft. “No entanto, DOTs e proprietários de ativos agora buscam melhorar o custo ao longo da vida útil das estruturas [CW concorda, veja “O papel crescente dos compósitos em infraestrutura”], o que inclui reduzir a necessidade de manutenção e construir infraestrutura duradoura e sustentável. Engenheiros consultores e usuários finais estão vendo o valor da tecnologia de barra GFRP e produtores de barra GFRP estão cooperando em padrões de qualidade e desempenho. Há também usuários líderes, como FDOT, que promovem a tecnologia e ajudam outros DOTs, o que ajudou a disseminar o conhecimento.”

Crofts nota que o FDOT recentemente hospedou um webinar sobre design de concreto reforçado com GFRP com 200 participantes. Em outro webinar, Dr. Antonio Nanni, um dos principais pesquisadores da Universidade de Miami (Miami, Flórida, EUA) trabalhando com FDOT afirmou, “Barra FRP está pronta para o prime time.” Isso foi comprovado, diz Crofts. “O trabalho agora é para mais empresas especificarem e empreiteiros usarem.”