ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE ELEMENTOS DE CONCRETO SUBMETIDOS À DANIFICAÇÃO PROGRESSIVA ATÉ A RUPTURA

Transcrição

1 ISSN ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE ELEMENTOS DE CONCRETO SUBMETIDOS À DANIFICAÇÃO PROGRESSIVA ATÉ A RUPTURA Sandra Freire de Almeida 1 & João Bento de Hanai 2 Resumo Uma das aplicações da análise modal experimental é a avaliação da integridade estrutural. O ensaio dinâmico fornece os valores de freqüência natural, cujas variações podem ser utilizadas para identificar a presença e a magnitude do dano e determinar a rigidez equivalente de peças já fissuradas. Dentre os vários aspectos de interesse relacionados ao comportamento dinâmico das estruturas de concreto armado, cita-se como relevante a questão da danificação progressiva de seus elementos. Neste trabalho foi avaliada a integridade de elementos estruturais de concreto, discutindo os resultados da análise modal experimental em função do nível de danificação. Foram realizados ensaios em elementos de concreto simples para avaliação do módulo de elasticidade, tanto pelo método estático como pelo método dinâmico, observando a sua variação em função da microfissuração, resistência à compressão e idade do concreto. Os ensaios experimentais foram realizados em corpos-de-prova cilíndricos e prismáticos, sendo os resultados dos ensaios de vibração livre comparados aos resultados obtidos com os ensaios estáticos usuais. Também foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos em vigas de concreto armado, de tamanho reduzido, para análise do comportamento de parâmetros dinâmicos ao longo de um processo de danificação. Demonstra-se a viabilidade dos ensaios não-destrutivos dinâmicos para a determinação das propriedades do material e dos elementos de concreto armado, além das vantagens econômicas, facilidade de execução e confiabilidade. Palavras-chave: concreto; dinâmica; módulo de elasticidade dinâmico; freqüência natural; ensaio de vibração; rigidez equivalente. 1 INTRODUÇÃO A análise dinâmica pode ser um importante procedimento para a verificação da integridade e da segurança da estrutura, ou seja, uma maneira de identificar e localizar danos, além de detectar mudanças na sua deformabilidade. Qualquer estrutura íntegra possui freqüências e modos de vibração particulares, daí a existência de danos leva à modificação dos modos de vibração. O ensaio dinâmico 1 Mestre em Engenharia de Estruturas - EESC-USP, sfalmeida@yahoo.com 2 Professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, jbhanai@sc.usp.br

2 50 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai fornece os valores de freqüência, entre outros parâmetros, cujas variações podem ser utilizadas para identificar a presença do dano e determinar a rigidez equivalente de peças já fissuradas. Como os ensaios não-destrutivos apresentam a vantagem de fornecer informações globais da estrutura, eles podem ser repetidos e comparados ao longo do tempo, além de apresentar baixo custo, rapidez e confiabilidade. Dentre os aspectos de interesse relacionados ao comportamento dinâmico da estrutura, cita-se como relevante a questão da danificação progressiva de elementos de concreto. Com o aumento do carregamento e a evolução da fissuração, existe uma diminuição da freqüência natural e um aumento do amortecimento. Essas alterações refletem as mudanças ocorridas na estrutura interna (aumento das microfissuras no concreto e conseqüente redução do módulo de elasticidade) e também as mudanças na rigidez de elementos estruturais submetidos a carregamento progressivo (redução da seção transversal e do valor da rigidez). Dessa forma, é possível obter os valores de rigidez equivalente, que considera a existência de seções não-fissuradas e a não-linearidade do material, em diferentes estágios de fissuração. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar, por meio de técnicas de análise dinâmica experimental, a condição de integridade ou nível de danificação de elementos estruturais de concreto, investigando especialmente a modificação de suas propriedades modais. Foi estudada a influência da idade e da resistência à compressão de elementos de concreto simples, nos valores da freqüência natural, e conseqüentemente, nos valores do módulo de elasticidade obtidos para diferentes intensidades de danificação, introduzida por compressão simples. Os ensaios experimentais foram realizados em corpos-de-prova (CPs) cilíndricos e em prismas, e aplicados métodos estáticos e dinâmicos (vibração livre) para a determinação do módulo de elasticidade. Também foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos em vigas de concreto armado, de tamanho reduzido, para análise do comportamento de parâmetros dinâmicos ao longo de um processo de danificação por fissuração e para a determinação da rigidez à flexão equivalente nos diferentes estágios de solicitação. 2 MÓDULO DE ELASTICIDADE DINÂMICO O módulo de elasticidade é uma importante propriedade mecânica do concreto e imprescindível na avaliação da rigidez do material e nos cálculos para a determinação das deformações e tensões de projeto. Para o projeto estrutural, o limite de elasticidade indica a deformação máxima permitida antes do material adquirir deformação permanente e também é uma maneira de identificar o grau de restrição à deformação e afastar a possibilidade de fissuração. O valor do módulo de elasticidade estático (E c ) é dado pela declividade da curva tensão-deformação obtida quando o concreto é submetido a carregamento uniaxial de compressão ou tração, com velocidade controlada. Como a curva tensão-deformação do concreto apresenta um comportamento não-linear, existe certa dificuldade para a determinação exata de um único valor do módulo de elasticidade (GARAYGORDÓBIL, 2003), portanto a utilização de métodos experimentais não-destrutivos, que não interferem diretamente na amostra, fornece o valor do módulo de elasticidade do material de forma mais precisa. Além disso, para a análise de deformações e tensões das estruturas carregadas dinamicamente, ou daquelas sujeitas a terremotos ou cargas de impacto, é mais adequado o uso do módulo de elasticidade dinâmico (E c,d ). A qualidade e a repetibilidade, apresentadas

