ANÁLISE DE POSTES DE CONCRETO UTILIZANDO
TOMOGRAFIA ULTRASSÔNICA
Concrete poles analysis using ultrasonic tomography
Alexandre Lorenzi (1), Fernanda Pedron (2), Josué Argenta Chies (2), Lucas Alexandre Reginato (2), Rafael Burin Fávero (2), Luiz Carlos Pinto da Silva Filho (3)
(1) Doutor em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS. (2) Mestrando em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS.
(3) Professor PhD, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS
Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais - LEME, Av. Bento Gonçalves, nº 9.500, Prédio 43436, Campus do Vale – UFRGS, CEP 91509-900, Porto Alegre – RS – Brasil.
Resumo
O concreto é um material amplamente utilizado na construção civil para execução de elementos estruturais e de acabamento. Em virtude disto, tem-se uma preocupação cada vez maior quanto ao conhecimento de seu estado de deterioração e segurança, o que estimula a busca por métodos que permitam avaliar estruturas acabadas. A partir da aplicação de métodos de Ensaios Não Destrutivos (END), consegue-se proceder com uma investigação bastante detalhada das estruturas de concreto armado. Experiências acumuladas pelo Grupo de Pesquisa LEME/UFRGS indicam que a aplicação de END pode contribuir de maneira vital para o diagnóstico de problemas e para o controle da qualidade de estruturas de concreto com as mais variadas funções. Dentre os métodos de END, a tomografia possibilita o mapeamento de toda a seção interna do objeto a partir de projeções do mesmo. O tomógrafo MIRA é uma ferramenta perfeita para criar uma representação tridimensional (3D) de defeitos internos, que podem estar presentes em um elemento particular. O MIRA usa uma antena que consiste de uma série de transdutores de ponto de contato seco que emite ondas de cisalhamento que são transmitidas através do concreto. Os dados coletados pelos transdutores são então registrados, armazenados no equipamento e transmitidos para o computador. Através de um software, é gerada uma imagem 3D das interfaces refletidas do elemento, que possibilita análise dos dados gerados. O presente artigo ilustra a aplicação do MIRA para avaliar o estado de conservação e detectar a existência de falhas e problemas em postes de concreto armado.
Palavra-Chave: concreto, postes, tomografia 3D.
Abstract
Concrete is a widely used material for structural and non-structural construction elements. Therefore, there is a growing concern about the deterioration and safety state of concrete, which stimulates the search for methods to evaluate these structures. A concern about the knowledge of the state of deterioration and safety are growing and it stimulates the research about methods to evaluate structures. Nondestructive Testing (NDT) can be carried out with a detailed investigation about concrete structures. Experience accumulated by the LEME/UFRGS Research Group, indicates that NDT can contribute to quality control of concrete structures. Tomography scan is a method that enables mapping of the whole section of the object. MIRA tomographer is a perfect tool to create a three-dimensional (3D) view of internal defects that may be present in a particular element. The MIRA device uses an antenna that consists of a series of dry contact transducers points that emits shear waves into concrete. Data collected by the transducers are recorded and stored at MIRA. Through a software, 3D images are generated showing the interfaces reflected by the element, wich provide an analysis of the generated data. This paper illustrates the application of MIRA device to evaluate the conservation and detect the presence of defects in concrete poles.
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Introdução
Segundo Carino (1997), o concreto é um material de construção bastante complexo, pois pode ser produzido a partir de muitas combinações de materiais e suas propriedades finais dependem do tratamento dado durante sua mistura, lançamento e adensamento. O proporcionamento adequado e a efetividade do processo de cura são críticos para que um concreto possa alcançar o seu desempenho potencial.
Ao mesmo tempo, pode-se afirmar que o concreto é um material essencial para a sociedade humana e sua importância fica evidente em face da sua maciça utilização nas sociedades modernas. Mehta e Monteiro (1994) ressaltam que o concreto é, atualmente, o material mais empregado no mundo depois da água. Já Andrade (2005), destaca que isto é, em grande parte, decorrente da excelente durabilidade do concreto armado. Apesar de o concreto ser muito durável em certas circunstâncias, muitas estruturas estão sujeitas a ambientes ou condições deletérias, que rapidamente degradam seu desempenho e afetam sua integridade.
