4.5.1 – Introdução
Os ensaios de tracção-extensão foram realizados de acordo com a norma NP EN ISO 10319:2005 (Geotêxteis – Ensaio de tracção em tiras largas). Neste ensaio, os provetes do material a ensaiar são fixados, ao longo da sua largura, numas garras instaladas num equipamento de tracção-extensão. O equipamento opera a uma velocidade constante, sendo aplicada uma força longitudinal ao provete, até que ocorra a sua rotura.
O método descrito na norma NP EN ISO 10319 apresenta uma particularidade relativamente a outros métodos existentes para a determinação do comportamento de tensão-extensão de geossintéticos: a largura dos provetes utilizados é maior que o seu comprimento (pelo que, o método é designado por “ensaio de tracção em tiras largas”). Alguns geossintéticos, em particular os geotêxteis, possuem a tendência de sofrer contracção lateral na zona central do provete, quando sujeitos à aplicação de
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uma carga. A utilização de provetes mais largos reduz este efeito de contracção lateral e conduz a um comportamento dos materiais mais próximo do seu comportamento real (quando aplicados em campo).
Os ensaios de tracção-extensão permitem a determinação de vários parâmetros mecânicos dos geossintéticos, tais como: a resistência à tracção (considerada como uma das propriedades mais importantes dos geossintéticos), a extensão na força máxima, a rigidez secante ou a robustez.
4.5.2 – Equipamento de ensaio utilizado nos ensaios de tracção-extensão
O equipamento de ensaio para a realização de ensaios tracção-extensão deve operar a uma razão de extensão constante (a velocidade de aumento do comprimento do provete deve ser uniforme no tempo) e deve possuir um sistema que permita registar os valores da força aplicada e da extensão correspondente. Os ensaios de tracção-extensão foram realizados num equipamento de ensaio universal (adaptado para a realização de ensaios com geossintéticos) existente no LGS da FEUP (marca Lloyd Instruments, modelo LR50K) (Figura 4.4). As principais características do equipamento utilizado encontram-se resumidas no Quadro 4.4.
Figura 4.4 – Equipamento usado nos ensaios de tracção-extensão.
O equipamento permite realizar ensaios de tracção e de compressão (até uma força máxima de 50 kN). O equipamento pode ser controlado por um computador através de uma aplicação própria (o equipamento pode também ser controlado localmente), onde é possível definir as condições do ensaio e acompanhar a evolução das curvas força-extensão dos provetes. A aplicação regista todos os pares de valores força-extensão (a partir dos quais é possível fazer a representação gráfica da curva força-extensão) e apresenta como resultado do ensaio a força máxima atingida pelo provete e a correspondente extensão na força máxima.
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Quadro 4.4 – Principais características do equipamento utilizado nos ensaios de tracção-extensão. Força máxima (tensão e compressão) 50 kN
Amplitude global da força 0,1 – 50 kN Erro na medição da força Igual ou inferior a 1%
Velocidade de ensaio 0,01– 500 mm.min-1 Exactidão na aplicação da velocidade ± 0,5% do valor definido
Largura máxima de trabalho 400 mm
Extensão máxima de trabalho 1000 mm (excluindo as garras)
No início deste trabalho, o equipamento era controlado através de uma aplicação desenvolvida pelo fabricante (R Control V 3.41, Lloyd Instruments). Actualmente, o equipamento é controlado por uma aplicação (com algumas funcionalidades adicionais, tal como a medição da extensão por via óptica) desenvolvida pelo LGS com a colaboração do Departamento de Engenharia Electrónica e dos Computadores (DEEC) da FEUP.
No equipamento podem ser instalados diferentes tipos de garras, tendo em conta as características do material a ensaiar. As garras devem ser suficientemente largas para suportar toda a largura dos provetes e devem possuir meios apropriados para impedir o deslizamento dos mesmos durante o ensaio. Além disso, é igualmente importante que não provoquem danos nos provetes, de modo a não os fragilizar (e eventualmente provocar uma rotura na proximidade das garras). Para monitorizar a ocorrência de deslizamentos durante o ensaio, podem ser desenhadas duas linhas ao longo de toda a largura do provete junto às margens das garras.
A maioria dos geossintéticos pode ser ensaiado com garras compressivas. No entanto, para aqueles materiais em que a utilização destas garras provoca roturas ou deslizamentos excessivos, podem ser usadas garras cilíndricas. Os materiais ensaiados à tracção-extensão ao longo deste trabalho foram fixados com garras de compressão hidráulica. A Figura 4.5 ilustra os vários tipos de garras existentes no LGS da FEUP.
