Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura
e Urbanismo
Prova de carga em estruturas de concreto
Clayton Reis de Oliveira
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura
e Urbanismo
Prova de carga em estruturas de concreto
Clayton Reis de Oliveira
Orientador: Prof. Dr. Armando Lopes Moreno Junior
Dissertação apresentada à Comissão de pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil na área de concentração de Estruturas.
Campinas, SP
2006
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
OL41p
Oliveira, Clayton Reis de
Prova de carga em estruturas de concreto. / Clayton Reis de Oliveira.--Campinas, SP: [s.n.], 2006.
Orientador: Armando Lopes Moreno Junior
Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
1. Engenharia de estruturas. 2. Concreto. 3. Estabilidade estrutural. 4. Edificações. I. Moreno Junior, Armando Lopes. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Titulo em Inglês: Load proof in concrete structurals
Palavras-chave em Inglês: Structural evaluation, Load test, Structures, Concrete Área de concentração: Estruturas
Titulação: Mestre em Engenharia Civil
Banca examinadora: Maria Cecília Amorim Teixeira da Silva e Turíbio José da Silva Data da defesa: 25/08/2006
RESUMO
OLIVEIRA, C. R. Prova de carga em estruturas de concreto. 2006. 129p. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. Universidade Estadual de Campinas, Campinas.
Um dos testes mais eficientes para verificar a segurança de uma estrutura concluída é uma prova de carga. Quando existem dúvidas quanto à estabilidade de uma estrutura, devido a fatores, dentre outros, como qualidade dos materiais de construção, utilização ou manutenção inadequada ou até mesmo uma nova utilização da edificação, diferente daquela inicialmente prevista no projeto, uma prova de carga é recomendada. Este trabalho visa apresentar os critérios mais importantes que devem ser considerados em uma prova de carga. Avalia procedimentos das normas brasileira (NBR 9607-1986), americana (ACI 318-2002), australiana (AS 3600-2001) e recomendações espanhola (EHE-1998) e européia (Rilem TBS-2 –1984). Destaca aspectos como a obrigatoriedade de uma prova de carga, intensidade do carregamento a ser aplicado, análise dos resultados e critérios de aceitação estipulados pelas referidas normas e recomendações.
Palavras-Chave: avaliação estrutural, prova de carga, estruturas, concreto.
ABSTRACT
OLIVEIRA, C. R. Load proof in concrete structurals. 2006, 129p. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. Universidade Estadual de Campinas, Campinas.
One of the most efficient tests to verify the safety of a structure concluded is a load test. When doubts exist about the stability of a structure, due to factors, among other, as quality of the construction materials, use or inadequate maintenance or even a new use of the construction, different from that initially foreseen in the project, a load test is recommended. This work seeks to present the most important criteria that should be considered in a load test. It evaluates procedures of the Brazilian Code (NBR 9607-1986), American Code (ACI 318-2002), Australian Code (AS 3600-2001), Spanish Recommendations (EHE-1998) and European Recommendations (Rilem TBS-2 -1984). Aspects as the compulsory nature of a load test, intensity of the applied load, analysis of the results and acceptance criteria stipulated by the referred codes and recommendations are considered.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos aqueles que acreditaram em mim, mesmo em meio a grandes lutas, sabiam que mais uma etapa da vida iria ser concretizada.
Em especial, esta a quem muito amo e que tem sido minha grande companheira nos momentos de alegria e tristeza, minha amada
AGRADECIMENTOS
A Deus, que é poderoso para fazer infinitamente mais do que tudo quanto pedimos ou pensamos, conforme o seu poder que opera em nós.
Aos meus pais Sebastião e Julieta, pelo apoio e incentivo e pelo caráter que formaram em mim.
Aos meus irmãos Elza, Messias e Ronaldo, que muito contribuíram em momentos difíceis da vida.
Ao meu orientador Prof. Dr. Armando Lopes Moreno Júnior, pela orientação, ensinamentos e profissionalismo durante toda a etapa do trabalho.
Aos amigos Rev. Anderson Godói, Carlos César, Marcos Funchal, Elias, Edwuin, Paulo Sérgio Bardella, Douglas, Joander, Fábio, Edson Gusmões e Adson, que muito me ajudaram nesta longa jornada.
Aos funcionários da Secretaria de pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo (FEC), pela grande ajuda em muitos momentos dessa caminhada.
Aos funcionários da Biblioteca da Área de Engenharia (BAE) pelo auxílio e pela boa disposição em oferecer ajuda.
Aos professores Gilberto Miranda de Lima e Manoel Reginaldo Ferreira, pela oportunidade e confiança em mim depositadas.
“
Lança o teu pão sobre as águas, porque depois de muitos dias o acharás”.(Eclesiastes 11.1)
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...xxv
LISTA DE TABELAS...xxxv
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS
...1CAPÍTULO 2 – OBJETIVOS...7
2.1 OBJETIVO GERAL...7
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...7
2.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO...7
CAPÍTULO 3 – PROVA DE CARGA EM ESTRUTURAS...9
3.1 HISTÓRICO DOS TESTES DE CARREGAMENTO...9
3.2 A IMPORTÂNCIA DE UMA PROVA DE CARGA...18
3.3 CLASSIFICAÇÃO DAS PROVAS DE CARGA...19
3.4 FINALIDADE DE UMA PROVA DE CARGA...20
3.4.1 Verificação do Comportamento Global de Edifícios...21
3.4.2 Verificação do Comportamento Estático de Pontes e Viadutos...22
3.4.3 Verificação do Comportamento Dinâmico da Estrutura...23
3.4.4 Verificação da Resistência de Estruturas sob novos Carregamentos.24 3.4.5 Aceitação de Estruturas Especiais...25
3.4.6 Para Fins de Pesquisa...27
CAPÍTULO 4 – CARREGAMENTO DE PROVA
...294.1 MATERIAIS DE ALTA DENSIDADE...30
4.2 ÁGUA...31
4.3 MACACOS HIDRÁULICOS...33
4.4 USO DE VÁRIOS TIPOS DE CARREGAMENTOS...34
CAPÍTULO 5 – INSTRUMENTAÇÃO...37
5.1 EXTENSÔMETROS...38
5.1.1 Extensômetro Mecânico...39
5.1.2 Extensômetro Elétrico...41
5.1.3 Extensômetro de Fibra Ótica...43
5.2 TRANSDUTOR INDUTIVO DE DESLOCAMENTO...46
5.3 DEFLETÔMETRO...48
5.4 CLINÔMETRO...50
5.5 INSTRUMENTOS DE TOPOGRAFIA
.
