INSPECÇÃO IN SITU DA RESISTÊNCIA E DETERIORAÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO

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1 INSPECÇÃO IN SITU DA RESISTÊNCIA E DETERIORAÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO por Jorge M. C. L. de Brito (1) Fernando A. Branco (2) RESUMO A inspecção in situ da resistência e deterioração das estruturas de betão recorre a um conjunto de técnicas de diagnóstico muito díspares, Algumas beneficiam já de muitos anos de experiência estando outras ainda na fase da experimentação. Neste artigo, propõe-se uma classificação das técnicas conhecidas assim como um conjunto de critérios que devem presidir à selecção do método mais adequado a cada situação. É descrita uma série de técnicas de diagnóstico em função do objecto da inspecção e da anomalia em causa. 1 - INTRODUÇÃO A necessidade de inspeccionar o estado das estruturas surge desde a sua colocação em serviço. No caso particular das pontes, estas só são abertas ao tráfego após a realização de ensaios em que o que se pretende verificar é o funcionamento global da estrutura. Para tal, realizam-se ensaios de carga (Fig. 1) nos quais a estrutura é sujeita a esforços muito próximos dos previstos no seu cálculo. Uma anomalia estrutural grave é então facilmente detectável sob a forma de fendilhação acentuada ou deformações (flechas) muito superiores às previstas. É ainda corrente a realização de ensaios dinâmicos globais em que são determinadas as principais características dinâmicas da estrutura. (1) - Assistente do IST, CMEST (2) - Professor Associado do IST, Director do CMEST

2 Fig. 1 - Ensaio de carga de uma ponte com recurso a camiões carregados de areia A realização deste tipo de ensaio global da estrutura é ainda comum em situações em que se pretende alterar o seu tipo de utilização (por exemplo, um edifício que inicialmente tinha sido previsto para escritórios e posteriormente se pretende que seja um armazém de materiais ou uma biblioteca) ou quando a sobrecarga de utilização é muito elevada (como acontece em determinados edifícios industriais com equipamento pesado) (Fig. 2). Fig. 2 [1] - Ensaio de carga de um armazém realizado com sacos de areia e recipientes com água Nas situações anteriormente descritas, a avaliação estrutural surge em consequência da vontade do Dono da Obra, ou dos utentes, em conhecer os limites de utilização da estrutura. No entanto, a necessidade dessa avaliação pode surgir noutras ocasiões e independentemente da vontade humana [2] :

3 - após a ocorrência de acções pouco comuns (incêndio, sismo, explosão), a estrutura precisa de ser auscultada para se saber se ainda garante uma margem de segurança satisfatória para as solicitações habituais; - estruturas em serviço há muito tempo ou que revelem uma deterioração acentuada (por e- xemplo, corrosão das armaduras colocadas à vista por descasque do betão de recobrimento), precoce ou não, podem originar dúvidas em relação ao seu comportamento. O processo de deterioração pode ser consideravelmente retardado ou acelerado consoante há ou não ênfase na prevenção dos problemas específicos do meio em que a estrutura se encontra. Esta prevenção faz-se sentir fundamentalmente nas fases de concepção e construção da estrutura e não envolve quaisquer meios técnicos, mão de obra ou tecnologia de ponta. Na concepção, as questões estruturais não são praticamente alteradas pela existência das substâncias agressivas e é no capítulo da durabilidade que é premente actuar. Na construção, a ênfase é no controle de qualidade e na escolha cuidada dos materiais e sua posologia. Finalmente, a inspecção de estruturas em serviço não tem como único objectivo a avaliação da sua capacidade resistente. A manutenção de edifícios e pontes tem por principal objectivo garantir a sua continuada funcionalidade, ou seja, manter as condições mínimas para que a sua utilização prevista se faça sem problemas. No caso das pontes, a manutenção consiste fundamentalmente na substituição ou reparação do tapete de betume asfáltico, dos passeios, dos guarda-corpos, auto-safes e guarda-rodas, de tubagem de serviços e, eventualmente, alguma reparação puramente cosmética dos elementos de betão armado. Nenhum destes trabalhos tem repercussões de índole estrutural apesar de, por si só, representarem uma quantia elevada em cada ano. Os trabalhos de manutenção carecem de um planeamento e orçamentação prévios que se baseiam nas visitas periódicas de inspecção. Nessas visitas, procura-se detectar a deterioração dos diversos elementos, estruturais ou não, para o que se recorre a técnicas de diagnóstico in situ muito variadas e que nada têm a ver com os ensaios globais atrás referidos. Neste artigo, serão referidos os critérios que devem presidir à escolha do tipo de ensaio in situ em cada situação. As técnicas de diagnóstico que oferecem maiores potencialidades de acordo com esses critérios serão listadas. Segue-se uma descrição sucinta dos ensaios mais correntemente utilizados na avaliação global da estrutura e na determinação da resistência e degradação do betão e do aço em armaduras. 2 - SELECÇÃO DAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO As técnicas de diagnóstico de estruturas de betão incluem um leque muito variado de ensaios baseados em princípios tão diversos como a resposta dos materiais às vibrações, o seu