A força desenvolvida durante o ensaio de tracção-extensão é medida através de uma célula de carga que se encontra instalada no equipamento. A célula de carga a utilizar deve ser escolhida de modo que a força máxima atingida pelos provetes não ultrapasse a escala de força abrangida pela célula. A norma NP EN ISO 10319 refere que a rotura deve ocorrer entre os 30% e os 90% de toda a escala de força abrangida pela célula de carga; no LGS da FEUP estão disponíveis células de carga até uma força máxima de 5 kN, 10 kN e 50 kN (força máxima atingida pelo equipamento) (Figura 4.6).
A extensão sofrida pelos provetes durante os ensaios de tracção-extensão pode ser medida através de um extensómetro que segue o movimento de dois pontos de referência inicialmente definidos nesses provetes. Alternativamente, a extensão pode também ser medida através do deslocamento relativo das garras (no caso de não existirem diferenças significativas entre os resultados obtidos através do deslocamento das garras e a utilização de um extensómetro).
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(a) (b) (c)
(d) (e)
Figura 4.5 – Garras disponíveis no Laboratório de Geossintéticos da FEUP (protótipos): (a) garras de compressão hidráulica; (b) garras de compressão pneumática; (c) garras cilíndricas;
(d) garras em cunha metálica; (e) garras em cunha metálica com face de borracha.
(a) (b)
Figura 4.6 – Células de carga: (a) células de 5 kN e 10 kN; (b) célula instalada no equipamento. Na fase inicial deste trabalho, o equipamento de tracção-extensão do LGS da FEUP apenas possuía a possibilidade de medir a extensão dos provetes através do deslocamento relativo das garras durante o ensaio. Actualmente, o equipamento possui um sistema de medição da extensão por via óptica (vídeo-extensómetro). A implementação de um vídeo-extensómetro implicou o desenvolvimento de uma nova aplicação para o controlo do sistema de medição (aplicação desenvolvida pelo LGS da
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FEUP com a colaboração do DEEC da FEUP). Esta nova aplicação (que substituiu a aplicação original desenvolvida pelo fabricante do equipamento) controla todos os parâmetros do ensaio, bem como regista todos os resultados obtidos durante o ensaio.
A possibilidade de medição da extensão através de um vídeo-extensómetro só ficou disponível quando um número bastante elevado de ensaios de tracção-extensão já tinha sido realizado (com a extensão determinada através do deslocamento relativo das garras). Assim, e de modo a manter uma uniformidade de resultados, todos os valores de extensão apresentados ao longo deste trabalho foram determinados através do deslocamento entre as garras. Do mesmo modo, todos os parâmetros mecânicos que necessitam da extensão para a sua determinação (rigidez secante e robustez) foram calculados utilizando os valores de extensão obtidos pelo afastamento relativo das garras.
4.5.3 – Procedimento de ensaio
A norma NP EN ISO 10319 estabelece que devem ser ensaiados, pelo menos, 5 provetes na direcção de fabrico e 5 provetes na direcção perpendicular à de fabrico; os provetes devem ser cortados com uma largura de 200 mm e devem possuir comprimento suficiente para a distância entre as garras ser de 100 mm. A Figura 4.7 ilustra o aspecto dos provetes para o ensaio de tracção-extensão segundo a norma NP EN ISO 10319. 200 mm 1 0 0 m m (a) (b)
Figura 4.7 – Aspecto de um provete para o ensaio de tracção-extensão de acordo com a norma NP EN ISO 10319: (a) esquema do provete; (b) provete de um geotêxtil (com
identificação do material e indicação da direcção de fabrico).
A posição da garra superior deve ser ajustada de modo a que no início do ensaio esteja a uma distância de 100 ± 3 mm da garra inferior (a distância entre garras determina o comprimento do provete a ensaiar). Os provetes devem ser colocados centrados nas garras e o alinhamento ao longo do seu comprimento deve ser paralelo à direcção de aplicação da força.
No caso da medição da extensão ser efectuada através do vídeo-extensómetro, devem ser fixados pontos de referência nos provetes, afastados 60 mm entre si (30 mm acima e abaixo do centro de simetria do provete) (Figura 4.8). A extensão do provete é definida através da medição, durante o ensaio, da distância entre os centros dos dois pontos de referência. Antes do ensaio, é necessário efectuar a calibração do vídeo-extensómetro. Para tal, é utilizada uma régua de calibração com
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vários pontos de referência, cujos centros se encontram a uma distância de 60 mm entre si. Durante o ensaio é importante assegurar a inexistência de deslizamento dos pontos de referência, o que iria conduzir a valores inexactos da extensão medida.
