Equipamento de Ensaio

Para a realização dos ensaios utilizou-se o equipamento CS 7400-S “Shear Testing System” (ver Figura 2.11a) desenvolvido para a realização de ensaios de corte em pavimentos betuminosos. O equipamento é composto por dois actuadores: um vertical associado às tensões normais; e outro horizontal, associado às tensões de corte, inseridos numa câmara climatizada. Cada actuador tem uma capacidade máxima de 20 kN sendo possível exercer forças cíclicas de tracção/compressão para o actuador vertical e corte positivo/corte negativo para o actuador horizontal. Os ensaios podem ser realizados em controlo de força ou deslocamento, podendo os dois actuadores executarem procedimentos com controlos diferentes e em simultâneo. Cada actuador, neste equipamento, só pode ser controlado por um único sinal, não sendo possível fazer-se um ensaio sob a imposição de um sinal correspondente a uma média ponderada de vários sinais.

Durante a execução dos ensaios estavam disponíveis três transdutores de deslocamentos do tipo “Linear Variable Displacement Transducers” (LVDT’s), para além dos transdutores internos de cada actuador.

Extensão Axial [mm/m] Extensão Axial [mm/m]

Tensão Axial [MPa]

(a) (b)

Figura 2.11 – Equipamento de ensaio do Laboratório Júlio Barreiros Martins: (a) CS 7400-S; e (b) plataforma de ensaio

Os provetes de ensaio foram colocados em pratos circulares de aço que são fixados aos actuadores através de amarras (ver Figura 2.11b). Como um provete de ensaio é composto por duas unidades de pedra, cada unidade é fixada a um único prato, por intermédio de um conjunto de batentes. Os batentes são formados por dois prismas de aço com uma secção de 30 × 35 mm2, fixados através de dois parafusos roscados. Num dos prismas as aberturas dos parafusos são ovalizadas para permitir o ajuste da unidade ao prato (ver Figura 2.12).

Unidade 1 parafusos parafusos em furos ovalizados calços em borracha batentes (a) calços em borracha teflon (2 folhas) Provete 1 batentes Provete 2 teflon (2 folhas) Unidade 1 Unidade 2 (b)

Figura 2.12 – Pratos de suporte para os provetes de ensaio: (a) planta do prato inferior; e (b) alçado dos dois pratos

O contacto dos prismas com as unidades é realizado por intermédio de dois calços neoprene, com uma secção de 15 × 3 mm2_{, dispostos de forma a minimizar o efeito da}

flexão na superfície de contacto entre as duas unidades, uma vez que as forças induzidas pelo actuador de corte são excêntricas. Se os provetes fossem colados aos pratos de ensaio essa excentricidade seria máxima e, consequentemente, os momentos flectores também o seriam.

Para evitar este efeito, optou-se por introduzir não só os calços de borracha como também duas folhas de teflon sob as unidades, com 115 µm de espessura, oleadas com óleo muito fino, de forma a não existir qualquer encastramento da base das unidades aos pratos. Dada a inversão de deslocamento prevista no ensaio, para não permitir qualquer folga entre as unidades e os pratos de ensaio, os batentes foram grampeados, confinando, assim, as unidades de ensaio. A dimensão máxima admissível em altura para os provetes é

cerca de 85 mm, face ao curso do actuador vertical, o que condiciona as dimensões máximas dos provetes.

No processo de preparação dos provetes, quaisquer manuseamento foi realizado com o máximo cuidado, tendo em vista minimizar eventuais efeitos negativos. Tendo em consideração os factores que possam afectar os resultados laboratoriais, a preparação de cada provete de ensaio considerou as seguintes fases:

• Foram colocadas folhas de teflon previamente oleadas sobre os pratos de ensaio, sendo a folha superior a de maior dimensão;

• Entre a folha superior de teflon e a base da unidade foi aplicada uma camada de resina epóxida (DEVCON), à base de metais com cerca de 3 mm de espessura, de presa rápida (ao fim de sessenta minutos atinge 90% da resistência máxima, alcançada ao fim de vinte e quatro horas);

• As unidades foram colocadas directamente sob a camada de resina com a finalidade de, após uma pré-compressão, permanecerem rectificadas, ficando as superfícies de contacto o mais possível ajustadas;

• Os calços de borracha foram cuidadosamente colocados de forma a que o seu centro de massa ficasse colocado o mais afastado possível da base dos pratos, mas perfeitamente encostado aos prismas metálicos;

• Os prismas foram confinados com os grampos, procedendo-se ao rápido aperto dos

parafusos dos pratos. Do confinamento dos batentes resulta uma força de pré-compressão axial P paralela ao maior eixo das unidades;

• Ambos os pratos foram colocados na prensa de ensaio, procedendo-se à ancoragem dos pratos aos actuadores;

• Foi colocada entre as superfícies de contacto das duas unidades uma folha de teflon para não danificar as propriedades da junta e foi exercida uma pré-compressão, da ordem da tensão normal pretendida no ensaio a realizar, durante cerca de 60 min, de forma a que o excesso de resina entre a folhas de teflon e as unidades fosse expelido e a resina atingisse um nível de presa aceitável, para a realização do ensaio;

• Antes de se proceder ao ensaio, o provete era aliviado da sua força vertical, para permitir retirar a folha de teflon de protecção da junta.

Durante o tempo de presa da resina, a colagem dos LVDT’s era efectuada de acordo com a disposição da Figura 2.13a. Devido ao número de LVDT’s existente, apenas foi possível monitorizar uma face dos provetes. Em princípio, não será de esperar a ocorrência de rotações significativas em torno do eixo longitudinal das unidades.