...515.5.1 Estações Totais...51
5.5.2 Níveis Digitais...52
CAPÍTULO 6 – CRITÉRIOS DE CONTROLE
...556.1 FATORES QUE CAUSAM INFLUÊNCIAS DURANTE UM TESTE DE CARGA.55 6.2 TESTES EM ESTRUTURAS DETERIORADAS...57
6.3 AVALIAÇÃO PRÉVIA À REALIZAÇÃO DE UMA PROVA DE CARGA...58
6.4 PÓS-MONITORAMENTO EM ESTRUTURAS TESTADAS...60
7.2 RECOMENDAÇÃO PARA A EXECUÇÃO DE UM ENSAIO DE PROVA DE
CARGA...62
7.2.1 Recomendação segundo a NBR 9607 (1986)...62
7.2.2 Recomendação segundo o ACI - 318 (2002)...62
7.2.3 Recomendação segundo a Rilem TBS-2 (1984)...63
7.2.4 Recomendação segundo a AS 3600 (2001)...63
7.2.5 Recomendação segundo a EHE (1998)...64
7.2.5.1 As provas de carga regulamentares...64
7.2.5.2 As provas de carga como informações complementares...64
7.2.5.3 As provas de carga para avaliar a capacidade resistente...64
7.3 INTENSIDADE DO CARREGAMENTO DE PROVA...65
7.3.1 Intensidade de carga segundo a NBR 9607 (1986)...65
7.3.2 Intensidade de carga segundo o ACI-318 (2002)...67
7.3.3 Intensidade de carga segundo a Rilem TBS-2 (1984)...67
7.3.3.1 Intensidade da carga para verificação das condições de serviço...67
7.3.3.2 Intensidade da carga para definir o máximo carregamento de serviço...68
7.3.3.3 Intensidade da carga para definir a resistência última...68
7.3.4 Intensidade de carga segundo a AS 3600 (2001)...68
7.3.5 Intensidade de carga segundo a EHE (1998)...68
7.4 FORMA DE APLICAÇÃO DO CARREGAMENTO...69
7.4.2 Aplicação do Carregamento segundo o ACI-318 (2002)...70
7.4.3 Aplicação do Carregamento segundo a Rilem TBS-2 (1984)...70
7.4.4 Aplicação do Carregamento segundo a AS 3600 (2001)...71
7.4.5 Aplicação do Carregamento segundo a EHE (1998)...71
7.5 CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO...71
7.5.1 Aceitação segundo a NBR 9607 (1986)...72
7.5.2 Aceitação segundo o ACI-318 (2002)...72
7.5.3 Aceitação segundo a Rilem TBS-2 (1984)...74
7.5.3.1 Critérios de aceitação conhecendo a capacidade de resposta da estrutura...75
7.5.3.2 Critérios de aceitação desconhecendo a capacidade de resposta da estrutura...77
7.5.4 Aceitação segundo a AS 3600 (2001)...77
7.5.4.1 Avaliação quanto à resistência...77
7.5.4.2 Avaliação quanto ao deslocamento...78
7.5.5 Aceitação segundo a EHE (1998)...78
7.5.5.1 Aceitação para as provas de carga regulamentares e para as provas de carga como informações complementares...78
7.5.5.2 Aceitação para as provas de carga para avaliar a capacidade resistente...79
7.6 ANÁLISE COMPARATIVA DAS NORMAS...80
CAPÍTULO 8 – EXECUÇÃO DE UMA PROVA DE CARGA ESTÁTICA
....858.3 INSTRUMENTAÇÃO DA ESTRUTURA E TIPOS DE CARREGAMENTOS
UTILIZADOS...89
8.4 EXECUÇÃO DO ENSAIO...90
8.5 TÉRMINO DAS ATIVIDADES...92
CAPÍTULO 9 – ESTUDO DE CASO...95
9.1 PRIMEIRO ENSAIO...95
9.1.1 Considerações Preliminares...97
9.1.2 Fases da Prova de Carga...98
9.1.3 Execução do Ensaio...101 9.1.4 Resultados e Conclusão...103 9.2 SEGUNDO ENSAIO...106 9.2.1 Considerações Preliminares...106 9.2.2 Execução do Ensaio...108 9.1.3 Resultados e Conclusão...112
9.3 AVALIAÇÃO DOS ENSAIOS COM BASE NAS NORMAS E RECOMENDAÇÕES...118
9.3.1 Recomendação para uma Prova de Carga...118
9.3.2 Intensidade do Carregamento de Prova...118
9.3.3 Forma de Aplicação do Carregamento...119
9.3.4 Critérios de Aceitação...119
CAPÍTULO 10 – CONSIDERAÇÕES FINAIS...121
CAPÍTULO 11 – PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS...123
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 3.1 Ilustração do teste de carregamento em uma barra executado por Leonardo Da Vinci. Fonte: Timoshenko (1953)...9
FIGURA 3.2 Ilustração do teste de tensões executado por Galileo. Fonte: Timoshenko (1953)...10
FIGURA 3.3 Ilustração do teste de tensões em barras fletidas executado por Galileo. Fonte: Timoshenko (1953)...11
FIGURA 3.4 Corte longitudinal esquemático da ponte Victor Konder. Esses (1993 apud Palazzo 2002)...15
FIGURA 3.5 Rolos compressores utilizados como carga de prova na ponte Victor Konder. Fonte: Esses (1993 apud Palazzo 2002)...15
FIGURA 3.6 Foto geral da ponte de Lindóia. Fonte: Esses (1993 apud Palazzo 2002)...16
FIGURA 3.7 Rolos compressores utilizados como carga de prova na ponte de Lindóia. Fonte: Esses (1993 apud Palazzo 2002)...16
FIGURA 3.8 Carga máxima colocada no meio do vão, utilizando sacos de areia. Fonte: Esses (1993 apud Palazzo 2002)...17 FIGURA 3.9 Descarregamento no meio do vão. Fonte: Esses (1993 apud Palazzo
FIGURA 3.11 (A) Posições dos veículos sobre o tabuleiro (B) Ilustração do arranjo das
cargas. FONTE: Félix et al. (2003)...23
FIGURA 3.12 Protótipo para ensaio. Fonte: Nóbrega (2004)...27
FIGURA 4.1 Caminhões utilizados como carregamento. Fonte: Casadei e Nanni (2000)...29
FIGURA 4.2 Sacos de areia utilizados como carga do teste. Fonte: Cánovas (1988)....31
FIGURA 4.3 Agregados graúdos utilizados como carga do teste, em ensaio realizado na Unicamp...31
FIGURA 4.4 Água utilizada como carga do teste. Fonte: Rodrigues (2000)...32
FIGURA 4.5 Macacos hidráulicos. Fonte: Mettemeyer e Nanni (1999)...33
FIGURA 4.6 Macacos hidráulicos instalados. Fonte: Mettemeyer e Nanni...34
FIGURA 5.1: Esquema de alavancas do extensômetro mecânico. Fonte: Adaptado de Takeya (2003)...40
FIGURA 5.2: Extensômetro mecânico analógico. Fonte: Byle et al. (1997)...41
FIGURA 5.3: Extensômetros elétricos: (A) uniaxial; (B) biaxial; (C) triaxial. Fonte: www.vishay.com/brands/measurements_group/strain_gages/mmter.htm ...42
FIGURA 5.4: Configuração básica da ponte de Wheatstone. Fonte: Almeida (1996)....43
FIGURA 5.6: Extensômetro de fibra ótica aplicado à superfície. Fonte: Moerma et al.