(a) (b) (c)
Figura 4.8 – Sistema de medição da extensão por via óptica: (a) provete com os pontos de referência; (b) régua de calibração; (c) aplicação de controlo do vídeo-extensómetro. A razão de extensão aplicada ao provete durante o ensaio deve ser 20 mm.min-1. A distância entre as garras vai aumentando com o tempo e o ensaio termina quando ocorrer a rotura do provete. Após o fim do ensaio, as garras regressam à sua posição original (a distância de 100 mm entre as garras deve ser sempre confirmada) e o equipamento está preparado para ensaiar o provete seguinte. A Figura 4.9 ilustra as diversas etapas de um ensaio de tracção-extensão.
Após a rotura do provete, é necessário decidir se o ensaio é válido ou se existem motivos para a sua rejeição. A decisão de rejeição é tomada com base na observação do comportamento do provete ao longo do ensaio e na verificação da existência de irregularidades. A existência de escorregamento dos provetes nas garras, a existência de roturas provocadas por danos induzidos pelas garras ou a existência de deslizamento dos pontos de referência quando se utiliza o vídeo-extensómetro são motivos para a rejeição dos ensaios.
A experiência mostra que muitos provetes sofrem rotura nas proximidades das garras. Assim, se esta rotura for provocada pelas próprias garras, então os resultados devem ser rejeitados. No entanto, se a rotura ocorrer nas proximidades das garras apenas devido à distribuição aleatória de zonas menos resistentes no provete, então esse é um resultado válido e deve ser considerado. Em alguns casos, uma rotura nas proximidades das garras pode também ser causada por uma concentração de tensão na área adjacente às garras, pois elas impedem que os provetes diminuam de largura nesta zona durante a aplicação da carga. Nestes casos, a existência de uma rotura perto da extremidade das garras é inevitável e deve ser aceite como uma característica específica do método de ensaio. Assim, e na ausência de qualquer outro motivo para rejeitar os resultados de um provete que possua uma rotura na proximidade das garras, a norma NP EN ISO 10319 estabelece um critério em que os resultados de um provete em que a rotura ocorra até 5 mm das garras e resulte num valor abaixo de 50% dos valores médios das roturas dos restantes provetes devem ser rejeitados.
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(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Figura 4.9 – Ensaio de tracção-extensão de um geotêxtil segundo a norma NP EN ISO 10319: (a) início do ensaio; (b), (c) e (d) durante o ensaio; (e) final do ensaio; (f) aspecto do provete após o ensaio.
4.5.4 – Resultados obtidos a partir de um ensaio de tracção-extensão 4.5.4.1 – Considerações iniciais
Os resultados obtidos a partir de um ensaio de tracção-extensão incluem normalmente os valores médios da resistência à tracção e da extensão na força máxima do conjunto de provetes ensaiados (no mínimo 5 provetes), bem como os respectivos desvio padrão e/ou coeficiente de variação. Além destes resultados, podem também ser incluídos os valores da rigidez secante média (determinados para diferentes extensões) e os valores da robustez média.
Actualmente, os equipamentos de tracção-extensão são normalmente controlados por aplicações que, no final do ensaio, são capazes de fornecer imediatamente os valores da resistência à tracção do provete e da correspondente extensão na força máxima, bem como os dados necessários para a representação gráfica da força em função da extensão (curva força-extensão) do provete ensaiado; o tratamento destas curvas permite calcular todos os parâmetros que são geralmente apresentados como resultados finais dos ensaios de tracção-extensão.
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De seguida, procede-se à descrição do modo de determinação dos principais parâmetros mecânicos vulgarmente apresentados como resultados dos ensaios de tracção-extensão. Primeiro, os diferentes parâmetros são determinados individualmente para cada provete e, em seguida, são calculados os valores médios obtidos para o conjunto de provetes ensaiados, bem como os valores dos respectivos desvios padrão e/ou coeficientes de variação.
4.5.4.2 – Resistência à tracção
A resistência à tracção, T, de um geossintético (em kN.m-1) pode ser calculada através da seguinte expressão:
T = Fmax x C (4.2)
em que Fmax é a força máxima (em kN) registada durante o ensaio de tracção-extensão e C é
um parâmetro obtido a partir das Expressões 4.3 ou 4.4, conforme o caso.
Para geotêxteis não-tecidos, tecidos de malha apertada ou materiais similares com uma largura nominal de provete B (em metros):
C = 1
B (4.3)
Para geotêxteis tecidos de malha larga, georredes, geogrelhas ou materiais semelhantes com uma estrutura aberta:
C =
NM
NS (4.4)
em que NM é o número mínimo de elementos (barras, filamentos ou fitas) existentes em 1
metro de largura do material e NS é o número de elementos existentes no provete sujeito ao ensaio
de tracção-extensão.