4 comportamento sob um campo magnético ou a sua dureza superficial. Nelas se obtêm características tão distintas como a sua resistência à compressão ou à tracção, a extensão e actividade de corrosão das armaduras embebidas no betão, a presença e extensão de fissuras, etc. [3]. Pelas razões acima descritas, é difícil classificar globalmente os ensaios in situ, adoptandose neste artigo a seguinte classificação [4] a [8] : 1 - Observação visual directa 2 - Técnicas mecânicas 3 - Medição de diferenças de potencial 4 - Técnicas magnéticas 5 - Métodos eléctricos 6 - Técnicas ultrasónicas 7 - Métodos radioactivos 8 - Técnicas acústicas 9 - Métodos térmicos 10 - Técnicas força / deformação 11 - Indicadores químicos 12 - Métodos de fluorescência 13 - Ensaios de carga 14 - Testes dinâmicos globais Cada grupo de ensaios consiste por sua vez num número de diferentes técnicas o que torna difícil escolher em cada circunstância o método mais adequado. Para tal, há que definir as características que se pretende que as técnicas de diagnóstico tenham [4] [7] [9] : A - baixos custos B - fácil e rápida execução in situ C - grande quantidade de informação útil D - fácil interpretação dos resultados E - carácter não-destrutivo F - equipamento portátil G - sem necessidade de energia (ou com energia de fácil acesso in situ) H - mão de obra e know-how não excessivamente especializado I - resultados fiáveis J - (sempre que possível) sem recurso a laboratório K - não afectar (ou afectar pouco) a utilização normal da estrutura

5 Com base nestes critérios, procurou-se ratear as técnicas de diagnóstico, tendo-se concluído serem as seguintes as que oferecem maiores potencialidades [7] [9] : - observação visual directa - algumas técnicas força / deformação - esclerómetro - indicadores químicos - magnetómetro - dinamómetro - célula galvânica - ultra-sons - penetração - testes dinâmicos globais Há alguns métodos que globalmente oferecem poucas potencialidades (por serem muito caros, muito demorados ou levarem à paragem da actividade normal na estrutura), mas que, por serem insubstituíveis em determinadas circunstâncias, devem ser referidos: os ensaios de carga, a extracção de carotes, os raios X, os ensaios à rotura por compressão ou tracção, etc DESCRIÇÃO DOS DANOS Vai-se de seguida descrever alguns dos ensaios in situ mais correntemente utilizados em estruturas de betão. Na descrição vai-se procurar estabelecer uma relação directa entre o fenómeno ou anomalia que se pretende detectar ou medir e a técnica de ensaio. Para tal, vai-se dividir a inspecção em geral em três campos distintos: o comportamento global da estrutura, a análise do betão e a do aço em armaduras Comportamento Global da Estrutura As deformações excessivas são dos fenómenos mais comuns quer em pontes quer em edifícios. Elas podem dever-se quer às cargas permanentes (Fig. 3) quer às sobrecargas (em serviço ou durante um ensaio de carga). Começam por ser detectadas por observação visual ou, no caso das pontes, pela vibração excessiva na passagem do tráfego. A sua medição é feita por meio de deflectómetros, que medem flechas verticais, e clinómetros para medir o ângulo de desvio em relação à horizontal.o nivelamento hidrostático é uma técnica bastante interessante por não recorrer a mão de obra muito especializada, não necessitar de apoio exterior e ser de execução relativamente rápida e expedita (Fig. 4).