(2001)...45
FIGURA 5.7: Extensômetro de fibra ótica imerso na massa de concreto. Fonte: adaptado de Moerma et al. (2001)...45
FIGURA 5.8: Transdutor Indutivo de Deslocamento (LVDTs). Fonte: Mettemeyer e Nanni (1999)...46
FIGURA 5.9: LVDTs montados em tripés de alumínio. Fonte: Mettemeyer e Nanni (1999)...46
FIGURA 5.10: Sistema de engrenagens que compõe o defletômetro analógico. Fonte: Takeya (2003)...48
FIGURA 5.11: Defletômetro analógico. Fonte: Starret (2004)...49
FIGURA 5.12: Defletômetro digital. Fonte: Starret (2004) ...49
FIGURA 5.13: Suporte do defletômetro. Fonte: Starret (2004)...50
FIGURA 5.14: Clinômetro. Fonte: http://www.compuserv.com.br/lojavirtual/detalhe.asp?id=1000&cs=419516 ...50
FIGURA 5.15: Estação total...51
FIGURA 5.17: Nível Digital...53
FIGURA 7.1: Abertura de fissuras...74
FIGURA 7.2: Extensão das fissuras próximas aos apoios. ...75
FIGURA 8.1: Avaliação de uma estrutura de concreto armado...88
FIGURA 8.2 Fluxograma das atividades de controle de uma prova de carga. Fonte: NBR 9607 (1986)...93
FIGURA 9.1 Vistas dos pavimentos inferior e superior do painel de lajes a ser analisado...95
FIGURA 9.2 Disposição, em planta, da estrutura do painel em análise ...97
FIGURA 9.3 Região representativa do painel – região de carga ...98
FIGURA 9.4 (A) Instrumentação da laje 01 (deformação nas armaduras longitudinal e transversal). (B) Instrumentação da viga V2 (deformação nas armaduras longitudinais)...99
FIGURA 9.5 Instrumentação das armaduras do pilar central (recuperação após a instrumentação)...100
FIGURA 9.6 Instrumentação do pilar (recalque da fundação)...101
FIGURA 9.7 (A) Carregamento das lajes L01 e L02. (B) Movimentação das empilhadeiras sobre o painel...102
FIGURA 9.8 Deformação na armadura...104
Figura 9.9: (A) Vista em planta da ponte. (B) Corte transversal da ponte. (C) Corte longitudinal da ponte. Fonte: Projeto executivo...106
Figura 9.10: Lajes da ponte. Fonte: Projeto executivo...107
Figura 9.11: Pilar de centragem. Fonte: Palazzo (2002)...108
Figura 9.12. Alvos auto-adesivos. Fonte: Palazzo (2002)...109
Figura 9.13. Refletor instalado. Fonte: Palazzo (2002)...109
Figura 9.14: Posicionamento dos aparelhos e pontos de observados. Fonte: Palazzo (2002)...110
Figura 9.15: Posições em que o caminhão parou sobre a ponte. Fonte: Palazzo (2002)...111
Figura 9.16: Deslocamentos obtidos pela estação total. Fonte: Palazzo (2002)...114
Figura 9.17: Deslocamentos obtidos pela estação total. Fonte: Palazzo (2002)...115
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1 Histórico dos testes de carregamento. Fonte: Hall e Tsai
(1989)...12
TABELA 7.1 Classificação das provas de carga. Fonte: NBR-9607 (1986)...66
TABELA 7.2 Limites de deslocamentos verticais. Fonte: AS 3600 (2001)...78
TABELA 9.1: Valores fornecidos pelo nível durante a prova de carga...113
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Desde sua criação na França, no século XIX, o concreto armado tem se mostrado um excelente material de construção para os mais variados tipos de obras. Sua eficiência é manifestada na segurança, conforto, versatilidade e nos custos das obras em relação a outros materiais.
Além de ser utilizado individualmente, o concreto armado pode ser utilizado em conjunto com outros materiais, o que também possibilita a execução de elementos previamente moldados e depois inseridos nas estruturas. A união desses fatores faz com que sistemas estruturais fundamentados em elementos de concreto armado sejam os sistemas mais empregados no mundo, quando comparados a outros sistemas estruturais.
O que se espera de uma estrutura em concreto armado, de acordo com Andrade (1992), é que essa cumpra requisitos mínimos de segurança, funcionalidade e aspecto estético que lhe sejam exigidos em função das ações e influências ambientais que venham a atuar sobre a mesma durante sua vida útil.
Entretanto, o que se tem verificado na atualidade é que um número significativo de estruturas em concreto armado tem sido vítimas de deteriorações em virtude de determinados problemas patológicos. Esses problemas estão associados ao uso e/ou ambiente em que estas estruturas estão inseridas.
utilização, inicialmente prevista em projeto, modificadas, com incrementos de carregamento.
Em trabalho de Faber, Val e Stewart (2000), é dado uma alerta a respeito do evidente envelhecimento de estruturas de pontes nos EUA, Europa, Canadá e Austrália. Fato semelhante acontece em vários países.
No Brasil, conforme Palazzo (2003) a situação de estruturas como pontes rodoviárias pode ser considerada idêntica a este quadro de depreciação. Uma verificação de resistência é necessária, motivada por novos valores de carregamentos impostos pelo aumento de tráfego e pela ausência de uma política de manutenção.
Rocha (1942), na década de quarenta, já citava o fenômeno do desenvolvimento dos transportes rodoviários e ferroviários no Brasil, salientando o continuado aumento de carga proveniente do tráfego e, por conseqüência, a necessária reforma ou substituição precoce de estruturas, clamando pelo projeto e execução de obras mais arrojadas.
Fatores dessa natureza também aconteciam com as edificações urbanas devido à valorização imobiliária. Edifícios fabris passaram a ser adaptados a novas utilizações, nem sempre com alívios de carregamentos.
A construção de novas estruturas é tarefa difícil, especialmente se levarmos em consideração o grande volume de capital e tempo envolvidos. Entretanto, muitas estruturas podem ser utilizadas sem implicações de segurança, mediante uma avaliação estrutural. Nessa perspectiva, segundo Plewes e Schousboe (1967), duas alternativas podem ser empregadas na avaliação de uma estrutura existente: o método analítico ou o método experimental.
Ainda, conforme Plewes e Schousboe (1967), uma avaliação analítica abrange análises teóricas de tensões na estrutura. Tal análise deve ser fundamentada em
inspeções dos detalhes dos elementos e sua união com a estrutura, verificando as propriedades dos materiais, qualidade dos mesmos, condições de deterioração e manutenção. Com base nessas informações, um modelo estrutural compatível com o comportamento real da estrutura é criado e processado para a avaliação.
No Brasil, a norma NBR 6118 (2003) “Projeto de estruturas de concreto - Procedimento” distingue cinco maneiras de análise estrutural através de avaliação analítica: análise linear, análise linear com redistribuição, análise não-linear, análise plástica e análise através de modelos físicos. Da mesma forma, esta norma admite que para aceitação do projeto ou obra é suficiente mostrar a conformidade com a norma, por apenas uma.
Já o método experimental consiste basicamente na aplicação direta de cargas na estrutura ou em partes dela, para avaliação de seu comportamento sob carga, seja em relação a situação última ou em serviço. No Brasil esse método é prescrito pela NBR 9607 (1986) “Concreto endurecido - prova de carga em estruturas de concreto armado e protendido”.
Doebelin (1990) analisa os aspectos dos métodos analíticos e experimentais e destaca suas principais características. Segundo o autor, os métodos analíticos exigem aplicações de hipóteses matemáticas, onde o problema real é simulado através de modelos. Nos dias atuais, os modernos computadores permitem um tratamento teórico mais próximo da situação real, o que não se conseguia fazer no passado. Entretanto, vale observar que seus resultados sempre estarão condicionados à similaridade de comportamento do modelo com a situação real.
Em relação aos métodos experimentais, Doebelin (1990) salienta que os mesmos revelam o comportamento real da estrutura sob carga. Todavia, o citado autor alerta para os aspectos da precisão na condução do teste e obtenção de dados e aferição dos equipamentos de medida.
