SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE CORPOS DE PROVA DE CONCRETO SUBMETIDOS À SOLICITAÇÃO DE COMPRESSÃO AXIAL Michael Douglas Fernandes Pelá 1, José Carlos Alves Galvão 2 Coordenação de Mecânica 1 Departamento acadêmico de Física 2 Câmpus Ponta Grossa Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR v Monteiro Lobato, s/n - Km 04 CEP 84016-210 - Ponta Grossa PR michael_douglas3@hotmail.com, galvao@utfpr.edu.br RESUMO- O concreto é um material de construção com alta empregabilidade na construção civil, na qual uma das suas principais características é a sua resistência mecânica à compressão. Para determinar sua resistência mecânica, o método mais empregado é o ensaio mecânico destrutivo do corpo de prova de concreto. Uma proposta para avaliar a resistência mecânica do concreto sem utilizar um método destrutivo, é utilizar a tomografia computadoriza em 3D, onde a imagem obtida do corpo de prova em 3D aliada a um software de simulação mecânica consegue-se estimar sua resistência mecânica. Com o uso da tomografia computadorizada pode-se obter o volume e disposição dos agregados, a porosidade e a formação de trincas, utilizando-se esses dados em forma de imagem constituí-se, então, uma malha em software de simulação mecânica e assim pode-se estimar a resistência mecânica do concreto. PALAVRAS-CHAVE: Concreto, Tomografia Computadorizada, Ensaios Não destrutivos ABSTRACT- Concrete is a construction material with high employability in construction, in which its main characteristic is its resistance mechanic. To get your strength, the method most used is the destructive mechanical test, which the destroys the proof bodies.one way to get the mechanical strength of the concrete without destroying the proof bodies, is the CT scan in 3D, where 3D imaging combined with a simulation software, is able to provide mechanical strength. By means of computed tomography can obtain the volume of aggregates, porosity and formation of cracks and porosity in which through these data and made a mesh in some simulation software and thus stipulating the strength of the concrete. Keywords: Concrete, Computed Tomography, Non Destructive Testing INTRODUÇÃO O concreto é uma rocha artificial onde é um dos materiais mais empregados no ramo da construção civil, sendo um dos principais motivos do seu uso devido a sua grande resistência à compressão, resistência a água, a facilidade com que os elementos estruturais são confeccionados e o seu custo. O concreto é definido como mistura de um aglomerante
(cimento), agregados (areia e britas), água e aditivos, com finalidade de construção de peças para obras civis [1,2]. O cimento é um material constituído de silicatos e aluminatos de cálcio e gesso que regula a pega e é adicionado na fase final do processo de fabricação do cimento. O cimento funciona com um aglomerante para a mistura, onde quando misturado com água forma a pasta. Já os agregados possuem uma função importante na fabricação do concreto, exercem influencia na resistência do concreto, do ponto de vista econômico aumentam o volume do material e podem, inclusive, contribuir na resistência a corrosão das armaduras de aço. O agregado miúdo com ampla utilização é proveniente da areia natural quartzosa. A sua composição granulométrica é determinada por peneiramento, na qual este material passa por 12 peneiras e é retirada uma porcentagem da qual ficou mais retida areia na peneira. Dependendo da granulometria da areia ela pode ter um inchamento máximo para umidades entre 4% a 6%. O Agregado graúdo é o pedregulho natural ou pedra britada. Sua granulometria é um fator importante quando a resistência mecânica do concreto podendo aumentar ou diminuir esta propriedade. Sendo que o agregado graúdo possui a maior resistência (até mesmo maior que o cimento), consequentemente, seu uso é indispensável, pois aumenta a resistência mecânica do concreto e diminui o custo. A resistência do concreto está diretamente relacionada à sua porosidade, tanto com a quantidade de poros como com a acomodação destes no concreto. Os poros são os vazios internos que um determinado material apresenta. No concreto a porosidade está relacionada ao cimento, agregados graúdos e miúdos e na hidratação do cimento. Os poros do concreto têm origem no espaço deixado pela água de amassamento após a hidratação do cimento, que, com volume maior do que o cimento anidro que passa a ocupar parte do volume preenchido pela água, deixando uma quantidade de vazios [1]. Quanto maior for o fator água/cimento maior será a quantidade de poros que o concreto pode apresentar, devido à água de amassamento que quando evapora sai do concreto deixando os caminhos por onde ela passou. Então, quanto maior a relação água/cimento menor será a resistência mecânica do concreto. Na Figura 1 está apresentado o gráfico de resistência à compressão em função do fator água/cimento. Nota-se que uma quantidade elevada de água tem uma enorme redução na resistência mecânica do concreto [3]. Figura 1. Influência da relação água/cimento na resistência do Cimento Portland aos sete dias de idade [1] Trincas e fissuras também aparecem no concreto devido a fatores internos e externos. Mudanças de temperatura provocam fissuras, considerando que cada material que constitui o concreto possui um coeficiente de dilatação diferente um do outro, deste modo um dilata mais que o outro ocorrendo assim pressões internas e resultando em fissuras.