Como explica Figueiredo (2005), fatores como a ocorrência de falhas de projeto; o uso de dosagens incorretas; o emprego de processos inadequados de mistura, transporte, lançamento, adensamento, cura e descimbramento; além da utilização incorreta das estruturas de concreto, têm levado ao surgimento de manifestações patológicas, muitas vezes precoces e com custos elevados de reparação.
O problema é que, como explicam Shah e Subramaniam (1999), a deterioração do concreto em estruturas é frequentemente resultado da ação simultânea de vários mecanismos de degradação, que se manifestam em velocidades diferentes e tem distintos efeitos. Diante desta realidade, o emprego de metodologias de inspeção e diagnóstico se torna essencial para a avaliação do estado de conservação e para a identificação e entendimento dos mecanismos de degradação atuantes. Cho (2003) argumenta que o uso de métodos de ensaio não destrutivos (END) é uma maneira de viabilizar a inspeção e a avaliação do estado de conservação de construções civis de forma econômica e eficiente.
A durabilidade das estruturas de concreto é uma questão fundamental na Engenharia Civil, e estas estão sujeitas a ataques agressivos que podem minimizar a sua durabilidade. Medições precisas, assim como a interpretação dos dados que afetam a durabilidade de estruturas são tarefas difíceis, devido à inerente heterogeneidade do concreto, como salientam Chekroun et al. (2009). Apesar disto, a avaliação através de END de materiais cimentícios é uma área fundamental da investigação, pois permite a obtenção de informações sobre a qualidade e do estado de degradação dos materiais de construção (MOLERO ARMENTA et al., 2009).
Segundo Wiggenhauser (2009), a aplicação de END para garantia da qualidade de estruturas de concreto tem obtido consideráveis progressos recentemente. Impulsionado pelo avanço tecnológico e pela transferência de conhecimento de outras áreas de testes de materiais e da medicina, métodos de investigação versáteis tem surgido com freqüência, aumentando o potencial para investigação de estruturas de concreto.
Valluzzi et al. (2009) discorrem sobre a aplicação destes métodos, considerando-os muito úteis para programas de diagnóstico mais complexos, pois possibilitam a identificação de regiões aonde a presença de deficiências é mais provável.
De acordo com Bungey e Millard (1996), muitos esforços e despesas podem ser desperdiçados em ensaios se não definir-se claramente, e desde a fase preliminar, quais serão os objetivos da investigação. Este fator irá afetar a escolha do método de ensaio, a extensão e a localização dos ensaios, bem como, qual será a forma com que os resultados obtidos serão manipulados e interpretados. Segundo os mesmos autores, a plena consciência de toda a gama de testes disponíveis, suas limitações de aplicação e os possíveis erros que podem advir de sua utilização são parâmetros muito importantes para tomar-se uma decisão acerca de qual método utilizar. Alguns métodos de END parecem ser de aplicação muito simples, mas todos estão sujeitos a determinadas influências e a utilização de operadores qualificados é essencial para o correto andamento do ensaio.
Para Balayssac et al. (2009), a aplicação de END no campo da Engenharia Civil é muito interessante por fornecer, de maneira rápida e eficaz, informações qualitativas a respeito do concreto, da variabilidade de suas propriedades e também parâmetros sobre a evolução do material no tempo. De acordo com Soutsos et al. (2009), o estabelecimento de boas correlações entre propriedades do concreto e a sua resistência à compressão é um parâmetro determinante para que tenhamos êxito na aplicação dos END.
Lorenzi e Silva Filho (2003) destacam que ensaio de ultrassom tem sido cada vez mais empregado no diagnóstico de estruturas, pois permitem caracterizar o material, avaliar sua integridade e medir propriedades físicas importantes por meio do monitoramento da velocidade de propagação de ondas de som de alta frequência pelo material.