Em relação às estruturas de concreto, Kaefer (2000) observa que, em geral, seu comportamento é difícil de ser representado, pois são inúmeros os aspectos a serem considerados, entre eles:
(a) o emprego de materiais (concreto e aço) com diagramas tensão-deformação não
lineares, com características físicas que variam conforme a idade do concreto (fluência no caso de concreto e relaxação para os aços);
(b) o processo de construção artesanal, que pode inserir imperfeições na construção:
“bicheiras” devido a uma má vibração do concreto, falta de prumo em pilares, cobrimentos insuficientes e concretos com características diferentes nos diversos pontos da construção;
(c) o processo de construção incremental, que faz com que existam concretos com
diversas idades na construção, com características físicas diferentes, ocasionando uma grande redistribuição de esforços pela estrutura (Ishitani, 1998, apud Kaefer 2000);
(d) a interação entre o solo e a estrutura; (e) os esforços do vento;
(f) as exigências quanto à durabilidade da estrutura (abertura de fissuras); (g) a grande quantidade de elementos básicos (a saber: vigas, lajes, pilares); e
(h) a presença constante de elementos complementares (escadas, caixa d’água) e de
fundação (blocos, estacas, cortinas, etc.).
Nesta perspectiva, Rocha et al. (1999), observam que a análise do comportamento estrutural de um edifício, que apresenta certas patologias e, ainda, possui certa idade, pode ser dificultada quando não há nenhuma informação documental, como memorial de cálculo ou plantas executivas da estrutura e fundação. Este conceito se aplica não somente a edifícios, mas pode ser estendido a qualquer estrutura de concreto armado.
Desta forma, deve ser observado que o julgamento da real capacidade resistente de estruturas, de forma a orientar prováveis reforços (quando necessários), não pode ser exclusivamente assentado em procedimentos analíticos. O teste de carregamento
direto nestas estruturas é o meio aconselhado para resolver o problema, pois ao colocarmos as estruturas nas condições para as quais foram projetadas, estaremos em condição de observar o seu real comportamento.
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2.1 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo contribuir ao estudo da avaliação experimental de estruturas de concreto armado através do ensaio de prova de carga estática. É um trabalho descritivo que mostra a evolução histórica dos testes de carga em estruturas, as definições acerca do ensaio e os procedimentos de execução de um teste desta natureza.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Descrever sobre testes de carga em estruturas e elementos estruturais de concreto armado.
Definir parâmetros envolvidos em um ensaio de prova de carga estática, como carregamentos e instrumentação.
Analisar especificações referentes a ensaios de provas de carga estática contidas em documentos normativos nacionais e internacionais.
Descrever a execução de um ensaio de prova de carga estática.
2.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
Este trabalho é constituído de 11 capítulos, que estão divididos da seguinte maneira:
Capítulo 2
– Objetivos: descreve os objetivos da pesquisa.Capítulo 3 – Prova de carga em estruturas: descreve um histórico dos testes
de carga em elementos estruturais e estruturas, abordando definições e classificações do ensaio.Capítulo 4
– Carregamento de prova: aborda definições e maneiras de gerar a carga na estrutura ou elemento estrutural ensaiado.Capítulo 5 – Instrumentação: apresenta alguns instrumentos frequentemente
utilizados nos ensaios.Capítulo 6
– Critérios de controle: adverte sobre os critérios de segurança durante uma prova de carga.Capítulo 7
– Aspectos normativos: descreve acerca de especificações sobre provas de carga fundamentadas nas normas, brasileira, americana, australiana e recomendações espanhola e européia. Analisa comparativamente estes documentos.Capítulo 8 – Execução de uma prova de carga estática: descreve a
metodologia a ser desenvolvida na execução de uma prova de carga estática.Capítulo 9
– Estudo de caso: apresenta a execução de dois ensaios de prova de carga.Capítulo 10 – Considerações finais: encerra o trabalho.
Capítulo 11
– Propostas para trabalhos futuros: apresenta propostas para desenvolvimento de novos trabalhos.C
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3.1 HISTÓRICO DOS TESTES DE CARREGAMENTO
Os egípcios ergueram suas grandes obras há milhares de anos. Entretanto, não há registros documentais dos critérios de avaliação dos materiais e das estruturas usados por eles.
De acordo com Timoshenko (1953), foi Leonardo da Vinci, no século XV, o primeiro a documentar testes de carregamento com a finalidade de avaliar o comportamento estrutural dos materiais. Em uma de suas notas, intitulada “Testando a resistência de barras de ferro de vários comprimentos”, Da Vinci descreve o teste de carregamento ilustrado na figura 3.1, e faz a seguinte observação: “O objetivo deste teste é encontrar a carga que uma barra de ferro pode suportar”. O teste deveria ser feito variando o comprimento da barra e o peso dos cestos de areia e quando as barras fossem rompidas deveriam ser anotados seus comprimentos e o peso nos cestos.
FIGURA 3.1 Ilustração do teste de carregamento em uma barra executado por Leonardo da Vinci. FONTE: Timoshenko (1953)
Posteriormente Galileo Galilei (1564 - 1642), considerado o introdutor do método empírico nas ciências, também realizou testes de carregamentos em estruturas, submetendo determinadas estruturas a certos tipos de carregamentos com o objetivo de estudar as tensões atuantes.
De acordo com Timoshenko (1953), todo trabalho de Galileo em mecânica dos materiais está incluído nos dois primeiros diálogos de seu livro “Two New Sciences”. Ao observar estruturas e considerar a resistência dos materiais de que são feitas, ele concluiu empiricamente que a resistência de uma barra é proporcional à sua área de seção transversal e é independente do comprimento. Da mesma forma, nesta publicação, Galileo observa que “se fizermos estruturas geometricamente similares, com o incremento de comprimento elas ficam cada vez menos resistentes”.
Na ilustração da figura 3.2 a seguir, Galileo estabelece que “um pequeno obelisco ou coluna ou ainda um fio sólido qualquer pode certamente ser suspenso sem perigo de quebrar, enquanto outras estruturas muito grandes se farão em pedaços sob a mínima solicitação, puramente com uma parcela do seu próprio peso”.
FIGURA 3.2 Ilustração do teste de tensões executado por Galileo FONTE: Timoshenko (1953)
Também podem ser encontrados nos trabalhos de Galileo, os primeiros estudos sobre a distribuição de tensões em barras fletidas, como mostrado na figura 3.3, seguinte.
FIGURA 3.3 Ilustração do teste de tensões em barras fletidas executado por Galileo. FONTE: Timoshenko (1953)
Já no século XIX, com a revolução industrial, a parametrização de processos tornou-se prática necessária, como forma, dentre outros requisitos, de garantia de qualidade. Alguns materiais começam a ter procedimentos-padrão para avaliação de propriedades mecânicas de interesse.
Com o passar dos anos, adentrando no século XX, e com o crescimento populacional, procedimentos de dimensionamento passam a ser padronizados e regulamentados, surgindo as Normas de Dimensionamento. No caso de elementos estruturais, pesquisadores de todo o mundo, com destaque para Leonhardt na Alemanha, executam grande série de testes de carregamento em elementos estruturais com o objetivo de estabelecer procedimentos de dimensionamento.
A tabela a seguir, extraída de Hall e Tsai (1989), descreve brevemente um histórico dos testes de carregamentos desde os tempos antigos até os tempos atuais, dando ênfase à prática de engenharia empregada e à correlação dos testes de carga com os resultados previstos de acordo com procedimentos analíticos de dimensionamento.
TABELA 3.1 Histórico de testes de carregamento.
Período
Prática de engenharia empregada
Teste de carregamento versus cálculos
Antigüidade
Uma arte passada através de experiência de construção para
construção
Intuição, erros e acertos. Testes de carregamento e procedimentos de dimensionamento quase inexistentes. Renascimento Primeiras tentativas de padronização de testes e procedimentos de dimensionamento (compressão, tração, flexão)
Testes de carregamento utilizados para calibrar modelos teóricos de
resistência.
