ESTUDO DO COMPORTAMENTO EM RELAÇÃO À FADIGA APLICADO ÀS ARGAMASSAS DE REVESTIMENTO BAUER, E.; BEZERRA, L.M.; UCHÔA, J.; DAS CHAGAS, S.V.M. Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil Brasília/DF Brasil - elbauer@terra.com.br Resumo: Os sistemas de revestimentos de fachada são formados por diversas camadas de materiais com características e propriedades mecânicas diferenciadas entre si. Durante a vida útil da edificação, tais sistemas são sujeitos às diferentes intempéries que se traduzem em ações solicitantes, dentre as quais destacam-se a variação da temperatura ao longo do dia e eventuais choques térmicos causados por chuvas e ventos. Devido à natureza cíclica desses carregamentos, o comportamento em relação á fadiga merece ser pesquisado. Assim, este trabalho apresenta uma metodologia experimental para a avaliação da resistência à fadiga em argamassas de emboço. Foi obtida experimentalmente, a curva S-N para a argamassa de emboço caracterizando o comportamento frente a essa solicitação. Palavras chave: Argamassas - Fadiga Sistema de revestimento Tensões em fachadas 1. INTRODUÇÃO Dentre as opções arquitetônicas para fachadas em edificações comerciais e residenciais, frequentemente se utiliza o sistema de revestimento cerâmico. Dentre as vantagens no uso de tal sistema destacam-se a estética, a estanqueidade, a estabilidade, a durabilidade, a baixa manutenção e, consequentemente, também a valorização imobiliária do imóvel. Entretanto, o sistema de revestimento cerâmico em fachadas, tradicionalmente empregado no Brasil, apresenta manifestações patológicas (ou danos), cujos mecanismos ainda são pouco entendidos. Inicialmente, é preciso ter em mente que, o revestimento cerâmico empregado nas fachadas das edificações é composto de diferentes materiais que possuem características físico-mecânicas muito diferentes [1]. Bauer et al [2], avaliaram o módulo de elasticidade à compressão dos materiais componentes do revestimento de fachada de edifícios, obtendo valores de 41,6 GPa para as peças cerâmicas, 6,4 GPa para a argamassa colante, e 0,6 GPa para a argamassa de emboço. Dessas diferenças de propriedades em conjunto com as ações solicitantes, dentre elas, a incidência da radiação solar e o efeito térmico, podem surgir estados de deformações e de tensões complexos nas fachadas que são, ainda, muito pouco conhecidos e escassamente pesquisados. A conseqüência mais grave do conjunto de solicitações impostas á fachada é o fenômeno do descolamento e conseqüente desplacamento de seus componentes. Conforme ilustra a Figura 1, o descolamento envolve o afastamento físico dos elementos componentes da fachada, em particular as placas cerâmicas, argamassa colante, podendo inclusive remover a argamassa de emboço. Frequentemente ocorre o colapso da aderência e a expulsão das peças cerâmicas do plano da fachada (Figura 1).
Figura 1 Descolamento e desplacamento observando-se o colapso de aderência e a expulsão da peças cerâmicas exteriores Em geral, o mecanismo de descolamento observado apresenta algumas características básicas a saber: O processo não surge de imediato quando o edifício é concluído, tendo-se relatos de surgimento do processo desde 6 meses até 10 anos após a ocupação do edifício. Evidencia-se, portanto, que o fenômeno não é provavelmente devido a um carregamento de natureza estática As fachadas que recebem maior incidência solar, bem como as de cor escura sempre apresentam maior incidência de descolamentos o que associa o fenômeno aos esforços de natureza térmica. O descolamento ocorre em bolsões sendo que as peças cerâmicas são descoladas de forma progressiva. Com a progressão do descolamento as falhas de contato aumentam paulatinamente sendo que o afastamento entre as placas cerâmicas e suas camadas de base pode chegar a vários centímetros. Em face das características do mecanismo de descolamento, observa-se uma grande semelhança com o comportamento de fadiga. O processo de fadiga é um fenômeno físico caracterizado pela deterioração progressiva e irreversível do material, verificado após a aplicação de certo número de ciclos de carregamento. A aplicação repetida destes carregamentos (ou ciclos de carga) ao longo do tempo pode causar a falha (fissura, rompimento, etc) do material. Os ciclos, no caso dos revestimentos seriam oriundos da variação térmica diária na superfície da fachada. As falhas observadas ao longo do tempo podem ser caracterizadas pelas deformações e aumento das falhas de contato, culminando com o colapso da aderência e expulsão das peças cerâmicas do plano da fachada (Figura 1).
