Revista Pesquisa e Desenvolvimento Engenharia de Produção
n.3, p. 15 – 26, out 2004
A aplicação do ultra-som para
verificação da resistência de tração à flexão das
telhas em cerâmica vermelha
Armando Paulo dos Santos Neto, M.Sc.
armandopaulo@uol.com.br UFF – Universidade Federal Fluminense Protasio Ferreira e Castro, Ph.D.
pcastro@civil.uff.br UFF – Universidade Federal Fluminense
Resumo
Este trabalho é uma contribuição ao estudo da aplicação de ensaios não destrutivos nas telhas em cerâmica vermelha. Tem como objetivo, correlacionar os dados obtidos no ensaio de ultra-som com os de tração à flexão. Os ensaios foram realizados no laboratório de materiais de construção civil da Universidade Federal Fluminense. A análise dos resultados tem como base fundamentos estatísticos, onde são obtidas as correlações entre os ensaios. Houve correlação entre os dados obtidos da carga de ruptura à tração e os de ultra-som, como será mostrado neste artigo.
Ensaio não destrutivo, ensaio de ultra-som, resistência de tração à flexão, telha, cerâmica.
The application of ultrasonic test for verification of flexural strength on red
ceramic tiles
Abstract
This work is a contribution to the study of non-destructive test on red ceramic tiles. The objective is to have a correlation between the results of ultrasonic tests to flexural strength test. The tests were realized in the Civil Engineering Materials laboratory of Universidade Federal Fluminense. With the assistance of statistics, it was possible to obtain correlations between the
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tests. There was regression between the flexural strength test to ultrasonic test, that will be show in this paper.
Non-destructive test, ultrasonic test, flexural strength test, tile, ceramic.
1. Introdução
O uso da cerâmica vermelha como material de construção data de quase cinco mil anos. Portanto, os produtos com esse material são provavelmente os mais antigos fabricados pelo homem. Ainda hoje a argila é utilizada como matéria-prima para a fabricação de produtos para construção, destacando-se entre outros, as telhas, os tijolos, os blocos de alvenaria estrutural e as manilhas.
O setor da cerâmica vermelha tem aproximadamente o mesmo perfil em praticamente todos os estados do Brasil. Ele apresenta grande potencial de desenvolvimento, constituído por empresas de significativa capacidade tecnológica e também de empresas usuárias de técnicas artesanais. Os problemas enfrentados pelo setor cerâmico brasileiro e o seu reflexo na qualidade dos produtos disponíveis para o consumidor, principalmente em função de existência de não conformidade técnica intencional, são critérios que afetam a confiabilidade dos produtores. É preciso certificar para diferenciar os produtos disponíveis no mercado nacional. A certificação é uma das maneiras de garantir a conformidade do produto, do serviço ou do sistema de gestão da empresa, cada vez mais utilizadas no comércio internacional.
Muitas são as barreiras técnicas impostas pelo mercado externo devido à falta de certificação dos produtos cerâmicos fabricados no Brasil.
A realização de ensaios de laboratório é um dos meios mais freqüentemente usados para avaliar a conformidade. Tipicamente, os ensaios são efetuados sobre uma amostra do produto e seguem procedimentos padronizados estabelecidos em normas técnicas.
A aplicação de ensaios não destrutivos em produtos cerâmicos é um dos tópicos abordados na pesquisa. A técnica de velocidade do pulso ultra-sônico (Ultrasonic Pulse Velocity – UPV) tem sido utilizada para avaliação da qualidade final dos mais diversos produtos. As vantagens do uso do ensaio de UPV e os fatores que influenciam seus resultados têm sido amplamente divulgados. O método de ensaio de propagação do pulso ultra-sônico consiste em medir o tempo necessário para que uma onda ultra-sônica passe de um ponto a outro de um sólido submetido a ensaio. A
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relação entre a distância geométrica dos dois pontos (L) e o tempo (T) medido para que a onda ultra-sônica possa percorrê-la, é expressa como velocidade do pulso ultra-sônico (V), resultado do ensaio realizado no material. Portanto, o ensaio de Pulso Ultra-sônico (UPV) foi desenvolvido a partir da teoria básica para um sólido elástico uniforme.
A avaliação da conformidade dos produtos por meio de ensaio não destrutivo permitirá rápida verificação das características mecânicas especificadas, além de determinar a homogeneidade da produção dos produtos em cerâmica vermelha. Este tipo de ensaio poderá ser utilizado no processo de avaliação da conformidade destes produtos. Posteriormente, auxiliar a transpor as barreiras técnicas impostas pelo mercado externo e ajudar no processo de seleção dos mais diversos tipos de fabricantes pelos consumidores internos.
