ENSAIOS EM MATERIAL DE REFORÇO DE TÚNEIS
URBANOS UTILIZANDO SISTEMAS
EXTENSOMÉTRICOS DE FIBRA ÓPTICA
Flávia Gomes Pinto
Maria Esther Soares Marques
ENSAIOS EM MATERIAL DE REFORÇO DE TÚNEIS URBANOS UTILIZANDO SISTEMAS EXTENSOMÉTRICOS DE FIBRA ÓPTICA
Flávia Gomes Pinto
Maria Esther Soares Marques, DSc. Luiz Augusto C. Moniz de Aragão Filho, DSc.
Instituto Militar de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Transportes
RESUMO
A aplicação de malhas de aço como material de reforço em túneis, assim como em taludes de estradas é uma solução técnica utilizada na estabilização dessas estruturas. Porém, não existe atualmente nenhuma norma brasileira que estabeleça padrões de avaliação da qualidade desse material de acordo com sua utilização. Este trabalho tem por objetivo estudar o comportamento mecânico das malhas de aço utilizadas como reforço em obras geotécnicas através do monitoramento das deformações sofridas durante o ensaio de tração, medidas por extensômetros em série. Em função dos procedimentos realizados e resultados observados, será proposto um método de ensaio para a classificação das malhas e para aplicação da instrumentação quando se desejar o monitoramento contínuo da sua integridade estrutural.
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
As malhas de aço são soluções frequentemente aplicadas para estabilização de taludes e nas paredes de túneis em conjunto com concreto projetado. Uma aplicação menos difundida no Brasil, porém com grande potencial, é a utilização das mesmas na estabilização de túneis, nesse caso sem a aplicação posterior do concreto projetado, cuja técnica é bastante conhecida. Para essa aplicação, as malhas precisam possuir características específicas de resistência para suportar altos níveis de tensão assim como um possível impacto dinâmico, como, por exemplo, no caso de um rockburst, que é definido como uma ruptura súbita e violenta de um fragmento de rocha em uma escavação subterrânea.
De forma geral, segundo GEO-RIO (2013), o processo de proteção com telas tem como objetivo tanto evitar o deslocamento de blocos que constitui o maciço, quanto sustentar os blocos que se soltam, no caso mais especifico de taludes, orientando esses blocos soltos para o pé do talude de forma segura. As telas ou malhas de aço devem possuir alta resistência, além de proteção anticorrosiva e são fabricadas especificamente para essas aplicações (GEO-RIO, 2013).
Devido à ampla utilização desse material de estabilização geotécnica, é de suma importância que exista uma regulamentação para o uso do mesmo. Existem muitas vantagens em se padronizar um procedimento de ensaio. Por exemplo, o método pode servir de referência para laboratórios convencionais que se interessem em realizar o procedimento, o que garante que além do fabricante, outras instituições vão caracterizar o material. Atualmente, no Brasil, no caso das telas, as características físicas e mecânicas das mesmas são divulgadas pelo fabricante, que é a única fonte dessas informações. Além disso, grande parte das malhas aplicadas para estabilização geotécnica é importada. Então outra vantagem em padronizar o experimento é que os ensaios seriam realizados no Brasil. Na ocorrência de uma falha de segurança dessas malhas de aço causando um acidente, onde envolve uma ação legal que comprove as responsabilidades do acidente, um laboratório autorizado poderia fazer os ensaios necessários para avaliação da falha do material.
Atualmente as malhas de aço não são tão empregadas como outros materiais de construção, como os geossintéticos, por exemplo. Porém o mercado é promissor devido à ampla necessidade de implantação da técnica de proteção com telas. Há cerca de três décadas, os geossintéticos também não eram amplamente utilizados como são atualmente, e sua fabricação era restrita a poucos fabricantes, muitas vezes estrangeiros. Porém, o mercado
cresceu e mais fabricantes apareceram, inclusive nacionais e para regulamentar esse produto foi necessária a criação de normas brasileiras, semelhante ao que já existia nos EUA e Europa. A criação dessas normas, que foi posterior ao início de aplicação dos geossintéticos no Brasil, colaborou para segurança do consumidor, que poderia assim, adquirir um produto dentro dos padrões de qualidade de fácil verificação.