3 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à nos resultados dos ensaios dinâmicos, fazem com que o módulo dinâmico seja um parâmetro global, obtido de maneira integrada e com um alto grau de confiabilidade. O módulo de elasticidade dinâmico está relacionado, quase totalmente, ao comportamento elástico do concreto, já que durante a vibração são aplicadas tensões muito baixas (NEVILLE, 1982), apresentando deformações instantâneas muito pequenas. Dessa forma, o E c,d possui valor próximo ao módulo tangente inicial estático (E c,0 ) e, conseqüentemente, maior que o módulo secante estático (E c,s ). Segundo Mehta & Monteiro (1994), o E c,d é geralmente 20, 30 e 40 % maior do que o módulo estático para concretos de alta, média e baixa resistências, respectivamente. Algumas relações empíricas relacionam o módulo estático (E c ) e o dinâmico (E c,d ), porém são limitadas a intervalos específicos. São apresentadas a seguir: O Código Britânico de Prática de Uso Estrutural do Concreto CP 110:1972 estabelece que: para concretos com teor de cimento menor que 500 kg/m³ ou para concretos com agregados de peso normal a relação entre os módulos é dada pela equação (1); para teor de cimento maior que 500 kg/m³ ou para concretos com agregados leves a relação é dada pela equação (2): E E c c = 1,25E 19 (em GPa) (1) c, d = 1,04E 4,1 (em GPa) (2) c, d Lyndon e Balandran (1986 apud NEVILLE, 1997): Popovics (1975 apud NEVILLE, 1997): E = 0,83 (3) c E c, d 1,4 1 E c = κ E c,d ρ (4) na qual, ρ é a massa específica do concreto e κ é uma constante que depende das unidades de medida. Alguns dos fatores que influenciam o valor do módulo de elasticidade dinâmico (E c,d ) e/ou a relação entre este e o módulo estático (E c ) são os seguintes: Idade Neville (1982) mostra que para um mesmo concreto a relação entre os módulos (estático e dinâmico) aumenta com a idade, e se aproxima de um valor final (0,8 em 12 meses de idade); Resistência O módulo dinâmico aumenta com o aumento da resistência e quanto maior o E c,d, menor a diferença entre E c,d e E c (HAN & KIM, 2004). Em concretos diferentes, a relação entre os módulos é tanto maior quanto maior a resistência do concreto (NEVILLE, 1982). Outras pesquisas revelam que a freqüência de ressonância e o módulo dinâmico também são influenciados pelo tamanho do corpo-de-prova, pelas proporções da mistura (quantidade de agregado e de água), pelas propriedades dos agregados (módulo) e pelas condições de cura, tais como temperatura e umidade. 3 FREQÜÊNCIA NATURAL O ponto central dos métodos de detecção de dano baseados em ensaios de vibração é que os parâmetros dinâmicos dependem das propriedades físicas da estrutura (propriedades elásticas, geometria e densidade do material) e, portanto,

4 52 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai qualquer alteração em uma dessas propriedades provoca mudança nos parâmetros dinâmicos (freqüências naturais, fatores de amortecimento e modos de vibração). Quando ocorre uma fissura (dano) na seção de uma viga, existe uma redução no momento de inércia, que é proporcional a abertura e comprimento da fissura, e uma conseqüente redução da rigidez à flexão local. Ocorre, portanto, uma diminuição dos valores de freqüência natural na flexão. A freqüência natural é o parâmetro modal mais importante da estrutura. A expressão para o cálculo da freqüência natural transversal (f) de sistemas contínuos que atendem as hipóteses de viga de Euler-Bernoulli é dada por: Κ E I 2 π m l n f = (5) 3 na qual: f é a freqüência fundamental transversal (dada em Hz), E é o módulo de elasticidade do material (N/m²), I é o momento de inércia da seção (m 4 ), m é a massa total da amostra (kg), l é o comprimento da amostra (m), e K n é um coeficiente que depende das condições de contorno e do modo de vibração. Para o primeiro modo de vibração de uma viga livre-livre, K n = 22,3733. Para a obtenção da freqüência natural longitudinal (f ), a expressão utilizada é: λn E A f' = (6) 2 π m l na qual: f é a freqüência fundamental longitudinal (Hz), A é a área da seção transversal (m 2 ), λ n é um coeficiente que depende do modo de vibração ( λn = n π ), n é o modo de vibração, e E, m, l conforme definidos para a equação 5; Invertendo as expressões (5) e (6) e sendo conhecido o valor da freqüência (medida experimentalmente), é possível estimar o módulo de elasticidade do material: 2 π E = Kn f 2 m l I 3 (7) 2 E = π λ n f' 2 m l A (8) 4 ENSAIOS DINÂMICOS PARA A OBTENÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE A norma americana ASTM C-215:1991 padroniza os procedimentos experimentais necessários para a determinação do módulo de elasticidade dinâmico, pela medição das freqüências fundamentais transversal e longitudinal de elementos de concreto. Um dos ensaios propostos por essa norma é o método da ressonância de impacto, que consiste na utilização de um martelo de impacto, um sensor (acelerômetro piezoelétrico) e um analisador digital de sinais. As amostras podem ser cilíndricas ou prismáticas, desde que a relação entre o comprimento e a maior dimensão da seção transversal seja entre 3 e 5. Para obter os diferentes modos de vibração (transversal e longitudinal), varia-se a posição do impacto e do sensor. Para o cálculo do módulo dinâmico, utilizando a freqüência fundamental transversal, a expressão indicada pela ASTM C-215:1991 é:

5 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à E c,d m 2 = C m f (9) na qual: E c,d é o módulo de elasticidade dinâmico (Pa), m é a massa da amostra (kg), f é a freqüência fundamental transversal obtida do ensaio (Hz), e C m conforme expressão abaixo: 3 3 l T l T C = m 0,9464, para prismas ou 3 C m = 1,6067, para cilindros; b t 4 d onde: l é o comprimento da amostra (m), d é o diâmetro do cilindro (m), t, b são as dimensões da seção transversal do prisma, sendo t na direção da vibração (m), T (tabela 1) é um fator de correção que depende da relação entre o raio de giração e o comprimento da amostra e do coeficiente de Poisson (ν), e i é raio de giração, dado d por: i =, para cilindros e i = 0,2887 t, para prismas. 4 Tabela 1 - Valores de T, para coeficiente de Poisson (ν) = 1/6. Fonte: ASTM C-215:1991. i / l T i / l T i / l T i / l T 0 1,00 5 1,20 0,10 1,73 0,20 3,58 1 1,01 6 1,28 0,12 2,03 0,25 4,78 2 1,03 7 1,38 0,14 2,36 0,30 6,07 3 1,07 8 1,48 0,16 2, ,13 9 1,60 0,18 3, Martelo Acelerômetro Sistema 6000 Martelo Acelerômetro 0,224l l Molas Computador 0,5l Sistema 6000 Computador l Figura 1 - Representação esquemática dos ensaios dinâmicos de vibração livre Prisma a) Vibração transversal e b) Vibração longitudinal. Utilizando a freqüência fundamental longitudinal, o módulo dinâmico é obtido com seguinte expressão: E 2 c,d Dm m ( f' ) = (10) na qual: f é a freqüência fundamental longitudinal, obtida do ensaio (Hz), E c,d, m, l, d, t, b conforme definidos para a equação 9, e D m dado pela expressão: l D m = 4, para prismas ou l Dm = 5,093, para cilindros; 2 b t d As equações (9) e (10) são idênticas às expressões da Dinâmica das Estruturas para sistemas contínuos com condição de contorno livre-livre, com a

6 54 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai introdução de um fator de correção (T). Esse fator é obtido por uma formulação que envolve o coeficiente de Poisson e leva em consideração os efeitos do cisalhamento e da inércia à rotação, que são normalmente desprezados quando a relação comprimento / largura é suficientemente grande (hipótese de Euler-Bernoulli). 5 ESTUDO EXPERIMENTAL 5.1 Parte 1 Ensaios de prismas de concreto simples Os ensaios experimentais foram realizados em CPs cilíndricos (10cm x 20cm) e prismas de concreto simples (15cm x 15cm x 75cm), com o objetivo de determinar o módulo de elasticidade do material, utilizando os métodos estático e dinâmico, e avaliar a influência da idade, da resistência do concreto, da intensidade de fissuração e do formato do modelo na relação entre os módulos. Foram confeccionadas três séries de amostras com resistências à compressão de: 14,4 MPa (baixa resistência, BR), 29,2 MPa (média resistência, MR) e 55,4 MPa (alta resistência, AR). Todos os CPs cilíndricos tiveram os topos retificados. Em cada prisma foram coladas chapas metálicas para fixação do acelerômetro nos sentidos transversal (face superior) e longitudinal (lateral), conforme figura 2. Foram utilizados extensômetros removíveis com base de 10 cm e 20 cm nos ensaios dos CPs cilíndricos e dos prismas, respectivamente. Chapas metálicas Figura 2 - Prismas de 15 cm x 15 cm x 75 cm Ensaios estáticos Os ensaios para a determinação do módulo de elasticidade estático do concreto foram realizados por meio de ensaios simples de compressão uniaxial em CPs cilíndricos 10 cm x 20 cm, utilizando a média dos resultados de três amostras em cada idade (7, 14 e 28 dias). Foram aplicados 3 ciclos de carregamento e descarregamento, com velocidade de aplicação da carga de 05 mm/s. O módulo estático também foi determinado em ensaios de compressão uniaxial dos prismas de 15 cm x 15 cm x 75 cm, na idade de 28 dias (124 dias, no caso da série AR).

7 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à Figura 3 - Ensaio estático do CP cilíndrico na máquina de ensaio. Figura 4 - Prisma na máquina de ensaio e sistema de aquisição. Tanto nos ensaios dos CPs cilíndricos, como nos ensaios dos prismas, foram determinados os diagramas tensão-deformação para cada amostra e o módulo de elasticidade secante correspondente, dado pela inclinação da reta definida do ponto de tensão equivalente a 0,5 MPa ao ponto do diagrama que corresponde a aproximadamente 30% e 40% da tensão máxima Ensaios dinâmicos Foram adotadas as prescrições da ASTM C215:1991 quanto à posição do acelerômetro e do impacto, assim como dos apoios (molas). Aos 7 dias e 14 dias, os ensaios dinâmicos foram realizados com os modelos íntegros (três prismas). Aos 28 dias, os ensaios foram feitos com os prismas íntegros, após cada etapa de carregamento estático e após a ruptura (seis prismas). O método empregado consistiu na obtenção da freqüência natural do primeiro modo de vibração dos prismas, submetidos a vibração livre, apoiados sobre quatro molas nos pontos nodais (figura 5), simulando a condição de contorno livre-livre. A excitação foi provocada por impacto do martelo. A resposta do sinal foi obtida com o acelerômetro piezoelétrico instalado na extremidade ou na lateral do prisma. Figura 5 - Ensaio dinâmico amostra íntegra. Figura 6 - Carregamento estático.

