Mário André Ferreira Oliveira
Eficácia do UPV na avaliação não
destrutiva de elementos de Castanho
Mário André Ferreira Oliveira
Eficácia do UPV na a valiação não des tr utiv a de elementos de Cas tanho
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Jorge Manuel Gonçalves Branco
Mário André Ferreira Oliveira
Eficácia do UPV na avaliação não
destrutiva de elementos de Castanho
Antes de mais gostaria de agradecer às duas pessoas que tornaram possível a realização desta dissertação. Em primeiro lugar o Professor Doutor Jorge Manuel Gonçalves Branco, meu orientador, e que me permitiu a realização deste trabalho, mostrando os caminhos certos a percorrer, pela ajuda concedida e transmissão dos conhecimentos da área estudada. Em segundo, de igual forma importante, ao Engenheiro Hélder Sousa pela disponibilidade que sempre apresentou, quer ao longo da campanha experimental quer na escrita deste trabalho, sugerindo ideias e revisões que certamente ajudaram a levar esta dissertação a bom porto. Queria agradecer à AOF – Augusto de Oliveira Ferreira & Ca Lda. pela disponibilidade demonstrada no fornecimento das vigas e na realização de todo o trabalho de corte e transporte.
Expresso a minha gratidão ao pessoal técnico do Laboratório de Engenharia Civil da Universidade do Minho, local onde decorreu a campanha experimental, em particular ao Sr. Matos e ao Marco, cuja boa vontade e ajuda prestada foram fundamentais para levar a cabo todos os ensaios realizados.
Um agradecimento especial é dirigido aos meus pais e irmãos, que sempre estiveram presentes e proporcionaram o melhor para mim, dando-me educação e suporte necessário, fazendo de mim a pessoa que hoje sou. É a eles que dedico este trabalho.
As palavras são poucas para retribuir a sua importância, mas agradeço à Patrícia todo o amor e apoio incondicional que me deu, estando sempre presente e pronta para ajudar. Muito obrigado.
Quero agradecer aos meus amigos pelo apoio prestado, conselhos e amizade que fazem com que tudo seja mais fácil e tolerável. É com estes que grandes momentos são vividos.
A madeira é um dos materiais mais antigos utilizados na construção, estando por isso presente numa grande parte das construções históricas existentes. A avaliação das propriedades de uma estrutura em madeira tem por base o recurso a inspeções visuais realizadas in-situ e a ensaios não destrutivos, que têm como objetivo estimar as propriedades mecânicas do material em questão, sem que para isso seja necessário causar qualquer dano relevante à estrutura tratada. Nesta dissertação, é apresentado um estado de arte geral sobre a avaliação não destrutiva da madeira que inclui a discussão de vários estudos já efetuados nesta área do conhecimento. O objetivo geral desta dissertação é a verificação da eficácia dos testes UPV, com diferentes frequências de onda, na avaliação de elementos de Castanho retirados de uma construção existente. Para isso, foram realizadas correlações entre ensaios não destrutivos e ensaios mecânicos, ambos realizados em 22 tábuas de Castanho antigo, com aproximadamente 100 anos, de forma a avaliar a fiabilidade deste ensaio não destrutivo na estimação de parâmetros como a rigidez e a resistência à flexão e a densidade.
A campanha de ensaios realizada envolveu os seguintes testes e procedimentos: inspeção visual, medição da massa volúmica e do teor em água, ensaios mecânicos (testes à flexão simples) e com especial atenção a ensaios não destrutivos, nomeadamente medições com ultrassons – UPV.
Timber is one of the oldest materials used in construction and is present in a large portion of existing historic buildings. The evaluation of the properties of a timber structure is based on the use of visual inspections performed in-situ and non-destructive tests, which aim to estimate the mechanical properties of the material in question, without inducing any relevant damage to the structure in study.
This dissertation presents a state of the art of the nondestructive evaluation of timber structures by displaying some of the studies already conducted in this area.
The purpose of this thesis is to verify the effectiveness of UPV, with different wave frequencies, in the evaluation of chestnut elements retrieved from existing constructions. For this, correlations were carried out between NDT and mechanical tests, both performed on 22 old chestnut boards, with approximately 100 years, thus verifying the reliability of this method in the estimation of parameters such as stiffness, bending strength and density.
The conducted experimental campaign involved the following tests and procedures: visual inspection, measurement of density and moisture content, mechanical tests (simple bending tests) and with special attention to non-destructive testing, namely ultrasonic measurements - UPV.
KEYWORDS
AGRADECIMENTOS ... iii
RESUMO ... v
ABSTRACT ... vii
ÍNDICE DE TEXTO ... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ... xi
ÍNDICE DE TABELAS ... xiv
Capítulo 1 INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento ... 1
1.2 Objetivos da Dissertação ... 2
1.3 Conteúdo e Organização da Dissertação ... 3
Capítulo 2 AVALIAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DA MADEIRA 2.1 Informação Geral ... 5
2.2 Ensaios não destrutivos ... 6
2.3 Inspeção Visual ... 8
2.4 Ensaio de Ultrassons (UPV) ... 10
2.5 Trabalhos anteriores com UPV... 15
Capítulo 3 CAMPANHA EXPERIMENTAL 3.1 Introdução ... 19
3.3.1 Medições por segmentos de 40cm ... 26
3.3.2 Medições com emissor fixo ... 28
3.3.3 Medições nos segmentos de e ... 29
3.3.4 Medições com afastamento dos nós ... 30
3.3.5 Medições diretas ... 31
3.4 Testes Mecânicos ... 31
3.4.1 Teste à flexão em 4 pontos ... 33
3.4.2 Teste de flexão até à rotura ... 37
3.5 Massa volúmica e teor de água ... 39
Capítulo 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS 4.1 Introdução ... 45
4.2 Apresentação de Resultados... 45
4.2.1 Inspeção Visual ... 46
4.2.2 Massa Volúmica e Teor em Água ... 47
4.2.3 Testes à flexão simples ... 50
4.2.4 Ensaio de ultrassons (UPV) ... 58
4.3 Apresentação das correlações ... 70
Capítulo 5 CONCLUSÕES 5.1 Apreciações Gerais ... 87 5.2 Correlações Gerais ... 88 5.3 Trabalhos Futuros ... 90 BIBLIOGRAFIA ... 93
Anexo 1 - Resultados da Inspeção Visual ... 99
Figura 1: Exemplo de equipamentos NDT: a) Resistógrafo®; b) Pilodyn®... 7
Figura 2: Ferramentas de apoio à classificação visual dos elementos de madeira (Martins, 2009) ... 8
Figura 3: Direções ou eixos principais (Coutinho, 1999) ... 11
Figura 4: a) Medição com transmissão de ondas longitudinais; b) Medição com transmissão de ondas transversais (Kroggel, et al., 2011) ... 11
Figura 5: Exemplo de aplicação do método de transmissão ... 12
Figura 6: Métodos utilizados na realização dos UPV (Feio, 2005) ... 13
Figura 7: Tábuas de Castanho ... 21
Figura 8: Numeração das faces a estudar (exemplo Tábua A) ... 22
Figura 9: Exemplo de nós e fissuras encontrados através da inspeção visual ... 22
Figura 10: Equipamento UPV utilizado ... 25
Figura 11: Medição com acoplantes diferentes – a) Gel; b) Plasticina ... 26
Figura 12: Medição com transdutores separados por 40 cm ... 27
Figura 13: Exemplo das fases das medições por tramos, medidas em cm ... 27
Figura 14: Medições com emissor fixo ... 28
Figura 15: Exemplo do ensaio UPV com emissor fixo, medidas em cm ... 29
Figura 16: Esquema para a utilização do UPV nos segmentos dos ensaios à flexão simples, medidas em cm ... 29
Figura 17: Esquema das sondas a afastarem-se sucessivamente do nó, medidas em cm ... 30
Figura 18: Método Direto – a) com sondas de 55 kHz; b) com sondas de 24 kHz ... 31
Figura 19: Representação esquemática da tábua B, medidas em cm ... 33
Figura 20: Esquema do ensaio dos provetes à flexão simples (EN 408:2003)... 34
Figura 21: Esquema do movimento a efetuar para a realização do teste nos segmentos da tábua ( representa a deformação medida), medidas em m ... 35
Figura 22: a) Teste à flexão; b) Pormenorização da posição dos apoios, célula de carga e
LVDT’s; c) Segmento escolhido devido ao conjunto de nós representados... 35
Figura 23: Gráfico carga-deformação compreendido na gama das deformações elásticas (EN 408:2003) ... 36