Para análise estática faz-se uso das curvas de ruptura. Tais curvas podem ser adaptadas também à carregamentos cíclicos. Na análise de resistência à fadiga de materiais como as argamassas (frágeis), pode-se usar a curva clássica apropriada para material frágil, sendo um exemplo a curva de Coulomb-Mohr (Figura 2)[3, 4]. Tal curva define as tensões de resistência do material e na previsão de vida útil do material pode ser utilizada com as tensões principais geradas no sistema. Para tal curva, adaptada para carregamentos cíclicos, pode-se avaliar se há risco de colapso por fadiga. No estado plano de tensões não existe qualquer tensão (normal ou cisalhante) fora do plano. Qualquer estado plano de tensão é formato por três tensões : duas normais (σ x e σ y ) e uma cisalhante (τ xy ). Observa-se ainda que um estado plano de tensão qualquer, sempre pode ser transformado em suas tensões principais equivalentes (σ 1 e σ 2 ) de modo a se empregar as curvas de ruptura do material. A partir da adoção de uma curva de resistência, dado um ponto representando um estado de tensão, por exemplo, um estado plano de tensão; com tensões principais (σ 1 e σ 2 ) se tal ponto cair numa região dentro das curvas de resistência adotadas (ver Figura-2), então não existe risco de colapso da estrutura; caso o ponto (σ 1 e σ 2 ) caia fora das curvas, então há risco de colapso. Figura 2 Curvas de resistência de Coulomb-Mohr Por outro lado, no processo de fadiga, com o passar das ciclagens das cargas, a resistência de ruptura (ou curva de resistência) diminui progressivamente, é como se a curva de resistência do material diminuísse com o número de ciclos a que o material foi submetido: quanto mais ciclos de carga menor a resistência do material à fadiga. A Figura 3 mostra esta idealização no comportamento do encolhimento da curva de resistência proposta para os materiais frágeis como o concreto ou a argamassa. Haverá ruptura ou não da argamassa, respectivamente, se o ponto (σ 1 e σ 2 ) cair dentro ou fora das curvas de resistência (para um determinado número de ciclos n=i ). Numa analogia com o fenômeno de descolamento e desplacamento descrito, pode se deduzir que as resistências de aderência não seriam então suficientes para resistir aos ciclos de carregamento, decorrendo então os processos que culminam com a deterioração do revestimento (colapso de aderência e expulsão do revestimento da fachada).
