Introdução

Os pilares de madeira são elementos estruturais fundamentais para garantia da estabilidade em diversas construções, possibilitando uma combinação única de estética, sustentabilidade e desempenho estrutural. No entanto, por se tratar de um material orgânico, a madeira está sujeita a deterioração, rachaduras e defeitos que podem comprometer sua durabilidade, capacidade de carga e estabilidade (Chen; Guo, 2017; Wang et al., 2021).

Diversos estudos relatam degradações significativas em pilares de madeira (Li et al., 2021; Qiao; Li; Chen, 2016; Zhou; Yan, 2015), onde intervenções significativas foram necessárias para a garantia da segurança estrutural e do desempenho em serviço dos elementos degradados.

De acordo com as observações de Valle, Perreira e Nappi (2013), uma das alternativas viáveis para o reforço estrutural de elementos de madeira é a aplicação de polímeros reforçados com fibras (PRF). Essa solução é considerada discreta, preservando a estética original do ambiente, tornando-a especialmente desejável para intervenções em construções históricas.

A revisão realizada por Albuja-Sánchez, Damián-Chalán e Escobar (2024) aponta as fibras de carbono, de vidro e de aramida (PRFC, PRFV e PRFA, respectivamente) como as mais encontradas nos PRF utilizados em estruturas, geralmente associadas a reforços e recuperações estruturais. O uso de fibras de basalto (PRFB) também é encontrado na literatura (Dong et al., 2015b; Liu et al., 2022; Zhou et al., 2021). Isleyen e Kesik (2021) enfatizam a viabilidade do uso de laminados de PRF para o reforço de estruturas de madeiras danificadas presentes em construções históricas. No entanto, destacam a necessidade de aprofundar os estudos sobre esse assunto.

O uso do PRF para reforço de estruturas de concreto armado tem sido amplamente investigado (Amran et al., 2018), com a possibilidade de adoção de documentos normativos específicos para o emprego dessa solução em projetos estruturais, como o ACI 440.2R (ACI, 2017).

A Figura 1 apresenta a uma comparação da quantidade de estudos encontrados na base de dados Web of Science que versam sobre reforço em estruturas de madeira e o uso do PRF em estruturas de madeira. A busca foi realizada por meio das strings [(timber OR wood) AND (“strengthening” OR “reinforcement”)] e [(timber OR wood) AND (“FRP” OR “ fiber reinforced polymer “)], respectivamente.

Conforme evidenciado na Figura 1, houve um crescente interesse em pesquisas sobre reforço de estruturas de madeira e, apesar das publicações sobre utilização de PRF na madeira terem crescido, a taxa de aumento de publicação é consideravelmente inferior ao se comparar com estudos sobre reforço em madeira. A baixa quantidade de estudos sobre o tema impacta a evolução do método de reforço, o que cria uma barreira para utilização por projetistas.

Apesar da baixa proporção de estudos, os trabalhos encontrados que avaliam o reforço de estruturas de madeira com PRF apontam melhorias significativas no desempenho estrutural, evidenciando altas taxas de aumento da capacidade resistente (D’Ambrisi; Focacci; Luciano, 2014; Motlagh; Gholipour; Ebrahimi, 2012; Nowak; Jasieńko; Czepizak, 2013), além de melhorias de rigidez (Motlagh; Gholipour; Ebrahimi, 2012; Nowak; Jasieńko; Czepizak, 2013) e ductilidade (Işleyen; Kesik, 2021; Motlagh et al., 2008; Xueyu et al., 2018).

Desse modo, a identificação do atual estado da arte sobre o reforço de pilares de madeira com PRF pode apresentar informações valiosas para o desenvolvimento de novos estudos sobre o tema, bem como contribuir para avaliações assertivas desses elementos por meio da elaboração de uma síntese das propostas de dimensionamento analítico desse método de reforço.