A pesquisa tem a finalidade de fornecer subsídios no processo de desenvolvimento de futuras normatizações, visando o atendimento da qualidade necessária do produto cerâmico.
A pesquisa é desenvolvida através de programa laboratorial utilizando ensaios normatizados referentes aos produtos em cerâmica vermelha e ensaio de pulso ultra-sônico. Os ensaios experimentais atendem por completo às normas técnicas vigentes de cada produto e equipamento utilizado na pesquisa.
Com base nos dados obtidos pelo ensaio de ultra-som, são desenvolvidos modelos estatísticos que correlacionam o ensaio de UPV com o de carga de ruptura de tração à flexão.
2. Programa experimental
O programa experimental foi desenvolvido no laboratório de materiais de construção da Universidade Federal Fluminense (UFF).
Foram utilizadas telhas em cerâmica vermelha do tipo Francesa, Portuguesa, Romana, Colonial Capa e Colonial Canal.
As telhas foram nomeadas de acordo com os códigos demonstrados na Tabela 2.1.
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Tabela 2.1 – Nomeação das telhas. CÓDIGO DAS TELHAS
ROM - Romana FRA – Francesa POT – Portuguesa CCP - Colonial Capa CCN - Colonial Canal
2.1. Ensaio de pulso ultra-sônico
Todo o ensaio foi realizado de acordo com a NBR 8802. Foram realizados ensaios diretos em cada telha, sendo três o total de leitura por corpo-de-prova, a fim de se verificar a homogeneidade do produto em análise.
Os transdutores utilizados tinham o diâmetro de 30 mm, sendo utilizado vaselina como acoplante.
Com o auxílio de uma trena, foi obtida a distância em milímetros entre os transdutores para cada corpo-de-prova ensaiado.
Os perfis foram ensaiados secos pela atmosfera local.
Os dados obtidos pelo ensaio, são apresentados na análise dos resultados.
2.2. Determinação da carga de ruptura à flexão
Todos os corpos-de-prova foram ensaiados tendo como base a NBR 6462.
Foram executados três coxins em argamassa de cimento e areia no traço de 1:3, sendo dois nas extremidades da face inferior e um no centro da face superior, a fim de distribuir os esforços exercidos pelos dispositivos de flexão. Posteriormente, os coxins foram regularizados com pasta de gesso.
Após a secagem dos coxins, as telhas foram colocadas por 24 h em imersão num recipiente com a capacidade de 1000 l, contendo água potável. Após este processo, os corpos-de-prova foram retirados do recipiente e secos com um pano.
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Posteriormente, foi feita a leitura, através de uma trena, da distância longitudinal entre os coxins inferiores e o superior. Leitura esta expressa em milímetros.
Foi utilizada uma prensa mecânica com uma velocidade de carregamento na ordem de 1,27 mm / min, munida de um conjunto anel e extensômetro, cuja constante “K” do anel aferido era de 1,137 Kgf / divisão.
Foram adaptados um cutelo em cada apoio e um no ponto de carregamento com 180 mm de comprimento. Através desta medida, foi realizada uma distribuição uniforme do carregamento exercido pela prensa mecânica.
A partir da deformação obtida pelo extensômetro e da constante do anel, foram obtidos os valores do carregamento em Kgf / mm no momento da ruptura dos perfis. Multiplicando o comprimento do cutelo pelo carregamento distribuído, foi adquirido o valor da carga concentrada em Kgf.
Alguns valores foram perdidos no momento do ensaio e outros excluídos devido à discrepância de valores. Tal procedimento estatístico é demonstrado a seguir.
Todos os valores obtidos no ensaio são apresentados na análise dos resultados.
Com base nos valores obtidos em cada ensaio, foram feitos estudos estatísticos que serão apresentados e analisados a seguir.
3. Análise dos resultados
Foram utilizados tratamentos estatísticos para melhor avaliar os resultados obtidos nos ensaios desenvolvidos durante a pesquisa.
Para a análise de regressão, foi adotado um risco de 5 % para a verificação da existência significativa da correlação.
Com o objetivo de homogeneizar os resultados obtidos no ensaio de ruptura à flexão, foi feita uma verificação do intervalo de confiança que poderiam conter os resultados de cada tipo de perfil analisado. Contudo, adotou-se um intervalo de 95 % de confiança para a média amostral. Foram excluídos os valores considerados discrepantes e válidos os valores dentro do limite de 95 % em torno da média.
Para a obtenção do intervalo de classe para cada conjunto de dados utilizou-se a seguinte equação:
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ε= s
n 1− . tα, n - 1
Os valores que não pertenciam ao intervalo de classe foram excluídos e uma nova média dos resultados foi calculada.