ENSAIOS NÃO DESTRUTÍVEIS Existem variados métodos de análise não destrutiva para amostras de concreto. Um exemplo é o ultrassom, porém este não dá informações qualitativas do tipo de defeitos e quantitativas (como o tamanho do defeito existente). Outras técnicas, como microscopias ópticas e eletrônicas de varredura, fornecem tais informações visuais, mas com pequena profundidade de foco em relação a outras técnicas, sendo direcionadas para análise superficial [3,4]. TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA A Tomografia Computadorizada Industrial (TCI) é um método de Ensaio Não Destrutivo (END), utilizado geralmente para visualizar secções transversais sem danificar o objeto analisado. Tem por finalidade reconstruir a secção transversal, por meio de dados obtidos de múltiplas projeções do material analisado. Dados que devem conter informações de grandezas físicas do interior do objeto [4]. Deste modo é uma técnica não destrutiva que tem como principal vantagem a possibilidade de estudo do interior de amostras de concreto, preservando suas características físicas e mecânicas assim como o seu uso para ensaios futuros. A visualização interna de uma estrutura possibilita analisar a presença e o comportamento de defeitos (vazios, trincas, objetos estranhos, etc.) que alteram suas propriedades físicas e mecânicas [3]. METODOLOGIA Neste trabalho foram usados os equipamentos do Instituto de Pesquisa para o Desenvolvimento (LACTEC), para fazer a tomografia computadorizada industrial e as amostras do concreto. DOSAGEM DO CONCRETO A relação da quantidade água cimento foi mantida em 0,5 para confecção dos corpos de prova de concreto. O tronco do cone teve um abatimento em 30,mm. A proporção empregada de cimento:areia:brita foi de 1:1,97:3,04. Este processo resultou em um concreto com resistência característica de 34,7 MPa. CORPOS DE PROVA DE CONCRETO Uma das dificuldades encontradas no desenvolvimento do trabalho foi a obtenção de imagens radiográficas de corpos de prova cilíndricos de concreto com diâmetros superiores a 50 mm. Segundo a norma pertinente [5] os corpos de prova de concreto devem apresentar diâmetros superiores a 10 cm. Atendendo as normas de confecção de concreto foi moldado
um bloco de concreto de dimensões 100 x 80 x 10 cm. Deste bloco foram extraídos os corpos de prova cilíndricos de concreto com diâmetro de 5 cm e altura de 10 cm, conforme ilustra a Figura 2. Figura 2. Bloco de concreto de onde foram extraídos corpos de prova. OBTENÇÃO DAS IMAGENS RADIOGRÁFICAS As Obtenções das imagens da tomografia realizada no equipamento Skyscan 1173 com potencia de 20-50kv. Figura 1. Influência da relação água/cimento na resistência do Cimento Portland aos sete dias de idade [1] RESULTADO E DISCUSSÕES IMAGENS RADIOGRÁFICAS
Foram realizadas diversas imagens de radiográficas com diferentes níveis de energia variando de 50 a 120 kv, onde a imagem que teve uma melhor visualização foi a de 120 kv (Figura 4 e 5). Figura 4. Imagem radiográfica com 70 kv Figura 5. Imagem radiográfica com 110 kv Na Figura 4 está apresentada a radiografia com 70 kv, onde não foi possível a visualização interna do corpo de prova de concreto. Na Figura 5 é possível diferenciar o agregado graúdo da argamassa e dos vazios. Onde as partes mais claras são os vazios e a parte mais escura os agregados graúdos. Esta configuração apresentou-se como sendo a mais apropriada para obtenção das imagens de tomografia 3D, entretanto para essas imagens sejam analisadas em software de processamento
de imagens e consequente simulação mecânica o processo deve ser melhorado principalmente quanto à aquisição das radiografias sendo este um limitante do equipamento, uma vez que a potencia pode ser aumentada no seu setup. O fator água/cimento pode ser avaliado visualizar tomando como referência a Figura 5 Figura 6: Tomografia da amostra de concreto com diferentes níveis de relação a/c [2]. Na Figura 6, ilustra-se a densidades (diferentes relações a/c) cinza, mesmo nas proximidades de relação a/c que ficou em torno de 0,5. Analisando cada parte da amostra apresenta tons de cinza mais claro, para as peças com diferente relação a/c. [2] A Figura 5 apresentou uma tonalidade parecida com a da figura 5, porém ela é mais clara em relação ao fator a/c 0,35 pois apresenta fator 0,5 na qual uma maior quantidade de água deixa a tonalidade mais clara da imagem. CONCLUSÃO A tomografia computadorizada industrial mostrou-se eficaz para o seu uso como ensaio não destrutivo de corpos de prova de concreto. As imagens obtidas apresentam uma ótima definição, sendo possível distinguir de forma clara a estrutura interna do corpo de prova, possibilitando a distinção dos agregados graúdos, dos vazios e da argamassa. A visualização das imagens tomográficas em 3D são de boa qualidade para identificar os vazios e a quantidade de agregados que o corpo de prova, entretanto ainda não foram suficientes para composição de dados para o processamento de imagens e simulação mecânica. Desde modo, os trabalhos devem ter continuidade para que seja comprovado que a tomografia computadorizada industrial pode ser utilizada como ferramenta para os ensaios não destrutivos de corpos de prova de concreto. REFERENCIA [1] NEVILLE, A. M. Propriedades do Concreto. São Paulo: Pini, 1997.
[2] Godoi, W. C.; Finta, E.; Knaut, D.; Nepomuceno, Z. T.; Abreu, C. C. A; Swinka-Filho, V., Radiografia e Tomografia Industriais: Estudos em Amostras de Concreto, PART I e II, Revista do CONTER, Brasil, 2011. [3] MENDES, R,. Tomografia Computadorizada de Raios X Como Método Não Destrutivo de Análise Volumétrica de Concreto: Estudo de caso em Testemunho de Concreto da Usina Hidroelétrica Mourão. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2010. [4] JUNIOR, S.R. Análise da ruptura dielétrica em materiais isolantes elétricos de cabos isolados XLPE e EPR por Tomografia 2D e 3D. Dissertação de Mestrado, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2008 [5] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739. Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos de concreto. Rio de Janeiro, 2007.