Equipamento de ensaio

O ensaio de cisalhamento direto é realizado colocando em contato dois materiais diversos, vinculados em um equipamento que aplica ao conjunto uma carga normal (N) e uma força tangencial de cisalhamento (T), como ilustrado no esquema da Figura 5.20. A configuração de ensaio deve garantir que o plano de cisalhamento seja aquele pré-determinado, ou seja, aquele plano que separa os dois materiais e do qual se deseja conhecer o valor do ângulo de atrito formado pela interface.

Figura 5.20 – Configuração esquemática do ensaio de cisalhamento.

O equipamento usado nos ensaios de cisalhamento direto é composto por prensas para aplicação das cargas normal e horizontal, uma caixa de cisalhamento e um sistema de aquisição de dados. A Figura 5.21 mostra a seqüência de montagem do equipamento: a) prensa hidráulica com capacidade para aplicação de uma carga vertical de compressão de 180 kN e prensa para aplicação da força horizontal de tração de 50 kN; b) suporte com rodas de aço que permite a movimentação da caixa inferior durante o ensaio; c) caixa de cisalhamento composta de duas partes, sendo uma caixa inferior de dimensões internas iguais a 47x67 cm e uma caixa superior quadrada de lado igual a 31,6 cm.

As grandes dimensões do equipamento requerem a aplicação de uma carga normal com uma prensa hidráulica ou com um sistema pneumático, de modo que a caixa superior permanece fixa durante o ensaio, enquanto que a caixa inferior se move sobre o suporte de aço de modo a reduzir o atrito interno do equipamento. Desprezando todas as reações horizontais, a força T, aplicada na amostra por meio da caixa inferior, depende exclusivamente do atrito na interface.

A caixa superior possui quatro apoios, que são fixados à mesa da prensa maior (de aplicação da carga normal) e é mantida fixa por meio de uma trave rígida ligada à prensa menor. A altura desta caixa é regulável por meio de placas de aço que são colocados entre os apoios fixados à mesa e os apoios da caixa. Isto permite ensaiar materiais de espessuras diversas e que o espaço entre as interfaces seja regulado adequadamente, como preconizado pela norma. Essa caixa é vazada para permitir de um lado o contato da amostra com a caixa inferior e do outro para consentir que o pistão

Pistão de aplicação da carga normal Caixa superior Caixa inferior T

hidráulico, preso a uma placa rígida de ferro, se encaixe internamente na mesma para transferir a carga requerida ao ensaio.

A caixa inferior possui forma retangular e sua altura interna é regulável por meio de apoios metálicos. Para o ensaio de cisalhamento com areia padrão ela é ajustada de modo que a espessura de areia na caixa seja de 8 cm, enquanto que no caso de ensaios com geossintéticos (geomembrana ou geotêxtil) essa profundidade é equivalente a espessura da prancha de madeira onde o produto é fixado. Durante o ensaio, ela deve se movimentar com velocidade constante e paralela a direção de aplicação do esforço de cisalhamento. Como dito anteriormente, o suporte munido de rodas favorece a movimentação sobre a mesa da prensa.

Figura 5.21 – Montagem do equipamento para ensaio de cisalhamento direto: a) Prensa; b) Suporte de aço com rodas; c) Caixa de cisalhamento.

A caixa de cisalhamento foi projetada de modo que a área de contato entre os materiais ensaiados fosse constante e igual a 0,1 m2 _{de área (correspondente a um quadrado de 31,6 cm de lado). A} norma européia prEN ISO 12957-1(CEN, 2000b) requer que as dimensões da área de contato seja no mínimo igual a 300x300 mm. A escolha de projetar uma caixa com dimensões pouco superiores se deve ao fato de que a maior parte dos ensaios de cisalhamento direto realizados em laboratórios

a)

b)

dos EUA adotam uma área de contato equivalente a 1” (pé) quadrado (0,092903 m2_{). Para obter} valores comparáveis aos existentes na literatura, decidiu-se por utilizar as dimensões indicadas (316x316 mm), que além de resultar uma área unitária, tornam os cálculos mais simples.

Os sistemas de fixação da amostra às duas caixas variam conforme o material e os procedimentos de ensaio adotados. O sistema utilizado para a aplicação da carga normal e da força horizontal de cisalhamento é constituído de duas prensas hidráulicas, cada uma dotada de um pistão de carga e de um eixo vertical. A prensa de maior dimensão, sobre a qual é posicionada a caixa, é utilizada para a aplicação da força vertical sobre as amostras, que é mantida constante pelo pistão hidráulico vertical (Pistão 1). A prensa de menor dimensão é empregada na aplicação da força horizontal na caixa inferior de cisalhamento para que esta se desloque a uma velocidade constante. Na extremidade do pistão vertical (Pistão 2) da prensa menor se conecta uma corrente de transmissão, que passa por uma roda dentada fixada na mesa da prensa. Essa roda é responsável por desviar a direção da força vertical em 90o_{, tornando-a horizontal.}

As duas prensas são conectadas a um sistema de aquisição de dados, capaz de gerir cargas de até quatro eixos de modo independente ou combinado. Esta aparelhagem tem permitido um melhor controle das cargas e a gestão dos dados, tornando possível o registro das forças aplicadas e dos deslocamentos de ambos os pistões uma vez por segundo. Durante os ensaios são medidos: a carga vertical do pistão 1 e a velocidade de deslocamento da caixa inferior, que é ligada ao pistão 2. Essas duas grandezas, que devem se manter constantes durante o ensaio, e o andamento da força de tração aplicada, são monitorados por meio de gráficos em tempo real. Os dados registrados pelo programa são transcritos em arquivos do tipo (*.csv), que podem ser trabalhados em programas de uso comum, como o Excel.