EXTENSOMETRIA DE LONGO PRAZO EM UMA OBRA DE SOLO GRAMPEADO
Rogério Luiz Feijó1; Maurício Erhlich2 & Jaime Tupiassú Pinto de Castro3
RESUMO – Empregou-se um novo procedimento para as medições extensométricas de longo prazo de uma escavação em
solo grampeado. O objetivo desta monitoração foi caracterizar a natureza dos esforços atuantes nos grampos. Este novo
procedimento busca ultrapassar as dificuldades comumente envolvidas neste tipo de medição e concilia confiabilidade,
robustez e acurácia.
Foram instrumentados 18 grampos de 3 metros de comprimento, de uma obra experimental em verdadeira grandeza,
executada pela GEO-RIO. São apresentados neste trabalho, a descrição do projeto de instrumentação, os equipamentos,
dispositivos utilizados e alguns resultados. Discutem-se também os procedimentos convencionais de medições
extensométricas aplicadas em geotecnia.
ABSTRACT – A new procedure for long-term extensiometric measurements in a soil nailing excavation was used.
Monitoring nails tension was the purpose of this instrumentation. This new procedure conciliates reliability, strength and
accuracy and was used for overdone frequent difficulties founded in this type of monitoring.
Eighteen nails of 3m length were monitored in a full-scale soil nail excavation executed by GEO-RIO. In this paper the
instrumentation project, the equipment and other implements are described and some results are shown. The conventional
procedure for extensiometric measurements applied in geotechnical engineering is also discussed.
Palavras-Chave – Extensometria, Solo Grampeado, Estruturas de Contenção
INTRODUÇÃO
O problema da extensometria de longo prazo é um dos mais difíceis na prática da análise experimental de tensões,
especialmente quando se faz necessário o monitoramento de determinado fenômeno em ambientes hostis. Associado a isso,
a tarefa de monitoramento se complica ainda mais, quando o número de pontos instrumentados deve ser muito grande e o
carregamento não é controlável.
Apresenta-se, neste trabalho, a metodologia utilizada para o monitoramento de uma estrutura de solo grampeado, em
verdadeira grandeza, onde o objetivo principal foi determinar a natureza dos esforços desenvolvidos nos grampos quando
solicitados através de escavação e aplicação de sobrecargas.
HISTÓRICO
Uma das maiores discussões na literatura geotécnica, referente ao desenvolvimento de projetos e dimensionamentos
de solo grampeado, diz respeito a natureza dos esforços desenvolvidos nas barras. Jewell & Pedley [1][2] e Schlosser [3],
travaram uma discussão histórica relativa a esse tema. Jewell & Pedley [1] defendem a consideração unicamente dos
esforços normais nos reforços, enquanto, Schlosser [3] sugere uma abordagem também considerando os efeitos dos esforços
cisalhantes e fletores.
Em 1996, a Fundação GEO-RIO, desenvolveu um programa de pesquisas em solo-reforçado e novas tecnologias de
contenção. Fizeram parte deste programa de estudo a monitoração de um muro de pneus, um muro de solo reforçado com
geotextil e uma escavação em solo grampeado, todas as obras em verdadeira grandeza.
Neste artigo será discutido a extensometria empregada para a medição das tensões nos reforços na obra em solo
grampeado que consistiu de uma escavação vertical, executada em etapas, com 36 metros de extensão e altura final de 7
metros. O talude foi dividido em três seções distintas, diferenciadas pelo ângulo de inclinação entre o grampo e a horizontal.
Visando verificar a influência da inclinação nos resultados, grampos com inclinações de 5o, 15o e 30o foram
utilizados. Do total de 54 grampos injetados, 18 foram instrumentados, 6 em cada seção. Os reforços foram instalados em
furos de 75mm, executados por sonda rotativa, utilizando-se calda de cimento com fator a/c = 0,6 e barras de aços de
25,4mm.
1
FUNDAÇÃO GEO-RIO, Rua Fonseca Teles, 121 – 100 Andar–São Cristóvão e Universidade do Estado do Rio de Janeiro.
COPPE/UFRJ – Laboratório de Geotecnia da COPPE – Prédio Anexo à COPPE, CT, Cidade Universitária, Ilha do Fundão
3
PUC-RIO - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro - Departamento de Engenharia Mecânica
2
A obra foi realizada em Jacarepaguá ao final da Rua Ati, junto à colina da Covanca e as características geotécnicas
do solo podem ser consultadas em Feijó & Ehrlich [4].
