Pró-Reitoria de Graduação Curso de Engenharia Civil Trabalho de Conclusão de Curso Pró-Reitoria de Graduação Curso de Engenharia Civil Trabalho de Conclusão de Curso Pró-Reitoria de Graduação Curso de Engenharia Civil Trabalho de Conclusão de Curso RELAÇÃO ENTRE O MÉTODO ESTÁTICO E DINÂMICO PARA Pró-Reitoria de Graduação DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE DO Curso de Engenharia Civil CONCRETO Trabalho de Conclusão de Curso Autor: Apoema Caixeta Santos Orientador: Prof. MSc Nielsen José Alves Dias Autor: Mayara Iany Pereira Moreira Suyanne Oliveira da Silva Orientador: Prof. MSc Nielsen José Alves Dias Autor: Apoema Caixeta Santos Orientador: Prof. MSc Nielsen José Alves Dias Autor: Mayara Iany Pereira Moreira Suyanne Oliveira Silva Brasíliada - DF Orientador: Prof. MSc Nielsen 2013 José Alves Dias Brasília - DF 2013 i APOEMA CAIXETA SANTOS RELAÇÃO ENTRE O MÉTODO ESTÁTICO E DINÂMICO PARA DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE DO CONCRETO Artigo apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, como requisito parcial para a obtenção de Título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Engº MSc.Nielsen José Dias Alves Brasília 2013 ii Artigo de autoria de Apoema Caixeta Santos, intitulado “RELAÇÃO ENTRE O MÉTODO ESTÁTICO E DINÂMICO PARA DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE DO CONCRETO”, apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, em 22/11/2013, defendido e aprovado pela banca examinadora abaixo assinada: __________________________________________________ Prof. MSc. Nielsen José Alves Dias Orientador Curso de Engenharia Civil – UCB __________________________________________________ Prof. MSc. Robson Donizeth Gonçalves Da Costa Examinador Curso de Engenharia Civil – UCB Brasília 2013 iii EPÍGRAFE “Tudo o que um sonho precisa para ser realizado é alguém que acredite que ele possa ser realizado.” (Roberto Shinyashiki) i AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, pelo fim de mais essa etapa, pelos sonhos que se concretizam. Porque dele, e por meio dele, e para ele são todas as coisas. Agradeço-te por nunca me deixar esquecer mesmo em meio aos desertos, que sou uma de suas favoritas. A minha amada Oneida, mais que mãe, minha amiga, companheira e confidente. Minha principal incentivadora, “inspiração de meus sonhos”, sempre me apoiando e buscando compreender minhas ideias e escolhas, acreditou nos meus devaneios e projetos, principalmente quando nem eu mais acreditava. A primeira a sonhar com tudo isso, e às vezes desistindo dos seus sonhos para realizar os meus. Agradeço por acreditar sempre no meu potencial. Ao meu orientador Prof. Engº MSc. Nielsen José Alves Dias agradeço a condução nos primeiros e essenciais passos da minha formação. Grata pelo dinamismo, a confiança, o carinho, enfim, por compreender e incentivar a concretização desse trabalho. Ao meu irmão Tainan e ao meu pai Fabio agradeço o apoio e ao meu avô Chico por acreditar que eu seria capaz. Ao meu amor, Dênnis, pelo carinho, cumplicidade, compreensão e paciência. Uma brisa em meio a tantas tensões. Minha imensa gratidão aos meus Tios Alaor e Cida que de certa forma me aceitaram eu sua casa como uma filha. Aos meus primos Fabiano e Vanessa sempre ao meu lado, me impulsionando a dar o melhor de mim, e claro ao nosso pequeno Gabriel que nos momentos mais difíceis dessa jornada o seu sorriso me mostrava que um futuro melhor estava por vim. Enfim, aos meus familiares que contribuírem um pouquinho de cada lado. À minha turma de graduação, pela diversão, pelo aprendizado, pela convivência que tanto auxiliou no meu amadurecimento. Amigas que durante esses anos de faculdade foram minha segunda família, dividindo sonhos, sorrisos, lanches e lágrimas. Em especial a Andressa Siqueira, Claudia Oliveira, Mayara Iany e Suyanne Oliveira. Amo vocês. A todos muitíssimo obrigada! 1 RELAÇÃO ENTRE O MÉTODO ESTÁTICO E DINÂMICO PARA DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE DO CONCRETO APOEMA CAIXETA SANTOS RESUMO Com o intuito de acompanhar a tendência de desenvolvimento da engenharia civil, em especial da área de materiais de construção, este trabalho aborda uma propriedade do concreto, ainda, pouco utilizada pelos profissionais da engenharia civil, que é o módulo de elasticidade do concreto. Apresenta também dois ensaios para determinação do módulo de elasticidade: O primeiro é o ensaio por compressão uniaxial para determinação do módulo de elasticidade estático, que é um ensaio destrutivo e normatizado no Brasil. O segundo é o ensaio por freqüência ressonante, que é um ensaio não destrutivo e que determina o módulo de elasticidade dinâmico. Depois são feitas comparações entre os resultados obtidos nos ensaios experimentais. Palavras-chave: Concreto. Módulo de elasticidade. Módulo de elasticidade estático. Módulo de elasticidade dinâmico. 