Breysse et al. (2009) lembram que a determinação das condições do material de construção é um ponto fundamental quando se quer reavaliar estruturas existentes, cujo material pode ter resultado em alguma perda de desempenho e alguma diminuição do nível de segurança. A deterioração progressiva do desempenho também induz a custos de manutenção importantes, como para evitar a perda futura de desempenho. O mesmo lembra que os efeitos do END podem ser classificados da seguinte forma:
para a detecção de um defeito ou uma variação de propriedades;
para proceder a classificação a respeito de uma determinada propriedade, entre as várias áreas em uma estrutura ou entre várias estruturas;
O presente trabalho apresenta o resultado de um estudo de caso que buscou verificar a acurácia da tomografia ultrassônica para detectar defeitos internos em postes de concreto. O mesmo foi baseado na aplicação do ensaio em um segmento de poste bastante utilizado pelas concessionárias no Rio Grande do Sul. De forma a atingir esta finalidade, foi utilizado o tomógrafo A1040 - MIRA. A figura 1 ilustra o tomógrafo utilizado neste estudo e a figura 2 representa o referido segmento de poste em análise.
Figura 1 – Tomógrafo A1040 MIRA.
Figura 2 – Vista do segmento de poste analisado.
1.1 Ensaio ultrassônico no concreto
Os métodos de ensaio ultrassônico aliam flexibilidade, baixo custo e boa capacidade de fornecimento de informações sobre o concreto. O método é baseado na determinação longitudinal da velocidade do pulso ultrassônico, e é um método bastante utilizado de END para avaliação do concreto devido a sua eficácia, simplicidade de aplicação e também pelo seu custo, (KOMLOS et al., 1996).
Segundo Nogueira (2002), em meios dispersivos como o concreto, o ensaio fornece três parâmetros diferentes para análise: velocidade do pulso ultrassônico, amplitude e dispersão dos pulsos. Os equipamentos mais complexos, dotados de osciloscópios, permitem a análise de amplitude e dispersão dos pulsos. A maioria dos equipamentos portáteis, todavia, registra somente a velocidade do pulso.
O ensaio de VPU é uma ferramenta importante para avaliação do concreto, sendo que a propriedade do concreto que é mais frequentemente influenciada pelo ensaio é a resistência à compressão (BERRIMAN et al., 2004). De acordo com Machado (2005), o desenvolvimento do método começou no Canadá e na Inglaterra, quase ao mesmo tempo. A partir dos anos 60, com o surgimento de um equipamento portátil, equipado com bateria, esse método deixou de ser usado somente em laboratórios, chegando aos canteiros de obras.
O Ensaio de Velocidade de Propagação do Pulso Ultrassônico (VPU) pode desempenhar um papel importante nesse controle, uma vez que permite identificar a densidade e a homogeneidade do material, fornecendo informações sobre a existência de falhas no concreto; ressalta-se que alguns danos podem resultar numa redução da vida útil dos postes. O ensaio de VPU pode ser facilmente aplicado para análise do concreto. Além disso, possibilita a análise do poste de concreto sem danificar a estrutura do mesmo. Esta pesquisa vislumbra a análise das condições de postes de concreto utilizados na rede elétrica pelas concessionárias e conclui que a aplicação do VPU pode contribuir para o êxito no controle de qualidade dos postes de concreto. O presente artigo tem por objetivo avaliar a forma mais adequada de análise dos postes de concreto através da utilização do ensaio de VPU.
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Metodologia
A técnica de mapeamento da VPU tem sido amplamente utilizada, com grande sucesso, pela equipe do LEME/UFRGS para esse tipo de análise, devido à sua facilidade de execução, excelente capacidade de detecção de falhas e rapidez, fatores estes que permitem efetuar uma varredura completa e adequada do concreto. O referido ensaio determina a velocidade com que os pulsos ultrassônicos atravessam um material de dimensões conhecidas. Esta propagação é muito sensível à presença de falhas, fissuras ou qualquer outra descontinuidade no material.
A metodologia desta pesquisa está baseada na aplicação do tomógrafo MIRA para detectar defeitos internos nos postes em concreto armado utilizados pelas companhias distribuidoras de energia elétrica. O tomógrafo MIRA é uma ferramenta perfeita para criar uma representação tridimensional (3D) de defeitos internos, que podem estar presentes em um elemento particular. O MIRA usa uma antena que consiste em uma série de transdutores de ponto de contato seco (DPC, dry point contact) que emite ondas de cisalhamento emitidos no concreto. Os dados coletados pelos transdutores são registrados, armazenados no equipamento e transmitidos para o computador.