As figuras 1 e 2 apresentam as plantas de situação e elevação do projeto, onde podem ser identificados os
posicionamentos das barras instrumentadas.
Figura 1 – Visão geral do projeto: elevação e vista frontal. As barras instrumentadas estão representadas por círculos não
preenchidos.
Figura 2 – Seção típica da escavação do projeto.
A TÉCNICA DE EXTENSOMETRIA
A forma tradicional de abordagem do problema de medição extensométrica indireta de deformações se processa
através do uso de strain gauges, conhecidos como ERE’s (extensômetros de resistência elétrica, figura 3).
Figura 3 – Extensômetro de resistência elétrica (CEA-125UE-120Ω da Micro-Measurements) utilizado nos grampos.
Os ERE’s, podem ser definidos como sendo elementos sensíveis que transformam pequenas variações de dimensões
em equivalentes variações de suas resistências. São fisicamente simples e se constituem de uma fina película de polímero,
contendo uma matriz com forma de um fio contínuo de pequeno diâmetro, com muitas voltas, semelhantes a um circuito
impresso.
Para que se possa medir as deformações de interesse, existe uma série de procedimentos a serem adotados, desde a
preparação do local até a análise dos resultados. De uma maneira geral pode-se listar as seguintes etapas:
• Escolha dos pontos da estrutura onde se deseja conhecer as deformações;
• Preparação dos pontos escolhidos, colagem e cabeamento dos ERE’s;
• Ligação dos cabos e ajustes dos aparelhos de medição;
• Aquisição de dados;
• Interpretação e análise dos dados.
O circuito normalmente utilizado para a medição da mudança de resistência de um ERE, devido a uma deformação
da superfície onde ele está colado, é a Ponte de Wheatstone (PW)[5].
Particularmente, a utilização desse circuito nas medições requeridas no projeto apresentado nas figuras 1 e 2 trazia
alguns questionamentos os quais tornaram sua aplicação inadequada.
OS PROBLEMAS DA PONTE DE WHEATSTONE
Devido às incertezas das medições a serem realizadas, principalmente com relação aos pontos de maior e menor
deformação e a sua distribuição ao longo dos grampos, se fazia necessário instrumentar o maior número de pontos possíveis
e da maneira mais acurada e precisa disponível.
Dessa forma, a opção de se utilizar a clássica PW esbarrava em alguns problemas importantes. O primeiro
relacionado ao grande número de ERE’s necessários para viabilizar uma instrumentação abundante, uma vez que para cada
ponto instrumentado seria necessário a utilização de 4 ERE’s, trabalhando em ponte completa. Considerando-se o projeto
original de se medir as deformações em 18 grampos de 3 metros de comprimento, a cada 0,20 m, seriam necessários 864
ERE’s.
Além dos aspectos econômicos, as condições operacionais de se preparar as 18 barras nessas condições, se tornava
quase inviável. Cada ponto instrumentado se comportaria como uma célula de carga, necessitando, dessa forma, uma
calibração específica para cada um.
Uma alternativa a essa condição seria a utilização de dois ERE’s, instalados em pontos diametralmente opostos da
barra, medindo-se as deformações através de um circuito de 1/4 de PW.
Nesse caso, a necessidade de ligação e religação dos aparelhos, introduziria perturbações aleatórias devido à
imprevisibilidade das resistências de contato.
EXTENSOMETRIA DE LONGO PRAZO VIA MEDIÇÃO DIRETA DE RESISTÊNCIA
Optou-se, nesse projeto, pela aplicação da tecnologia de medição de deformações a partir da leitura direta da
variação da resistência, utilizando-se o método dos 4 fios. Este trabalho foi desenvolvido com base nos procedimentos
apresentados em Valente[6]. Nesse método de medição os problemas de reconexão e do recabeamento são eliminados, não
se necessita calibração e são necessários apenas 2 ERE’s em cada ponto instrumentado para o completo entendimento das
deformações. A figura 4 apresenta a configuração geral de uma seção instrumentada da barra.
Figura 4 – Esquema de instalação dos ERE’s nas barras instrumentadas.
A conceituação teórica do método de medição com 4 fios é bastante simples. Em um dos pares de fios aplica-se uma
corrente constante (independente das resistências associadas e de suas variações, desde que a potência do gerador seja
suficiente). No outro par lê-se a variação de resistência diretamente nos terminais do sensor. Como a resistência interna do
voltímetro é muito alta (da ordem de MΩ), este par também fica independente das resistências dos fios e das suas variações,
cujos valores são sempre muito menores que a do aparelho medidor.