Desse modo, o objetivo deste estudo foi realizar uma revisão bibliográfica sistemática sobre a utilização de compósitos laminados de PRF para reforçar pilares de madeira, visando sua contribuição para melhoria do desempenho mecânico do elemento.

Método da revisão bibliográfica sistemática

A revisão sistemática foi realizada em outubro de 2024, com seu desenvolvimento resumido em três etapas: planejamento, análises dos artigos coletados e extração dos dados. As etapas seguidas para elaboração desta revisão são ilustradas na Figura 2.

Durante a etapa de planejamento, conforme apresentado na Figura 2, foram definidas as perguntas de pesquisa, bases de dados para obtenção dos artigos e a string de busca. A definição da string foi realizada por meio dos termos em inglês: “timber”, “strengthening”, “column” e “fiber reinforced polymer”. Por meio de operadores booleanos, os termos adotados foram unidos para que os resultados encontrados apresentassem todas as palavras escolhidas. Visando uma maior abrangência da busca, palavras com mesmo significado, ou similar aos termos adotados foram elencadas na string. A busca foi realizada com base nos títulos, nos resumos e nas palavras-chave dos artigos, sendo adotadas duas bases de dados: Engineering Village e Web of Science. Com isso, a string utilizada foi: (“timber” OR “wood”) AND (“strengthening” OR “reinforcement”) AND (“column” OR “pillar”) AND (“fiber reinforced polymer” OR “FRP”).

As perguntas de pesquisa consideradas foram:

1. Como os compósitos laminados de PRF são utilizados em reforços de pilares de madeira?

2. Qual a influência das propriedades físicas e mecânicas do PRF e da madeira no desempenho do pilar?

3. Quais métodos matemáticos são adotados pela literatura para o dimensionamento de pilares de madeira reforçados com PRF?

Durante a análise dos artigos, após a exclusão dos registros duplicados (presentes em ambas as bases de dados), foram selecionados os manuscritos que respondiam às perguntas elaboradas e que poderiam contribuir com a proposta da revisão. A análise foi conduzida considerando três filtros: seleção, elegibilidade e inclusão.

No filtro de seleção, os títulos, palavras-chave e resumos dos artigos extraídos das buscas foram lidos para identificar aqueles que claramente não abordavam o tema da revisão. No filtro de elegibilidade, foram lidas as introduções e conclusões dos artigos aprovados no filtro de seleção, com o objetivo de compreender o contexto e os objetivos dos estudos, bem como suas contribuições. No filtro de inclusão, os artigos foram lidos na íntegra e classificados novamente quanto à sua adequação para a amostra considerada na revisão sistemática. Ao final de cada filtro, os artigos que continham dados relevantes eram aprovados para o próximo filtro, enquanto os demais eram excluídos. Por fim, os artigos aprovados nos três filtros foram utilizados para a extração dos dados de interesse.

Por fim, foram definidos diversos campos de extração, baseados nas perguntas de pesquisa, para organização e comparação das informações obtidas. Com a obtenção da amostra, foram selecionados 15 artigos para compor a base de dados consultada, correspondendo a 21,74% dos registros obtidos das bases de dados, desconsiderando os trabalhos duplicados. A Figura 3 apresenta o fluxograma PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses), onde a quantidade de artigos removidos em cada etapa é detalhada. Os artigos não incluídos na amostra geralmente foram excluídos por não utilizarem PRF como elemento de reforço ou por não analisar pilares de madeira, sendo a maioria voltado para outros materiais estruturais, porém, também foram obtidos artigos que visavam recuperar outros elementos de madeira, como painéis e vigas, fora do escopo desta revisão.

Contexto dos estudos sobre reforço de pilares de madeira com PRF

Ao analisar a amostra obtida, foram encontrados estudos que realizaram investigações experimentais, numéricas e analíticas. A Figura 4 apresenta a quantidade de artigos considerados em cada uma dessas abordagens. Foi possível observar que apenas um dos artigos não realizaram procedimentos experimentais, se dedicando apenas à investigação analítica. Não foram encontrados estudos de caso ou outras abordagens que avaliassem o reforço aplicado em pilares pertencentes a estruturas reais.