3.1. Análise dos dados do ensaio de pulso ultra-sônico
Foram feitas três leituras diretas em cada perfil analisado. A partir destes dados, tirou-se a média, obtendo assim, um único valor de tempo de propagação da onda de um ponto a outro do corpo-de-prova. A Figura 3.1 demonstra os pontos onde foram feitas as leituras.
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3
Figura 3.1 – Pontos ensaiados da telha do tipo romana.
Para se obter a velocidade de propagação da onda dos perfis ensaiados, dividiu-se a distância entre os transdutores pelo tempo.
Os resultados encontrados são apresentados nas Tabelas abaixo.
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Tabela 3.1 – Dados do ensaio de pulso ultra-sônico da telha romana. Tempo (µs)
Telhas
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Média Velocidade (mm/µs) ROM 01 131,30 135,00 130,70 132,33 3,10
ROM 02 131,00 132,70 135,70 133,13 3,08 ROM 03 134,50 136,50 134,20 135,07 3,04 ROM 04 133,60 133,00 134,00 133,53 3,07 ROM 05 130,70 133,80 133,40 132,63 3,09
Comprimento das telhas : 41,00 cm
Tabela 3.2 – Dados do ensaio de pulso ultra-sônico da telha portuguesa. Tempo (µs)
Telhas
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Média Velocidade (mm/µs) POT 01 150,20 137,20 139,60 142,33 2,74 POT 02 167,40 139,20 137,00 147,87 2,64 POT 03 152,30 148,20 148,00 149,50 2,61 POT 04 138,40 142,40 142,00 140,93 2,77 POT 05 154,70 140,80 139,50 145,00 2,69 POT 06 138,60 143,10 144,70 142,13 2,74
Comprimento das telhas : 39,00 cm
Tabela 3.3 – Dados do ensaio de pulso ultra-sônico da telha francesa.
Tempo (µs) Velocidade (mm/µs) Média
Telhas
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 (mm/µs) FRA 01 198,00 236,20 214,50 2,05 1,91 1,86 1,94 FRA 02 180,80 212,30 186,80 2,24 2,12 2,14 2,17 FRA 03 193,70 232,80 206,40 2,09 1,93 1,94 1,99 FRA 04 199,50 263,20 199,20 2,03 1,71 2,01 1,92 Ponto 1: 40,50 cm Ponto 2: 45,00 cm Comprimento das telhas
Ponto 3: 40,00 cm
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Tabela 3.4 – Dados do ensaio de pulso ultra-sônico da telha colonial capa. Tempo (µs)
Telhas
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Média Velocidade (mm/µs) CCP 04 179,90 179,30 180,00 179,73 2,61
CCP 05 169,10 169,80 169,90 169,60 2,77 CCP 06 145,50 145,30 153,90 148,23 3,17 CCP 08 167,60 165,80 161,00 164,80 2,85 CCP 09 161,00 184,20 164,00 169,73 2,77
Comprimento das telhas : 47,00 cm
Tabela 3.5 – Dados do ensaio de pulso ultra-sônico da telha colonial canal. Tempo (µs)
Telhas
Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Média Velocidade (mm/µs) CCN 01 131,20 129,90 131,60 130,90 3,51 CCN 02 135,00 157,50 123,20 138,57 3,32 CCN 03 134,60 128,40 135,60 132,87 3,46 CCN 04 135,20 148,20 136,00 139,80 3,29 CCN 05 126,00 139,20 145,00 136,73 3,36 CCN 06 142,00 139,60 148,50 143,37 3,21
Comprimento das telhas : 46,00 cm
3.2. Análise dos dados da determinação da carga de ruptura à flexão
Todos os corpos-de-prova foram aprovados, pois todas as cargas de ruptura foram superiores a da exigida por norma.
Os resultados que apresentaram mais que 5 % das leituras fora do intervalo de cada conjunto de dados de cada tipo de telha, foram excluídos e uma nova média dos valores foi calculada. As Tabelas abaixo representam os valores obtidos no ensaio e os seus respectivos tratamentos.