Figura 24: Esquema do ensaio à flexão destrutivo (w representa a deformação medida), medidas em m ... 37
Figura 25: Tábua U após o corte para ensaio à rotura ... 38
Figura 26: Teste à rotura da tábua N1 - a) antes da rotura; b) pós-rotura; c) Pormenor da rotura ao longo da secção ... 38
Figura 27: Provetes da zona de rotura ... 41
Figura 28: Pesagem dos provetes estabilizados ... 41
Figura 29: Provetes no exsicador com sílica ... 43
Figura 30: Correlação obtida no instante do teste entre e ... 49
Figura 31: Fases do carregamento, em função do tempo, durante o ensaio à flexão simples em regime elástico do segmento 1 da tábua A ... 50
Figura 32: Deslocamentos, em função do tempo, durante o ensaio à flexão simples em regime elástico do segmento 1 da tábua A ... 51
Figura 33: Deslocamentos locais, em função da carga, para o segmento 1 da tábua A durante as três fases de carga e descarga ... 52
Figura 34: Deslocamentos locais, em função da carga, para o segmento 1 da tábua A relativos aos incrementos de carga escolhidos para a análise – a) Fase de carga nº2; b) Fase de carga nº3 ... 52
Figura 35: Deslocamentos locais, em função da carga, para o segmento 1 da tábua A durante as três fases de carga e descarga ... 53
Figura 36: Deslocamentos globais, em função da carga, para o segmento 1 da tábua A relativos aos incrementos de carga escolhidos para a análise – a) Incremento de carga nº2; b) Incremento de carga nº3 ... 54
Figura 37: Representação dos deslocamentos e força necessária para a rotura da tábua B1 ... 55
Figura 38: Relação obtida entre os controladores utilizados na medição dos deslocamentos obtidos no ensaio de rotura da tábua B1 ... 56
Figura 39: Correlações entre gel e plasticina – a) Segmentos de 40 cm; b) Emissor fixo ... 71
Sondas de 24 kHz; b) Sondas de 55 kHz ... 76 Figura 46: Correlação entre as sondas na medição nos segmentos dos ensaios à flexão simples – a) Medições locais; b) Medições globais ... 76 Figura 47: Correlação entre o MoE dos ensaios de flexão simples, , e o MoE dos testes UPV, – a) Medições locais; b) Medições globais ... 77 Figura 48: Correlação em função dos nós presentes nos segmentos de ensaio para as sondas de 24 kHz – a) Medições locais; b) Medições globais ... 78 Figura 49: Correlação em função dos nós presentes nos segmentos de ensaio para as sondas de 55 kHz – a) Medições locais; b) Medições globais ... 78 Figura 50: Correlação entre as sondas na medição com afastamento consecutivo entre emissor e recetor ... 79 Figura 51: Correlação entre a velocidade e a área dos nós na medição com afastamento consecutivo entre emissor e recetor – a) Sondas de 24 kHz; b) Sondas de 55 kHz ... 79 Figura 52: Correlação entre sondas consoante o afastamento entre emissor e recetor ... 80 Figura 53: Velocidade em função da área dos nós consoante o afastamento entre o emissor e o recetor para as sondas de 24 kHz ... 81 Figura 54: Velocidade em função da área dos nós consoante o afastamento entre o emissor e o recetor para as sondas de 55 kHz ... 82 Figura 55: Correlação entre sondas aplicando o método direto ... 83 Figura 56: Correlação entre a resistência à flexão e o módulo de elasticidade obtido pelo método direto dos UPV – a) Sondas de 24 kHz; b) Sondas de 55 kHz ... 84 Figura 57: Correlação entre a resistência à flexão e o módulo de elasticidade obtido pelo método indireto dos UPV com as sondas de 24 kHz – a) Medições locais; b) Medições globais ... 84 Figura 58: Correlação entre a resistência à flexão e o módulo de elasticidade obtido pelo método indireto dos UPV com as sondas de 55 kHz – a) Medições locais; b) Medições globais ... 85
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1: Resumo da pesquisa sobre a aplicação de UPV na análise não destrutiva de madeira
... 15
Tabela 2: Sumário dos ensaios realizados nas tábuas de Castanho ... 20
Tabela 3: Valores das propriedades mecânicas de elementos de Castanho de acordo com a UNI 11035-2:2003. ... 23
Tabela 4: Valores das propriedades mecânicas de elementos de Castanho de acordo com a UNI 11119:2004 ... 24
Tabela 5: Valores aplicados na montagem laboratorial do ensaio à flexão ... 34
Tabela 6: Resultados da inspeção visual realizada à Face 1 da Tábua A ... 46
Tabela 7: Inclinações das fibras ao longo da Tábua A, em % ... 47
Tabela 8: Resultados da massa volúmica no início dos trabalhos ( em kg/m3 ) ... 47
Tabela 9: Resultados médios por tábua da massa volúmica no instante do teste ( em kg/m3), da massa volúmica ajustada para um teor de água de 12% ( em kg/m3),da massa volúmica após secagem ( em kg/m3) e do teor em água ( em %) ... 48
Tabela 10: Resultados globais da massa volúmica no instante do teste ( e em kg/m3 ), da massa volúmica ajustada para um teor de água de 12% ( em kg/m3 ), da massa volúmica após secagem ( em kg/m3) e do teor em água ( em %) ... 48
Tabela 11: Diferença obtida no instante do teste entre e ... 49
Tabela 12: Valores característicos pela NP EN 384:2009, em kg/m3, para a massa volúmica 50 Tabela 13: Resultados dos ensaios realizados à flexão simples: , e em ... 56
Tabela 14: Resultados globais dos ensaios realizados à flexão simples: , e em N/mm2 ... 57 Tabela 15: Valores médios e característicos pela NP EN 384:2009, em N/mm2, dos ensaios
Tabela 19: Variação média entre acoplantes ... 61 Tabela 20: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 24 kHz nos segmentos de 40 cm: em m/s e em N/mm2
... 61 Tabela 21: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 55 kHz nos segmentos de 40 cm: em m/s e em N/mm2
... 62 Tabela 22: Resultados globais das medições UPV indiretas realizadas nos segmentos de 40 cm: em m/s e em N/mm2
... 62 Tabela 23: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 24 kHz nos testes com emissor fixo: em m/s e em N/mm2
... 63 Tabela 24: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 55 kHz nos testes com emissor fixo: em m/s e em N/mm2
... 63 Tabela 25: Resultados globais das medições UPV indiretas realizadas nos testes com emissor fixo: em m/s e em N/mm2
... 64 Tabela 26: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 24 kHz nos segmentos dos ensaios de flexão em 4 pontos: e em m/s e e em N/mm2
... 64 Tabela 27: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 55 kHz nos segmentos dos ensaios de flexão em 4 pontos: e em m/s e e em N/mm2
... 65 Tabela 28: Resultados globais das medições UPV indiretas realizadas nos segmentos dos ensaios de flexão: e em m/s e e em N/mm2
... 66 Tabela 29: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 24 kHz nos segmentos globais dos ensaios de flexão até rotura: em m/s e em N/mm2
... 66 Tabela 30: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 55 kHz nos segmentos globais dos ensaios de flexão até rotura: em m/s e em N/mm2
... 67 Tabela 31: Resultados globais das medições UPV indiretas realizadas nos segmentos globais dos ensaios de flexão até rotura: em m/s e em N/mm2
Tabela 32: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 24 kHz nos testes com afastamento consecutivo entre sondas: em cm2, em m/s e em N/mm2
... 68 Tabela 33: Resultados das medições UPV indiretas realizadas com as sondas de 55 kHz nos testes com afastamento consecutivo entre sondas: em cm2, em m/s e em N/mm2
... 68 Tabela 34: Resultados globais das medições UPV indiretas realizadas nos testes com afastamento consecutivo dos nós: em m/s e em N/mm2
... 69 Tabela 35: Resultados das medições UPV diretas realizadas com as sondas de 24 kHz: em m/s e em N/mm2
... 69 Tabela 36: Resultados das medições UPV diretas realizadas com as sondas de 55 kHz: em m/s e em N/mm2
... 69 Tabela 37: Resultados globais das medições UPV diretas realizadas: em m/s e em N/mm2 ... 70
INTRODUÇÃO
1.1 Enquadramento
Desde os primórdios da Humanidade que a madeira, tal como a pedra, é utilizada como principal material estrutural nos diferentes tipos de construções. Devido às suas características, tais como a leveza, a boa resistência, facilidade de trabalho e abundância em que, na sua forma livre – árvores, se encontra, a madeira sempre deu liberdade ao Homem para que, através da sua imaginação e engenho, criasse obras-primas únicas quer do ponto de vista concecional como da sua execução.