8 56 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai Os ensaios dinâmicos/estáticos, aos 28 dias (ou 124 dias para a série AR), foram realizados de acordo com os seguintes procedimentos: determinação da freqüência natural da peça íntegra (seis prismas); aplicação de um carregamento estático axial de compressão, realizando três ciclos de carregamento e descarregamento a cada etapa (1ª etapa até 30% de σ máx, 2ª etapa até 50% de σ máx, 3ª etapa até 75% de σ máx, 4ª etapa até σ máx ). Essas etapas de ensaios estáticos foram intercaladas por ensaios dinâmicos (três prismas). Os outros três prismas foram submetidos a carregamento estático, cíclico em cada etapa, até a ruptura, mas sem a retirada da máquina. após o completo descarregamento e retirada do prisma da máquina de ensaio, foram realizados os ensaios de vibração livre em cada uma das etapas; determinação da freqüência natural do prisma após a ruptura (seis prismas) Resultados estáticos Os valores médios da resistência à compressão e do módulo de elasticidade estático são apresentados nas tabelas 2, 3 e 4. Constam nas tabelas os resultados dos CPs cilíndricos e dos prismas no estado íntegro, para as séries BR, MR e AR. Tabela 2 - Resultados dos ensaios estáticos (em MPa) - série BR. Propriedades CPs cilíndricos Prismas 7 dias 21 dias 28 dias 28 dias Resistência à compressão (f c ) 12,61 14,13 14,42 12,37 Módulo de elasticidade estático E c,30% (íntegro) , , , ,75 Módulo de elasticidade estático E c,40% (íntegro) , , , Tabela 3 - Resultados dos ensaios estáticos (em MPa) - série MR. Propriedades CPs cilíndricos Prismas 7 dias 14 dias 28 dias 28 dias Resistência à compressão (f c ) 24,91 29,04 29,18 29,13 Módulo de elasticidade estático E c,30% (íntegro) , , , ,11 Módulo de elasticidade estático E c,40% (íntegro) , , , ,22 Tabela 4 - Resultados dos ensaios estáticos (em MPa) - série AR. Propriedades CPs cilíndricos Prismas 7 dias 21 dias 124 dias 124 dias Resistência à compressão (f c ) 55,36 55,41 73,57 50,87 Módulo de elasticidade estático E c,30% (íntegro) , , , ,27 Módulo de elasticidade estático E c,40% (íntegro) , , , ,00

9 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à O módulo de elasticidade estático obtido com prismas (E c,pr ), aos 28 dias de idade, apresenta valores superiores aos obtidos com CPs cilíndricos, para os concretos de baixa e média resistência (em torno de 12% e 7%, respectivamente). A resistência à compressão e o módulo de elasticidade aumentam com a idade, mas com diferentes taxas de crescimento, de acordo com a faixa de resistência. O módulo de elasticidade estático obtido com a reta secante até 30% da tensão máxima (E c,30% ) apresentou valores maiores que o E c,40%, contudo as diferenças são consideradas pequenas (entre 0,47% e 4,64%). Os diagramas tensão-deformação obtidos dos ensaios estáticos confirmam a redução do módulo de elasticidade com o avanço do carregamento e com o aumento do número de ciclos de carregamento e descarregamento (figura 7). A figura 8 ilustra a variação do valor do módulo estático com o aumento do carregamento, em relação ao valor inicial obtido no 1º ciclo da 1º etapa. Tensão (MPa) Tensão X Deformação - CP10x20-28 dias - Série MR 3ª etapa até 75% 2ª etapa até 50% 1ª etapa até 30% Ruptura cp2 cp3 cp1 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 ε (x10-3 ) Módulo de Elasticidade Relativo 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Variação do Módulo Estático - CPs cilíndricos - MR - 28dias 1 1 = íntegro 2 = 32,0% 3 = 52,6% 4 = 78,7% 2 3 7,57% 2,35% -4,26% 3,71% 1,85% -5,44% média 40% média 30% Força aplicada (kn) 4 Módulo de Elasticidade Relativo 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Variação do Módulo Estático - CPs cilíndricos - AR - 124dias = íntegro 2 = 31,9% 3 = 51,2% 4 = 76,1% 2,58% -0,15% -3,63% 2,01% -0,35% -4,41% média 40% média 30% Força aplicada (kn) 4 Figura 7 - Diagrama tensãodeformação - CPs - Série MR. Figura 8 - Variação do módulo estático - CPs: a) série MR e b) série AR. Observa-se que o valor do módulo apresenta um pequeno aumento na segunda etapa, ou seja, após ter sido aplicado um carregamento correspondente a 30% da força máxima. Esse incremento pode ser resultante de uma acomodação interna do material, das partes já micro-fissuradas, no trecho inicial de recarregamento, quando são aplicadas cargas muito baixas. Fazendo o cálculo do módulo secante segundo a NBR 6118:2003, utilizando o valor da resistência à compressão aos 28 dias, observa-se certa diferença entre os valores sugeridos para o projeto e os obtidos experimentalmente com CPs cilíndricos. Tabela 5 - Módulo de elasticidade estático obtido com os critérios da norma NBR 6118:2003. Módulo de Elasticidade Idade BR MR AR Módulo secante (Ec,s) - 28 dias , ,25 - NBR6118:2003 (em MPa) 124 dias ,48 Comparação com o módulo E c,30% -16,90% -9,59% 9,20% Comparação com o módulo E c,40% -16,71% -9,35% 9,35%