Século XIX
Manuais que davam pequenas informações sobre a resistência
dos materiais (elevados coeficientes de incerteza)
Torna-se usual o emprego de procedimentos padrão para testes
de carregamento, principalmente destinados à caracterização de materiais. Procedimentos de dimensionamento pouco desenvolvidos. Início do século XX Primeiros equipamentos de ensaios para caracterização de materiais (Irmãos Wright e indústria
Automobilística)
Primeiros códigos de normalização (ASTM).
Grande incremento na utilização de testes de carregamento em elementos estruturais e estruturas.
Grande desenvolvimento de procedimentos analíticos de
dimensionamento. Tempos atuais
Uma ciência baseada em normalizações de comportamento
resistente de materiais e procedimentos de
Estruturas tipicamente projetadas mediante procedimentos analíticos
padronizados. Testes de carregamento
No passado, os testes de carregamentos em elementos estruturais isolados tiveram uma importância maior que nos dias de hoje, pois o desenvolvimento dos modelos matemáticos sobre comportamento e resistência dos materiais se deu fundamentado nos trabalhos empíricos.
No caso de testes de carga em estruturas a situação é mais complexa e, quando comparado aos testes feitos em elementos estruturais isolados, o número de testes executados é infinitamente inferior. Quando estes testes são realizados em uma estrutura ou até em partes isoladas dela, são comumente chamados de prova de carga.
De acordo com a NBR 9607 (1986), prova de carga é definida como sendo um conjunto de atividades destinadas a analisar o desempenho de uma estrutura através da medição e controle de efeitos causados pela aplicação de ações externas de intensidade e natureza previamente estabelecidas.
Para designar uma prova de carga, é comum encontrarmos na literatura técnica os seguintes termos: teste de carregamento, teste de carga, ensaio de carga, ensaio de prova de carga e ensaio de carregamento. Desta forma, ao longo deste trabalho, esses termos serão empregados.
Ao longo dos anos vários pesquisadores submeteram estruturas a certos tipos de carregamentos, mas foi devido à demanda do desenvolvimento tecnológico e da necessidade de adaptar as antigas construções aos novos tempos que as provas de carga ganharam um importante significado.
De acordo com Rocha (1942), com o rápido desenvolvimento industrial e com a necessidade crescente de se movimentarem grandes massas de mercadoria (com os conseqüentes aumentos de velocidade das estradas de ferro e do peso por eixo das locomotivas) surgiu o dilema entre reforçar ou substituir grandes estruturas de construção recente.
14
Os raciocínios assentados em considerações exclusivamente teóricas mostraram-se insuficientes, tanto para julgar a capacidade resistente de tais estruturas, como para orientar o seu reforço quando necessário. Dessa forma a prova de carga foi o único meio aconselhado para resolver o problema.
Ainda, conforme Rocha (1942), no séc. XVIII, o grande engenheiro francês Rabut, disseminador das provas de carga sobre obras já concluídas, possibilitou ao seu país evitar enormes despesas com o reforço de ferrovias, ao pôr em evidência, através de seus ensaios, as largas margens de segurança das estruturas em serviço.
As técnicas de engenharia foram se desenvolvendo e os ensaios começaram a ser executados em muitas estruturas em diversas partes do mundo. Conforme Fitzsimons e Longinow (1975), em uma sucinta busca na literatura é possível encontrar uma grande quantidade de provas de carga executadas em muitas lajes de concreto armado nas primeiras décadas do século XX. Por outro lado, a adoção de testes em pontes de vias férreas aparece como prática comum no início da metade do século XIX.
Ainda, de acordo com Fitzsimons e Longinow (1975), os primeiros testes em grande escala nos E.U.A foram executados nos edifícios: Deere & Webber Building e Powers Building em Minneapolis (1910), Franks Building em Chicago (1911), e no Barr Building em St. Louis (1911); sendo o primeiro teste de longa duração feito no Schwinn Building em Chicago, no período de 1914 a 1915.
No Brasil, as primeiras provas de carga em estruturas foram realizadas na década de 30 e foram de responsabilidade do Profº. Telêmaco Hippolyto van Langendonk (1). Os ensaios foram executados em duas pontes rodoviárias. Um foi realizado na ponte Victor Konder, como mostram as figuras 3.4 e 3.5, e o outro realizado na ponte Lindóia, como mostrado nas figuras 3.6 a 3.9.
FIGURA 3.4 Corte longitudinal esquemático da ponte Victor Konder. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
FIGURA 3.5 Rolos compressores utilizados como carga de prova na ponte Victor Konder. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
FIGURA 3.6 Foto geral da ponte de Lindóia. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
FIGURA 3.7 Rolos compressores utilizados como carga de prova na ponte de Lindóia. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
FIGURA 3.8. Carga máxima colocada no meio do vão, utilizando sacos de areia. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
FIGURA 3.9 Descarregamento do meio do vão. FONTE: Esses (1993 apud Palazzo 2002)
Na ponte Victor Konder o objetivo do teste foi analisar o comportamento da ponte sob o novo trem-tipo adotado pelo DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS E RODAGENS (DNER) e a influência do tabuleiro sobre o arco. Na ponte Lindóia, o objetivo foi estudar a rigidez das articulações.
Desde os primeiros testes em elementos estruturais isolados, até os modernos ensaios de prova de carga em estruturas, o processo passou por um grande desenvolvimento tecnológico. De acordo com Hall e Tsai (1989) o sucesso dos testes de carregamento na atualidade é acompanhado por um avanço nas técnicas de análise estrutural e de instrumentação.
3.2 A IMPORTÂNCIA DE UMA PROVA DE CARGA
Gonçalves et al. (1993) observam que as provas de carga constituem um importante método de avaliação estrutural em pontes, permitindo aos projetistas obter desde informações gerais sobre a envoltória de esforços até informações localizadas sobre o comportamento de um nó ou de um elemento isolado.
Nesta perspectiva, a recomendação espanhola EHE (1998) “Instrucción de
Hormigón Estructural”, observa que as provas de carga são instrumentos válidos de
efetivo estabelecimento de parâmetros de dimensionamento de estruturas, tais como, distribuição de carregamentos, rotações de apoio e deslocamentos verticais máximos, visão esta, atualmente incorporada em recentes códigos normativos nacionais.
Durante um ensaio de prova de carga, a estrutura pode estar submetida a um carregamento próximo ou igual ao de serviço (dependendo do caso). Com isso o teste permite analisar o comportamento estrutural em condições reais de utilização.
De acordo com Raina (1996), uma prova de carga só pode ser justificada onde o efeito dos danos e/ou da deterioração na capacidade de carga não pode ser determinado somente por avaliação analítica.
Um teste de carregamento em um elemento estrutural em grande escala, ou na estrutura completa, pode ser uma operação cara e consumir muito tempo. Desta forma, é adotado, geralmente, depois que outras hipóteses baseadas em cálculos analíticos, exames e testes localizados dos materiais, apresentem um indicativo de falhas que possam comprometer a segurança da estrutura durante sua utilização normal.
3.3 CLASSIFICAÇÕES DAS PROVAS DE CARGA
Existem dois tipos de prova de carga: a prova de carga estática, que consiste na observação estática da estrutura mediante a aplicação de um carregamento, sendo esse, estático ou móvel e a prova de carga dinâmica, que consiste na oscilação da estrutura e observação de seu comportamento quando vibrada e também na análise de estruturas, quando sobre elas trafegam altas massas animadas de velocidade. O escopo deste trabalho se limitará à prova de carga estática.