Nas últimas décadas, a utilização da madeira na construção foi relegada para segundo plano, cedendo lugar às estruturas realizadas em aço e/ou em betão armado. A revolução industrial, a necessidade de construir com rapidez e o desenvolvimento de várias soluções tecnológicas levaram à massificação das estruturas de aço e betão armado. Rapidamente a mão-de-obra especializada desapareceu. Por outro lado, o facto de durante décadas não existir regulamentação e normas de cálculo estrutural específicas para a madeira, levou a que o dimensionamento de estruturas de madeira não fosse abordado pelos planos curriculares do ensino universitário, impedindo assim o desenvolvimento técnico especializado na área das estruturas de madeira. Como consequência, aquando da necessidade de uma intervenção de alteração, reparação ou reforço numa estrutura de madeira, a solução quase única até há poucos anos, passava pela sua substituição integral por estruturas em aço e/ou em betão armado.
Portugal o património construído contempla tipicamente edifícios com coberturas e pavimentos em madeira, existe um interesse renovado no uso da madeira como material de construção. Assim, é necessário definir metodologias e preparar técnicos para a necessidade de inspecionar e diagnosticar elementos de madeira das construções existentes, promovendo uma decisão adequada sobre quais os elementos a manter, reparar ou substituir.
Esta avaliação deve assentar numa regra que oriente os trabalhos numa direção de preservação do património. Deste modo, o uso de métodos de inspeção e classificação visual e ensaios não destrutivos (NDT) in-situ levam vantagem sobre a aplicação de métodos destrutivos (DT) como os ensaios mecânicos. Porém, torna-se necessária a validação dos NDT recorrendo a correlações entre os resultados destes com os obtidos pelos ensaios mecânicos, de forma a verificar a fiabilidade do método em causa.
A presente dissertação pretende contribuir para esta temática ao analisar um método de avaliação não destrutiva das propriedades de flexão de elementos de madeira de castanho.
1.2 Objetivos da Dissertação
Esta dissertação tem como principal objetivo a verificação, e possível validação, da eficácia dos testes realizados com recurso aos UPV (Ultrasonic Pulse Velocity) na avaliação não destrutiva de elementos de Castanho.
O exemplo de aplicação, como caso de estudo, consiste na inspeção e avaliação de 22 tábuas de Castanho centenárias, que já serviram de base a estudos prévios a este, estando por isso com uma secção regularizada, diferente da sua secção inicial que possuíam in-situ.
Os distintos ensaios utilizados e apresentados ao longo desta dissertação, de carácter destrutivo e não destrutivo, serão avaliados em função da sua gama de variação, obtendo assim as vantagens e inconvenientes destes, a relação existente entre eles e ainda a sua relação com a inspeção visual previamente realizada.
Estas avaliações e consequentes correlações serão concluídas com o propósito de se obter resposta às seguintes questões:
Inspeção visual;
Aplicação de ultrassons (UPV);
Ensaios laboratoriais à flexão simples em regime elástico e à flexão até rotura; Determinação da massa volúmica e do teor em água;
Como objetivo final, e uma vez que a aplicação de ensaios não destrutivos na avaliação de estruturas é uma área que se encontra em desenvolvimento, espera-se que este trabalho ajude no desenvolvimento da temática em questão, isto é, contribuir para a avaliação não destrutiva de elementos estruturais em madeira.
1.3 Conteúdo e Organização da Dissertação
As tarefas desenvolvidas durante a realização desta dissertação encontram-se organizadas e expostas nesta ao longo de 5 capítulos.
No Capítulo 1 é feita uma introdução do trabalho realizado, expondo um enquadramento do tema abordado ao longo da dissertação assim como os seus principais objetivos.
No Capítulo 2 apresenta-se o estado de conhecimento de algumas das metodologias e equipamentos utilizados para a inspeção e diagnóstico na avaliação não destrutiva de elementos de madeira, fazendo-se ainda referência a alguns dos estudos efetuados ao longo das últimas décadas com recurso às mais variadas técnicas de avaliação não destrutiva de estruturas em madeira.
de trabalho seguidas e os equipamentos necessários à sua realização. Abordam-se também as normas técnicas utilizadas e/ou consultadas que serviram de base aos trabalhos laboratoriais executados.
No Capítulo 4 são apresentados, numa primeira parte, os resultados obtidos com a realização da campanha experimental. Devido à extensão dos trabalhos realizados, apenas se apresentam os resultados médios obtidos por cada uma das 22 tábuas ensaiadas clarificando desta forma a sua exposição. Na segunda parte deste capítulo expõem-se a análise e respetivas correlações encontradas entre a inspeção visual, os ensaios não destrutivos e os ensaios mecânicos preconizados, tentando desta forma dar resposta às questões inicialmente expostas.
AVALIAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DA MADEIRA
2.1 Informação Geral
As estruturas dos edifícios, depois de um período de utilização em serviço, são avaliadas com o intuito de se verificar a sua segurança. Através desta avaliação de segurança, o tipo de material empregue na construção assim como as suas disposições construtivas é conhecido, levando a um estudo primário que permite a determinação e seleção dos elementos fulcrais da estrutura principal a analisar, uma vez que a rotura destes levaria ao possível colapso da obra, necessitando por isso de uma renovação.
No caso de se tratar de uma estrutura em madeira, especialistas na área de avaliação da madeira estão envolvidos no trabalho de avaliação desta. Uma vez que estes são responsáveis pelos seus pareceres e decisões, não querendo por isso arriscar, as velhas vigas de madeira são muitas vezes retiradas por razões de segurança, sendo geralmente substituídas por uma estrutura de betão armado. Esta prática de restauração leva a que muitas das vigas de madeira sejam substituídas, tendo algumas delas apenas a superfície degradada, levando a um desperdício de material (Divos, et al., 2011).
Esta má interpretação da realidade pode ser contrariada recorrendo a resultados obtidos com a realização de ensaios não destrutivos (NDT) ou ensaios destrutivos (DT) para a avaliação das estruturas de madeira.
Como o nome indica, os ensaios não destrutivos (NDT) são capazes de produzir informação sobre as características e propriedades do material sem que para isso seja necessário causar alterações ao seu estado inicial. Deste modo, obtém-se um esclarecimento das condições reais
em que as vigas se encontram, sem que para isso seja necessária a perturbação da estrutura, mantendo-se a disposição construtiva e integridade dos elementos, respeitando-se o valor patrimonial do edifício.