10 58 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai Na figura 9 é apresentado um dos diagramas tensão-deformação obtidos com os ensaios estáticos dos prismas. Tensão (MPa) Tensão X Deformação - pr5 - Série MR - 28dias 30 Sem retirar o prisma da 27 máquina de ensaio ª etapa até 73,7% ª etapa até 48,7% 9 6 1ª etapa até 29,6% 3 0 Ruptura Média dos extensômetros 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 ε (x10-3 ) Módulo de Elasticidade Relativo 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Variação do Módulo Estático - Prismas - BR - 28dias 1 1 = íntegro 2 = 30,2% 3 = 5% 4 = 74,7% 2 3-0,48% -2,23% -8,65% -2,32% -4,07% -10,18% variação do Ec,médio-30% variação do Ec,médio-40% Força aplicada (kn) 4 Módulo de Elasticidade Relativo 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Variação do Módulo Estático - Prismas - MR - 28dias = íntegro 2 = 29,9% 3 = 49,8% 4 = 72,6% -0,15% -0,61% -1,98% -6,68% -2,44% -7,10% variação do Ec,médio-30% variação do Ec,médio-40% Força aplicada (kn) Figura 9 - Diagrama tensão deformação - série MR. Figura 10 - Variação do módulo estático - prismas: a) série BR e b) série MR. Nas figuras 10 a e b é ilustrada a variação do módulo de elasticidade estático ao longo da aplicação do carregamento de compressão nos prismas. Os resultados com os prismas, nestes ensaios estáticos, só foram obtidos até o início da última etapa de carregamento (após aplicação de 75% da força máxima), o que equivale a uma configuração bastante fissurada, mas o modelo ainda não atingiu a ruptura. Portanto, a redução do módulo na quarta etapa é menor do que a obtida com os ensaios dinâmicos nos mesmos modelos, pois as freqüências naturais foram determinadas após a ruptura Resultados dinâmicos Os valores de freqüência natural dos prismas foram obtidos utilizando a média de três ensaios para cada tipo de vibração livre: transversal ou longitudinal. A diferença encontrada para cada um dos valores e a média das três medidas foi muito pequena, variando entre 1% e 0,47%. As diferenças são mais acentuadas (máxima de 2,81%) à medida que o elemento começa a apresentar fissuração mais intensa. Na tabela 6 são apresentados os valores médios do módulo de elasticidade dinâmico, no estado íntegro, obtidos com as freqüências transversal e longitudinal, e na tabela 7 são feitas as comparações entre os módulos. Tabela 6 - Resultados dos ensaios dinâmicos. Propriedade Observação Idade BR MR AR Frequência (1º modo), trans. (Hz) prismas íntegros 28 (ou 124) dias 852,31 932,00 999,79 Frequência (1º modo), longit. (Hz) prismas íntegros 28 (ou 124) dias 2.358, , ,02 Módulo elast.dinâmico E d,trans (MPa) prismas íntegros 28 (ou 124) dias , , ,62 Módulo elast. dinâmico E d,long (MPa) prismas íntegros 28 (ou 124) dias , , ,83

11 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à Tabela 7 - Relações entre os módulos. Relação Observação Idade BR MR AR E d, trans / E c,30% dinâm trans/estát cps cilínd. 28 (ou 124) dias 28,37% 21,10% 6,02% E d, trans / E c,40% dinâm trans/estát cps cilínd. 28 (ou 124) dias 28,67% 21,41% 6,18% E d, trans / E c,30% dinâm trans/estát prismas 28 (ou 124) dias 13,94% 12,42% 13,97% E d, trans / E c,40% dinâm trans/estát prismas 28 (ou 124) dias 14,64% 12,68% 14,16% E d,long > E d,trans prismas íntegros 28 (ou 124) dias 4,05% 4,54% 2,14% E d, long / E c,30% dinâm long/estát cps cilínd. 28 (ou 124) dias 33,57% 26,59% 8,30% E d, long / E c,40% dinâm long/estát cps cilínd. 28 (ou 124) dias 33,88% 26,92% 8,45% E d, long / E c,30% dinâm long/estát prismas 28 (ou 124) dias 18,55% 17,52% 16,41% E d, long / E c,40% dinâm long/estát prismas 28 (ou 124) dias 19,28% 17,80% 16,61% Observa-se que existe uma variação com a resistência, porém os valores experimentais diferem dos indicados na bibliografia. Para a série de amostras BR, o módulo dinâmico E d,trans (vibração transversal) é maior que os módulos estáticos E c,30% e E c,40% (CPs cilíndricos) em torno de 28%. Para a série MR, a diferença é de 21% e para a série AR, apenas 6%. Já o módulo dinâmico longitudinal E d,long é maior que o estático (CPs cilíndricos) em torno de 34%, 27% e 8% (BR, MR e AR, respectivamente). O módulo dinâmico (transversal e longitudinal) é maior que o estático obtido com os prismas (por compressão), porém não houve grande variação com a resistência (14%, 12% e 14% - BR, MR e AR, transversal; 19%, 18% e 16% - BR, MR e AR, longitudinal). Esse aspecto pode ser atribuído ao fato da utilização do mesmo elemento nos dois ensaios. Observa-se que o módulo obtido com o modo transversal de vibração é menor do que o obtido com o modo longitudinal. % Módulo de Elasticidade Dinâmico Variação do Módulo Dinâmico - Prismas - Série BR 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 freq transv pr13,pr14,pr15 freq transv pr16,pr17,pr18 com etapas -18,94% trans -23,51% long freq longit pr13,pr14,pr15 freq longit pr16,pr17,pr18-11,41% trans -11,03% long freq transv média freq longit média Força aplicada (kn) % Módulo de Elasticidade Dinâmico Variação do Módulo Dinâmico - Prismas - Série MR com etapas -31,36% trans 1,0-26,65% long 0,8 0,6 0,4 0,2 freq transv pr1,pr2,pr3 freq transv pr4,pr5,pr6 freq transv média -32,06% trans -35,74% long freq longit pr1,pr2,pr3 freq longit pr4,pt5,pr6 freq longit média Força aplicada (kn) % Módulo de Elasticidade Dinâmico Variação do Módulo Dinâmico - Prismas - SérieAR 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 freq transv pr7,pr8,pr9 freq transv pr10,pr12 freq transv média com etapas -9,16% trans -7,13% long freq longit pr7,pr8,pr9 freq longit pr10,pr12 freq longit média -8,21% trans -7,17% long Força aplicada (kn) Figura 11 - Comportamento do módulo de elasticidade dinâmico. Séries: a) BR; b) MR e c) AR. Não foi possível caracterizar, de forma precisa, os ensaios com e sem a retirada do prisma da máquina de ensaio, pois para as diferentes resistências do concreto, o módulo de elasticidade dinâmico apresentou diferentes taxas de redução (figuras 11 a, b e c). A tabela 8 apresenta as comparações dos resultados experimentais obtidos com o valor do módulo dinâmico calculado por meio de expressões indicadas em outras referências. O módulo dinâmico indicado por Lyndon & Balandran