Figura 3 - Curvas de resistência para material frágil durante os ciclos de carga Definido um critério ou uma curva de ruptura para a fadiga, a questão passa a ser a obtenção de como ocorre a diminuição das resistências à tração (ft) e à compressão (fc), com o passar dos ciclos de carga. Isso poderá ser feito, experimentalmente, via determinação das curvas S-N ou curvas de Wöhler para a ciclagem das tensões sobre o material argamassa. Para isso, corpos-de-prova de argamassa devem ser ensaiados sob tensões cíclicas de tração ou de compressão. Na falta de um critério de curva de referência específica para a argamassa, considerando que a argamassa é um material frágil, pode-se admitir comportamento similar ao concreto. A expressão obtida por Tepfers [6] relaciona a tensão máxima alternada, S, e a resistência estática (compressão fc, ou tração - ft) do concreto, com a tensão mínima e máxima aplicadas no ensaio (R) e o número de ciclos à fadiga, N. Sendo assim: onde, S 1 0,0685(1 R)log N f = (1) S R= S mín máx (2) A partir da equação 1 obtêm-se a curva S-N, ilustrada na Figura 4 para tensões de tração e compressão. Para entendimento da curva S-N, pode-se raciocinar que ao se ter um ciclo somente, o valor da tensão (S) corresponde ao valor obtido no ensaio estático (tração ou compressão, por exemplo). Nesse caso o corpo-de-prova é submetido a um ciclo que o leva até a tensão de ruptura. À medida em que se aplicam cargas menores que a de ruptura estática, o material passa a romper com um número maior de ciclos. Diminuindo-se cada vez mais a intensidade do carregamento das tensões alternadas dos ciclos, chega-se em um momento em que a carga é tão pequena que não causará danos ao corpo-de-prova. Esse ponto corresponde ao momento em que a curva se torna assintótica (Figura 4), podendo-se afirmar que a vida útil do material sob esse carregamento pode ser extrapolada ao infinito. Essa situação seria a ideal para as tensões de trabalho do sistema de revestimento, o qual
não estaria em condições críticas que o levassem ao descolamento e destacamento por fadiga. Figura 4 Curvas S-N adotadas para argamassa (tração f t, compressão f c ) A análise do sistema de revestimento cerâmico sob fadiga deve contemplar todos os materiais que o compõe, bem como as interfaces entre materiais diferentes. O presente estudo inicial se destina ao desenvolvimento de metodologia experimental para determinação da curva S-N. O foco deste estudo é a argamassa de emboço, buscando-se avaliar o comportamento em relação à tração. 2. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL O programa experimental teve como objetivo básico o desenvolvimento dos corpos-deprova bem como da metodologia de ensaio para obtenção da curva S-N à tração. Neste trabalho foi usada uma argamassa industrializada, preparada de acordo com as recomendações do fabricante. A argamassa foi misturada em equipamento de mistura forçada, sendo os corpos-de-prova moldados imediatamente após a mistura. O corpo-deprova foi moldado numa fôrma de aço, sendo executado em três camadas de 4 cm cada e, aplicando-se 25 golpes em cada camada (Figura 5) Após 48 horas os corpos-de-prova eram desmoldados e estocados em câmara úmida. (a) (b) Figura 5 (a) Molde do CP, em aço. (b) Moldagem do CP.
A Tabela 1 mostra as principais propriedades desta argamassa avaliadas em laboratório. Tabela 1 Propriedades da Argamassa PROPRIEDADES MÉTODO DE ENSAIO RESULTADO MÉDIO Teor de ar incorporado (%) NM 47:95 (ABNT, 1995) 15,5 Consistência (mm) ASTM C 780-96 36-47 Resistência à tração na flexão (MPa) Resistência à compressão axial (MPa) NBR 13279 (ABNT, 2005) 1,64 NBR 13279 (ABNT, 2005) 4,29 Módulo de Deformação (GPa) NBR 8522 (ABNT, 2003) 5,49 Na avaliação módulo efetuada, observou-se uma grande diferença no módulo de elasticidade entre a argamassa em estudo e os valores citados por Bauer et al [2]. A explicação para os valores encontrados está associada provavelmente à dosagem mais alta dos teores de aglomerante (particularmente de cimento)na argamassa de emboço indsutrializada empregada nesse estudo. 2.1 Desenvolvimento do corpo-de-prova Nos ensaios de fadiga sob tração faz-se necessário a utilização de corpos-de-prova com entalhes a fim de se propiciar o aparecimento de tensões máximas na região do entalhe e, posterior ruptura do corpo-de-prova na região pré-determinada. Na região do entalhe calcula-se um fator de concentração de tensão Kt que amplificará a tensão média. Uchôa (2007) [5] desenvolveu diversos ensaios para a determinaçaõ final dos aspectos geométricos do corpo-de-prova, bem como dos acoplamentos necessários. Deve ser observado que a fixação dos topos dos corpos-de-prova é feita através de um dispositivo (chapa metálica), o qual fornece os graus de liberdade necessários para que não ocorram excentricidades capazes de influenciar na correta aplicação dos esforços (Figura 6). O procedimento de fixação do corpo-de-prova ao equipamento de ensaio (MTS 810) deu-se da seguinte forma: inicialmente, o corpo-de-prova foi colado com epoxi numa chapa com 4 parafusos. Em seguida, utilizou-se outra chapa solta, contendo uma barra central robusta para a devida fixação do corpo-de-prova às garras do MTS 810. A fixação do corpo-de-prova foi feita com o auxílio de robustas arruelas e porcas sextavadas. As dimensões do corpo-de-prova são mostradas na Tabela 2.
