AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA DE UMA PISTA DE BETÃO PRÉ-ESFORÇADO COM RADAR DE PROSPEÇÃO

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AVALIAÇÃO DA ESTRUTURA DE UMA PISTA DE BETÃO

PRÉ-ESFORÇADO COM RADAR DE PROSPEÇÃO

1 _{Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Transportes, Av. do Brasil 101, 1700-066 Lisboa,} Portugal

email: vmarecos@lnec.pt

2 _{Universidade de Vigo, Programa Doutoral em “Geotechnologies applied to Construction, Energy & Industry”,} Campus Lagoas-Marcosende, 36310 Vigo, Espanha

3 _{Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Conselho Diretivo, Av. do Brasil 101, 1700-066 Lisboa, Portugal}

Sumário

O uso do radar de prospeção em infraestruturas de transporte representa um dos avanços mais significativos para a obtenção de dados contínuos ao longo de um pavimento com a vantagem de poder operar à velocidade de tráfego e de ser uma técnica não destrutiva. Este artigo apresenta os resultados da aplicação do radar de prospeção na determinação da constituição de um pavimento de uma pista de um aeroporto em betão pré-esforçado com o objetivo de avaliar a capacidade de carga da pista.

Palavras-chave: Radar de prospeção; Localização de armaduras; Pavimento rígido; Pista de aeroporto.

1 INTRODUÇÃO

O uso do radar de prospeção em infraestruturas de transporte representa um dos avanços mais significativos para a obtenção de dados contínuos ao longo de um pavimento, com a vantagem de poder operar à velocidade de tráfego e de ser uma técnica não destrutiva [1][2].

As principais aplicações do radar de prospeção em pavimentos têm sido a avaliação da espessura das camadas [3], que tradicionalmente era determinada pela realização de sondagens ou poços [4]. Mais recentemente, também tem sido usado para estimar o teor em água [5], para a deteção de defeitos sub-superficiais [6] e, a nível experimental, para estimar as características mecânicas das camadas do pavimento [7].

Para pavimentos de betão armado a deteção e localização de armaduras é uma das aplicações mais comuns do radar de prospeção, que pode ir ainda mais longe com a estimativa dos diâmetros das armaduras, mas neste caso os resultados podem ser difíceis de interpretar [8].

Neste estudo foram realizados vários ensaios com radar de prospeção utilizando uma antena de 1,8 GHz para detetar a constituição do pavimento de uma pista em betão pré-esforçado. Os dados dos ensaios foram calibrados com carotes obtidas através de sondagens à rotação e, em seguida, analisados para identificar a localização das armaduras de pré-esforço.

No final apresenta-se um modelo geométrico do pavimento da pista do aeroporto, a partir dos resultados do radar de prospeção, para posteriormente ser usado na avaliação da sua capacidade de carga.

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2 METODOLOGIA

2.1

Princípios do radar de prospeção

O radar de prospeção é um equipamento que permite detetar em contínuo a posição das interfaces entre as várias camadas que constituem a estrutura de um pavimento. Os sistemas mais comuns de radar de prospeção são os de impulsos onde é emitida uma onda eletromagnética única com uma frequência selecionada. A onda emitida é refletida quando encontra uma fronteira entre dois materiais que apresentam diferentes constantes dielétricas [3] [9] [10].

As ondas eletromagnéticas propagam-se verticalmente através das camadas do pavimento, e quando encontram um alvo do tipo tubo, como por exemplo uma armadura, a imagem resultante assemelha-se a uma hipérbole (Fig.1).

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Direção de ensaio

Posição da antena

T

emp

o

d

e

p

ro

p

a

g

a

ç

ão

Fig.1. Reflexão hiperbólica de uma armadura no interior do betão

Isto acontece porque a onda emitida tem uma forma cónica, permitindo a detenção do alvo não só quando está posicionado verticalmente sobre ele, mas também nas leituras que efetua antes e após essa posição. Como as antenas usadas são de polarização linear [8] o sistema é mais sensível à detenção de objetos de metal que estão dispostos transversalmente ao alinhamento de ensaio, em comparação com aqueles que estão dispostos paralelamente.