12 60 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai (NEVILLE,1997) é bastante próximo ao valor experimental obtido, mas somente para concreto de média resistência à compressão. A indicação do Código Britânico para a determinação do E c,d de concretos de alta resistência também foi confirmada. Tabela 8 - Comparação com indicações das referências. Série Módulo Estático (MPa) E c,30% E c,40% Experimental E c,d Transversal Módulo dinâmico (MPa) Lyndon e Balandran (NEVILLE, 1997) (Ec = 0,83 Ec,d) Código Britânico CP110:1972 (Ec = 1,25 Ec,d - 19) (Ec = 1,04 Ec,d -4,1) BR , , , , , , ,20 MR , , , , , , ,80 AR , , , , , , ,35 Os resultados experimentais obtidos confirmaram que quanto maior a resistência do concreto, maior a relação entre o módulo de elasticidade estático e o dinâmico (E c,30% /E d,trans ): série BR = 0,78; série MR = 0,82 e série AR = 0,94. A relação entre os módulos (E c / E c,d ) não apresenta grandes variações dentro do intervalo de tempo estudado para as séries BR e MR (28 dias), e os valores se aproximam de 0,8 (tabela 9). A relação entre os módulos apresenta crescimento com a idade para a série AR que foi analisada aos 124 dias. Tabela 9 - Relação Ec / Ec,d em diferentes idades. Relação entre os Série BR Série MR Série AR módulos 7 dias 21 dias 28 dias 7 dias 14 dias 28 dias 7 dias 21 dias 124 dias E c,30% / E d,trans 0,799 0,778 0,779 0,793 0,778 0,826 0,941 0,848 0,943 E c,40% / E d,trans 0,794 0,774 0,777 0,774 0,743 0,824 0,941 0,848 0,942 E c,30% / E d,long 0,755 0,738 0,749 0,785 0,758 0,790 0,904 0,831 0,923 E c,40% / E d,long 0,750 0,734 0,747 0,766 0,725 0,788 0,904 0,832 0, Parte 2 Ensaios de vigas de concreto armado Nesta etapa, vigas de concreto armado, de tamanho reduzido, foram ensaiadas para analisar a variação dos parâmetros modais e da rigidez (EI) com o aumento da fissuração (processo de danificação progressiva), ao longo da aplicação de incrementos do carregamento estático de flexão simples. As vigas foram dimensionadas no domínio 3, de forma que ocorresse ruína dúctil, com ruptura à compressão do concreto e escoamento do aço, flechas significativas e fissuração aparente. A taxa de armadura foi de 0,88% (tração, 2 φ 6,3 mm) e 0,35% (compressão, 2 φ 4,2 mm). A armadura transversal com estribos de φ 4,2 mm a cada 5 cm. Foram colados extensômetros de resistência elétrica na armadura (barras longitudinais inferiores) e na face superior do concreto, no meio do vão. Em cada viga/prisma foram coladas chapas metálicas para fixação do

13 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à acelerômetro no sentido transversal (face superior). Nos CPs cilíndricos, foram utilizados extensômetros removíveis com base de 10 cm. Figura 12 - Armadura das vigas. Figura 13 - Extensômetros colados no aço. Figura 14 - Concretagem das vigas Ensaios estáticos Os ensaios para a determinação do módulo de elasticidade estático do concreto foram realizados por meio de ensaios de compressão uniaxial em CPs (10 cm x 20 cm), sendo aplicado carregamento monotônico. Ensaios estáticos para a determinação do módulo de elasticidade também foram realizados em prismas de concreto simples (15 cm x 15 cm x 50 cm e 15 cm x 15 cm x 75 cm), após os ensaios dinâmicos não-destrutivos. Neste caso, foi realizado o ensaio de flexão de quatro pontos, como apresentado na figura 15. Nestes ensaios, foram obtidas as flechas (deslocamentos) máximas no meio do vão, utilizando um relógio comparador, para a determinação do módulo de elasticidade do concreto à flexão (E c,f ). P/2 P/2 15 2, ,5 50 Prisma 15 cm x 15 cm x 50 cm Figura 15 - Ensaio para determinação do E c,f. Figura 16 - Dispositivo de flexão de quatro pontos. Figura 17 - Detalhe do dispositivo de ensaio Ensaios dinâmicos Os ensaios dinâmicos desta etapa foram realizados nos prismas e nas vigas. Foram adotadas as prescrições da ASTM C215:1991 quanto à posição do acelerômetro e do impacto, assim como dos apoios (molas para os prismas e corda

