bfAPLICAÇÃO DO MÉTODO DO ECO-IMPACTO PARA
ESTIMATIVA DA ESPESSURA DE CONCRETO EM PAVIMENTOS
RÍGIDOS
YADER ALFONSO GUERRERO PÉREZ
LETO MOMM
SILVANA LEONITA WEBER DE GRABOWSKI
IVO JOSÉ PADARATZ
BRENO SALGADO BARRA
Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Civil
RESUMO
A evolução das técnicas científicas e tecnológicas em ensaios não destrutivos permite a obtenção de uma grande
variedade de métodos para avaliação das propriedades dos materiais de maneira rápida, confiável e econômica.
A metodologia do eco-impacto faz parte dos ensaios não destrutivos, pois seu uso não gera nenhum tipo de dano
na estrutura analisada. Este método está baseado em ondas de tensão de baixa freqüência geradas por um
impacto elástico que se propaga a través da estrutura, e são refletidas por falhas internas e superfícies externas.
Com a análise destas ondas de tensão, permite-se detectar não homogeneidades, estimar profundidades de
fissuras, bem como detectar espessuras de peças estruturais e de pavimentos de concreto. Esta pesquisa foi
realizada em duas etapas distintas: a primeira parte com ensaios em laboratório de placas de concreto e na
segunda etapa, foram feitos ensaios in-loco na rodovia SC-401 na cidade de Florianópolis. Para cada fase do
trabalho foram avaliadas as velocidades de onda e principalmente a detecção das espessuras dos concretos
estudados, bem como a definição do melhor diâmetro do impactor a ser utilizado. Os resultados das leituras
obtidas nas placas de concreto e na rodovia SC-401 são apresentados em forma de planilhas e espectros de
freqüências e indicam o grande potencial do método do eco-impacto para aplicações em situações de campo.
PALAVRAS-CHAVE: ensaios não destrutivos, eco-impacto, estruturas de concreto, pavimento de concreto.
ABSTRACT
The development of scientific techniques and technology in non-destructive testing allows to obtain a variety of
methods to evaluate the properties of the material so fast, reliable and economical. The methodology of the ecoimpact is part of non-destructive testing, because its use does not generate any kind of damage in the structure.
This method is based on waves of low frequency of tension generated by an elastic impact spreads through the
structure, and are reflected by internal failures and external surfaces. The analysis of these waves of tension,
allows detect non-homogeneity, estimate depths of cracks and detect thicknesses of structural elements and
concrete pavement. This research was conducted in two distinct stages: the first part with laboratory tests on
slabs of concrete and the second stage, tests were made in-situ in the SC-401 highway in the city of
Florianopolis. For each phase of the study were evaluated the speeds of wave and the detection of the thickness
of concrete studied, and the definition of best diameter of the impactor to be used. The results are presented in
spreadsheets and frequencies spectra and indicate the potential of the impact-echo method for applications in the
field.
KEYWORDS: nondestructive testing, impact-echo method, concrete structures, concrete pavement.
1. INTRODUÇÃO
Nesta pesquisa utilizou-se o método de ensaio não destrutivo do eco-impacto na avaliação de
espessuras de placas de concreto para pavimento e pavimento de concreto através da
propagação de ondas de tensão geradas por um impacto mecânico na superfície das peças.
Foram realizados ensaios no Laboratório de Estruturas da Universidade Federal de Santa
Catarina e na Rodovia SC – 401, localizada na cidade de Florianópolis em Santa Catarina.
2. HISTÓRICO DE DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO DO ECO-IMPACTO
Os primeiros ensaios não destrutivos realizados para avaliar a integridade de peças através da
propagação de ondas de tensão eram feitos simplesmente com a batida de um martelo numa
estrutura. O som gerado pela propagação das ondas pode apresentar alta freqüência (som
estridente) ou baixa freqüência (som oco). Este método é subjetivo, pois depende da
experiência do operador e limita-se a detectar defeitos mais próximos da superfície.
As primeiras aplicações bem sucedidas dos métodos de impacto ocorreram na engenharia
geotécnica para avaliar a integridade de pilares e tubulões de concreto conforme estudo de
Steinbach e Vey (1975) onde obtiveram muito sucesso na aplicação prática de métodos de
onda de tensão para a detecção de falhas no concreto com o uso do impacto mecânico para
gerar o pulso de tensão.