Ao avaliar as espécies de madeira utilizadas nos artigos, foram encontradas oito espécies de madeira coníferas e três folhosas, correspondendo a 53,33% e 20% da amostra, respectivamente. Cinco artigos (33,3%) não identificaram a espécie de madeira adotada. Dos artigos que apresentaram informações sobre a madeira, dez relataram procedimentos de caracterização. As informações sobre as propriedades das madeiras presentes na amostra são apresentadas na Tabela 2.

Da Tabela 2, destaca-se que os estudos conduzidos por Siha e Zhou (2023, 2022) apresentam as mesmas propriedades para a Pinus koraiensis utilizada, indicando se tratar de estudos complementares com a mesma amostra de madeira. A resistência à compressão paralela às fibras (f_c0) foi a propriedade com maior número de medições, sendo seguida pelo módulo de elasticidade (E₀) e resistência à tração (f_t0) paralelos às fibras. Isso evidencia a dificuldade em se caracterizar elementos de madeira e reforça a importância de equações que visam estimar propriedades de difícil obtenção de forma indireta. Ainda assim, por conta da variabilidade das propriedades da madeira, por sua anisotropia e por suas características anatômicas diferenciadas, a obtenção de propriedades de elasticidade e de resistência por métodos indiretos deve ser considerada com cautela.

Alguns documentos normativos, como o europeu, BS EN 338 (ECS, 2016), e o brasileiro, NBR 7190-1 (ABNT, 2022), estabelecem correlações entre propriedades que não correspondem aos dados apresentados na Tabela 2. Para obtenção do módulo de elasticidade transversal (G), o documento normativo europeu indica a divisão do E₀ por 16. Entretanto, para a espécie de Populus sp., essa consideração resultaria em um erro de até 42,4%. O módulo de elasticidade perpendicular às fibras (E₉₀) também resultaria em grandes taxas de erro (até 72,2%) se fosse determinado pelas correlações presentes no documento normativo (E₀/15 para folhosas e E₀/30 para coníferas).

Ao observar a geometria dos pilares ensaiados, constatou-se que a maioria dos trabalhos estudaram pilares de seção transversal circular, totalizando 11 artigos que adotaram essa geometria. Apenas cinco estudos consideraram a utilização de pilares com seção transversal quadrada. O trabalho realizado por Dong et al. (2015b) foi o único que avaliou as duas geometrias de seção transversal, sendo encontrada uma maior eficiência ao se adotar o reforço nos pilares quadrados. Em seções quadradas, as faces planas permitem uma adesão mais eficiente de compósitos laminados à madeira, resultando em uma transferência de tensões mais eficaz e melhor desempenho estrutural. Em seções circulares, a curvatura da superfície reduz a área efetiva de contato entre o compósito e a madeira, diminuindo de forma significativa a eficiência da adesão. Além disso, o risco de delaminação ou descolamento do reforço pode ser maior devido à dificuldade de garantir uma colagem uniforme em superfícies curvas. Com relação ao efeito do confinamento, a resistência adicional gerada em colunas de seção circular pode não superar o ganho de rigidez obtido com uso de uma seção quadrada, assim como discutido na pesquisa de Sanvezzo, Benedito e Ferrari (2024), que avaliaram experimentalmente o desempenho de colunas retangulares de concreto reforçadas por encamisamento com polímeros de fibras de carbono.

Os estudos de Chen et al. (2020) e Liu et al. (2022) consideraram pilares de seção circular vazada. Esses estudos são importantes por considerar possíveis degradações na madeira, que ocorrem comumente na região próxima da medula (Björdal; Elam, 2021; Martín; López, 2023). Liu et al. (2022) apontam que o método de dimensionamento presente no documento normativo chinês (NSPRC, 2017) não é aplicável para pilares com perda de seção transversal, e propõe um ajuste ao método. Destaca-se que a baixa quantidade de estudos sobre esse tipo de pilar não favorece o emprego dessa técnica de reforço em situações em que há pilares degradados.