Este sistema se constitui num sistema ideal de medição que independe das resistências do cabeamento e dos contatos,
sendo:
∆R
= gf .ε
R
(1)
onde:
R – resistência do extensômetro
gf – “gage fator”
ε - deformação em microstrains
A figura 5 ilustra o esquema de ligação.
Figura 5 – Esquema de ligação dos ERE’s pelo método dos 4 fios.
Como toda solução, este sistema de medida também possui desvantagens. Como ∆Rg é uma grandeza muito pequena,
que deve ser medida sobre o valor da resistência dos ERE’s, o sistema se torna não balanceável e o voltímetro deve ler uma
parte em 5x105 para obter uma resolução de 1 µm/m, quando gf = 2,0.
Isso requer, para a medição das variações de resistência dos ERE’s, voltímetros de pelo menos 20 bits e resolução
de µV, uma vez que as máximas correntes de excitação permitidas sobre os ERE’s são da ordem de mA.
Outras desvantagens são o longo tempo de leitura dos conversores A/D, de alta resolução, o que acarreta uma certa
lentidão nas leituras e o alto custo dos voltímetros.
QUALIFICAÇÃO DO SISTEMA E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Para que as deformações possam ser medidas corretamente, o multímetro deve apresentar boa repetibilidade dos
valores resistivos medidos. Valente[6] apresentou resultados de testes de qualificação, onde a imprecisão associada ao
cabeamento, comparando-se 1m de fio AWG-28 a 2m de fio AWG-30, foi inferior a 4µε. Valente[6], ainda analisou a
repetibilidade do sistema em medições sequenciais. Foram tomadas dez medidas ininterruptas de uma resistência padrão
para cada conexão. Os resultados mostraram variações máximas de 3µε, sendo a média dos valores igual a 1,5µε.
Considerando-se os resultados obtidos nos testes de qualificação e que o cabeamento será o mesmo ao longo de
todo o monitoramento, o erro máximo esperado para os resultados das medidas de deformação situa-se entre 1 e 3µε.
Os equipamentos utilizados nas medições foram (Figura 6):
• Mano-multímetro digital HP3458A – 81/2 dígitos;
•
com os seguintes acessórios de gaveta (slots):
• HP44701A: Multímetro digital de 61/2 dígitos;
• HP44719A: Multiplexador “FET” para “strain-gages” de 120Ω (10 canais), total de 6, com possibilidade de
medição de até 60 canais;
• HP44705H: Multiplexador “Relay” para uso geral (10 canais);
• Laptop Toshiba 486 DX4-75 com 16 MB RAM;
• Placa PCMCIA de comunicação;
• Micro-computador desktop AMD 586 133 MHz com 16 MB RAM;
• Placa de comunicação PCII/IIA.
Mano-multímetro digital HP3458A – 81/2 dígitos
Aquisitora de dados HP3852A
Figura 6 – Visão geral dos equipamentos utilizados para a realização das medições.
PROJETO DAS BARRAS
As barras de três metros de comprimento, de aço CA-50 e 25,4 mm de diâmetro do solo grampeado, foram
instrumentadas de modo a se separar as deformações axiais das fletoras. Os ERE’s foram colados simetricamente com
epóxi (11 de cada lado), como apresentado na figura 4, a intervalos de 0,20 m e cabeados com 4 fios resinados (do tipo
utilizado em transformadores). Os sensores e o cabeamento foram protegidos com silicone e tiras metálicas. As
extremidades dos 88 fios (4 em cada sensor) foram soldadas a 4 terminais de 25 pinos, semelhantes aos de cabo de saída
paralela de computador, e fixados em uma caixa plástica numa das extremidades dos grampos (Figuras 7).
a)
b)
c)
d)
Figura 7 – a) Detalhe de uma seção instrumentada; b) Detalhe dos conectores; c) Vista da extremidade da barra já
preparada; d) Conectores posicionados para a execução da primeira medição.
RESULTADOS OBTIDOS NOS ENSAIOS DE QUALIFICAÇÃO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO
Inicialmente foram realizados 4 ensaios de arrancamento em grampos instrumentados. Dois grampos com seis
metros e dois grampos com 3 m, instrumentados respectivamente em seis e cinco seções, totalizando 12 ERE’s e dez ERE’s
em cada um dos grampos.
Visando verificar a adequação dos procedimentos, metade destes grampos foi instrumentada utilizando a técnica
tradicional em Ponte de Wheatstone ( um grampo de 6 metros e um de 3 metros) e a outra metade em 4 fios. Esses ensaios
tiveram como objetivo, além dos resultados geotécnicos[4], comparar os resultados fornecidos pelas duas técnicas.