A resistência à tracção dos geossintéticos após a exposição aos diversos agentes de degradação pode ser expressa em termos de resistência residual (RRES). A resistência residual (em %) pode ser obtida
dividindo a resistência à tracção dos provetes expostos (TEXP) pela resistência à tracção dos provetes
de referência (TREF):
RRES = TEXP x 100
TREF (4.5)
4.5.4.3 – Extensão na força máxima
A extensão, E, de um provete (em %) em qualquer momento do ensaio de tracção-extensão pode ser determinada a partir da seguinte expressão:
Página 124 E = L0 L0 L _ x 100 (4.6)
em que L é a distância entre os dois pontos de referência (distância entre garras na ausência de um extensómetro) no momento escolhido do ensaio e L0 é a distância inicial de referência.
A extensão na força máxima, EFmax (em %), é a extensão apresentada pelo geossintético no momento
em que a força atinge o seu valor máximo. A EFmax pode ser calculada através da Expressão 4.6,
substituindo o parâmetro L pelo parâmetro LFmax (distância entre os dois pontos de referência no
momento em que foi atingida a força máxima). 4.5.4.4 – Rigidez secante
A rigidez secante, JSEC (em kN.m-1) (Figura 4.10), pode ser calculada através da seguinte expressão:
E =
FE x
100
JSEC C x (4.7)
em que FE é a força (em kN) determinada para uma extensão especificada E (em %) e C é
determinado a partir das Expressões 4.3 ou 4.4, conforme o caso.
Figura 4.10 – Curva típica força-extensão com indicação da rigidez secante. (adaptado da norma NP EN ISO 10319)
4.5.4.5 – Robustez
A robustez, W, (em inglês, toughness) é a energia máxima que um material pode absorver antes de ocorrer a sua rotura (este parâmetro é também vulgarmente designado como potencial de absorção de energia). A robustez de um geossintético, em kN.m-1 (ou KJ.m-2), pode ser determinada através do cálculo da área abaixo da curva força-extensão do material (Figura 4.11).
Extensão (%) F o rç a p o r u n id a d e d e l a rg u ra ( k N / m ) Rigidez secante E FE x C
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Figura 4.11 – Curvas típicas força-extensão com indicação da robustez.
A robustez dos geossintéticos após exposição aos diversos agentes de degradação pode ser expressa em termos de robustez residual (WRES). A WRES (em %) pode ser determinada dividindo a robustez dos
provetes expostos (WEXP) pela robustez dos provetes de referência (WREF):
WRES = WEXP x 100
WREF (4.8)
4.5.4.6 – Resultados de um ensaio tipo
De seguida, apresentam-se os resultados obtidos nos ensaios de tracção-extensão de 5 provetes intactos do geotêxtil B0-280 (provetes ensaiados na direcção de fabrico). O Quadro 4.5 apresenta os valores da força máxima, da resistência à tracção e da extensão na força máxima de cada um dos provetes ensaiados. A partir dos resultados dos provetes individuais, foram calculados os valores médios correspondentes, bem como os respectivos desvios padrão e coeficientes de variação.
Quadro 4.5 – Resultados obtidos para a força máxima, resistência à tracção e extensão na força máxima no ensaio de 5 provetes intactos do geotêxtil B0-280.
Provete Fmax (kN) T (kN.m-1) EFmax (%) 1 2,74 13,7 114 2 2,52 12,6 122 3 2,56 12,8 107 4 2,87 14,3 126 5 2,71 13,6 110 Valor médio 2,68 13,4 116 Desvio padrão 0,14 0,7 8 Coeficiente de variação (%) 5,2 5,2 6,9 Extensão (%) F o rç a p o r u n id a d e d e l a rg u ra ( k N / m ) Rígido e frágil Flexível e robusto
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A resistência à tracção do geotêxtil B0-280 apresenta um valor médio de 13,4 kN.m-1 (coeficiente de variação de 5,2%), enquanto que a correspondente extensão na força máxima apresenta um valor médio de 116 % (coeficiente de variação de 6,9%). As curvas força-extensão individuais, bem como a curva força-extensão média dos 5 provetes ensaiados encontram-se representadas na Figura 4.12.
0 3 6 9 12 15 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Extensão (%) F o rç a p o r u n id a d e d e l a rg u ra ( k N / m )
Provete 1 Provete 2 Provete 3 Provete 4 Provete 5 Curva média
Figura 4.12 – Curvas força-extensão individuais e curva força-extensão média dos 5 provetes ensaiados do geotêxtil B0-280.