Ao observar os tipos de PRF utilizados nos estudos, o PRFC foi o mais adotado, estando presente em 12 publicações, sendo seguido pelo PRFB (5 artigos) e PRFA (3 artigos). Destaca-se que os estudos não realizaram a caracterização do compósito, sendo as propriedades informadas indicadas pelos fabricantes. O estudo de Wang et al. (2023) foi o único trabalho da amostra que se propôs analisar a utilização de fibras híbridas, mesclando PRFC, PRFV e PRFA.

Síntese dos estudos encontrados e suas descobertas

A efetividade da utilização dos compósitos laminados de PRF foi amplamente corroborada pela amostra, apresentando melhores desempenho mecânicos quando comparado com outros métodos de reforço, como o aço (Siha; Zhou; Yang, 2021; Xiong; Lu; Xue, 2016). Ainda assim, os diferentes estudos coletados apresentaram nuances e finalidades distintas.

Zhu et al. (2013) avaliaram diferentes tipos, camadas e arranjos de PRF em pilares de seção retangular. Os autores observaram que o desempenho mecânico dos pilares foi melhorado ao se adotar duas camadas de PRF, porém, ao analisar os elementos com três camadas foi observada uma redução da resistência. A melhoria na capacidade resistência dos pilares reforçados com o aumento de camadas de PRF também foi observada por Xiong e Su (2015).

Li et al. (2013) avaliaram diferentes distribuições do PRF, avaliando o invólucro do reforço com geometria toroidal e diferentes configurações de hélice (Figura 5). Ainda observaram que apesar do reforço helicoidal proporcionar uma menor deformação lateral, a capacidade de carga é significativamente superior ao se adotar o reforço toroidal.

Dong et al. (2015b) compararam o uso de PRFC, PRFA e PRFB, com reforço contínuo e em intervalos, para reforço de pilares de madeira com seção transversal circular e quadrada. Neste estudo, foi encontrado um aumento geral na capacidade de carga dos pilares de seção quadrada entre 69% e 103%, enquanto para os pilares de seção circular o aumento variou entre 35% e 83%. Os autores destacam que, para além do aumento da resistência, rigidez e ductilidade (Zhu et al., 2013), o reforço com PRF atenuou o desenvolvimento de rachaduras e, diferentemente do encontrado em outros estudos (Chen et al., 2020; Liu et al., 2022; Zhou et al., 2021), foi capaz de alterar o modo de falha de frágil para dúctil.

O maior ganho de capacidade de carga foi encontrado nos pilares de seção quadrada com duas camadas de PRFB e reforço com intervalos, enquanto a maior ductilidade foi obtida com o uso do PRFA. Tais autores destacam que não foi encontrada uma relação proporcional entre a carga máxima e a quantidade de camadas de reforço. Em outro estudo com a mesma madeira e reforço, Dong et al. (2015a) encontraram um aumento na capacidade de carga entre 68,9% e 100,2%.

Yang et al. (2021) investigaram o uso do PRFV também em regiões internas do pilar. Para isso, consideraram pilares compostos por um, dois e quatro núcleos de madeira (Figura 6). Na interface desses núcleos, bem como nas faces externas, os autores colaram laminados de PRFV. Ainda, Yang et al. (2021) observaram uma melhor distribuição das tensões internas nos pilares com PRFV interno, contribuindo para a resistência global, rigidez e estabilidade do elemento. Esse reforço também melhorou o confinamento da madeira e proporcionou uma falha mais dúctil.