De acordo com a Acoustic Control Systems (2010) o MIRA é um equipamento de medição que contém um bloco de medição autônomo que coleta e processa dos dados tomograficamente, contendo 48 antenas. As mesmas são fixadas no MIRA em uma matriz de 12 X 4 transdutores. Cada um dos transdutores pode atuar tanto como transmissor ou receptor, com uma operação de freqüência ultra-sônica padrão de 55 kHz, com intervalo de 25 a 85 KHz (ACSYS, 2010).
O tipo de poste utilizado para esta pesquisa foi um poste duplo T, bastante utilizado pelas companhias distribuidoras de energia elétrica no Rio Grande do Sul.
A figura 3 demonstra o formato de aquisição das leituras pelo MIRA e a figura 4 ilustra a realização do ensaio ultrassônico com o MIRA no segmento de poste analisado para o estudo em questão.
Figura 3 – Esquema de aquisição de leituras do MIRA.
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Análise de Resultados
Depois que os dados são adquiridos ao longo de todas as linhas de varredura, e a partir dos resultados obtidos nos ensaios com o tomógrafo MIRA, foi utilizado o software I-DEAL
Viewer, que gera uma imagem 3D das interfaces refletidas do elemento.
As figuras 5 e 6 ilustram os resultados obtidos através do MIRA.
Figura 5 – Visualização dos estribos presentes no poste utilizando o equipamento MIRA.
Figura 6 – Resultados do ensaio ultrassônico com o equipamento MIRA.
Nas imagens geradas através do software I-DEAL Viewer pode-se visualizar as diferentes interfaces presentes no segmento de poste de concreto analisado.
Na figura 5 podem-se visualizar os estribos presentes no segmento de poste, bem como o seu espaçamento. Já na figura 6 visualizam-se os resultados das leituras no sentido longitudinal do poste, onde se encontra presente, além da armadura longitudinal um duto que irá receber a fiação elétrica do poste. Estas leituras foram obtidas com uma frequência de 55 KHz e uma velocidade de pulso de 2550 m/s.
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Conclusões
O presente artigo ilustra a aplicação de ensaios de VPU para avaliar o estado de conservação e detectar a existência de problemas em postes de concreto armado.
A utilização de ensaios de VPU tem sido cada vez mais difundida na área da Engenharia Civil, e estes ensaios já se mostraram comprovadamente úteis na análise de diferenças de homogeneidade e na detecção de padrões de microfissuração em estruturas de concreto deterioradas. Uma vantagem importante desse tipo de ensaio é o fato de que pode ser aplicado sem causar danos às estruturas em uso, aspecto extremamente relevante para os diagnósticos e para a definição de estratégias de intervenção em estruturas. O ensaio de tomografia 3D demonstrou ser bastante sensível a variações de homogeneidade e densidade do material analisado.
Os resultados de mapeamento dos postes, a partir das imagens tomográficas da seção interna do poste, mostraram-se muito viáveis para uma utilização em larga escala, principalmente em função da área reduzida dos elementos.
A aplicação do tomógrafo MIRA é uma técnica nova e muito promissora, sendo que o equipamento pode ser considerado uma ferramenta ideal para criar representações tridimensionais de defeitos internos que podem estar presentes num elemento em particular. A partir dos dados coletados pelo MIRA, e trabalhados pelo software I-DEAL
Viewer, foi gerada uma imagem 3D das interfaces refletidas do material ensaiado e
puderam-se constatar as diferenças dos elementos presentes no poste.
Em linhas gerais, a aplicação do MIRA é uma ferramenta muito útil para a análise de postes de concreto armado, podendo gerar imagens tomográficas bastante fiéis dos elementos ensaiados e constituir importante fonte de diagnóstico de problemas e falhas nestes elementos.
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Referências
ANDRADE, T. Tópicos sobre Durabilidade do Concreto. In: ISAIA, G. C. (Editor),
Concreto: Ensino, Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON, 2005. cap.25, vol.1,
BALAYSSAC, J. P., LAURENS, S., ARLIGUIE, G., PLOIX, M. A., BREYSSE, D., DÉROBERT, X., PIWAKOWSKI, B. Evaluation of concrete structures by combining
non-destructive testing methods (SENSO project). In: NON-DESTRUCTIVE TESTING
IN CIVIL ENGINEERNG (NDTCE 2009), 2009, Nantes. Proceedings.... Paris: Confédération Française pour les Essais Non Destructifs, 2009.