Os ensaios destrutivos (DT) requerem a destruição de uma parte do material, normalmente para a recolha de amostras que posteriormente são submetidas a ensaios laboratoriais. Normalmente recorre-se a este tipo de ensaios quando os ensaios não destrutivos não são suficientes para caracterizar o material/estrutura com o nível de precisão requerido.
A fiabilidade dos NDT pode ser aumentada com testes mecânicos em laboratório (Feio, 2005). Isto é, a utilização conjunta e bem coordenada destes dois tipos de ensaios e a sua correlação são uma forma de consolidar a avaliação não destrutiva de estruturas de madeira.
2.2 Ensaios não destrutivos
Nos últimos anos as técnicas de avaliação não destrutiva têm sido desenvolvidas e utilizadas com o objetivo de melhorar a avaliação da integridade das estruturas. São vários os autores que ao longo dos anos têm feito esforços no que diz respeito à utilização de ensaios não destrutivos para o diagnóstico de estruturas de madeira (Lee & Bae, 2004; Machado & Palma, 2010; Branco, et al., 2010; Divos, et al., 2011; Hasenstab & Fruehwald, 2011; Sousa, et al., 2012).
Estas técnicas medem as irregularidades que surgem nos elementos, fornecendo orientações sobre a localização das áreas de deterioração dos membros da estrutura de madeira, determinando como é que as irregularidades naturais interagem no elemento de madeira. Os métodos de inspeção não destrutiva são, normalmente, uma combinação de vários ensaios não destrutivos, pelo que se impõe que os resultados sejam examinados como um todo.
Existem três categorias de técnicas não destrutivas que se podem referenciar de forma evidente: a tradicional (que combina a inspeção visual com a utilização de ferramentas banais tais como o martelo e o formão), a das tecnologias já consolidadas (o higrómetro, o Resistógrafo®, o Pilodyn®, os ultrassons, a fotogrametria, etc.), e a das tecnologias de cariz
pode-se evidenciar os métodos de vibração e os ultrassons. Por outro lado, os métodos locais caracterizam-se pela avaliação pontual do elemento, determinando as propriedades deste apenas no intervalo considerado. Como exemplo referem-se, como técnicas mais utilizadas, o Pilodyn® e o Resistógrafo® (Feio, 2005). Este tipo de ensaios complementa a inspeção visual, confirmando os resultados desta avaliação que, por norma, não é conclusiva.
a) b)
Figura 1: Exemplo de equipamentos NDT: a) Resistógrafo®; b) Pilodyn®
De acordo com Feio & Lourenço (2005), existem ainda outras técnicas NDT que são atualmente utilizadas na avaliação das estruturas de madeira e seus derivados, tais como, a avaliação da resistência à penetração de um elemento metálico (Divos, et al., 2011), a avaliação do som obtido pelo contacto entre um martelo e a superfície dos elementos (Kasal & Tannert, 2010; Divos, et al., 2011), a ecografia ultrassónica (Kroggel, et al., 2011; Hasenstab & Fruehwald, 2011), a termografia (Tanaka, 2000; Berglind & Dillenz, 2003), raios-X (Bucur, et al., 1997; Bergsten, et al., 2001), método dos isótropos (Madsen, 1994; Feinberg, 2005) e uso de endoscópios. Alguns destes ensaios apresentam um custo elevado e um nível de exigência técnica acima do normal, pelo que são relegados para segundo plano na hora de proceder a uma inspeção estrutural.
No presente trabalho os métodos de inspeção utilizados limitaram-se à inspeção visual e posteriores ensaios com ultrassons.
2.3 Inspeção Visual
A inspeção visual é uma técnica de aplicação simples que consiste no exame direto, a uma distância não muito grande, do elemento a inspecionar, registando algumas das características da madeira, como os danos externos, o apodrecimento, a deformação dos seus elementos, ou ainda cortes. Para isto, utilizam-se técnicas, ferramentas e instrumentos simples (martelo, faca, broca, cinzel, etc.), levando a uma prévia marcação das áreas que posteriormente serão rigorosamente analisadas, orientando assim os ensaios não destrutivos posteriores.
Figura 2: Ferramentas de apoio à classificação visual dos elementos de madeira (Martins, 2009)
Esta análise requer a presença de pessoal técnico especializado, uma vez que estes, baseando-se na experiência que já possuem, podem rapidamente debaseando-senvolver uma avaliação qualitativa da integridade estrutural referente a diferentes membros individuais. Torna-se assim necessário que a pessoa que realiza a inspeção possua conhecimentos sobre o material que vai classificar.
O primeiro passo a dar numa inspeção visual é a atribuição de uma espécie botânica aos elementos de madeira, visto que a estrutura anatómica e a constituição do tecido lenhoso variam de espécie para espécie, tornando-se por isso necessária a correta identificação da espécie em causa. Em seguida, o cálculo da massa volúmica aparente do material é necessário, uma vez que este é um índice indicador da distribuição do material no provete, permitindo ainda estimar valores de outras propriedades através da aplicação de correlações existentes.
aumento das tensões internas e consequente abertura de fendas à superfície. Esta influencia diretamente a presença de fungos e consequentes ataques destes, podendo levar a peça a um elevado estado de podridão, uma vez que estes só são verificados em peças com teor de humidade igual ou superior a 20%. Os ataques de insetos são caracterizados por longas galerias na secção, uma vez que estes alimentam-se da madeira e utilizam-na como “ninho reprodutor”, degradando-a e diminuindo as suas propriedades de resistência.
As regras de classificação dependem da espécie da madeira, da sua proveniência, tamanho e processamento (Bartunkova, 2011). Como exemplo de normas de carácter nacional de classificação visual aplicáveis a elementos de madeiras, e utilizadas na realização deste trabalho, podem-se realçar as três seguintes normas italianas:
Norma Técnica Italiana UNI 11035-1:2003 “Legno strutturale - Classificazione a vista di legnami italiani secondo la resistenza meccanica: terminologia e misurazione delle caratteristiche” (“Madeira Estrutural – Classificação visual da madeira italiana segundo a sua resistência mecânica: terminologia e medições das características”). A norma especifica a terminologia e os métodos para a avaliação das características relevantes para a classificação visual da resistência mecânica da madeira com proveniência italiana destinada para usos estruturais. A norma não se aplica a produtos derivados da madeira tais como elementos estruturais de madeira lamelada colada ou LVL estrutural, ou outros;
Norma Técnica Italiana UNI 11035-2:2003 “Legno strutturale - Regole per la classificazione a vista secondo la resistenza e i valori caratteristici per tipi di legname strutturale italiani” (“Madeira Estrutural – Regras para a classificação visual de acordo com a resistência e o valor característico para diferentes tipos de madeira italiana para estruturas”). A norma identifica os tipos mais comuns de madeira italiana estrutural e, para cada um deles, indica as regras a adotar para efetuar a classificação visual da resistência, referindo-se ainda às condições gerais
presentes na UNI 11035-1:2003. Mediante a classificação, as serrações individuais aceitáveis são atribuídas a categorias oportunas, cada uma das quais associadas a valores característicos de massa volúmica, resistência e módulo de elasticidade; Norma Técnica Italiana UNI 11119:2004 “Beni culturali - Manufatti lignei -
Strutture portanti degli edifici - Ispezione in situ per la diagnosi degli elementi in opera” (“Património cultural – Artefactos de madeira – Estruturas de suporte de edifícios – Inspeções in-situ para o diagnóstico de elementos de madeira”). A norma estabelece objetivos, procedimentos e requisitos para o diagnóstico do estado de conservação e para a determinação da resistência e da rigidez de elementos de madeira estruturais de edifícios com heranças culturais, através da realização de inspeções in-situ e da aplicação de técnicas e métodos não destrutivos.