A utilização de PRF para reforçar pilares circulares com perda de seção transversal foi realizada por Chen et al. (2020) e Liu et al. (2022). Chen et al. ( 2020) reforçaram pilares danificados com PRFC, enquanto Liu et al. (2022) adotaram PRFB. Chen et al. (2020) observaram que o reforço não foi capaz de modificar o modo de falha, sendo obtido pela deformação excessiva à compressão, comportamento este também encontrado por Liu et al. (2022). O aumento da capacidade de carga dos pilares de Liu et al. (2022) chegou a 26,65%. Ainda assim, destaca-se a baixa quantidade e abrangência de estudos sobre pilares danificados reforçados com PRF, evidenciando esse tema como uma oportunidade a ser considerada em estudos futuros.

Zhou et al. (2021) analisaram experimentalmente pilares de madeira reforçados com PRFB sob compressão simples e flexão composta, tanto com reforço contínuo quanto em intervalos (Figura 7). Esses autores foram os únicos que avaliaram os pilares submetidos à flexão composta, situação comumente encontrada em estruturas reais.

Para os pilares submetidos à compressão composta, Zhou et al. (2021) observaram um aumento de até 65% na capacidade de carga nos pilares com reforço contínuo e com duas camadas de PRFB, porém a deformação longitudinal aumentou em até 30,69%, enquanto a deformação lateral diminuiu em até 66,64%. Os pilares ensaiados possuíam índice de esbeltez (λ) de 41,5. A falha típica encontrada foi a de tração por flexão, sendo observado que os pilares com reforço em intervalos eram mais suscetíveis a danos nas regiões de madeira com defeitos naturais e sem a presença do reforço. Esse efeito também foi observado por Zhu et al. (2013) com pilares de λ = 34,6.

Nos pilares submetidos à flexão composta, a falha predominante encontrada por Zhou et al. (2021) se deu pela ocorrência da instabilidade das fibras da madeira no sentido longitudinal, na região comprimida, aumentando a tensão de tração do reforço e ocasionando na falha. Para esses elementos, foi encontrado um aumento de até 30,43% na capacidade de suporte (no pilar com duas camadas contínuas de PRFB), e um aumento das deformações longitudinal e transversal em até 41,85% e 230,86% respectivamente.

Os estudos conduzidos por Siha e Zhou (2023, 2022) avaliaram o desempenho dos pilares de madeira reforçados com PRF submetidos a carregamentos cíclicos. Os pilares reforçados estavam propensos a falhar em ciclos de 90 mm ou 108 mm de deslocamento e as curvas de histerese indicaram que o reforço com compósitos melhorou a capacidade de carga e o desempenho a deformação, com aumento da carga de pico em 60,1% e do deslocamento final em 89,4% (Siha; Zhou, 2023). As curvas de histerese das colunas reforçadas indicaram melhor desempenho de dissipação de energia. As tiras de PRFC dispostas em intervalos mostraram melhor capacidade de deformabilidade, com uma taxa de aumento de cerca de 74,4%, enquanto as tiras totalmente revestidas melhoraram a capacidade de suporte lateral e desempenho de deformação(Siha; Zhou, 2022).

O método de reforço composto melhorou a capacidade de suporte (60,1%) e o desempenho a deformação das colunas de madeira (89,4%) (Siha; Zhou, 2022). O estudo paramétrico realizado mostrou que o aumento das cargas axiais reduziu a rigidez inicial, bem como as cargas máximas (Siha; Zhou, 2023). Nestes estudos, o modo de falha encontrado foi frágil, por tração paralela às fibras, localizada na região inferior do pilar (Siha; Zhou, 2023, 2022). Apesar do PRF não ter modificado o modo de falha, os autores relatam que houve influência no tempo de surgimento da falha e na magnitude do dano.

Foram encontrados estudos que avaliaram o desempenho do reforço com compósitos laminados híbridos ou com componentes não convencionais, proporcionando uma avaliação inovadora deste recurso empregado no reforço de pilares de madeira.

No estudo desenvolvido por de Najm, Secaras e Balaguru (2007) foi utilizada uma matriz de geopolímero composta por uma resina inorgânica de polissialato de baixa viscosidade. Foram utilizadas fibras de carbono de 7 μm de diâmetro, sendo envolvidos pela matriz em fios com 3 mil e 48 mil filamentos. A Figura 8 apresenta o pilar reforçado.