O surgimento do eco-impacto é uma história do muito interessante de como uma necessidade
real em ensaios não destrutivos para detecção de falhas em estruturas de concreto conduziu a
uma sistemática básica e aplicada de esforços de pesquisadores para desenvolver um método
deste tipo. As pesquisas iniciaram em 1983 no National Bureau of Standards (NBS) agora
conhecido como National Institute of Standards and Technologies (NIST) e as primeiras teses
foram publicadas em 1986 na Universidade de Cornell, que cooperou no desenvolvimento de
um esboço do método do eco-impacto, que foi adotado pela ASTM em 1998 (ASTM C 138398). A técnica que foi desenvolvida tornou-se conhecida como método do eco-impacto
(Sansalone e Carino, 1986).
Para Carino (2001), na maioria dos métodos para a detecção de falhas no concreto, é
necessário ter experiência para interpretar resultados assim como no teste do eco-impacto, no
ajuste dos parâmetros reconhecendo a forma das ondas gravadas, e análise final dos dados.
Para Popovics e Zhu (2007), o método do eco-impacto pode detectar falhas, vazios,
determinar profundidade de fissuras e espessuras em estruturas de concreto.
O eco-impacto é usado para determinar e localizar fissuras, delaminações, vazios, nichos em
estruturas de concreto. Ele também pode localizar vazios em sub-grade diretamente abaixo de
pavimentos de concreto. O eco-impacto não é negativamente afetado pela presença de barras
de aço.
O Eco-impacto utiliza técnicas de reflexão de pulsos para analisar as ondas que contornam
vazios e descontinuidades internas do concreto. O pulso pode ser gerado por golpes de
martelo ou por outros meios mecânicos. O método consiste em emitir um impacto mecânico
sobre a superfície e pulsos são projetados ao longo do material. As ondas refletidas por uma
falha interna são captadas por um receptor posicionado na mesma superfície do impacto.
(Malhotra, 1984, ACI-364, 1993).
Este método tem a vantagem de poder ser utilizado quando apenas uma face da superfície do
concreto está disponível. Porém, a interpretação das ondas refletidas no osciloscópio não é
fácil e depende da experiência do operador (Malhotra,1984).
Para Nazarian (2006), técnica do eco-impacto é realizada de forma bastante rápida sendo que
cada leitura pode ser feita em menos de 20 segundos, entre aquisição e processamento dos
dados. A precisão relatada por vários pesquisadores é de 3 a 5%, havendo no caso de
pavimentos de concreto, uma diferenciação suficiente entre o pavimento de concreto e sua
base.
A espessura é um importante fator na determinação da qualidade de novos pavimentos e
camadas. Sendo assim, a precisão de um teste eficiente da espessura tem importante
implicação econômica. Pesquisas anteriores apontam que uma diferença na espessura do
pavimento pode reduzir significativamente sua vida útil em ate 40% impactando em custos de
manutenção. Geralmente a espessura de pavimentos é medida através da extração de corposde-prova, que é um método preciso, mas que causa danos ao pavimento, segundo Holland et
al (2005).
Nazarian (2006), alerta para as limitações do método como a presença de uma base de
concreto com propriedades mecânicas similares ao pavimento de concreto, pode dificultar
avaliação da espessura do pavimento. Também aponta a importância da escolha do impactor
que pode afetar os resultados e finalmente, a interpretação dos resultados pode ser dificultada
caso o operador não tenha experiência.
Segundo Sansalone e Street (1997) o método de eco impacto está baseado no uso de ondas de
tensão geradas por um impacto elástico. Um impacto mecânico de curta duração produzido
por uma pequena esfera de aço contra o concreto ou alvenaria é usado para gerar ondas de
tensão de baixa freqüência que se propagam no interior da estrutura e são refletidas através de
falhas e/ou nas superfícies externas. Os deslocamentos de superfície causados por reflexões
destas ondas são registrados por um transdutor localizado adjacente ao impacto. O sinal
resultante dos deslocamentos
Holland et al (2005) usaram vários métodos mecânicos para medir a espessura de pavimentos
de concreto e os melhores resultados foram obtidos através do eco-impacto. O método
funciona através do impacto de uma pequena esfera metálica na superfície do pavimento.
Múltiplos ecos criam uma ressonância. Conhecendo-se a velocidade de onda, pode-se estimar
a espessura da estrutura, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Esquema de funcionamento do eco-impacto em laje de concreto (Holland et al
(2005)).
O Eco-impacto utiliza técnicas de reflexão de pulsos para analisar as ondas que contornam
vazios e descontinuidades internas do concreto. O pulso pode ser gerado por golpes de
martelo ou por outros meios mecânicos. O método consiste em emitir um impacto mecânico
sobre a superfície e pulsos são projetados ao longo do material. As ondas refletidas por uma
falha interna são captadas por um receptor posicionado na mesma superfície do impacto.
(Malhotra, 1984, ACI-364, 1993).