14 62 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai para as vigas). Foi utilizado o sistema de aquisição da ACE Dataphysics, um martelo de impacto instrumentado, além do acelerômetro piezoelétrico para medir a resposta. O método de ensaio empregado foi o mesmo descrito no item Os procedimentos para os ensaios das vigas foram os seguintes: determinação da freqüência natural da peça íntegra; aplicação de um carregamento estático de flexão simples na máquina servohidráulica, até as seguintes etapas: abertura da primeira fissura (força prevista para atingir o momento de fissuração = 3,37 kn); metade da força máxima prevista; e até F máx correspondente ao momento último (prevista = 22,88 kn); após o completo descarregamento e retirada da viga do pórtico, foram realizados os ensaios de vibração livre em cada uma das etapas mencionadas; determinação da freqüência natural da viga após a ruptura. As vigas V3ca e V4ca foram ensaiadas em todas as etapas. Para a viga V5ca não houve interrupção do carregamento estático para realização de ensaios dinâmicos. Uma viga de concreto simples (V1cs) foi submetida a ensaio de vibração livre para comparação entre esta e as de concreto armado. Durante a aplicação do carregamento estático de flexão, realizado para provocar a danificação da viga, as condições de contorno eram de uma viga bi-apoiada. Foram instalados transdutores de deslocamento do tipo LVDT (figura 18). Martelo de impacto Acelerômetro Figura 18 - Viga com transdutores de deslocamento. Figura 19 - Aplicação do carregamento estático. Figura 20 - Ensaio dinâmico de vibração livre Resultados estáticos Os valores médios da resistência à compressão e do módulo estático são: Tabela 10 - Resultados dos ensaios estáticos. Propriedades do concreto Ensaios Estáticos Resistência à compressão (f c ) Resistência à tração - compressão diametral (f c,t ) Módulo E c,30% - CPs cilíndricos Módulo E c,40% - CPs cilíndricos Módulo à flexão - prismas 15x15x50 30,10 MPa 1,39 MPa ,33 MPa ,00 MPa ,32 MPa

15 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à Observa-se que o módulo E c,30% é maior que o E c,40% em torno de 2,8% e o módulo à flexão é 11,3% menor que E c,40% Resultados dinâmicos Os valores de freqüência natural das vigas (de concreto simples e armado) e dos prismas foram obtidos utilizando a média de três ensaios de vibração livre no sentido transversal. Na tabela 11 são apresentados os valores do módulo de elasticidade dinâmico, no estado íntegro, obtidos com as freqüências naturais dos prismas e das vigas. Relacionando os resultados estáticos e dinâmicos: E c,d (dinâmico,vigas) é 35,1% maior que E c,40% (estático, CPs); E c,d (dinâmico,prismas 50 ) é 30,9% maior que E c,40% (estático, CPs); E c,d (dinâmico,prismas 75 ) é 24,3% maior que E c,40% (estático, CPs); Nestes ensaios observou-se uma maior aproximação com os valores sugeridos na bibliografia para concreto de média resistência [módulo dinâmico é maior que o estático cerca de 30%, (Metha & Monteiro,1994)]. Tabela 11 - Resultados dos ensaios dinâmicos. Propriedades do concreto Ensaios Dinâmicos Módulo E c,d - média das vigas Módulo E c,d - média dos prismas 15x15x50 Módulo E c,d - média dos prismas 15x15x ,37 MPa ,54 MPa ,97 MPa Na tabela 12 são apresentados os valores de freqüência natural do primeiro modo (f 1 ), do módulo dinâmico (E c,d ) e da rigidez (E c,d I) para as vigas. O valor da rigidez dinâmica (E c,d I) foi obtido experimentalmente relacionando a freqüência natural, o comprimento e a massa da viga, ou seja, foi considerada a inércia reduzida. A primeira etapa do carregamento estático foi considerada até a carga para a qual surgiu a primeira fissura visível, que possui um valor experimental (F 1ª fissura = 6,36 kn) bem maior que o estimado para atingir o momento de fissuração (F Mr = 3,37 kn). A freqüência natural da viga de concreto simples (V1cs) resultou maior que a média das vigas de concreto armado em torno de 1,4%, enquanto o módulo dinâmico foi 4,3% menor.

16 64 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai Tabela 12 - Resultados dos ensaios dinâmicos ao longo da aplicação do carregamento. Viga Propriedade Estado íntegro 1ª fissura 0,5 F máx F máx 6,36kN 11,19kN 22,45kN f 1 (Hz) 397,50 366,25 356,88 215,42 V3ca E c,d (MPa) , , , ,23 E c,d I (kn.m²) 302,77 257,04 244,05 88,68 f 1 (Hz) 396,25 363,13 354,38 259,38 V4ca E c,d (MPa) , , , ,92 E c,d I (kn.m²) 303,28 254,69 242,57 130,29 f 1 (Hz) 393, ,88 V5ca E c,d (MPa) , ,57 E c,d I (kn.m²) 295, ,81 Média - CA f 1 (Hz) 395,63 364,69 355,63 238,89 E c,d (MPa) , , , ,24 E c,d I (kn.m²) 300,47 255,86 243,31 110,26 f 1 (Hz) 401, V1cs E c,d (MPa) , E c,d I (kn.m²) 298, Na figura 22 é feita a comparação do comportamento das vigas submetidas a ensaios dinâmicos durante as diferentes etapas do carregamento estático com aquela que não foi retirada do pórtico de ensaio. Percebe-se que não há muita diferença no resultado final. Frequência (Hz) Redução da Frequência Natural - Média das Vigas Primeira Fissura - 7,82% Metade de Fmáx - 10,11% Após a ruptura - 39,62% Módulo de Rigidez (kn.m²) Redução da Rigidez EdI - Vigas Primeira Fissura - 14,84% Metade de Fmáx - 19,02% Após a ruptura - 63,30% média V3ca V4ca V5ca Força aplicada (kn) Figura 21 - Redução da freqüência natural - Média dos ensaios das vigas Força aplicada (kn) Figura 22 - Redução da rigidez à flexão das vigas de concreto armado - Ensaios dinâmicos. A seguir, são apresentados os gráficos força x deslocamento das vigas de concreto armado (figuras 23 a e b). Na figura 24 é mostrada a relações força x deformação, obtida com os extensômetros colados no concreto e no aço.