BREYSSE, D., SOUTSOS, M., FELICETTI, R, KRAUSE, M., LATASTE, J., MOCZKO, A.
How to improve the quality of concrete assessment by combining several NDT measurements. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL ENGINEERNG (NDTCE
2009), 2009, Nantes. Proceedings.... Paris: Confédération Française pour les Essais Non Destructifs, 2009.
BUNGEY, J. H., MILLARD, S. G. Testing of Concrete in Structures. 3ª Edição. Glasgow: Chapman & Hall, 1996.
CARINO, N. J. Nondestructive Test Methods. In: Concrete Construction Engineering
Handbook. Boca Raton: CRC Press, 1997. cap.19, p.1-68.
CHEKROUN, M., LE MARREC, L., ABRAHAM, O., VILLAIN, O., DURAND, O. Analysis
of coherent surface wave dispersion and damping for non destructive testing of concrete. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL ENGINEERNG (NDTCE 2009),
2009, Nantes. Proceedings.... Paris: Confédération Française pour les Essais Non Destructifs, 2009.
CHO, Y. S. Non-destructive Testing of High Strength Concrete using Spectral
Analysis of Surface Waves. NDT&E International. [s.l.], n. 36, p. 229-235, 2003.
FIGUEIREDO, E. P. Inspeção e Diagnóstico de Estruturas de Concreto com Problemas de Resistência, Fissuras e Deformações. In: ISAIA, G. C. (Editor), Concreto: Ensino,
Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON, 2005. cap.33, vol.2, p.985-1015.
LORENZI, A.; SILVA FILHO, L. C. P. Estudo Comparativo entre Sistemas Inteligentes para Auxílio da Análise de Estruturas de Concreto através de Ensaios Não Destrutivos. In: CONFERÊNCIA SOBRE TECNOLOGIA DE EQUIPAMENTOS (COTEC 2003), 7, 2003, Florianópolis. Anais.... São Paulo: Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção, 2003. 9p.. 1 CD-ROM.
MEHTA, P. K., MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais. São Paulo: PINI, 1994. 573p.
MOLERO ARMENTA, M. A.; SEGURA, I.; HERNÁNDEZ, M.; GARCIA IZQUIERDO, M. A.; ANAYA, J. Ultrasonic characterization of cementitious materials using frequency–
dependent velocity and attenuation. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL
ENGINEERING (NDTCE’09), 2009, Nantes. Procedings.... Paris: Confédération Française por lês Essais Non Desctructifs, 2009. 6p.
SHAH, S. P., SUBRAMANIAM, K. V. Use of Nondestructive Ultrasonic Techniques for
Material Assessment and In-Service Monitoring of Concrete Structures. In:
INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NONDESTRUCTIVE TESTING CONTRIBUTION TO THE INFRASTRUCTURE SAFETY SYSTEMS IN THE 21ST CENTURY(NDTISS 99), 1999, Torres. Proceedings…. Santa Maria: UFSM, 1999. p. 107-114.
SOUTSOS, M., BUNGEY, J., LONG, A., TICKELL, G. Interpretation of in-situ concrete
strength test results. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL ENGINEERNG
(NDTCE 2009), 2009, Nantes. Proceedings.... Paris: Confédération Française pour les Essais Non Destructifs, 2009.
VALLUZZI, M. R., DA PORTO, F., CASARIN, F., MONTEFORTE, N., MODENA, C. A
Contribution to the Characterization of Masonry Typologies by using Sonic Waves
Investigations. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL ENGINEERING
(NDTCE’09), 2009, Nantes. Procedings.... Paris: Confédération Française por lês Essais Non Desctructifs, 2009. 6p.
WIGGENHAUSER, H. Advanced NDT Methods for Quality Assurance of Concrete
Structures. In: NON-DESTRUCTIVE TESTING IN CIVIL ENGINEERING (NDTCE’09),
2009, Nantes. Procedings.... Paris: Confédération Française por lês Essais Non Desctructifs, 2009. 12p.