Os pilares de madeira reforçados mostraram um aumento significativo na capacidade de carga em comparação com os não reforçados. O confinamento com fibras de carbono aumentou a resistência das colunas, permitindo que suportassem maiores cargas antes da falha e retardando a propagação de fissuras e rachaduras. A falha das colunas reforçadas ocorreu de maneira mais gradual e controlada em comparação com as colunas não reforçadas. O uso de uma matriz inorgânica em combinação com fibras de carbono mostrou ser uma técnica eficaz para reforçar colunas de madeira, apesar de Najm, Secaras e Balaguru (2007) não compararem o compósito estudado com PRFC tradicional.

Segundo Najm, Secaras e Balaguru (2007), a matriz inorgânica proporcionou uma boa aderência entre a madeira e as fibras de carbono, melhorando a integridade estrutural das colunas reforçadas. Os resultados indicaram que a técnica de confinamento com fibras de carbono e matriz inorgânica pode ser aplicada para melhorar a durabilidade e a capacidade de carga de estruturas de madeira existentes.

O uso de fibras híbridas foi analisado por Wang et al. (2023), onde laminados unidirecionais de PRFC foram comparados com os híbridos de PRFC: PRFV (C2G1), com proporção 2:1, de PRFC: PRFA:PRFV (C2A1G1), com proporção 2:1:1, de PRFC: PRFA:PRFV (C1A2G1), com proporção 1:2:1, e com os bidirecionais de PRFC×PRFV (CoGa) e PRFC×PRFA (CoAa), onde o primeiro compósito foi adotado na direção longitudinal e o segundo na direção transversal do laminado. Os compósitos são apresentados na Figura 9, e as suas propriedades na Tabela 2.

Os compósitos híbridos bidirecionais apresentaram resultados positivos, com o CoGa atingindo capacidades de carga entre três e cinco vezes superiores aos compósitos unidirecionais. O CoAa apresentou uma capacidade resistente entre 23% e 30% inferior ao CoGa.

Dentre os híbridos unidirecionais, o laminado C2A1G1 foi o que exibiu o melhor desempenho, com 26,73% de aumento na capacidade resistente ao se adotar o reforço completo e 20,15% ao se adotar o reforço com intervalos. O C1A2G1 apresentou uma ductilidade ligeiramente superior que o C2A1G1.

Conclusões

Neste trabalho foi apresentada uma revisão sistemática dos estudos científicos publicados sobre pilares de madeira reforçados com PRF. A amostra obtida permitiu obter informações valiosas acerca das técnicas de reforço desses pilares. Com base nas informações obtidas, foi possível concluir que:

1. apesar do crescente interesse no desenvolvimento de pesquisas que consideram o PRF como elemento de reforço em estruturas de madeira, sua aplicação em pilares ainda necessita de maiores investigações;

2. em geral, a adoção de duas camadas de PRF tende a proporcionar um melhor desempenho estrutural, enquanto o uso de três camadas não foi um consenso na amostra;

3. em situação de reforço de pilares reais de madeira, dificilmente serão conhecidas todas as propriedades do elemento e a estimativa indireta de propriedades da madeira pode conduzir a resultados irreais, sendo observado um erro acima de 70% caso fossem adotadas essas correlações para uma das espécies contidas na amostra desta revisão. Desse modo, o estabelecimento de métodos de dimensionamento a partir de poucas propriedades é fundamental.

Por meio da análise realizada, foi possível identificar algumas lacunas a serem preenchidas:

1. estudos de caso que comprovem a melhoria do desempenho estrutural em pilares de madeira reforçados com PRF, incluindo análises de longa duração e diferentes índices de esbeltez dos pilares; e

2. maiores investigações da utilização do PRF em pilares degradados e com redução de seção transversal.

References

Datas de Publicação

Histórico