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Tabela 3.6 – Romana. Tabela 3.7 – Portuguesa. Tabela 3.8 – Colonial canal. Telhas Ftf (Kgf) ROM 01 241,50 ROM 02 317,22 ROM 03 63,44 ROM 04 452,30 ROM 05 394,99 Média 293,89 Desvio Padrão 151,42 504,09 Intervalo 83,69 Média 351,50 Desvio Padrão 91,88 520,33 Intervalo 182,68 Telhas Ftf (Kgf) POT 01 556,68 POT 02 562,82 POT 03 630,35 POT 04 540,30 POT 05 577,14 POT 06 521,88 Média 564,86 Desvio Padrão 37,31 607,76 Intervalo 521,97 Média 559,24 Desvio Padrão 15,26 587,27 Intervalo 531,20 Telhas Ftf (Kgf) CCN 01 390,90 CCN 02 112,56 CCN 03 239,45 CCN 04 110,52 CCN 05 55,26 CCN 06 171,91 Média 180,10 Desvio Padrão 120,84 319,03 Intervalo 41,17 Média 137,94 Desvio Padrão 70,16 235,34 Intervalo 40,54 Média 112,56 Desvio Padrão 47,64 200,10 Intervalo 25,02 © Copyright 2004 23
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Tabela 3.9 – Colonial capa. Tabela 3.10 – Francesa.
Telhas Ftf (Kgf) CCP 01 290,62 CCP 02 419,55 CCP 03 130,98 CCP 04 200,57 CCP 05 270,15 Média 262,37 Desvio Padrão 107,99 412,28 Intervalo 112,46 Média 223,08 Desvio Padrão 72,49 356,28 Intervalo 89,88 Telhas Ftf (Kgf) FRA 01 231,27 FRA 02 141,22 FRA 03 210,80 FRA 04 239,45 Média 205,69 Desvio Padrão 44,63 287,70 Intervalo 123,67
3.3. Análise da correlação entre o ensaio de tração à flexão e UPV
Foram realizados três tipos de regressão: linear, logarítmica e exponencial. Este procedimento teve o intuito de caracterizar qual o tipo de função que melhor se ajustaria às correlações executadas.
Para todos os casos houve regressão.
A Tabela 3.11, demonstra as equações e os erros padrão obtidos nas correlações obtidas.
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Tabela 3.11 – Equações e erros padrão para cada tipo de telha analisada.
Regressão Linear Regressão Logarítmica Regressão Exponencial
Telha Erro Padrão Equação Erro Padrão Equação Erro Padrão Equação Francesa 0,6482 y= -391,94x + 991,53 1,0115 y= -1,8963Ln(x) + 3,62 1,0115 y= 12,06e-0,4102x Romana 70,5210 y= -5546,30x + 17462 1,2323 y= -22,277Ln(x) + 27,63 1,2324 y= 41427e-2,8748x Portuguesa 13,4133 y= -185,90x + 1063 1,0242 y= -0,3906Ln(x) + 3,14 1,0242 y= 7,30e-0,053x Colonial capa 23,1590 y= -297,16x + 1070 1,1063 y= -1,8783Ln(x) + 4,29 1,1064 y= 12,06e -0,285x Colonial canal 13,8772 y= -728,93x + 2513,80 1,2424 y= -9,7172Ln(x) + 13,60 1,2424 y= 622,88e -1,4881x
A partir destas análises, se obtém com bastante significância, modelos estatísticos de correlação entre a carga de ruptura à flexão e o pulso ultra-sônico.
Vale ressaltar que os modelos obtidos são estatísticos e não determinísticos. Neste caso, não pode haver extrapolações nos dados de entrada dos mesmos.
4. Conclusão
O objetivo deste artigo foi fornecer subsídios para a utilização de um ensaio não destrutivo, neste caso o ultra-som, em telhas.
Por ser um equipamento de fácil manuseio, tal método de ensaio proporcionaria uma rápida verificação da resistência mecânica das telhas.
A potencialidade da utilização do UPV nas telhas em cerâmica vermelha, foi evidenciada através da correlação entre os dados do mesmo com os da carga de ruptura de tração à flexão. Obtiveram-se modelos estatísticos que devem ser aprofundados e aperfeiçoados por outras pesquisas. Portanto, com o auxílio do UPV, se poderá obter a resistência das telhas sem que seja necessário rompê-las.
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Referências
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ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – Telha Cerâmica Tipo Francesa – Forma e Dimensão: NBR-8038. 1987.
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – Concreto Endurecido – Determinação da Velocidade de Propagação de Onda Ultra-Sônica: NBR-8802. 1994.
Bungey, J. H. The Testing of Concrete in Structures. New York: Surrey University Press, 1982. Meyer, Paul L. Probabilidade – Aplicações à Estatística. 2ª edição. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 1995.
Spiegel, Murray R. – Estatística. Tradução e revisão técnica Pedro Consentino. 3ª edição. São Paulo: Makron Books, 1993.
Telha Cerâmica Tipo Romana, obtido via internet.
http://www.inmetro.gov.br/cosumidor/produtos/telha.asp.