(a) (b)

Figura 2.13 – Disposição dos LVDT’s: (a) vistas em alçado lateral e frontal; e (b) fotografia da disposição dos LVDT’s após o ensaio

Para a execução dos ensaios usaram-se LVDT’s GTX500Z com um curso de 0.5 mm, com uma sensibilidade de 240 mV.N/mm e uma linearidade de 0.25% para o seu curso máximo. Na ligação dos LVDT’s ao equipamento de ensaio teve-se o cuidado de utilizar tomadas de ligação com pernos banhados a ouro para minimizar o ruído do sinal do conjunto LVDT – fio de ligação.

O esquema estrutural do ensaio, descrito anteriormente, encontra-se ilustrado na Figura 2.14 onde é possível observar, para um deslocamento horizontal imposto, o modo de funcionamento dos batentes, a excentricidade mínima da força de corte induzida através dos calços de borracha e a pré-compressão P devida ao confinamento dos batentes.

Fn δs Unidade 2 Unidade 1 P P

Figura 2.14 – Esquema estrutural do ensaio

É de salientar que a força P, exercida pelos grampos, não pode ser desprezada dentro do sistema de forças, uma vez que, para a medição da força exercida pelos grampos, em nove leituras consecutivas, com a força semelhante de aperto realizada manualmente e sempre pelo mesmo indivíduo, se obteve um valor médio de 4227 N, com um coeficiente de variação de 12%. Portanto, apesar de se pretender unicamente um estado uniaxial de tensão, na direcção da tensão normal (ver Figura 2.14), antes de aplicar a força Fn, já existe um estado uniaxial paralelo ao maior eixo das unidades, que, após a aplicação da força vertical passará a ser biaxial. Contudo, o estado biaxial de tensão nas unidades não afectará o estudo da junta, uma vez que se pretende determinar a variação da força de corte, bem como os deslocamentos, horizontal e vertical, relativos entre as duas unidades. 2.2.4.1 Validação do Método de Ensaio

Para comparar o método de ensaio utilizado com os descritos na Secção 2.2.1 construiu-se um modelo de elementos finitos (ver Figura 2.15a) englobando elementos de junta, com tensão de tracção nula, com uma tangente do ângulo de atrito de 0.75 e com coesão igual a zero, para simular o contacto entre as unidades. Da análise efectuada, foi possível observar a existência de uma distribuição de tensões normais e de corte, não uniformes ao longo da junta, antes e após deslizamento.

Imediatamente antes da plastificação da junta constata-se a existência de zonas com maior concentração de tensões. Estas zonas estão muito próximas dos batentes (ver Figura 2.15b e Figura 2.15c). A distribuição das tensões normais e de corte, na junta, está ilustrada na Figura 2.16.

(a)

(b) _(c)

Figura 2.15 – Modelo numérico: (a) malha de elementos finitos; (b) tensões normais antes da plastificação da junta (×200); e (c) tensões de corte antes da plastificação da junta (×200)

No caso das tensões de compressão, o seu valor médio é igual ao valor pretendido de 1.5 MPa, sendo o valor máximo 43% superior ao valor pretendido e o mínimo 19% inferior. Em termos de tensões de corte, o valor médio é de 0.86 MPa, sendo o valor máximo igual a 1.15 MPa. Na Figura 2.16a podem-se ainda observar o ponto onde ocorre inicialmente a plastificação da junta (quadrados a sombreado).

Distribuição das Tensões na Junta

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 Distância (mm) Tensão (MPa) Tensões Verticais Tensões de Corte (a)

Quociente entre a Tensão de Corte e a Tensão Vertical -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 Tensão Vertical (MPa)

Tensão de Corte (MPa)

Modelo Critério de Cedência τ σ 0.75 (b)

Figura 2.16 – Estado de tensão na junta: (a) distribuição de tensões normais e de corte; e (b) localização do estado de tensão no gráfico σ-τ

Após a plastificação total da junta, todos os pontos da secção estão sobre a recta do critério de cedência. A tensão vertical média mantém-se igual a 1.5 MPa, sendo o valor

batentes calços de neoprene elementos de junta (MPa) (MPa)

máximo igual a 2.14 MPa. A média das tensões de corte é de 1.14 MPa, com um máximo de 1.61 MPa.

A relação entre a força horizontal e a força vertical, no modelo, é de 0.75, o que corresponde ao valor inserido no modelo constitutivo, tanφ = 0.75.

Verifica-se, ainda, que a distribuição das tensões normais e de corte é, praticamente, constante em cerca de 63% da secção da junta.

(a) (b)

Distribuição das Tensões na Junta

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 Distância (mm) Tensão (MPa) Tensões Verticais Tensões de Corte (c)

Quociente entre a Tensão de Corte e a Tensão Vertical 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 Tensão Vertical (MPa)

Tensão de Corte (MPa)

Modelo Critério de Cedência τ σ 0.75 (d)

Figura 2.17 - Distribuição de tensões após plastificação: (a) tensões de compressão (×50); (b) tensões de corte (×50); (c) tensões de compressão e corte, ao longo da junta; e (d) localização do estado de tensão no gráfico σ-τ

Em conclusão, pode-se afirmar que a zona em que se verifica uma distribuição quase uniforme de tensões se situa a meio da junta e ao longo de aproximadamente 50 mm. No entanto, parece possível concluir que se trata de um ensaio adequado, uma vez que, por um lado ocorrem variações significativas das tensões instaladas e por outro o quociente entre a força vertical aplicada e a reacção horizontal medida no modelo é igual ao valor da tangente do ângulo de atrito da junta, adoptado para o material.