Outro aspecto do estudo apresentado é a utilização de técnicas de monitoramento estrutural com instrumentação. Essas técnicas foram desenvolvidas com objetivo de monitorar as estruturas de forma geral, buscando acompanhar o comportamento das mesmas com o tempo, observando a integridade das mesmas e determinando suas condições de segurança. Os sistemas de monitoramento estrutural indicam então a iminência de falhas estruturais, possibilitando o desdobramento de ações para impedir acidentes, que poderiam resultar em perdas econômicas e até de vidas. Em anos recentes, vários pesquisadores têm utilizado tecnologias baseadas em sensores de fibra óptica para diferentes medições de engenharia, especialmente no monitoramento de estruturas. No presente trabalho a técnica aplicada é a de redes de Bragg (FBG).
Chang (2012) apresenta um estudo minucioso identificando o potencial dessas diferentes tecnologias para fins de monitoramento de infraestrutura de transporte. Destaca comparativamente os resultados preliminares obtidos na utilização de sensores (pontuais) de FBG e exalta a excelente relação custo-benefício dessas soluções em geral.
No trabalho proposto serão estudadas configurações para aplicação dos extensômetros ópticos nas malhas de aço de forma a representar o comportamento mecânico das mesmas, permitindo o monitoramento estrutural contínuo da tela.
2. PROCEDIMENTO DOS ENSAIOS
Serão realizados ensaios de tração nas malhas de aço seguindo procedimento semelhante aos utilizados em ensaios com a mesma finalidade na sede da empresa Geobrugg A.G., na Suíça; na Universidade de Cantabria, na Espanha e na Universidade do Estado de Washington, nos EUA. A intenção na criação do procedimento é a padronização do ensaio, possibilitando que diferentes malhas possam ser testadas e comparadas, independentemente do local onde é feito o experimento.
O ensaio se baseia na aplicação de uma tensão vertical em uma moldura onde a amostra da tela será fixada, conforme ilustrado esquematicamente na Figura 1, para uma amostra de material qualquer. O projeto final da moldura foi objeto de estudos junto com a equipe da Suíça e detalhado de forma a atender as solicitações de tensão sofridas no ensaio, sem que a moldura se deforme, mas permitindo o deslocamento da tela verticalmente e horizontalmente.
Figura 1: Moldura para aplicação das amostras de tela.
assegurando assim a distribuição uniforme da tensão aplicada pela viga transversal. A tensão deve ser aplicada no sentido longitudinal da malha, respeitando uma taxa uniforme 80 a 90 mm/minuto. O carregamento deverá ocorrer uniformemente até a primeira ruptura de um fio metálico ou qualquer outro dano ao sistema ocorra. A Figura 2a ilustra a prensa universal de 250 kN com a moldura fixada, onde serão realizados os ensaios. Esta prensa foi adaptada para receber a moldura e ajustada de acordo com as necessidades do ensaio, incluindo tanto a parte eletroeletrônica da mesma, quanto a mecânica. A Figura 2b ilustra a perspectiva frontal da prensa. Devido às dimensões da moldura, ela foi inserida no vão da prensa perpendicularmente à base da mesma.
Figura 2: a) Vista lateral da prensa onde serão realizados os ensaios de tração, b) Vista frontal da prensa com a
moldura inserida.