6 Fig. 3 [4] - Deformação vertical excessiva na junta de uma ponte Fig. 4 [4] - Esquema de implantação dos níveis de água numa ponte A resistência global da estrutura é evidentemente uma das suas características que melhor interessa conhecer. Apesar de ter uma série de inconvenientes, o ensaio de carga é, sem dúvida, o melhor para este efeito já que a estrutura é sujeita às condições que se previram no cálculo (ou muito perto delas) e o seu comportamento durante o ensaio traduz a sua resposta real que é depois confrontada com a teórica. Durante o ensaio, medem-se flechas e tensões em pontos criteriosamente escolhidos por forma a avaliar o seu comportament. Os ensaios podem ser de curta ou longa duração, em cujo caso, fenómenos como a fluência, a perda de pré-esforço e a assentamento de fundações podem ser analisados. A carga utilizada pode ser passiva (sacos de areia ou cimento, água, blocos de betão ou metal, etc.) ou activa (macacos hidráulicos, pressão de ar ou veículos carregados) em função das condições particulares da estrutura, dos resultados que se pretende obter e do orçamento disponível para o ensaio Betão Em estruturas existentes das quais não se disponha dos desenhos de execução ou em que a qualidade de construção não foi a melhor, pode surgir a necessidade de fazer um levantamento

7 das dimensões dos elementos para uma posterior avaliação estrutural. A observação visual directa é a técnica mais indicada recorrendo a meios auxiliares mínimos: binóculos, máquina fotográfica ou de vídeo, réguas, etc.. Em pontes, pode vir a ser necessário recorrer a meios de acesso especiais como veículos de inspecção basculantes com ponte metálica que pode ser baixada e rodada por forma a se analisar de perto o intradorso da estrutura(fig. 5). Fig. 5 [10] - Veículo de inspecção de pontes Fig. 6 [1] - Fissura de origem térmica numa viga

8 Na detecção e medição da fendilhação aparente, a observação visual e uma régua de fendas (Fig. 6) são os meios mais adequados. Através de testemunhos, extensómetros mecânicos (Fig. 7) e a marcação das anomalias no próprio local com tinta é possível seguir a evolução da fendilhação ao longo do tempo. Fig. 7 [4] - Extensómetro mecânico para medição da variação na abertura de uma fenda Os ensaios de ultra-sons (Fig. 8), em que se mede a velocidade aparente de vibrações ultra-sónicas através do betão, permitem detectar zonas porosas no interior do betão, falta de homogeneidade, delaminação do recobrimento e zonas de menor resistência. Fig. 8 [1] - Esquema do ensaio de ultra-sons A delaminação do recobrimento de betão e do betume asfáltico (no caso de pontes) pode também ser detectado de forma extremamente simples martelando a superfície à vista ou arrastando sobre ela correntes pesadas. O som obtido nas zonas delaminadas é caracteristicamente diferente.