A forma da hipérbole depende de dois parâmetros [10]: do passo de amostragem (menores passos de amostragem produzem hipérboles mais largas) e da velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas (maiores velocidades originam hipérboles mais largas).

As ondas são sempre refletidas a partir do topo superior do alvo, sendo que para alvos de diâmetro inferior a 5 mm não é possível estimar a sua secção. A localização do topo superior da armadura pode ser obtida em função da velocidade de propagação da onda que por sua vez depende da constante dielétrica do material envolvente (), através da seguinte expressão:

2 t

3 Em que:

d – distância entre a superfície do pavimento o topo superior da armadura;  - velocidade de propagação da onda





c – velocidade da luz no vácuo (3  108 _m/s);

r – constante dielétrica relativa que depende da natureza e do estado (por exemplo, compacidade, condições hídricas) dos materiais das camadas [1];

t – tempo de percurso da onda.

Com base no intervalo de tempo decorrido entre a emissão das ondas e a receção da sua reflexão, e admitindo valores típicos para as velocidades de propagação das ondas, com base nas constantes dielétricas dos materiais das camadas, é possível determinar a profundidade a que se encontram as armaduras. No entanto, e tendo em conta que a constante dielétrica de cada tipo de material pode exibir uma gama de valores relativamente larga, dependendo de fatores como o seu teor em água ou o estado de compacidade, os resultados obtidos com o radar devem ser calibrados.

2.2

Estrutura do pavimento

Segundo o projeto, o pavimento era constituído por lajes de betão de 0,16 m de espessura, pré-esforçadas na direção longitudinal e transversal e assentes numa camada de solo-cimento com 0,15 m de espessura. No sentido longitudinal as lajes têm juntas transversais de dilatação espaçadas de 95 a 99 m, não apresentando juntas no sentido transversal. As armaduras de pré-esforço formam uma malha quadrangular com afastamentos de 0,50 m, em planta, mas o seu posicionamento na espessura da laje não estava claramente definido.

Armaduras longitudinais

Betão Pré-esforçado Solo cimento

Fig.2. Estrutura do pavimento prevista no projeto

2.3

Ensaios com radar de prospeção

Para determinar o posicionamento das armaduras de pré-esforço foram realizados ensaios com radar de prospeção utilizando uma antena de 1,8 GHz (Fig. 3) e uma unidade de aquisição SIR-20, ambos os equipamentos da GSSI. Os ensaios foram realizados em duas fases.

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Fig.3. Ensaios com radar de prospeção

Na primeira fase de ensaios o principal objetivo era avaliar a homogeneidade da estrutura do pavimento de betão pré-esforçado da pista. Um total de 44 perfis foi adquirido nesta fase: 8 longitudinais e 36 transversais (2 por cada laje), abrangendo toda a área de estudo, com um passo de amostragem variável entre 15 a 50 leituras por metro.

O objetivo da segunda fase de ensaios era realizar um levantamento mais detalhado. Assim, nesta fase, foram selecionadas 5 lajes aleatoriamente, tendo sido ensaiados dois alinhamentos por laje (Fig.4): um longitudinal e outro transversal, utilizando um passo de amostragem superior (200 leituras por metro) ao que tinha sido definido na primeira fase de testes.

Fig.4. Alinhamentos de ensaio da segunda fase

2.4

Calibração do radar de prospeção

Como já foi referido anteriormente, para determinar a profundidade de um objeto que aparece refletido num radargrama, é necessário calcular a velocidade de propagação da onda, que depende da constante dielétrica dos materiais presentes no meio que a onda atravessa. Isto pode ser feito recorrendo a diversas abordagens como a utilização de valores tabelados baseados na experiencia, a determinação laboratorial da constante dielétrica, a

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aplicando o método de reflecção superficial, ou realizando uma retro análise a partir de referências, como por exemplo carotes ou poços [3][10][11].