Figura 6 - (a) Corpo de Prova e (b) Mecanismo de fixação na garra do MTS 810 Tabela 2 Resumo das dimensões do corpo-de-prova de argamassa para o ensaio à fadiga D - Largura E - Espessura d=d-2r Kt A1 A2 12 cm 12 cm 7,74 cm 1,6 144 cm 2 92,9 cm 2 2.2 Procedimento de ensaio de fadiga O ensaio de fadiga consiste em aplicar uma carga cíclica de tração em um corpo-de-prova com o objetivo de medir quantos ciclos o corpo-de-prova resiste antes de se romper. Com isso, obtém-se a Curva de Wöhler ou Curva S-N. Este ensaio também é capaz de fornecer um valor de tensão característica denominado de Limite de Resistência à Fadiga (valor abaixo do qual o corpo-de-prova não mais se rompe). Também pode se determinar a vida em fadiga, ou seja, o número de ciclos para que ocorra a ruptura do corpo-de-prova para um determinado nível de tensão (S). Após o dimensionamento do corpo-de-prova, partiu-se para a realização do ensaio de fadiga da argamassa sob tração. Os ensaios foram feitos na máquina de ensaio universal MTS 810, sendo feito via controle de força que resulta em tensão alternada de amplitude constante ao longo dos testes. A freqüência da alternância de carga usada nos ensaio corresponde a 5 ciclos/segundo. Observa-se na Figura 7a e 7b a fixação do CP no equipamento MTS 810. A Figura 7c, representa a ruptura do corpo-de-prova por fadiga.
(a) (b) (c) Figura 7 Ensaio de fadiga - (a) atuador e garra, (b) antes, e (c) depois da ruptura por fadiga 2.3 Resultados Os ensaios à tração estão resumidos na Tabela 3 associados aos valores dos níveis de tensão alternada usados: 1,29MPa, 1,08MPa, 0,86MPa, 0,65MPa e 0,55MPa. Tais valores de tensão correspondem aos seguintes valores de forças nas garras do equipamento, respectivamente, de 12kN, 10kN, 8kN e 6kN. Através dos procedimentos realizados, evidencia-se determinada variabilidade nos resultados observados, tomando-se como referência aceitável a utilização de 3 corpos-deprova por avaliação. Para os valores de tensão 1,29MPa, 1,08MPa e 0,86MPa foram realizados os ensaios até a ruptura. Para a tensão de 0,55 MPa, o ensaio teve que ser interrompido após se chegar a um número de ciclos bastante elevado, acima de 1336000 1,3x10 6 ciclos (para uma freqüência de ensaio utilizada, isso equivale a 74h de ensaio) não apresentando ruptura. A Tabela 3 resume os valores de tensão adotados e o número de ciclos para romper os corpos-de-prova nos ensaios à tração. Nesta tabela, também se observa que, corpos-deprova sob maior tensão se rompem com menor número de ciclos como era de se esperar. O Limite de Resistência à Fadiga, portanto, correspondeu a uma tensão de tração de 0,65MPa. foi admitido como um valor de resistência à fadiga. A Vida em Fadiga nesse caso correspondeu a 200934 ciclos (considerando o menor dos valores observados quando da ruptura nesse nível de tensão). O critério para definição desses valores refere-se aos últimos resultados em que se conseguiu ruptura do material (com a diminuição da tensão e aumento do número de ciclos). Tabela 3 Ensaio de Fadiga da Argamassa de Emboço CP Força (kn) Tensão (MPa) Vida (ciclos) 1 12 1,29 18 2 12 1,29 17 3 12 1,29 39 4 10 1,08 198 5 10 1,08 240 6 10 1,08 210 7 8 0,86 35714 8 8 0,86 37482 9 8 0,86 35203 10 6 0,65 200934 11 6 0,65 251000 12 5 0,55 >1336000