Segundo Sansalone e Street (1997) o método de eco impacto está baseado no uso de ondas de
tensão geradas por um impacto elástico. Um impacto mecânico de curta duração produzido
por uma pequena esfera de aço contra o concreto ou alvenaria é usado para gerar ondas de
tensão de baixa freqüência que se propagam no interior da estrutura e são refletidas através de
falhas e/ou nas superfícies externas. Os deslocamentos de superfície causados por reflexões
destas ondas são registrados por um transdutor localizado adjacente ao impacto. O sinal
resultante dos deslocamentos com o tempo é transformado no domínio da freqüência, sendo
obtido um espectro das amplitudes de cada freqüência. Reflexões múltiplas de ondas de
tensão entre a superfície de impacto, falhas, e/ou outras superfícies externas dão origem a
ressonâncias passageiras que podem ser identificadas no espectro e usadas para avaliar a
integridade da estrutura ou determinar a localização de falhas. A Figura 2 mostra um
diagrama de funcionamento do método.
Figura 2 - Diagrama de funcionamento do método de Eco-impacto (Sansalone e Street
(1997)).
3. ONDAS DE TENSÃO
Ondas de tensão são geradas por um mecanismo capaz de produzir uma força que varia
rapidamente com tempo, como um transdutor piezelétrico no método do ultra-som ou através
da colisão de dois corpos sólidos como é o caso do método do eco-impacto.
Dois tipos de ondas elásticas podem se propagar em um sólido: ondas dilatacionais que são
chamadas de ondas de compressão, ondas primárias ou onda-P e ondas distorcionais também
chamadas de onda de cisalhamento, onda secundária ou onda-S. Existe também um terceiro
tipo de onda elástica conhecida como ondas Rayleigh ou onda-R, que se propagam ao longo
da superfície de um sólido (Sansalone e Street, 1997). A Figura 3 mostra o comportamento
das ondas elásticas citadas acima.
Ondas
dilatacionais,
de
compressão ou primárias (ondaP). Movimento longitudinal.
Ondas
distorcionais,
de
cisalhamento ou secundárias
(onda-S).
Movimento
transversal.
Onda de superfície (onda-R).
Movimento bi-direcional.
Fonte: http://www.cflhd.gov/agm/index.htm
Figura 3 – Tipos de ondas.
Para Sansalone e Street (1997), no ensaio de eco-impacto as ondas de tensão são geradas pelo
impacto de uma esfera de aço pequena, geralmente de 3 mm a 15 mm de diâmetro contra a
superfície de uma estrutura. Os parâmetros mais importantes que caracterizam o impacto são
a duração ou tempo de contato (tc), o diâmetro da esfera (D), e a energia cinética da esfera no
impacto.
3.1 Principio da freqüência
A onda-P produzida pelo impacto da espera metálica sofre reflexões múltiplas entre a
superfície de teste e a interface refletida. Cada período de tempo que a onda-P leva para
chegar à superfície causa um deslocamento característico. A forma da onda-P tem um padrão
periódico que depende da distância de viagem de ida e volta da. A freqüência de chegada da
onda-P está diretamente relacionada à espessura da placa. Quando o receptor está perto do
ponto de impacto, a espaço de ida e volta é 2T, onde (T) é a distância entre a superfície do
teste e sua interface refletida. O intervalo de tempo, entre a chegada sucessiva do múltiplo da
onda-P refletida é a distância da viagem dividida pela velocidade da onda. A freqüência, (f),
da chegada da onda-P é o inverso do intervalo de tempo e é determinado pela Equação 1,
segundo Sansalone e Carino (1986). O princípio de análise de freqüência é mostrado na
Figura 4.
Figura 4 - Princípio de análise de freqüência: reflexões múltiplas da onda-P (Carino (2001)).
f �
C pp
2T
Onde:
T = Profundidade da interface refletida.
Cpp = Velocidade da onda.
(Equação 1)
A Equação (1) é a relação fundamental para interpretar os resultados de testes de eco-impacto,
principalmente se a peça é uma placa sólida. Inicialmente, assumiu-se que a velocidade de
onda pela espessura da placa era igual à velocidade da onda-P em um grande sólido
(Sansalone e Carino, 1986 apud Carino, 2004). No desenvolvimento do método, Sansalone e
Carino, 1986 apud Sansalone, 1997 observaram uma discrepância de 5 % na obtenção da
velocidade da onda-P em relação à velocidade obtida com a utilização do ultra-som.