A leitura do comportamento global de “tensão x deformação” é realizada por sensores instalados na própria prensa, que medem a tensão aplicada no momento de ruptura do fio metálico, ou seja, a resistência máxima a tração da malha de aço. Os deslocamentos sofridos pela malha enquanto tracionada também são medidos. Essas informações são comuns aos ensaios já citados anteriormente realizados em outras instituições. O diferencial deste trabalho que será realizado no Brasil é aplicação de extensômetros de FBG nas malhas de aço para determinação do comportamento local das mesmas. Ou seja, será estudada a contribuição local dos fios metálicos para resistência total do sistema. Assim, além do comportamento da malha de aço na fase crítica, pode-se analisar o desempenho do material à medida que a tensão é aplicada, antes da ruptura. Dessa forma é possível determinar a melhor configuração para a aplicação de extensômetros quando o objetivo for o monitoramento contínuo da estrutura em campo, tanto para avaliação da sua integridade estrutural assim como para conhecer os esforços externos que estão solicitando a mesma. Nesse caso evita-se manutenções desnecessárias na estrutura, ou antecipa-se caso seja verificado que a estrutura sofreu algum dano. Como consequência estima-se que será possível monitorar as condições geotécnicas do maciço ao qual a malha de aço foi instalada.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A escolha dos extensômetros de FBG para esse estudo se dá pela vantagem dessa técnica de medição em relação aos tradicionais extensômetros elétricos. Para Pacheco (2007), a rede de Bragg tem uma resposta bastante linear em relação à deformação aplicada, em contraste com muitos sensores elétricos, além disso, possuem outras vantagens tais como a imunidade a interferência eletromagnética, baixo peso, estabilidade, pequenas dimensões, facilidade de multiplexação, além de poder ser utilizada a grandes distâncias da eletrônica do controle. Huafu et al. (2011) destaca que as principais vantagens dos sistemas FBG são a alta exatidão de medição, possibilidade de monitoramento remoto e a confiabilidade.
Os ensaios serão iniciados a partir de setembro, quando telas e instrumentação estiverem instaladas no sistema.
Inicialmente foram executados ensaios em laboratório para entendimento da instrumentação com os extensômetros de fibra óptica com a aplicação de extensômetros de FBG em um tubo inclinométrico a fim de validar a instrumentação para utilização in situ (Gomes et al., 2014). Para tal, foram comparados os dados aquisitados com as medições da sonda inclinômetra com os dados fornecidos pelos extensômetros ópticos. Na seqüência, foram elaboradas simulações numéricas (Gomes e Aragão Filho, 2014). Neste estudo determinou-se um algoritmo para inferir o deslocamento do mesmo tubo inclinométrico considerando diversos tipos de carregamento. A identificação estrutural do tubo inclinométrico visa proporcionar uma alternativa à observação dos movimentos do solo, e desta forma contribuir para sua utilização como elemento de alarme para a gestão do risco de encostas, por exemplo.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Instituto de Transporte e Logística (ITL) e a empresa Geobrugg pelo apoio prestado, essencial para realização do trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Chang, C. (2012) Development of Fiber-Optic Sensor Networks for Transportation Infrastructure Monitoring. Final Report METRANS Project 10-14, College of Engineering, California State University.
GEO-RIO (2013) Manual Técnico de Encostas. Rio de Janeiro. v.1, 518 p.
Gomes, F., Mello, M.A., Aragão Filho, L. A. C. M., Marques, M.E.S. (2014) Uso de Extensômetros de Fibra
Óptica em Inclinometria a fim de propor Dispositivo de Alarme de Movimentos de Massa. XVII Congresso
Brasileiro de Macânica dos Solos e Engenharia Geotécnica – COBRAMSEG 2014, Goiânia, Brasil.
Gomes, F., Aragão Filho, L. A. C. M. Proposta de algoritmo para inferência da configuração deformada
espacial de viga de seção circular vazada a partir de medições de séries de extensômetros ótico. Ibero-Latin
American Congress on Computational Methods in Engineering - CILAMCE 2014, Fortaleza, Brasil (in print).
Huafu, P., Peng, C., Jianhua, Y., Honghu, Z., Xiaoqing, C., Laizheng, P. e Dongsheng, X. (2011) Monitoring
and warning of landslides and debris flow using an optical fiber sensing technology. Science Press and
Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Pacheco, C.J. (2007) Aplicação de materiais com magnetostricção gigante em sensores de deslocamento sem
contato. Dissertação de mestrado, Programa de Pós-Graduação em Física da PUC-Rio, Rio de Janeiro.
Flávia Gomes Pinto (flviagomes@gmail.com) Maria Esther Soares Marques (esther@ime.eb.br)
Luiz Augusto C. Moniz de Aragão Filho (moniz@ime.eb.br)
Pós-graduação em Engenharia de Transportes, Instituto Militar de Engenharia Praça General Tibúrcio, 80 – Rio de Janeiro, RJ, Brasil