Portanto, o valor resultado dos ensaios, limite de resistência à fadiga da argamassa sob tração foi encontrado como sendo 0,65 MPa. A Figura 8 mostra a curva S-N correspondente aos dados médios da Tabela 3. 2,5 2 S (MPa) 1,5 1 0,5 0 1 100 10000 1000000 100000000 N (ciclos) Figura 8 Curvas S-N de fadiga da argamassa de emboço 3. CONCLUSÕES O presente estudo possui um caráter de desenvolvimento metodológico, sendo que do mesmo podem ser enumeradas as seguintes conclusões: A geometria do corpo-de-prova, bem como o dispositivo de fixação desenvolvido foram adequados para a execução dos ensaios, permitindo a obtenção da curva S-N, e dos limites característicos do ensaio. Os resultados atém-se a uma argamassa ensaiado somente, mas observa-se que para essa argamassa identificou-se que com poucos ciclos (menos de 50) a ruptura já aconteceu com tensões significativamente inferiores ao valor de rompimento estático (1,64 MPa). O Limite de Resistência à Fadiga observado, de 0,65 MPa é um valor a ser investigado uma vez que outros materiais e outras dosagens devem possivelmente fornecer comportamentos diferenciados Para estudo do sistema de revestimento à fadiga, é necessária a avaliação dos demais componentes (argamassa colante, cerâmica), bem como também as interfaces dos mesmos. O estudo do comportamento à compressão também se faz necessário para entendimento completo dos mecanismos pertinentes. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Pesquisa e Tecnologia (CNPq), ao Centro de Apoio ao Desenvolvimento Tecnológico da Universidade de Brasília (CDT-UnB), ao Laboratório de Ensaio de Materiais (LEM-UnB), e ao Laboratório de Ensaios Mecânicos (ENM-UnB) pelo apoio ao desenvolvimento desse trabalho.
REFERÊNCIAS [1] Bauer, E. Revestimento de argamassa: características e peculiaridades. Brasília, LEM- UnB Sinduscon/DF, 2005. [2] Bauer, E.; Saraiva, A.G.; Bezerra, L.M. Análise das tensões entre argamassa colante e placas cerâmicas submetidas a esforços de natureza térmica. In: IV Simpósio Brasileiro de Tecnologia das Argamassas, 2001, Brasília: PECC/ANTAC. v.1 p. 365-376. [3] Shigley J., C. Mischke. Mechanical Engineering Design. New York: Mc-Graw Hill, 2004. [4] Cervo, T.C. Estudo da resistência à fadiga de concreto de cimento portland para pavimentação. Tese de doutorado apresentada na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, São Paulo, 2004. [5] Uchôa, J. C. B. Procedimento Numérico e Experimental para a Avaliação da resistência à fadiga em Sistema de Revestimento. Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília. Brasília, Distrito Federal, 2007. [6] Tepfers R, Kutti T. Fatigue Strength of Plain, Ordinary and Lightweight Concrete. ACI journal. v 76, n 29, pp 635-652, 1979.