9 O avanço da carbonatação em profundidade pode ser facilmente analisado por recurso a indicadores químicos e nomeadamente à fenolfetaleína. Uma face descacada de betão é impregnada e a zona alcalina (não carbonatada) toma uma cor lilás viva, por contraste com a zona afectada que mantém a sua cor natural. A resistência do betão pode ser avaliada de uma forma qualitativa através de um esclerómetro (Fig. 9). Em teoria, o que o ensaio mede é a dureza da superfície, mas como esta cresce em geral com a resistência e o ensaio é muito simples, rápido e barato, é bastante popular. Permite detectar áreas de menor resistência em betonagens pouco homogéneas por comparação dos resultados aí obtidos com os das zonas sãs. Fig. 9 [11] - Esclerómetro de Schmidt: 1 - cabeça; 2 - betão; 3 - invólucro; 4 - cursor; 5 - escala; 6 - massa; 7 - botão de disparo; 8 - mola; 9 - mola; 10 - patilha de segurança A determinação com um mínimo de rigor da resistência quantitativa do betão só é possível recorrendo à extracção de carotes (Fig. 10), posteriormente ensaiadas em laboratório. Apesar de esta operação ser morosa e cara, a gama de aplicações que as carotes podem ter (estudo visual directo e indirecto, determinação da densidade e absorção de água, testes mecânicos e químicos, Fig. 10 [4] - Extracção de carote

10 avaliação da deterioração [6] ) justificam amplamente o seu uso Aço em Armaduras Em edifícios e pontes já com um longo período em serviço, é frequente terem-se perdido os desenhos de execução. Noutras situações, a existência de anomalias graves (deformação e fendilhação excessivas) leva a que se suspeite que esses mesmos desenhos não foram escrupulosamente seguidos e haja uma deficiência de armadura. É então necessário localizar os varões e, tanto quanto possível, estimar o seu diâmetro e espaçamento. O magnetómetro é o aparelho mais adequado a estas situações já que emite um sinal que é tanto mais intenso quanto o for o campo magnético. Este é máximo quando o sensor se encontra directamente sobre o varão (Fig. 11). Se o aparelho for calibrado, é possível estimar também a espessura do recobrimento de betão e o diâmetro do varão. O aparelho vem supostamente calibrado de fábrica mas a abertura de roços em alguns locais criteriosamente escolhidos é o melhor meio de o comprovar. Fig. 11 [4] - Esquema de funcionamento do magnetómetro Fig. 12 [12] - Equipamento de raios X para inspecção de estruturas A utilização dos raios X e Gama (Fig. 12) é também possível, dentro de determinados limites relacionados com a potência necessária e a segurança do pessoal, para detectar a posição de varões e cabos de pré-esforço no interior do betão assim como vazios e zonas porosas.

11 Em locais de difícil acesso e no interior de baínhas de pré-esforço, o recurso ao endoscópio (Fig. 13) é fundamental. Fig. 13 [4] - Endoscópio com câmara vídeo miniaturizada Fig. 14 [10] - Equipamento baseado na meia célula de cobre - sulfato de cobre

12 A anomalia mais corrente associada ao aço em estruturas de betão é a corrosão. Esta pode ser detectada pela existência de manchas superficiais de cor característica, pela fendilhação provocada pela expansão do óxido ou mesmo pelo facto de os varões ficarem à vista por descasque do recobrimento de betão. No entanto, é frequente (em particular em meios marinhos) a existência de corrosão intensa na superfície dos varões sem praticamente quaisquer indícios na superfície exterior do betão. Nesses casos, recorre-se ao galvanómetro (Fig. 14) em que se mede o potencial eléctrico gerado por uma célula galvânica ligada a varões de aço. Baseia-se no princípio de que, quando há corrosão activa, um potencial eléctrico será gerado e poderá ser medido (Fig. 15). Fig. 15 [4] - Esquema de funcionamento do galvanómetro A medição deste potencial em diversos pontos permite definir mapas de contornos equipotenciais. A interpretação dos resultados faz-se do seguinte modo (critério de Van Deveer) [6] : - se numa determinada área, os potenciais medidos são inferiores em valor absoluto a VCSE (volts referidos ao elétrodo de cobre-sulfato de cobre), há 90% de probabilidade de não haver corrosão activa na altura do ensaio; - se os potenciais variam entre e VCSE, não se pode ter uma certeza sobre a actividade da corrosão; - se os potenciais são superiores em valor absoluto a VCSE, há 90% de probabilidade de haver alguma corrosão activa na altura do ensaio;