2.4 Ensaio de Ultrassons (UPV)
Este ensaio não destrutivo é um método bastante utilizado na inspeção de estruturas de madeira, e consiste na transmissão de ondas sonoras ao longo do elemento, com o objetivo de estimar o módulo de elasticidade dinâmico através da relação das propriedades elásticas da madeira com a velocidade de propagação destas ondas. Face a estes resultados, facilmente se obtém o módulo de elasticidade estático e a resistência mecânica do material, uma vez que são parâmetros correlacionados entre si.
A madeira, como um material natural que é, apresenta uma grande variabilidade nas suas propriedades, em parte devido às condições de crescimento das árvores. Para além disto, as propriedades físicas da madeira são também influenciáveis pela sua estrutura interna complexa, dando origem a um material heterogéneo e poroso fazendo com que esta apresente um comportamento anisotrópico, ou por outras palavras, dependendo da direção que se considere a madeira apresenta propriedades físicas e mecânicas diversas.
Devido a estas características, a avaliação do desempenho físico e mecânico deste material terá sempre em conta três direções ou eixos principais, representados na Figura 3, e que foram utilizados para definir a direção dos ensaios realizados.
Figura 3: Direções ou eixos principais (Coutinho, 1999)
De acordo com Kroggel, et al. (2011) foram realizadas várias experiências para a verificação da anisotropia através da velocidade das ondas longitudinais. Estas mostram que a velocidade aumenta, no sentido tangencial para o radial, até à direção axial da madeira (ver Figura 4). No entanto, este resultado não é confirmado com o resultado de testes com ondas transversais. Neste caso não foram encontradas nenhumas variações significativas das velocidades correspondentes às diferentes direções da madeira. A razão para estas discrepâncias é que a madeira é um meio isotrópico axial em que as ondas oscilam na direção das fibras, não havendo por isso influência dos anéis anuais.
a) b)
Figura 4: a) Medição com transmissão de ondas longitudinais; b) Medição com transmissão de ondas transversais (Kroggel, et al., 2011)
Em estudos anteriores, foram encontradas boas correlações, na ordem dos 0,90 – 0,96, entre o módulo de elasticidade dinâmico e estático, e que uma razão para as diferenças entre estes módulos de elasticidade é o efeito da fluência (Divós & Tanaka, 2005).
A análise da transmissão de ondas sonoras num elemento de madeira pode ser avaliada utilizando quatro métodos distintos, o método de ecos, o método de ressonância, o método de
O método que foi utilizado no desenvolvimento dos trabalhos aqui descritos, é o método de transmissão (ver Figura 5), sendo esse desenvolvido no presente capítulo.
Figura 5: Exemplo de aplicação do método de transmissão
Este consiste na propagação de ondas sonoras de baixa frequência, sendo por isso ideal para a utilização em elementos heterogéneos uma vez que tem uma maior capacidade de contornar os possíveis defeitos. Na presença destes, dá-se um fenómeno de refração das ondas seguido por uma quebra da sua amplitude e um aumento do seu tempo de propagação. A realização de posteriores comparações com os ensaios efetuados em elementos sem defeitos, da mesma espécie, permite estabelecer relações fiáveis quanto à sua qualidade e propriedades mecânicas (Júnior, 2006).
Para a utilização deste método é necessária a utilização de dois transdutores, funcionando um como um emissor e outro como recetor, localizados, conforme a Figura 6, longitudinal ou transversalmente nas faces da secção em análise.
Como já foi dito, um elemento em madeira não é um meio homogéneo ao longo do seu comprimento. Isto é facilmente explicado devido ao diferente sentido das fibras ao longo do seu desenvolvimento, há a presença de anéis anuais de crescimento com uma forma cilíndrica não necessariamente paralela à superfície, etc. Estas características são relevantes já que a velocidade dos sinais sonoros enviados é muito sensível à direção de deflexão das partículas e à direção das fibras da madeira. Com isto em mente, uma das principais tarefas relacionadas com a interpretação da transmissão de ultrassons é distinguir entre as heterogeneidades naturais e os defeitos e danos graves que o membro ensaiado possui. Assim, na realização do ensaio podemos considerar várias posições para a instalação dos transdutores, quer seja
Figura 6: Métodos utilizados na realização dos UPV (Feio, 2005)
Os transdutores estão disponíveis no mercado com uma gama de frequências de ressonância que varia na ordem dos 24 kHz a 1 MHz. As frequências mais baixas são usadas em materiais densos e heterogéneos, por exemplo betão, enquanto as frequências altas servem para materiais homogéneos como o aço. Para a madeira é recomendada uma gama de frequências compreendida entre 150 e 220 kHz (Bartunkova, 2011). No entanto, em alguns trabalhos já realizados as sondas utilizadas são de uma frequência mais baixa, pelo que no presente estudo se utilizaram sondas de 24 e de 55 kHz.
Outro fator importante, e com o qual é preciso ter especial cuidado nestes ensaios, está relacionado com o acoplamento dos transdutores à superfície a analisar. Uma vez que estes são os elementos que estão em contacto direto com o material, tem que se garantir um bom acoplamento à superfície deste, de maneira a que a quantidade de energia fornecida seja suficiente para garantir um envio e receção de impulsos suficiente para uma obtenção plausível de resultados. Esta junção, devido muitas vezes às condições da madeira in-situ, nem sempre é fácil, pelo que muitas vezes se procede a uma limpeza prévia e consequente alisamento da superfície de acoplamento, melhorando assim as condições desta.
O alinhamento dos transdutores é também por si só uma possível causa de desvios nos resultados, o que habitualmente é mitigado através da repetição de leituras e obtenção de um valor médio. A rugosidade inerente às amostras é uma das causas que facilmente afeta o alinhamento, podendo estas serem contrariadas recorrendo ao uso de duas réguas de apoio com o intuito de os manter alinhados, reduzindo assim o erro dos resultados.
As propriedades físicas e mecânicas da madeira, módulo de elasticidade dinâmico e estático, força de compressão e densidade, determinadas com recurso ao UPV foram calculadas através de uma série de fórmulas descritas em seguida.
A velocidade da onda sonora é calculada por:
(1)
Onde é a velocidade da onda (m/s), é a distância entre os dois transdutores (m) e é o tempo de propagação da onda.
De seguida, o módulo de elasticidade dinâmico é obtido recorrendo ao valor da velocidade previamente obtido. Assim,
(2)
Onde é o módulo de elasticidade dinâmico (N/mm2), é a velocidade da onda (m/s) e é a densidade da amostra (kg/m3)
Por fim, retiramos o módulo de elasticidade estático, tendo em conta que para efeitos práticos a relação entre os dois módulos de elasticidade, dinâmico e estático, segundo Bonamini, et al. (2001) é:
(3)
Isto é explicado pelo comportamento viscoelástico da madeira. A seguinte relação linear pode também ser aplicada (Bonamini, et al.,2001):
(4)
Onde e são constantes que dependem do material.
Posteriormente, no capítulo dedicado à análise de resultados, o valor do módulo de elasticidade dinâmico irá ser comparado com os valores que se obtém através dos ensaios de caracterização em laboratório, correlacionando-os, obtendo desta forma uma análise mais fiável do elemento e dos métodos NDT.
intuito de divulgar o que já se realizou em termos de utilização de testes UPV na análise não destrutiva de madeira, enumeram-se algumas conclusões e correlações obtidas por vários estudos feitos ao longo dos tempos.
Tabela 1: Resumo da pesquisa sobre a aplicação de UPV na análise não destrutiva de madeira
Referência Espécie de Madeira Conclusões dos trabalhos realizados
(Sandoz, 1989) Abeto Suíço
Os resultados elementares obtidos pelos UPV são muito bons para a estimativa do ( ), e por causa da redundância estatística, os resultados são também muito bom para o ( ).