As curvas força-extensão permitem determinar a robustez (através da integração da área abaixo da curva) e a rigidez secante dos materiais a diferentes valores de extensão (através da interpolação de (FE x C) na curva para a extensão especificada, E, e posterior aplicação da Expressão 4.7).
A norma NP EN ISO 10319 refere que a rigidez secante deve ser determinada, pelo menos, para as extensões de 2%, 5% e 10%. A determinação da rigidez secante para extensões superiores a 10% não é muito comum porque, em situações reais, a extensão dos geossintéticos muito dificilmente poderá atingir valores tão altos sem por em causa a estabilidade global da estrutura onde estão inseridos. No entanto, e para uma melhor caracterização do comportamento dos materiais, a rigidez secante foi também determinada para a extensão de 20%.
O Quadro 4.6 resume os valores da rigidez secante (a 2%, 5%, 10% e 20%) e da robustez de cada um dos provetes ensaiados do geotêxtil B0-280. A partir dos valores individuais de cada provete, foram calculados os correspondentes valores médios, desvios padrão e coeficientes de variação.
Os valores da resistência à tracção, da extensão na força máxima, da rigidez secante e da robustez também podem ser determinados graficamente a partir da curva média força-extensão. No entanto, os valores obtidos a partir da curva média força-extensão nem sempre coincidem exactamente com os valores determinados a partir da média dos resultados individuais de cada provete. O Quadro 4.7 compara os valores obtidos a partir da curva média força-extensão (VCM) com os valores obtidos a
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Quadro 4.6 – Resultados obtidos para a rigidez secante e para a robustez no ensaio de 5 provetes intactos do geotêxtil B0-280.
Provete JSEC 2% (kN.m-1) JSEC 5% (kN.m-1) JSEC 10% (kN.m-1) JSEC 20% (kN.m-1) W (kN.m-1) 1 5,0 8,0 10,1 11,1 1098 2 3,7 6,3 8,4 9,9 1073 3 4,0 6,5 8,7 10,4 1047 4 4,7 8,3 10,1 12,0 1223 5 6,3 9,6 10,7 12,5 1091 Valor médio 4,7 7,7 9,6 11,2 1106 Desvio padrão 1,0 1,4 1,0 1,1 68 Coeficiente de variação (%) 21 18 10 9,8 6,2 Quadro 4.7 – Resultados obtidos no ensaio de tracção-extensão de 5 provetes intactos do geotêxtil B0-280: valores médios versus valores calculados a partir da curva média. Geotêxtil B0-280 T (kN.m-1) EFmax (%) JSEC 2% (kN.m-1) JSEC 5% (kN.m-1) JSEC 10% (kN.m-1) JSEC 20% (kN.m-1) W (kN.m-1) VM 13,4 116 4,7 7,7 9,6 11,2 1106 VCM 13,2 107 4,7 7,7 9,6 11,2 1095 ∆ = (VM-VCM)/VM (%) 1,5 7,8 0 0 0 0 1,0
(VM – valor médio; VCM – valor da curva média)
Os VM e VCM da resistência à tracção e da robustez são muito semelhantes (desvio de 1,5% para a
resistência à tracção e de 1,0% para a robustez). A extensão na força máxima apresentou o maior desvio entre o VM e o VCM (desvio de 7,8%). A rigidez secante (às diferentes extensões determinadas)
não apresentou qualquer desvio entre o VM e o VCM.
Os valores da resistência à tracção e da extensão na força máxima apresentados ao longo deste trabalho serão sempre os valores obtidos directamente a partir da média dos resultados individuais de cada um dos provetes ensaiados. Os resultados da rigidez secante e de robustez serão os valores calculados a partir da curva média força-extensão de todos os provetes ensaiados. Dado o número muito elevado de provetes ensaiados à tracção-extensão, a apresentação dos resultados da rigidez secante e da robustez em termos de VCM (em detrimento dos VM) resultou numa economia de tempo
considerável, em termos de tratamento de resultados; além disso, não foram encontradas grandes diferenças entre os VCM e os VM destes parâmetros. As curvas médias força-extensão serão exibidas
para comparar o comportamento dos geotêxteis antes e após a exposição aos diversos agentes de degradação.
O ensaio de tracção-extensão de acordo com a norma NP EN ISO 10319 foi utilizado para avaliar a degradação sofrida pelos geotêxteis após os seguintes ensaios de durabilidade: exposição à oxidação induzida pela temperatura (Capítulo 7), exposição aos agentes climatéricos reais (Capítulo 10) e exposição aos agentes do solo (Capítulo 11).
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