13 - se os potenciais são superiores em valor absoluto a VCSE, aproximadamente metade dos provetes estão já fendilhados devido à corrosão; - se se obtiverem potenciais positivos, isso em geral indica insuficiente teor de humidade no betão e não devem ser aceites. O critério de Van Deveer, quando aplicado a pontos isolados, pode dar origem a interpretações erróneas, pelo que é preferível o recurso aos mapas de contornos equipotenciais. A configuração desses contornos permite saber se a corrosão é localizada ou geral. Se as linha equipotenciais estão pouco espaçadas entre si, indicando gradientes de potencial relativamente elevados (Fig. 16), a corrosão está provavelmente confinada a uma pequena área. Corrosão generalizada está associada a menores gradientes de potencial e resulta em linhas equipotenciais espaçadas. Fig. 16 [4] - Mapa de contornos equipotenciais A determinação da resistência mecânica do aço deve ser feita pelo ensaio de tracção clássico, em laboratório, após extracção no local dos provetes considerados necessários. 4 - CONCLUSÕES Na manutenção, reparação e avaliação estrutural das construções de betão é fundamental o recurso a técnicas de diagnóstico, in situ, para complementar, na prática, a análise feita no estirador. O número elevado de ensaios existentes torna necessária a sua clasificação metódica e a definição de critérios específicos para escolha do ensaio mais adequado a cada circunstância. Nos casos correntes de inspecção, os ensaios mais utilizados na avaliação do comportamento global da estrutura e dos materiais (betão e aço) são relativamente simples e não recorrem a mão de obra ou know-how excessivamente especializados.

14 5 - BIBLIOGRAFIA [1] M. F. Cánovàs, "Patologia y Terapéutica del Hórmigon Armado", 2ª edição, Editorial Dossat, Madrid [2] Jorge de Brito e Fernando Branco, "Ensaios Não-Destrutivos em Estruturas de Betão Armado", 1º Simpósio Nacional de Materiais e Tecnologias na Construção de Edifícios, Lisboa, 1985 [3] Jorge de Brito e Fernando Branco, "Técnicas de Avaliação In Situ da Resistência de Estruturas", 1º Encontro sobre Conservação e Reabilitação de Edifícios de Habitação, Lisboa, 1985 [4] D. Andrey, "Maintenance des Ouvrages d'art: Methodologie de Surveillance", Thèse de Doctorat, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, 1987 [5] V. M. Malhotra, "Testing Hardened Concrete: Non-Destructive Methods", A.C.I. Monograph Nº 9, Detroit, 1976 [6] Jorge de Brito, "Ensaios In Situ em Estruturas de Betão", Relatório CMEST DEC. AI Nº 73, Lisboa, 1987 [7] Jorge de Brito e Fernando Branco, "Equipment and Experimental Methods for Classification of Damages (for Diagnosis of Concrete Structures)", RILEM Technical Committee DCC-104, Damage Classification of Concrete Structures, München, 1990 [8] Jorge de Brito e Fernando Branco, "Classification of Diagnosis Methods for Concrete Bridges", Relatório CMEST DEC. AI Nº 4, Lisboa,1991 [9] Jorge de Brito e Fernando Branco, "Rating of Diagnosis Methods for Concrete Bridges", Relatório CMEST DEC. AI Nº 5, Lisboa, 1991 [10] Fernando Branco e Jorge de Brito, "Concrete Bridges Maintenance System - Inspection Techniques and a Rating System", International Conference on Bridge, Tehran, 1990 [11] A. M. Neville, "Properties of Concrete", A Pitman International Text, London, 1981

15 [12] Fernando Branco e A., R. Batista, "A Utilização de Raios X na Observação de Estruturas de Betão", Revista Portuguesa de Estruturas, Nº 19, Lisboa, 1984