(Bucur, 1995) Madeira maciça
A relação entre a densidade e os UPV não é relevante uma vez que de entre as espécies analisadas, com densidades entre 200-900 kg/m3 e velocidades de UPV entre 2500-5800 m/s, apenas 5% se mostraram relacionáveis.
(Haines, et al., 1996)
Abeto da Noruega (Picea excelsa) e abeto
branco (Abies amabilis)
Quanto mais elevada for a densidade da espécie, maior será a velocidade atingida pelo UPV.
O valor médio do obtido a partir dos UPV excedeu o em cerca de 17-22%.
(Wang & Ko, 1998)
Cedro Japonês (Cryptomeria japonica
D. Don)
Determinaram relações entre as propriedades mecânicas e a velocidade de propagação da onda ultrassónica, obtendo correlações que variam entre .
(Oliveira, et al., 2003)
Pinheiro (Pinus taeda e Pinus elioti)
O coeficiente de correlação obtido entre o e o , , é altamente significativo.
(Lee & Bae, 2004)
Pinheiro Coreano (Pinus densiflora)
A relação entre a percentagem de deterioração e os resultados do UPV encontrada é: µs: deterioração inicial ( %), µs: deterioração moderada (entre 8 e 15%),
µs: deterioração severa ( %). (Miná, et al., 2004) Eucalipto (Eucalyptus citriodora) Definem um entre o e o . Verificam ainda que os coeficientes de variação obtidos para o são menores que os
obtidos para o , denotando por isso uma menor variabilidade inerente aos NDT para peças com dimensões estruturais.
(Feio, 2005)
Elementos novos e velhos de Castanho (Castanea sativa)
Compressão Perpendicular às Fibras: Correlações fiáveis, , encontradas entre o
, obtido pelo método indireto do UPV, e o
. Correlações fiáveis, , encontradas entre o e a força de compressão
.
Compressão Paralela às Fibras: Correlações médias, , encontradas entre o
, obtido pelo método indireto do UPV, e o
. Correlações moderadas, , encontradas entre o e a força de compressão
.
Tração Paralela às Fibras: Correlações moderadas, , encontradas entre o , obtido pelo método indireto do UPV, e o
. Correlações baixas, , encontradas entre o e a força de tração .
(Divós &
Tanaka, 2005) Abeto
Estabelecem a relação entre o módulo de elasticidade dinâmico e estático, , e explicam que a diferença entre eles é
(Horácek,
2007) Madeira maciça
As tecnologias de UPV, aplicadas perpendicularmente às fibras, são utilizadas com sucesso para detetar a presença e o nível de deterioração interno em pontes de madeira. No entanto verifica-se que a gama de valores obtidos varia conforme os equipamentos utilizados. (Kotlínová, et
al., 2008) Pinho e Castanho
Os resultados obtidos revelaram a importância da estrutura da madeira, na direção dos anéis anuais, bem como do tipo de espécie na avaliação não destrutiva da densidade.
(Machado & Palma, 2010)
Pinho bravo (Pinus pinaster)
Uma alta correlação entre o e o foi
encontrada, . Além disto, o grau de correlação entre o teórico e prático, das duas
espécies testadas, revelam um .
(Secco, et al., 2011)
Pequiá-marfim (Aspidosperma desmanthum)
Análise de provetes com diferentes percentagens de cavidades artificiais através de dois tipos de malhas. A malha de difração apresenta melhores resultados que a malha reticulada uma vez que deteta cavidades de menor diâmetro.
(Hasenstab & Fruehwald,
2011)
Madeira maciça
Utilizam a técnica de eco ultrassónica, em conjunto com outras técnicas NDT, para realizar uma inspeção, em condições de serviço, em pontes
(Kroggel, et
al., 2011) Madeira maciça
Utilização dos ultrassons como técnica de inspeção a elementos de madeira.
– Velocidade ultrassónica
– Módulo de elasticidade global
– Módulo de elasticidade obtido através de ensaios de flexão laboratoriais – Módulo de rutura obtido através de ensaios laboratoriais à flexão até rotura – Coeficiente de correlação
CAMPANHA EXPERIMENTAL
3.1 Introdução
A campanha de ensaios realizados às tábuas de Castanho proporciona a possibilidade de estabelecer correlações entre os testes UPV, como ensaios não destrutivos, e os testes de flexão realizados. Para melhor compreensão do que foi feito, na Tabela 2 apresenta-se um resumo dos ensaios efetuados, ordenando-os sequencialmente de acordo com a sua execução.
Tabela 2: Sumário dos ensaios realizados nas tábuas de Castanho
Ensaio Norma / método
Provetes Nº de mediç õe s P arâ metro Obtido Descrição Dimensões aproximadas (mm) Nº pr ove tes Nº de segme ntos por f ac e Inspeção Visual UNI 11035-1:2003 UNI 11035-2:2003 UNI 11119:2004 Tábuas Originais 70x40x3000 22 7 3038 Classe S, Classes I, II, III UPV Método Indireto Gel vs. Plasticina 70x40x3000 13 7 4368 e 40 em 40cm 22 25 7864 Emissor Fixo 22 7 1512 Zonas de Flexão 22 3/4/5 2136 Nó como centro 20 - 3552 Método Direto (paralelo ao fio) Tábuas para rotura 70x40x640 52 - 312 Flexão em ramo elástico EN 408:2003 Tábuas Originais 70x40x3000 22 3/4/5 89 e Flexão até rotura EN 408:2003 Tábuas para rotura 70x40x640 52 - 52 e Densidade e Humidade ISO 3130:1975 ISO 3131:1975 Provetes da zona de rotura 20x20x25 52 - 156 , , e – Velocidade ultrassónica
– Módulo de elasticidade dinâmico – Módulo de elasticidade local – Módulo de elasticidade global
– Força máxima suportada pelo provete
– Resistência à flexão
– Massa volúmica dos provetes com um teor em água W
– Massa volúmica dos provetes com um teor em água igual a 12%
(Brites, 2011). Posteriormente estes resultados foram equiparados com os valores limite preconizados nas normas de classificação visual, enquadrando-se o elemento numa determinada classe de resistência.
Esta inspeção foi realizada no laboratório a vinte e duas tábuas de Castanho provenientes de elementos que se encontravam numa construção com aproximadamente com 100 anos de idade, com cerca de 70x40x3000 mm (dimensões aproximadas) apresentadas na Figura 7.
Figura 7: Tábuas de Castanho
O local escolhido para esta tarefa tinha boa iluminação, requisito fundamental para este tipo de trabalhos já que os vários parâmetros são obtidos única e simplesmente por observação direta dos elementos.
Em primeiro lugar, realizou-se uma limpeza superficial dos elementos a analisar. Esta foi feita com o auxílio de um pincel macio, para não alterar as formas iniciais do elemento, servindo apenas para retirar as camadas de sujidade e de pó existentes no material. Após esta limpeza, procedeu-se à identificação das várias tábuas, rotulando-as, por ordem alfabética, de A a V, colocando o nome da tábua numa das faces com largura maior. Nesta fase definiram-se também as faces das tábuas, numerando-as da Face 1 até à Face 4, sendo a Face 1 a correspondente à face que continha o nome da tábua. Foram ainda desenhados segmentos,
distanciados por 40 cm, ao longo das tábuas, localizando-se o primeiro a 10 cm do início da tábua. A Figura 8 demonstra esta numeração.
Figura 8: Numeração das faces a estudar (exemplo Tábua A)
De seguida, foi efetuado o levantamento geométrico das tábuas, com recurso a um paquímetro, registando todas as dimensões da peça, definindo-se assim a secção e o comprimento real de cada elemento.
Por fim, procedemos à caracterização do elemento de madeira relativamente à presença de nós e suas dimensões, à inclinação do fio e a existência de fissuras e suas dimensões, registando-as para posterior análise (ver Figura 9).