Um ensaio de prova de carga de acordo com Fitzsimons e Longinow (1975) pode ser classificado como destrutivo ou não destrutivo. O ensaio destrutivo é empregado quando o objetivo é avaliar o comportamento da estrutura até a ruína, em situação última de carregamento. No ensaio não destrutivo, a estrutura, ou elemento estrutural, é carregado a níveis de serviço, sem atingir à ruptura, permitindo, nesse caso, que a estrutura possa ser colocada novamente em utilização, caso os resultados sejam aceitáveis.
Fujino e Lind (1977) classificam as provas de carga em duas categorias: o teste estrutural ativo e o passivo. Quando o ensaio é utilizado como uma ferramenta em processos de projeto (nos casos em que são exigidos testes de resistência em determinados materiais) é chamado de ativo. Quando o ensaio é feito em uma estrutura
existente, com o objetivo de analisar sua resistência, devido a modificações de suas condições de utilização, é chamado de passivo.
Takeya (2003) observa que quanto à execução, os ensaios de modelos construídos especialmente para estudos, no tamanho natural ou em escala reduzida, são normalmente realizados por laboratórios por iniciativa dos institutos de pesquisas. Já os ensaios de estruturas em serviço, são realizados no próprio local da obra.
3.4 FINALIDADE DE UMA DE PROVA DE CARGA
As estruturas de concreto armado, durante sua vida útil, estão sujeitas às mais variadas situações que podem comprometer sua segurança, tais como: incêndios, abalos sísmicos, abandono, desconhecimento do projeto para o uso previsto, ambientes agressivos, etc. Frequentemente, se torna oportuno uma avaliação da segurança estrutural.
Um dos testes mais eficientes para verificar a segurança de uma estrutura já concluída é uma prova de carga. Quando existem dúvidas quanto à estabilidade de uma estrutura, idoneidade dos materiais de construção, má utilização ou uma nova utilização da estrutura, é recomendado um ensaio de prova de carga.
Existem algumas situações em que estruturas como pontes ou viadutos podem estar submetidas a carregamentos superiores aos de projeto. Nessas situações é indispensável a realização de uma prova de carga.
Plewes e Schousboe (1967) destacam ainda outras situações peculiares em que um ensaio de prova de carga deve ser executado, a saber:
(b) – nos casos de deficiências nos elementos estruturais, nos materiais ou na construção como um todo; e
(c) – quando a complexidade da concepção do projeto e a falta de experiência com determinados tipos de estruturas, torna impraticável uma avaliação analítica.
Além das circunstâncias mencionadas, existem situações em que estruturas especiais devem ser ensaiadas como critérios de aceitação. É o caso de testes de aceitação de estruturas como, algumas pontes e viadutos.
De maneira geral, um ensaio de prova de carga é direcionado a atender as seguintes finalidades: verificação do comportamento global de edifícios, verificação do comportamento estático de pontes e viadutos, verificação do comportamento dinâmico, verificação da resistência de estruturas sob novos carregamentos, aceitação de estruturas especiais e para fins de pesquisas.
3.4.1 Verificação do Comportamento Global de Edifícios
Uma prova de carga em um edifício envolve a aplicação física de carregamento na sua estrutura ou em partes dela, e permite uma análise da resposta da estrutura sob a influência das cargas e a interpretação dos resultados. Proporciona também diretrizes a futuras intervenções em termos de manutenção.
O ensaio consiste basicamente em dispor sobre a estrutura ou elemento ensaiado, um carregamento incremental, até um valor pré-estabelecido, e monitorar os efeitos causados.
Desta forma, com os valores de deformações e deslocamentos obtidos no ensaio, é possível compará-los com os valores teóricos adotados em projeto e com isso analisar se o comportamento global do edifício está como previsto.
3.4.2 Verificação do Comportamento Estático de Pontes e Viadutos
Este tipo de ensaio consiste em fazer transitar sobre a estrutura uma carga que, em determinados pontos vá estacionando, em intervalos de tempo suficiente para se obter as medidas dos deslocamentos provocados.
De acordo com Fusco (1986), o emprego de ensaios estáticos permite a comprovação da adequação do modelo teórico adotado no projeto estrutural ao real comportamento estrutural observado. Esta constatação é em geral realizada pela comparação de deslocamentos calculados com deslocamentos medidos ou, quando possível, pela comparação de linhas de influência teóricas com as experimentalmente observadas.
Conforme Rocha (1942), com os dados obtidos na prova de carga, traçam-se linhas de influência da carga móvel para cada uma das diversas deformações medidas. Essas linhas de influência são comparadas com linhas teóricas correspondentes, calculadas de acordo com as hipóteses que, de início, se apresentam como mais apropriadas com as condições de trabalho da obra em estudo. Se nesse primeiro confronto não se obtém uma concordância satisfatória entre as curvas teórica e medida, refaz-se o cálculo após admissão de novas hipóteses, sugeridas pelo aspecto da discordância entre as curvas comparadas ou por fenômenos diversos observados no decorrer do ensaio (articulações emperradas, ligações não previstas no projeto e executadas por motivos construtivos, depressibilidade de apoios admitidos como fixos, etc.).
As figuras 3.10 e 3.11, extraídas de Félix et al. (2003), mostram um ensaio de verificação do comportamento estático de um viaduto. Nesse ensaio, 12 veículos se deslocaram até sua imobilização no meio do vão maior. É importante destacar que, para evitar efeitos dinâmicos, um dado par de veículos só avançava quando o par
FIGURA 3.10 Posições dos veículos sobre o tabuleiro FONTE: Félix et al. (2003)
(A) (B)
Figura 3.11 (A) Posições dos veículos sobre o tabuleiro; (B) Ilustração dos arranjos das cargas FONTE: Félix et al. (2003)
Estes tipos de testes de verificação do comportamento estático se realizam quando não existem variações periódicas de cargas nas estruturas.
3.4.3 Verificação do Comportamento Dinâmico da Estrutura
Um ensaio de verificação do comportamento dinâmico busca estudar os efeitos de impacto e das forças longitudinais que aparecem em estruturas como pontes e
viadutos, devido a frenagens. Essas verificações são baseadas em relações das deformações com a carga em movimento e com a carga em repouso.
Uma outra forma de realização desses ensaios é gerar oscilações de curta duração, nas estruturas, permitindo determinar o período de vibração sob carga. Em geral são executados em pontes com grandes vãos, em estruturas pouco usuais que não cumpram as especificações do projeto relativas às cargas repetitivas. Além disso, de acordo com Cánovas (1988), também podem ser executados em edifícios ou elementos estruturais nos quais se deseja determinar o período próprio de vibração sob cargas alternadas periódicas ou não, atuando em direção horizontal ou vertical.
3.4.4 Verificação da Resistência de Estruturas sob novos Carregamentos
De acordo com Nóbrega (2004), as estruturas, depois de concluídas, iniciam o processo de envelhecimento, submetem-se à ação de intempéries e das próprias solicitações usuais, passando a sofrer degradação. Disso decorre, e muitas vezes também pelo aparecimento de manifestações patológicas prematuras, a perda de uma fração de sua rigidez e/ou massa original.