17 Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à Força X Deslocamento - Viga 03ca Força X Deslocamento - Viga 04ca Força X Deformação - Viga 03ca - 1ª etapa 24,0 24,0 7,0 Força (kn) 22,0 2 18,0 16,0 Força (kn) 22,0 2 18,0 16,0 Força (kn) 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 14,0 14,0 4,0 3, ,0 12,0 3,5 1 8,0 6,0 4,0 Deslocamento no meio do vão 2,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 Deslocamento (mm) 1 8,0 6,0 4,0 Deslocamento no meio do vão 2, Deslocamento (mm) 3,0 3, ,5 2,0 1,5 Deformação concreto 1,0 Deformação aço 0,5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ε (x10-3 ) Figura 23 - Diagrama força-deslocamento. Deslocamento no meio do vão: a) V3ca e b) V4ac. Figura 24 - Diagrama forçadeformação V3ca. 6 CONCLUSÕES O estudo experimental realizado sobre as mudanças no valor do módulo de elasticidade ao longo do carregamento de compressão axial, tanto por ensaios dinâmicos como estáticos, indica que o material concreto perde significativamente suas características elásticas com o aumento da fissuração. Entretanto, os elementos estruturais (vigas) sofrem uma maior redução da rigidez à flexão (tabelas 13 e 14). Série Tabela 13 - Redução do módulo de elasticidade - Parte 1. Módulo Estático - após a 3ª etapa do ensaio (75%) CPs cilíndricos Prismas Módulo Dinâmico - Prismas - após a ruptura Transversal c/ etapas Longitudinal c/ etapas Tabela 14 - Redução da rigidez - Parte 2. Vigas de concreto armado Etapa Rigidez à flexão (E c,d I) BR -7,69% -10,18% -18,94% -23,51% MR -5,44% -7,10% -31,36% -26,65% AR -4,41% -4,68% -9,16% -7,13% Fissuração -14,84% 0,5 F máx -19,02% Após F máx -63,30% Os valores do módulo estático são os relativos à média do E c,40% e E c,pr,40% de CPs cilíndricos e prismas, respectivamente. Nesses casos, o valor da redução foi obtido na última etapa do carregamento estático, ou seja, após a aplicação da carga equivalente a aproximadamente 75% da resistência. Os valores da redução do módulo dinâmico (E c,d ) referem-se aos obtidos após a ruptura dos prismas (estado avançado de fissuração após aplicação da carga máxima de compressão). A redução do valor do módulo não deve ser entendida apenas como resultado da modificação da estrutura interna do material, mas também como uma redução da seção transversal. Na tabela 14, nota-se que a redução da rigidez à flexão, após a ruptura, possui valores muito elevados. Ressalta-se que, nestes ensaios, as vigas apresentaram grandes deformações para um valor quase constante de carga aplicada.

18 66 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai Foram feitas comparações entre os módulos estáticos determinados pela reta secante até 30% e até 40% da tensão máxima, pois a maioria das pesquisas atuais, principalmente as estrangeiras, adota o E c,40% como padrão, enquanto o módulo considerado pela norma NBR 6118:2003 é o E c,30%. Existem pequenas diferenças entre estes valores, sendo sempre o E c,30% maior que o E c,40%. Apesar de terem sido realizados ensaios com diferentes tipos de carregamento (na 1ª parte compressão axial simples e na 2ª parte flexão simples), nota-se que existe uma similaridade nos comportamentos das propriedades estudadas (módulo de elasticidade e rigidez à flexão) de elementos submetidos a danificação progressiva, e possivelmente, deve ser considerada uma parcela de contribuição da redução do módulo de elasticidade na redução da rigidez, mesmo que pequena. 7 AGRADECIMENTOS Agradecemos à CAPES, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, pela bolsa de estudos que possibilitou a realização desta pesquisa e à FAPESP, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, pelo auxílio à pesquisa, que contribuiu para a melhoria dos recursos no laboratório. 8 REFERÊNCIAS ALMEIDA, S. F. (2005). Análise dinâmica experimental da rigidez de elementos de concreto submetidos à danificação progressiva até a ruptura. São Carlos. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (1991). C215-91: Standard test method for fundamental transverse, longitudinal and torsional frequencies of concrete specimens. Philadelphia. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2003). NBR 6118:2003 Projeto de Estruturas de Concreto Procedimentos. Rio de Janeiro. GARAYGORDÓBIL J.C.A. (2003). Dynamic Assessment of Structural Building Components. Tese (Doutorado) Escola Técnica Superior d Enginyers de Camins, Universitat Politécnica de Catalunya, Canal; Ports de Barcelona. Espanha HAN S.H.; KIM, J.K. (2004). Effect of temperature and age on the relationship between dynamic and static elastic modulus of concrete. Cement and Concrete Research, v.34, p MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. (1994). Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini. NEVILLE, A.M. (1982). Propriedades do concreto. São Paulo: Pini. NEVILLE, A.M. (1997). Propriedades do concreto. 2ª ed. São Paulo: Pini.