Figura 9: Exemplo de nós e fissuras encontrados através da inspeção visual
Como já foi referido, a inspeção visual foi realizada recorrendo a três normas italianas, UNI 11035-1:2003, UNI 11035-2:2003 e UNI 11119:2004. Estes documentos foram utilizados para classificar as tábuas e balizar os valores obtidos na inspeção. Segundo estes, a madeira de Castanho poderá ser inserida em duas categorias de resistência, na categoria “S” e nas categorias “I, II, III”. A primeira categoria resulta da classificação visual presente na UNI 11035-2:2003, enquanto a outra é referida na UNI 11119:2004 e corresponde à classificação dos elementos in-situ.
Propriedades Classe “S”
Valor característico da resistência à flexão (MPa) 28
Valor característico da resistência à tração paralela às fibras (MPa) 17 Valor característico da resistência à tração perpendicular às fibras
(MPa) 0,5
Valor característico da resistência à compressão paralela às fibras
(MPa) 22
Valor característico da resistência à compressão perpendicular às
fibras (MPa) 3,8
Valor característico da resistência ao corte (MPa) 2,0
Valor médio do módulo de elasticidade em flexão paralela às fibras
(MPa) 11000
Valor característico do módulo de elasticidade em flexão paralela às
fibras (MPa) 8000
Valor médio do módulo de elasticidade em flexão perpendicular às
fibras (MPa) 730
Valor médio do módulo de corte (médio) (MPa) 950 Valor característico da massa volúmica (kg/m3) 465 Valor médio da massa volúmica (kg/m3) 550 Quanto à classificação segundo as categorias “I, II, III”, obtém-se os valores inseridos na Tabela 4.
Tabela 4: Valores das propriedades mecânicas de elementos de Castanho de acordo com a UNI 11119:2004
Propriedades Classe
I II III Valor médio da resistência à compressão paralela às fibras
(N/mm2) 11 9 7
Valor médio da resistência à compressão perpendicular às
fibras (N/mm2) 2 2 2
Valor médio da resistência à flexão (N/mm2) 12 10 8 Valor médio da resistência à tração paralela às fibras
(N/mm2) 11 9 6
Valor médio da resistência ao corte (N/mm2) 0,8 0,7 0,6
Valor médio do módulo de elasticidade em flexão paralela
às fibras (N/mm2) 10000 9000 8000 Estas propriedades foram determinadas considerando o estado da madeira a analisar, isto é, tendo em conta a presença de vários defeitos, tais como insetos, fungos ou deformações, de fendas devido às variações de temperatura, à presença de nós, individuais ou agrupados, a inclinação das fibras, etc.
3.3 Ensaio de Ultrassons (UPV)
Neste subcapítulo explicam-se os diversos procedimentos realizados para a obtenção dos resultados com recurso a testes UPV.
Este método foi escolhido pelo facto de já existirem, em estudos prévios, bons resultados com a sua aplicação. No entanto, procurou-se inovar e para isso foram utilizadas duas sondas com frequência de transmissão diferentes. Numa primeira fase utilizaram-se as sondas de 55 kHz nas medições, e em seguida repetiu-se o que já havia sido feito utilizando sondas de 24 kHz. Com esta estratégia pretende-se ficar a saber se a redução da frequência de emissão de ondas permite aumentar a fiabilidade da utilização de testes UPV na análise não destrutiva de elementos de Castanho.
O aparelho UPV utilizado para a leitura dos valores do tempo de transição da onda ultrassónica entre o emissor e o recetor foi o C369N da Matest, mostrado na Figura 10.
Figura 10: Equipamento UPV utilizado
Para a obtenção dos resultados finais dos tempos de transição da onda eram feitas três medições por segmento definido. Das três leituras resultantes, a mais afastada foi descartada fazendo-se uma média com as duas leituras de valores mais próximos. Com esta forma de trabalho, os erros associados à leitura e à própria realização do ensaio, pressão aplicada nos transdutores e o seu posicionamento ser diferente, foram diminuídos resultando por isso uma gama de dados mais fiáveis.
O acoplamento dos transdutores à superfície do material, segundo o manual de utilização do equipamento utilizado, deve ser feito com recurso ao espalhamento de um gel nestes, que vem junto ao equipamento. No entanto, em trabalhos anteriores realizados na Universidade do Minho, verifica-se que a utilização de plasticina espalhada na superfície de contacto dos transdutores tem efeitos semelhantes à utilização do gel. Assim numa primeira fase foi verificada a veracidade desta técnica e, após confirmação dela, utilizou-se em todas as medições a plasticina como acoplante. Verificou-se também que é uma forma mais rápida e limpa que a utilização de gel, já que não há necessidade de remover os detritos de gel deixados pelas faces dos provetes, tendo-se apenas o cuidado de manter a sua superfície regularizada e limpa de possíveis detritos da madeira. A Figura 11 representa o uso destes dois tipos de acoplagem.
a) b)
Figura 11: Medição com acoplantes diferentes – a) Gel; b) Plasticina
A verificação das correlações do uso de dois acoplantes diferentes foi feita numa amostra de treze tábuas, escolhidas aleatoriamente, e dois procedimentos distintos de obtenção de resultados, a medição por segmentos de 40 cm e a medição com emissor fixo.
Tendo isto em mente procede-se à explicação das várias etapas realizadas recorrendo a este método de inspeção nos tópicos seguintes.
3.3.1 Medições por segmentos de 40cm
A realização destas medições, apresentada na Figura 12, foi feita, na primeira fase, aproveitando os segmentos definidos na inspeção visual. Estes tinham um espaçamento de 40 cm entre si, tendo o primeiro segmento uma distância de 10 cm ao início da tábua, e estavam marcados ao longo das quatro faces longitudinais das tábuas.
Figura 12: Medição com transdutores separados por 40 cm
Na segunda fase de medições colocou-se o primeiro segmento a distar 20 cm do início da tábua e manteve-se o afastamento de 40 cm entre segmentos. Na terceira e quarta fase, mantendo-se a extensão entre segmentos, o primeiro segmento começa a 30 cm e 40 cm do princípio da tábua, respetivamente. Este procedimento é mostrado na Figura 13.
Assim sendo, tem-se uma completa caracterização do elemento a estudar, uma vez que com estas medições, desfasadas de apenas 10 cm ao longo das quatro faces, cobre-se todo o elemento, podendo-se verificar as constantes variações de sinal e, juntamente com a inspeção visual, verificar qual a razão para este fenómeno, a entrada ou saída de um nó ou grupo de nós num segmento ou a inclinação do fio, por exemplo.
3.3.2 Medições com emissor fixo
Neste ponto do trabalho fomos determinar a atenuação do sinal sentida à medida que se iam afastando, sequencialmente, o recetor do emissor, como mostra a Figura 14.
Figura 14: Medições com emissor fixo
Com isto em vista, e aproveitando os tramos desenhados no ponto anterior o transdutor que emitia o sinal ultrassónico foi fixado, com o auxílio de um grampo, a 10 cm do começo da tábua. Em seguida, o recetor foi colocado no fim do primeiro tramo, isto é, a 40 cm de distância do emissor. Esta primeira medição vai de encontro à que foi determinada com o procedimento descrito em 3.3.1. Entretanto, na medição seguinte o recetor foi colocado no final da segunda secção, ou seja a 80 cm do emissor. Seguindo este procedimento, como mostra a Figura 15, na medição 3 a distância entre os transdutores era de 120 cm, e assim sucessivamente até que se verificasse a perda completa de sinal ou, em alguns casos, que o comprimento da tábua não fosse suficiente para esta perda se verificar.
Figura 15: Exemplo do ensaio UPV com emissor fixo, medidas em cm
3.3.3 Medições nos segmentos de
e
Esta medição foi realizada, após os ensaios de flexão simples estarem concluídos, nos segmentos locais e globais definidos para estes. O processo de determinação destes espaços é descrito na secção relativa aos ensaios mecânicos de flexão simples.