Posteriormente, foi verificado que esta diferença está associada ao modo de vibração da placa
excitada pelas múltiplas reflexões da onda-P, introduzindo deslocamentos adicionais. A
Figura 5 apresenta a expansão e contração do modo de vibração da placa. Estudos mais
recentes mostraram que a velocidade de onda aparente que relaciona freqüência e espessura
da placa é aproximadamente 96% da velocidade da onda-P conforme comentado por Lin e
Sansalone (1997).
Figura 5 – Impacto e vibração da placa (Sansalone e Street (1997)).
Lin e Sansalone (1997) estudaram elementos com outros tipos de seção transversal,
concluindo que a Equação (2) deve ser generalizada para a Equação (3). O fator (β) relaciona
a velocidade da onda-P sem os efeitos de vibração da peça. Por exemplo, para uma seção
quadrada, o valor de (β) é de 0,87, para uma estrutura tipo placa o valor é 0,96.
f1 �
0,96C pp
2T
(Equação 2)
f1 �
�C pp
2T
(Equação 3)
A distância entre o ponto de impacto e o transdutor também é importante. Se a distância for
grande, a resposta refletida não é dominada pela onda-P, e a relação. Se a distância for muito
pequena, a resposta é dominada pelo efeito da onda-R de superfície. Sansalone e Street (1997)
recomendam um espaçamento menor que 40% da profundidade.
3.2 Velocidade e freqüência
A ASTM C 1383-98 estabelece dois tipos de procedimentos. No Procedimento A é usado
para medir a velocidade da onda-P no concreto Esta medida leva em consideração o tempo de
propagação da onda-P entre dois transdutores com uma distância conhecida de 300 mm. Neste
procedimento que pode ser observado na figura 6 a duração do impacto deverá ser de (30 +
10)µs e a distância entre o impactor e o primeiro transdutor deve ser de (150 + 10) mm.
Recomenda-se também utilizar impactores com diâmetro entre 5 mm e 8 mm. A velocidade
da onda-P obtida através deste procedimento é multiplicada por 0,96 quando usado na
Equação (3).
Procedimento B: é usado para determinar a espessura da placa ou velocidade de propagação
da onda através da freqüência. A espessura, ou a velocidade pode ser obtida utilizando-se a
Equação (3) e o procedimento pode ser observado na Figura 6. Para este procedimento
recomenda-se o uso de esferas com diâmetro entre 8 mm e 16 mm e a distância entre o
impactor e o transdutor deve ser menor que 0,4 da espessura da peça.
Figura 6 – Procedimento A é usado para determinar a velocidade da onda-P e Procedimento B é usado
determinar a espessura através do domínio da freqüência da. (ASTM C 1383-98)).
4. PROGRAMA EXPERIMENTAL
Para o programa experimental, foram realizados ensaios preliminares em placas de concreto,
que pode ser observado nas Figuras 7 e 8, estimando a velocidade de propagação de onda e
espessura, através do domínio da freqüência ou seja, do procedimento B prescrito pela ASTM
C 1383-98. O impactor utilizado foi o de 8,0mm de diâmetro conforme recomendação da
mesma norma. Foram realizados seis ensaios em duas peças de pavimentação de concreto. As
peças foram regularizadas na superfície antes do ensaio, para melhorar o contato com o
transdutor.
Figura 7 – Estimativa da velocidade de
propagação de ondas, através do
procedimento B da ASTM C 1383-98.
Figura 8 – Estimativa da espessura através do
domínio da freqüência usando o procedimento
B da ASTM C 1383-98.
Na segunda etapa do trabalho, foram realizados ensaios na Rodovia SC-401, no seu pátio de
pedágio. O pavimento de concreto mostrava-se em boas condições, porém antes da realização
dos ensaios, a superfície foi limpa e regularizada para perfeito acoplamento do transdutor,
conforme mostram as Figuras 9 e 10.
Figura 9 – Limpeza do pavimento de
concreto antes dos ensaios.
Figura 10 – Preparo da superfície antes dos
ensaios.
Nesta etapa, foi possível realizar os Procedimentos A e B da ASTM C 1383-98. Foram
realizadas seis medições em cada ponto, as Figuras 11 e 12 mostram respectivamente, a
realização do Procedimento A e B (determinação da espessura pelo domínio da freqüência).
Figura 11 – Determinação da velocidade de
Figura 12 – Determinação da espessura pelo
propagação de onda.
domínio da freqüência.
5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
5.1 Placas
A Figura 13 mostra um dos resultados do ensaio nas placas de concreto. Como as peças são
de pequena dimensão, foi adotado apenas o Procedimento B da ASTM C 1383-98, podendose estimar os valores da velocidade de propagação de ondas e espessura das peças através do
domínio da freqüência. A velocidade de propagação da onda média foi estimada em 3000m/s.