No presente estudo a calibração dos resultados obtidos no radar de prospeção foi feita recorrendo à realização de sondagens de rotação com a extração de carotes (Fig.5). Como se trata de um método destrutivo, e tendo em conta que os resultados, de ambas as fases, demonstraram uma grande uniformidade na constituição do pavimento, apenas foram extraídas três carotes, por forma a minimizar o seu efeito na estrutura.

Fig.5. Extração de carotes para calibração do radar de prospeção

3 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS

Os dados obtidos com o radar de prospeção foram processados com o programa Radan [12] da GSSI e calibrados com a informação proveniente das carotes extraídas.

Na Fig.6 e na Fig.7 apresentam-se os resultados da primeira fase de ensaios com o radar de prospeção. A análise destes dados demonstra uma grande uniformidade no que diz respeito à localização das armaduras de pré-esforço, quer em termos de profundidade, quer de espaçamento, ao longo de toda a área de estudo.

As armaduras transversais são identificadas por hipérboles nos radargramas dos alinhamentos longitudinais (Fig.6) pelo facto de estarem dispostas perpendicularmente à direção do ensaio, e por uma linha nos radargramas dos alinhamentos transversais (Fig.7) por se encontrarem alinhadas com a direção do ensaio.

As armaduras longitudinais apenas foram identificadas nos alinhamentos transversais (Fig.7). Como as armaduras longitudinais estão dispostas paralelamente aos alinhamentos de ensaio longitudinais, e num plano da laje abaixo das armaduras transversais, a grande reflexão das ondas por parte destas últimas inviabiliza a deteção das primeiras. Acresce ainda o facto, que já tinha sido referido, de que o sistema é mais sensível à deteção de armaduras perpendiculares ao alinhamento ensaiado.

6 Armaduras transversais Junta transversal Superfície do pavimento

Fig.6. Exemplo de um radargrama da primeira fase de ensaios: segmento de um alinhamento longitudinal

Superfície do pavimento

Armaduras longitudinais

Armaduras transversais

Fig.7. Exemplo de um radargrama da primeira fase de ensaios: segmento de um alinhamento transversal

Os resultados da segunda fase de ensaios com o radar de prospeção são apresentados na Fig.8 e Fig.9. Os segmentos dos radargramas apresentados mostram a interpretação dos dados do radar de prospeção a partir dos dados brutos; passando pela identificação das hipérboles; seguindo-se a localização das armaduras na escala de tempos; e finalizando com o posicionamento das armaduras de pré-esforço em profundidade ao longo do alinhamento de ensaio.

A Fig.8 mostra um exemplo de um alinhamento longitudinal de ensaio usando um passo de amostragem de 200 leituras por metro e, à semelhança do que se tinha verificado na primeira fase de ensaios, apenas foi possível identificar as armaduras transversais.

A Fig.9, um exemplo de um radargrama transversal, mostra o primeiro nível de armaduras, localizado ao longo do alinhamento de ensaio, e um segundo nível de armaduras perpendicular ao alinhamento de ensaio, identificado pelas hipérboles.

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8

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Nos resultados obtidos com o radar de prospeção não foi possível visualizar o terceiro nível de armaduras (longitudinal), identificado nas carotes extraídas do pavimento, pelo facto deste se encontrar sob o segundo nível de armaduras e tinha exatamente o mesmo alinhamento (ver Fig.10).

Também não foi possível determinar a espessura da laje de betão a partir dos dados do radar de prospeção (tendo sido adotada a espessura medida nas carotes). Esta limitação ficou a dever-se por um lado à grande densidade de armaduras no interior da laje de betão que provocou uma elevada reflexão das ondas eletromagnéticas no metal e, por outro lado, à semelhança das características dielétricas do betão e do solo-cimento, que não permitiu a deteção da interface entre estes dois materiais.

Baseado nos resultados do radar de prospeção, complementados com os dados obtidos das carotes, concluiu-se que o primeiro nível das armaduras de pré-esforço era constituído pelas armaduras transversais, localizadas 1,0 cm acima do plano médio da laje, enquanto que as armaduras longitudinais se dividiam em dois níveis, localizadas 1,0 cm e 4,5 cm abaixo deste plano médio (Fig.10).