Tendo como principal objetivo a comparação entre o com os e obtidos nos ensaios de flexão, a medição com recurso aos UPV, esquematicamente representada na Figura 16, foi efetuada com o intuito de retirar o e . Para isto as medições foram elaboradas nas faces 1 e 3 das tábuas, uma vez que estas são as mais relevantes para os ensaios mecânicos visto ser a face 1 a sofrer compressão enquanto a face 3 está a ser tracionada, e os transdutores colocados nos segmentos de flexão preconizados, distanciados por 24 cm para as medições locais e por 60 cm para as medições globais, de acordo com a norma EN 408:2003.
3.3.4 Medições com afastamento dos nós
Com o intuito de se verificar a capacidade do UPV detetar e caracterizar os defeitos presentes ao longo das secções analisadas foi decidida a realização deste procedimento de ensaio, que pode ser visto na Figura 17.
Para dar resposta a esta questão foram escolhidos nós de referência, isto é, nós que foram escolhidos para funcionarem como referência central das sondas, presentes nas faces 1 e 3 ao longo de vinte tábuas, as tábuas J e V não entraram nesta medição uma vez que a primeira quase não apresenta nós e a segunda tem defeitos equiparáveis a outras tábuas.
O critério de escolha dos nós foi arbitrado conforme a importância do nó na face em questão, pelo que foram escolhidos nós de diferentes tamanhos e tipos, nós isolados para verificar a influência destes à medida que a distância entre as sondas era maior, a influência da introdução de diversos nós, mais influentes que o de referência em alguns casos, no meio da medição e ainda a influência que um grupo de nós pode ter.
Escolhidos os pontos de referência o ensaio foi feito através do afastamento progressivo das sondas, tendo sempre o nó de referência como ponto central. Inicialmente as sondas estavam colocadas a 5 cm, para cada lado, do nó. Depois era feita uma translação sucessiva das sondas, de 5 em 5 cm, até que a distância final entre uma sonda e o nó fosse igual a 40 cm, obtendo por isso uma distância final entre sondas de 80 cm. Em alguns casos, como o nó de referência escolhido estava posicionado perto da extremidade, não foi possível chegar ao afastamento final entre sondas de 80 cm, parando a medição no afastamento máximo possível.
avaliar as zonas fracas ou críticas do material pelo simples facto de não se conseguir determinar a posição do defeito no elemento.
a) b)
Figura 18: Método Direto – a) com sondas de 55 kHz; b) com sondas de 24 kHz
Os resultados obtidos foram posteriormente comparados com os ensaios de rotura, uma vez que com estes é possível achar a e correspondente resistência à flexão, , a que o provete pode ser sujeito.
3.4 Testes Mecânicos
As técnicas de avaliação destrutivas (DT), assim como as não destrutivas, são utilizadas para avaliar as propriedades mecânicas das estruturas. Com a aplicação destas técnicas auferem-se as propriedades mecânicas dos provetes necessárias para a sua correta avaliação.
Estes tipos de ensaios são normalmente realizados em laboratório, num ambiente de trabalho controlado, sendo por isso necessário recolher amostras in-situ para posterior avaliação.
Para além disto, os resultados obtidos com estas técnicas servem de base para a comparação e posterior validação dos ensaios de carácter não destrutivo, minimizando assim erros na tomada de decisões e permitindo a correlação entre estes dois métodos de avaliação.
Os testes mecânicos escolhidos no desenvolvimento deste trabalho foram o teste à flexão simples, em regime elástico, e o teste à flexão até à rotura das tábuas. Os objetivos e procedimentos destes encontram-se explanados nas subsecções seguintes.
Os ensaios à flexão foram realizados à luz da secção 9 da norma EN 408:2003 “Timber structures - Structural timber and glued laminated timber - Determination of some physical and mechanical properties”, que visa a determinação do módulo de elasticidade local e global e ainda a determinação da resistência à flexão dos provetes de madeira. A resistência à flexão só é determinada quando se levam os provetes à rotura, ficando-se assim a conhecer a a que estes podem ser sujeitos.
Para a realização destes ensaios verificou-se a necessidade de definir segmentos de 600 mm ao longo das tábuas. Os critérios de definição destes tiverem em conta os resultados obtidos com a inspeção visual, mais em concreto a existência, o número e o tipo de nós presentes nas quatro faces longitudinais da peça. Tendo isto presente foram definidos segmentos livres de nós, servindo assim como uma referência do material ensaiado, e segmentos que continham diferentes tipos de nós, podendo assim verificar-se a influência direta destes nas propriedades mecânicas dos elementos, verificando-se que para os segmentos com tipos de nós superiores os resultados determinados eram inferiores que os segmentos que possuíam nós de tipo inferior e que estes, por sua vez, apresentavam resultados inferiores aos segmentos de referência.
Pela Figura 19, consegue ver-se que para a tábua B foram definidos cinco segmentos de ensaio, escolhidos pela tábua conforme os defeitos nela presentes. Para as restantes tábuas, apresentadas no Anexo 3.3, o processo de escolha foi análogo ao representado.
Figura 19: Representação esquemática da tábua B, medidas em cm
3.4.1 Teste à flexão em 4 pontos
Este teste foi executado com o intuito de determinar o módulo de elasticidade local e global em flexão, sendo por isso realizado em regime elástico linear, preservando-se assim as tábuas de Castanho. Deste modo, a secção e comprimento dos provetes testados são os iniciais, isto é, 70x40x3000 mm (dimensões aproximadas). Um exemplo da aplicação deste ensaio é evidenciado na Figura 22.
De acordo com a EN 408:2003, o provete deve ter um comprimento mínimo de 19 vezes a altura da secção. O provete vai ser simetricamente carregado à flexão, em dois pontos, durante um período de cerca de 18 vezes a altura da secção. Estas orientações estão representadas na figura seguinte.
Figura 20: Esquema do ensaio dos provetes à flexão simples (EN 408:2003)
A Tabela 5 mostra os valores utilizados na montagem laboratorial correspondentes à Figura 20 e aplicados ao caso em estudo.
Tabela 5: Valores aplicados na montagem laboratorial do ensaio à flexão
Secção transversal (mm) 70
(mm) 40 Distância entre a posição de carga e o apoio mais próximo (mm) 180
Espaço em flexão (mm) 200
Vão entre apoios (mm) 600
Inércia (mm4) 373333,3
Forças
(N) 500 (N) 2000 (N) 1500
Uma vez que as tábuas, neste ponto do trabalho, não foram cortadas em secções longitudinais de menor dimensão, e como já foi referido na secção anterior, foram definidos diferentes segmentos de ensaio nas tábuas, realizando-se vários ensaios por tábua, sendo por isso necessária a translação da tábua ao longo do pórtico de ensaio. A Figura 21 demonstra o sentido de translação adotado.
Figura 21: Esquema do movimento a efetuar para a realização do teste nos segmentos da tábua ( representa a deformação medida), medidas em m
Pode-se ainda referir que o provete estava simplesmente apoiado e que, na primeira fase, a força máxima aplicada não excedeu os 40% da força resistente máxima. O ensaio foi realizado com medição em tempo real da força aplicada e do valor da deformação a meio vão, através da colocação de um LVDT neste local, obtendo-se assim os resultados de forma contínua à medida que este se realizava.
A carga foi aplicada de forma constante, em três ciclos de carga e descarga, em que o movimento do atuador de carga não era superior a 0,003h mm/s.
O equipamento de carga utilizado é capaz de medir a carga com um erro de 1% da carga total aplicada ao provete. A deformação foi medida, a meio vão, no centro de um comprimento de medida central igual a cinco vezes a largura da secção.
a) b) c)
Figura 22: a) Teste à flexão; b) Pormenorização da posição dos apoios, célula de carga e LVDT’s; c) Segmento escolhido devido ao conjunto de nós representados