Os resultados obtidos, indicaram um comportamento similar, não se observando influências nos resultados oriundos
do tipo da técnica de medição adotada.
Pode-se destacar, no entanto, a grande diferença entre os tempos totais de medição para cada um dos métodos.
Usando-se a PW, demorou-se, em média, 10 segundos para se totalizar a medição. Enquanto que, com o método dos 4 fios,
o tempo necessário foi sempre muito superior. Em média foram necessários 52 segundos para se ler os mesmos 10 canais.
Além disto, há o tempo requerido pelo nano-multímetro para estabilizar sua temperatura interna antes do início dos ensaios,
em média 1 hora e mais 11 minutos para finalizar a rotina interna de autocalibração.
Pelos motivos apresentados anteriormente (facilidades executivas, precisão, acurácia, robustez e etc.), na
instrumentação da escavação em solo grampeado tomou-se partido do uso da técnica de 4 fios.
A título de exemplificação, alguns resultados obtidos nos grampos de reforço do talude estão apresentados nas
figuras 8 e 9. Os gráficos representam as deformações dos ERE’s nas ordenadas, e a posição relativa dos mesmos ao longo
do grampo nas abcissas. Cada curva mostra um evento de carregamento (por desconfinamento) medido. Nos primeiros 3
meses, os dados apresentavam-se claros e coerentes, mas a partir deste período as medidas se mostraram com bastante
ruídos, devido à perda da resistência de isolamento do sistema de proteção usado. Durante o tempo em que a instalação
resistiu, o sistema de medição de 4 fios apresentou um desempenho muito bom, medindo de forma confiável a transferência
de cargas nos grampos. Os problemas de ruídos excessivos foram causados pelo isolamento insuficiente dos fios utilizados.
100
04/06/1996 - Leitura Inicial
18.06.96
02/08/1996 - Segunda Escavação
15/08/1996 - Segunda Escavação
90
80
70
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0
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1
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8
9
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11
Posição dos "strain gages" na Barra
Figura 8 – Exemplo de resultados de medição de uma barra situada na segunda linha, sendo solicitada por um nível de
escavação apenas.
100
07/05/96 - Leitura Inicial
10.05.00
15.05.00
04/06/96 - Primeira Escavação
18/06/96 - Primeira Escavação
02/08/96 - Segunda Escavação
15/08/96 - Segunda Escavação
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40
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20
10
0
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0
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2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Figura 9 – Exemplo de resultados de medição de uma barra situada na primeira linha, sendo solicitada por dois níveis de
escavação.
CONCLUSÕES
Nos testes de longa duração, o sistema de medição extensométrica de 4 fios funcionou adequadamente durante cerca
de seis meses, prazo a partir do qual verificou-se uma deterioração generalizada na resistência de isolamento dos ERE’s.
Este problema foi associado com o tipo de fio utilizado no cabeamento e com a técnica de proteção utilizada que tiveram
vida útil menor que a esperada.
Os resultados obtidos qualificam a adoção desta técnica de medição para resolver problemas extensométricos
multiplexados. Ficou também destacada a importância, no caso de monitoramento de longo prazo, do emprego de um
sistema de isolamento mais eficiente de forma a garantir uma maior vida útil.
REFERÊNCIAS
[1] JEWELL, R. A. & PEDLEY, M. J. "Soil nailing: the role of bending stiffness", Ground Engineering, March 1990a, pp.
3-36.
[2] JEWELL, R. A. & PEDLEY, M. J. “Soil nailing: the role of bending stiffness, Author's reply to discussion by Bridle
and Barr, Ground Engineering, July-August, 1990b pp. 32-33.
[3] SCHLOSSER, F. "Discussion: The multicriteria theory in soil nailing", Ground Engineering, 1991, pp 3~33.
[4] FEIJÓ, R. L. & EHRLICH, M. “Resultados de Ensaios de Arrancamento em Grampos Injetados em Dois Pontos do
Munucípio do Rio de Janeiro” – III COBRAE, Rio de Janeiro, Novembro, 2001 , pp 517-524.
[5] DALLY, J. W. & RILEY, W. F. “Experimental Stress Analysis” - Third Edition. McGraw-Hill, 1991.
[6] VALENTE, L. G. “Automação da Aquisição e Análise de Dados Extensométricos”, Tese de Mestrado, Departamento de
Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC/RJ, 1998, p 150.