Ainda, conforme Nóbrega (2004), as próprias ações mudam a sua forma e/ou intensidade de atuação ao longo do tempo. Exemplo emblemático encontra-se nos estádios de futebol, onde o comportamento das atuais torcidas organizadas diverge significativamente (por vezes radicalmente) da sobriedade e calma apresentada nos anos 50, cujos torcedores a eles compareciam, de paletó, gravata e chapéu, década em que os projetos de várias destas estruturas foram concebidos.
Assim, as estruturas que se encontram deterioradas, as que foram vítimas de acidentes, as que sofreram mudanças de utilização, as que receberam reforço ou reparo e até mesmo as que receberam ligações excessivas, são casos típicos de
Nos ensaios de resistência, conhecido o valor máximo da carga ou do conjunto de cargas que na pior das hipóteses, irá atuar na estrutura ou elemento estrutural testado, o ensaio deverá reproduzir as condições mais severas de serviço que a estrutura estará submetida.
Dessa forma a norma NBR 6118 (2003), observa que uma verificação da resistência, tem por objetivo mostrar que a estrutura ou o elemento estrutural tem pelo menos a resistência adotada para o projeto. Quando se deseja uma avaliação somente de um elemento, é suficiente levar o carregamento até o valor de projeto para o ELU (Estado Limite Último). Obviamente, deve-se tomar cuidado para não danificar a estrutura, ou elemento estrutural, desnecessariamente.
3.4.5 Aceitação de Estruturas Especiais
De acordo com a norma NBR 6118 (2003), o ensaio de aceitação visa confirmar que o desempenho global da estrutura está em conformidade com as prescrições do projeto. A carga é aplicada até um valor máximo entre o valor característico e o valor de projeto para o ELU (Estado Limite Último). Podem ser estabelecidos requisitos para os deslocamentos, o grau de não linearidade e as deformações residuais, após o ensaio.
Neste aspecto, Fusco (1986) observa que, as provas de carga de recepção de estruturas jamais têm por objetivo medir o “coeficiente de segurança” da estrutura. Principalmente porque esse coeficiente de segurança único da estrutura não tem significado lógico e, mesmo que tivesse, somente poderia ser medido levando a estrutura à ruína.
Existem normas e regulamentos que estabelecem que certas estruturas de uso público (como pontes, por exemplo) devem ser entregues mediante uma prova de carga, e também indicam outras situações em que são recomendadas provas de carga,
dando as diretrizes da intensidade do carregamento, aplicação do mesmo e os critérios de aceitação.
Fusco (1986) reitera que, em muitos lugares do mundo as obras viárias exigem cuidados especiais, tendo em vista o custo social dessas obras. Por essa razão, a aceitação de obras de arte como pontes e viadutos, é vinculada a uma prova de carga de recepção da obra, principalmente com a finalidade de garantir o emprego de concepções estruturais sadias e de controlar a coerência entre hipóteses básicas adotadas no projeto e o real comportamento estrutural.
Ainda, conforme Fusco (1986), no Brasil a postura adotada é que em relação às estruturas de concreto das edificações usuais, se essas forem executadas razoavelmente de acordo com o projeto e se os materiais empregados forem aprovados nos ensaios de controle de qualidade, admite-se a aceitação automática da estrutura. Sendo para as obras viárias o emprego dos mesmos critérios relativos à qualidade dos materiais, fazendo-se paralelamente uma verificação do projeto estrutural.
Quanto à idoneidade dos componentes do concreto armado, o aço é de mais fácil controle, porque é submetido a um rigoroso controle de qualidade pelas usinas siderúrgicas. Já o concreto quando não dosado em centrais de fornecimento exige maior atenção. Todavia é recomendado que se sigam os procedimentos descritos pela NBR 14931 (2004), afim de que a aceitação da estrutura seja automática.
Um aspecto que deve ser considerado é que, em testes de aceitação, podem ser realizados ensaios de verificação do comportamento global, do comportamento estático e também do comportamento dinâmico.
3.4.6 Para Fins de Pesquisas
Esses tipos de ensaios são utilizados como parâmetros para informações tanto sobre comportamento de materiais, como sobre novos arranjos ou concepções estruturais. Geralmente são executados em protótipos, cujos critérios de dimensionamento não são fundamentados em critérios normativos. Também podem ser utilizados para avaliação da carga última em elementos estruturais para fins de pesquisas.
De acordo com Nóbrega (2004), um exemplo deste tipo foi realizado pelo programa PRESSS (“Precast Seismic Structural Systems”), financiado pelo PCI (“Precast Concrete Institute”), onde se realizaram ensaios em pórticos planos e espaciais, com a inclusão até de lajes, em alguns casos, simulando-se pavimentos de várias alturas, com o objetivo de estudar a influência das ligações no contexto de toda a estrutura. A figura 3.12 mostra o protótipo utilizado no ensaio.
FIGURA 3.12: Protótipo para ensaio FONTE: www.pci.org
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A NBR 9607 (1986) especifica que, o carregamento de prova é um conjunto de ações externas dimensionadas segundo critérios preestabelecidos e que, aplicados à estrutura, a submetem a esforços solicitantes de intensidade compatíveis ou representativas da finalidade prevista para sua utilização.
Ainda, de acordo com a NBR 9607 (1986), o carregamento de uma prova de carga pode ser classificado quanto à natureza (estático ou dinâmico) e quanto à permanência da carga (rápidas ou lentas).
A sobrecarga gerada nos ensaios, desde que simule precisamente o valor a ser aplicado, pode ser composta de várias formas e tipos. Desta forma, pode ser composta por bolsas de água, sacos de areia, sacos de cimentos, reservatórios confeccionados com lonas plásticas e preenchidos com água, agregados graúdos, por meios mecânicos como macacos hidráulicos, e nos casos de pontes são utilizados caminhões (como mostrado na figura 4.1 seguinte), locomotivas ou veículos adaptados para esse fim.
Em casos excepcionais, conforme observa a Rilem TBS-3 (1984) “Testing
bridges in situ”, a carga de prova pode ser simulada através de uma multidão de
pessoas.
Segundo a Rilem TBS-2 (1984) “General Recommendation for statical loading
test of load-bearing concrete structures in situ”, é tolerável um desvio de no máximo 5%
no valor da carga estimada para o ensaio, procedimento análogo ao adotado pela norma nacional NBR 9607 (1986).
Em geral os materiais utilizados em ensaios de edifícios são classificados em três categorias: materiais de alta densidade, água e por meios mecânicos.
4.1 MATERIAIS DE ALTA DENSIDADE
De acordo com Fitzsimons e Longinow (1975), são considerados materiais de alta densidade o ferro, o aço, o chumbo, agregados e quaisquer outros materiais que podem ser precisamente pesados. Esse tipo de carregamento tem as vantagens de ter preços acessíveis, devido à relativa facilidade de obtenção. Além disso, são facilmente posicionados nos pontos de aplicação da carga. Porém, possuem como desvantagens a sua difícil remoção caso a área carregada apresente algum perigo durante o teste e quando a área for relativamente grande exigirá uma significante quantidade de material. As Figuras 4.2 e 4.3 mostram o carregamento simulado por materiais sólidos.
FIGURA 4.2 Sacos de areia utilizados como carga do teste FONTE: Cánovas (1988)
FIGURA 4.3 Agregados graúdos utilizados como carga do teste, em ensaio realizado na Unicamp.
4.2 ÁGUA
A água apresenta as mesmas vantagens dos materiais sólidos, além de poder ser transportada por bombeamento até a área carregada, eliminando assim a necessidade de grandes equipamentos como guindastes para levantar materiais.