No gráfico superior, observa-se o início da onda até sua chegada ao transdutor, levando para
tanto, um tempo de 50µs A espessura real das peças era de aproximadamente 8,8cm. No
gráfico inferior, o maior pico de freqüência com 17,1 kHz permite calcular o valor da
espessura da peça. A espessura média foi estimada em 8,7cm através do domínio da
freqüência, com um erro aproximado de 1,14% da espessura real.
Figura 13 – Espectro de freqüência da placa de concreto.
5.2 Rodovia SC-401
Nos ensaios realizados na rodovia SC-401 em Florianópolis, foi possível realizar os
Procedimentos A e B da ASTM C 1383-98. A velocidade média encontrada através do
transdutor de duas cabeças, foi de 4255m/s. Na Figura 14, observa-se o resultado de um dos
ensaios, onde verifica-se a chegada da primeira onda ao transdutor com um tempo de 36µs e
da segunda onda com 104µs, em uma distância conhecida de 300mm entre os dois
transdutores.
Figura 14 – Forma da onda do pavimento de concreto.
Com o valor médio da velocidade de propagação da onda, foi possível determinar a espessura
através do domínio da freqüência. Um dos resultados pode ser observado na Figura 15 que no
gráfico superior mostra o tempo de chegada da onda até o transdutor tipo pistola com 12,5µs e
no gráfico inferior, traz o maior pico de freqüência que determinou uma espessura de 22,7cm.
A espessura média encontrada foi de 23,0cm.
Figura 15 – Espectro de freqüência do pavimento de concreto.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tanto para o ensaio das peças em laboratório como no ensaio realizado na Rodovia SC-401
em Florianópolis, o método do eco-impacto demonstrou ser bastante eficaz, tanto para o
procedimento A quanto para o procedimento B da ASTM C1383-98, ou seja, para estimar a
velocidade de propagação da onda e espessura através do domínio da freqüência. Os
resultados indicam o grande potencial do método do eco-impacto para aplicações em
situações de campo, de maneira prática e rápida.
Como fator relevante para o sucesso dos ensaios é importante verificar as condições da
camada a ser ensaiada que deve estar isenta de pó e com superfície lisa para perfeita aderência
do transdutor.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS - ASTM C 1383, “Test
Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates
using the Impact-Echo Method,” 1998 Annual Book of ASTM Standards Vol. 04.02,
ASTM, West Conshohocken, PA.
CARINO N.J. The impact-echo method: an overview, Proceedings of the 2001 Structures
Congress & Exposition, May 21-23, 2001,Washington, D.C., American Society of Civil
Engineers, Reston, Virginia, Peter C. Chang, Editor, 2001. 18 p.
CARINO, N.J., and SANSALONE, M., 1984, “Pulse-Echo Method for Flaw Detection in
Concrete,” Technical Note 1199, National Bureau of Standards, July
HOLLAND, T. J. et al, Non-Destructive Measurement of Pavement Layer Thickness,
Research Nottes, Vol.1, No.2, June 2005.
LIN, J. M., and Sansalone, M., A Procedure for Determining P-wave Speed in Concrete
for Use in Impact-Echo Testing Using a Rayleigh Wave Speed Measurement
Technique, Innovations in Nondestructive Testing, SP-168, S. Pessiki and L. Olson,
Eds., American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, pp.137-165, 1997.
MALHOTRA, V.M., In situ/nondestructive testing of concrete – A global Review, In
Situ/nondestructive Testing of Concrete, Special Publication SP-82, American Concrete
Institute, Detroit, p 1-16, 1984
NAZARIAN, F. A., Airfield Concrete Pavement Using Seismic and Maturity, Innovative
Pavement Research Foundation, Programs Management Office, 5420 Old Orchard
Road, Skokie, IL 60077 May, 2006.
POPOVICS, J. S. and ZHU, J, Air-coupled impact-echo imaging for concrete, The
University of Illinois at Urbana-Champaign 2007.
SANSALONE, M., and CARINO, N.J., “Impact-Echo: A Method for Flaw Detection in
Concrete Using Transient Stress Waves,” NBSIR 86-3452, National Bureau of
Standards, Sept., 222 p. (Available from NTIS, Springfield, VA, 22161, ,PB #87104444/AS) 1986.
SANSALONE, M., and STREETT, W. B., 1997, Impact-Echo: Nondestructive Testing of
Concrete and Masonry, Bullbrier Press, Jersey Shore, PA.
STEINBACH, J. and VEY, E., 1975, “Caisson Evaluation by Stress Wave Propagation
Method,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 101, GT4,
April, pp. 361- 378
���������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������