1,0 cm 1,0 cm 1,0 cm 4,5 cm 1,0 cm 4,5 cm

Corte transversal Corte longitudinal

16

c

m

Fig.10. Representação esquemática da estrutura do pavimento de betão pré-esforçado da pista

4 CONCLUSÕES

Neste estudo o radar de prospeção foi usado para detetar a localização em contínuo da posição das armaduras das lajes de betão pré-esforçado da pista de um aeroporto, tendo os dados sido calibrados com sondagens à rotação. Os ensaios com radar de prospeção mostraram que não existiam variações significativas na profundidade a que se encontravam as armaduras em toda a área de estudo. Com base nestes resultados, complementados com os das sondagens à rotação, concluiu-se que o conjunto das armaduras de pré-esforço na direção transversal se situam

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cerca de 1 cm acima do plano médio das lajes, enquanto que as armaduras de pré-esforço longitudinal se distribuem por dois planos, situados 1 cm e 4,5 cm abaixo daquele plano médio.

Para finalizar salienta-se que a utilização do radar de prospeção não permitiu obter alguns elementos sobre a estrutura do pavimento, nomeadamente a espessura da laje de betão e a identificação de um terceiro nível de armaduras. Estas limitações não se ficaram a dever à correta ou incorreta aplicação do método, mas sim às características dos próprios materiais constituintes do pavimento: a presença dos elementos metálicos no interior das lajes de betão (que originou a reflexão das ondas eletromagnéticas); a semelhança das constantes dielétricas do betão e do solo-cimento (que inviabilizou a deteção da interface entre as duas camadas).

5 REFERÊNCIAS

1. S. Fontul, Structural Evaluation of Flexible Pavements using Non-Destructive Tests. Dissertation developed at Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), submitted to the Universidade de Coimbra (UC) for the degree of Doctor of Philosophy in Civil Engineering, Lisboa, Novembro de 2004.

2. S. Fontul, M. L. Antunes, E. Fortunato e M. Oliveira, Practical application of GPR in transport infrastructure survey. International Conference on Advanced Characterisation of Pavement and Soil Engineering

Materials, Athens, Greece, 20 to 22 June 2007.

3. D. J. Daniels, Ground penetrating radar. 2nd edition, The Institution of Electrical Engineers, London, UK, 2004.

4. M. Varela-Gonzalez, M. Solla, J. Martínez-Sánchez, and P. Arias, A semi-automatic processing and visualisation tool for ground-penetrating radar pavement thickness data, Automation in Construction, vol 45, september 2014, pp 42–49.

5. K. R. Maser e T. Scullion, Automated detection of pavement layer thicknesses and subsurface moisture using ground penetrating radar. Transportation Research Board Paper, 1991.

6. A. Benedetto e S. Pensa, Indirect diagnosis of pavement structural damages using surface GPR reflection techniques. Journal of Applied Geophysics, Volume 62, Issue 2, p. 107-123, 2007.

7. F. Tosti, S. Adabi, L. Pajewski, G. Schettini, e A. Benedetto, Large-scale analysis of dielectric and mechanical properties of pavement using GPR and LFWD. Proceedings of 15th International Conference

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8. H. Xian-Qi, Z. Zi-Qiang, L. Qun-Yi, e L. Guang-Yi. Review of GPR Rebar Detection. PIERS proceedings, March 23-27, Beijing, China, 2006, 804-813.

9. R. Morey, Ground penetrating radar for evaluating subsurface conditions for transportation facilities. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP). Synthesis Report No. 255, Transportation Research Board, National Academy Press, Washington DC, USA, 1998.

10. H. Jol (Editor), Ground Penetrating Radar Theory and Applications, 1st Edition. Elsevier Science, December, 2008.

11. S. McRobbie, V. Baltazart, N. Elsworth, M.L. Antunes, V. Marecos, R. Hamrouche, T. Saarenketo, e J. Krarup, Monitoring structural and surface conditions, TRIMM project Deliverable 4.3, 2014.