Rocha et al. (1999), observam que com a utilização de água para gerar a sobrecarga, se consegue uma boa precisão na intensidade do carregamento aplicado, uma vez que o controle é feito através do nível da água, permitindo também um carregamento e descarregamento praticamente estático. Além disso, proporciona uma maior economia, considerando a facilidade de utilização de um elemento impermeabilizante de custo reduzido, no caso a lona plástica, também conhecida simplesmente como plástico preto.
Todavia, a utilização da água como carga apresenta como desvantagens o fato do carregamento ser relativamente baixo (quando comparado aos materiais sólidos). Outra desvantagem é a possibilidade de vazamento embaixo da área carregada, bem como a dificuldade de descarregar rapidamente a área caso essa represente algum perigo iminente de ruptura. Usar a água como carga é impraticável em locais com temperaturas muito baixas (onde pode ocorrer o congelamento da água).
A figura 4.4 seguinte, mostra a utilização de água como carregamento, em ensaio realizado na laje de um comercial, na cidade do Rio de Janeiro, após a estrutura receber um reforço com fibra de carbono.
FIGURA 4.4. Água utilizada como carga do teste FONTE: Rodrigues (2000)
4.3 MACACOS HIDRÁULICOS
Os cilindros hidráulicos ou macacos hidráulicos como são conhecidos, são fáceis de manusear. Tanto a fase de carregamento como de descarregamento pode ser facilmente controlada. Descarregamentos parciais são automáticos quando deslocamentos súbitos ocorrem. Dessa forma, é mais eficiente na aplicação dos incrementos de carga, possibilitando uma maior vantagem no conhecimento do comportamento e desempenho dos elementos testados.
Apresentam como desvantagens o fato de exigirem reações contra suas ações e o fato da necessidade de um grande número de macacos para simular carregamentos uniformemente distribuídos, tendo nesse caso a consideração da variabilidade entre os macacos. Os macacos hidráulicos são mostrados nas figuras 4.5 e 4.6.
FIGURA 4.5. Macacos hidráulicos FONTE: Mettemeyer e Nanni (1999)
FIGURA 4.6 Macacos hidráulicos instalados FONTE: Mettemeyer e Nanni (1999) 4.4 USO DE VÁRIOS TIPOS DE CARREGAMENTOS
Cánovas (1988) observa que existem ocasiões nas quais podem se fazer combinações entre as categorias de carregamento, de modo a atuarem simultaneamente.
Nanni e Mettemeyer (2001) reiteram essa possibilidade de combinações de carregamentos através ensaios realizados em laje protendida, utilizando uma combinação entre macacos hidráulicos e sacos de areia.
De maneira geral, o carregamento de prova está condicionado a fatores como: tipo de elemento que se pretende ensaiar, tipo de resposta esperada e a disposição da carga nas proximidades do local de ensaio. Esse último aspecto é um ponto muito importante, pois o transporte do carregamento até o local do ensaio pode aumentar os custos do ensaio.
Independente do tipo de carregamento utilizado para simular a sobrecarga, é importante ter cuidado nos processos de carga e descarga da estrutura, para que essa não sofra algum tipo de dano irreversível, causado pela carga durante o teste, que possa levá-la à ruína.
Nesse aspecto a NBR 9607 (1986) elucida uma exceção quanto à possibilidade de danos irreversíveis à estrutura. São permitidos esses danos, quando há interesse em avaliar as condições de ruptura em elementos pré-fabricados de concreto armando ou protendido e nos casos de demolição total ou parcial de estruturas, quando houver interesse em pesquisa tecnológica.
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Uma das etapas mais importantes a ser considerada em um ensaio de prova de carga é a maneira como se coletam os dados fornecidos pelas ações externas aplicadas às estruturas.
Em trabalho de Gonçalves et al. (1993), é reiterado que o êxito de um ensaio de prova de carga está diretamente relacionado com a escolha dos equipamentos de medição compatíveis com as respostas esperadas, ou seja, com a sensibilidade adequada, na capacidade técnica e no treinamento da equipe responsável pela sua realização.
Conforme Harris e Sabnis (1999), o processo de instrumentação inclui a identificação das quantidades a serem medidas, a seleção apropriada dos sensores e equipamentos auxiliares, instalação dos sensores, calibração dos aparelhos, aquisição e análise de dados.
É sabido que, sob a ação de forças exteriores, os corpos sólidos se deformam. Entre o estado de deformação e o regime de tensões de um corpo, existem parâmetros elásticos que determinam a relação entre a tensão e a deformação do material. Dessa forma, pode-se determinar um deles, pelo conhecimento do outro.
Conforme observa Timoshenko e Goodier (1970), as relações lineares entre as componentes de tensão e as componentes de deformação são conhecidas geralmente como lei de Hooke e é expressa pela seguinte relação:
E σ ε = (5.1) Onde:
ε
é a deformaçãoσ
é a tensãoE o módulo de elasticidade do material.
Assim, as medidas de tensões não são feitas diretamente nos elementos testados, o que se faz é a medição da deformação e posteriormente a conversão desta, em tensão, tendo o módulo de elasticidade conhecido. Em face disso, os ensaios de prova de carga são baseados em medidas de deformações.
Em termos de prova de carga estática, os principais instrumentos utilizados são: os medidores de deformações, medidores de deslocamentos verticais e os medidores de deslocamentos angulares.
Um aspecto importante de ser analisado é a variação da temperatura ambiente durantes os ensaios, pois os instrumentos devem ser calibrados para considerar acréscimos de esforços na estrutura devido às variações de temperatura.
A seleção dos tipos de instrumentos dependerá do propósito do trabalho, das condições de projeto, e das variáveis que serão monitorados. Uma diversidade de instrumentos variando no grau de sofisticação está disponível no mercado. A seguir serão mostrados alguns instrumentos frequentemente utilizados nos ensaios.
5.1 EXTENSÔMETROS
Extensômetros são os instrumentos destinados a medir deformações causadas pelos carregamentos. Historicamente, esses instrumentos tiveram vários estágios de desenvolvimento, e são baseados em princípios mecânicos, óticos, elétricos, acústicos,
De acordo com Dally e Riley (1991), algumas características comumente usadas para julgar a eficiência dos extensômetros são:
(a) calibração constante, não variando com o tempo, temperatura e outros fatores; (b) serem capazes de efetuar medidas com precisão com erros de no máximo 10%;
(c) devem permitir a leitura no local ou em um lugar distante, sendo o resultado independente de temperatura ou outros parâmetros envolvidos;
(d) devem ser fácil de se instalar e operar, além de ser de baixo custo e permitir várias utilizações; e
(e) devem registrar medidas lineares para os deslocamentos ocorridos.
Todavia, Dally e Riley (1991), advertem que nenhum extensômetro satisfaz todas as características comumente usadas para julgar a eficiência dos aparelhos. Dessa forma, o sistema a ser adotado deve ser selecionado considerando cada uma das características, tendo em vista os níveis de exigências do ensaio. Como existem vários instrumentos com os mais variados tipos e modelos, a escolha do extensômetro deve ser baseada em: comprimento (lo) do aparelho, a sensibilidade, o alcance do deslocamento e a precisão de leitura.
5.1.1 Extensômetro Mecânico
Este instrumento foi um dos primeiros utilizados em medições de deformações. É conhecido também pelo termo inglês “mechanical strain gage”, tem seu funcionamento baseado em sistemas mecânicos, tais como alavancas, engrenagens, ou meios similares para a ampliação da deformação, como mostrado no esquema da figura 5.1.