1. INTRODUÇÃO A necessidade de se construir estruturas cada vez mais altas, esbeltas, duráveis e com maior rapidez, fez com que houvesse um desenvolvimento das técnicas de construção e dos materiais utilizados nas obras. Atualmente o risco de haver deformações excessivas nos edifícios em concreto não pode ser ignorado e representa um problema que deve ser analisado com a cautela necessária para se ter confiabilidade na avaliação das deformações. Durante muito tempo os cálculos estruturais foram efetuados com base na resistência característica do concreto à compressão (fck), até então, principal propriedade mecânica do concreto. Hoje o módulo de elasticidade do concreto é um dos parâmetros utilizados nos 2 cálculos estruturais, que relaciona a tensão aplicada à deformação instantânea obtida, conforme descrito pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 8522/2008. Ao módulo assim determinado é dado o nome de Módulo de Elasticidade Estático. Nessa determinação, procedimentos especiais devem ser tomados, pois o concreto é muito sensível a esforços. São, então calculados os módulos tangente e secante a partir das retas traçadas da origem até tensões que variam de 0,5 MPa a 30-40% da resistência à compressão. Um método alternativo para a determinação da rigidez do concreto seria a medida do módulo através da determinação da freqüência natural de vibração do material, obtida em ensaios de frequência ressonante. A ressonância é a tendência de um sistema mecânico de absorver mais energia quando a freqüência de suas oscilações se iguala a freqüência de vibração natural do sistema. O módulo assim obtido está relacionado ao comportamento elástico do concreto já que durante a vibração são aplicadas tensões muito baixas, medindose, portanto deformações instantâneas muito pequenas. Esse módulo é chamado de Módulo de Elasticidade Dinâmico. Estes novos estudos possibilitam praticas de novas arquiteturas, desenvolvimento de novos materiais de construção, técnicas construtivas inovadoras, dimensionamento do envelhecimento e degradação das edificações. Dentro desde contexto, é que o presente trabalho tem como objetivo analisar comparativamente os valores obtidos por métodos experimentais Estáticos e Dinâmicos em corpos de prova de concreto, observando-os através do módulo de elasticidade do concreto. Além disso, mostrar qual método é mais eficaz para acompanhar o desenvolvimento da engenharia civil, em especial da área de materiais de construção, abordando uma propriedade do concreto ainda pouco utilizado pelos profissionais da engenharia civil. 1.1. Propriedades do Concreto 1.1.1. Resistência à compressão O concreto a ser utilizado na obra deve ter uma resistência à compressão igual ou maior àquele adotado no projeto. Este é a propriedade do concreto usada para o dimensionamento da estrutura e também a que melhor o qualifica, estando ligada diretamente com a segurança estrutural. Qualquer que seja a modificação dos materiais, tais como, uniformidade, natureza ou proporcionalidade poderá ser apresentada por uma variação na 3 resistência. Sendo a resistência uma propriedade muito sensível, capaz de indicar com clareza as variações da “qualidade” de um concreto (HELENE, 1994). Apesar de ser considerado um dos mais importantes acompanhamentos a serem observados durante a execução da estrutura, não deve ser confundido com o controle tecnológico das estruturas de concreto. Os valores obtidos através do ensaio da resistência à compressão do concreto (Ver foto 1) e controle é uma referência para o dimensionamento da estrutura e conseqüentemente para a fixação de sua segurança. Foto 1. Equipamento para determinação da resistência à compressão. 1.1.2. Módulo de Elasticidade No aspecto da deformação, podemos dizer que os materiais submetidos a esforços, podem apresentar um tipo de comportamento plástico, elástico ou até uma combinação dos dois (elástico-plástico). A deformação elástica é aquela em que o material deformado retorna ao seu formato original, após a retirada da carga que o deformou, enquanto que na deformação plástica, não 4 há retorno. De certa forma a maioria dos materiais passa por um estágio elástico, antes de atingir uma deformação plástica (estágio irreversível). Quando se trata de concreto, este parâmetro é uma importante propriedade mecânica, imprescindível nos cálculos para determinação das deformações e tensões de projeto, apesar do comportamento não-linear deste material. O módulo de elasticidade do concreto é, portanto, um dos parâmetros utilizados nos cálculos estruturais, que relaciona a tensão aplicada à deformação instantânea obtida (ABNT NBR 8522/2008). Segundo Almeida (2005, p.50), O limite de elasticidade indica para o projeto estrutural a deformação máxima permitida antes de o material adquirir deformação permanente e identifica o grau de restrição à deformação. O valor do módulo é empregado nos cálculos para estimar a fluência e fissuração. Por isso são realizados ensaios em corpos-de-prova para obter o módulo de elasticidade e, com isso, analisar o comportamento e qualidade das estruturas construídas com o mesmo material. 1.1.2.1. Módulo de Elasticidade Estático O Módulo de Elasticidade Estático (Ec) é calculado a partir da inclinação da curva tensão-deformação obtido quando o concreto é submetido ao carregamento uniaxial de compressão ou tração, com velocidade controlada (Ver foto 2). De acordo com a reta utilizada na sua determinação, o módulo estático pode ser tangente ou secante (Ver figura 1) (NÓBREGA, 2004). 5 Foto 2. Equipamento para determinação do módulo de elasticidade estático. Figura 1. Representação esquemática dos módulos de elasticidade (NOBREGA, 2004). 6 Módulo Tangente de Deformação (Ec,tg): Propriedade do concreto cujo valor numérico é a inclinação da reta tangente ao diagrama tensão-deformação, em um ponto genérico “A”. Módulo Tangente Inicial de Deformação (Eci): É dado pela inclinação da reta tangente à curva na origem, que é considerado equivalente ao módulo de deformação secante entre 0,5 MPa e 30% da resistência à compressão, para o carregamento estabelecido neste método de ensaio (Ver figura 2). Figura 2. Representação esquemática do módulo de elasticidade tangente inicial (Eci) (ABNT NBR 8522/2008). Este módulo é utilizado para cálculos quando a estrutura está submetida a tensões muito baixas ou quando ela se encontra nas primeiras idades (NÓBREGA, 2004). E segundo Almeida (2005, p. 55), Apesar de não ser muito utilizado, seu valor é importante, pois os coeficientes de segurança que são aplicados à resistência do material, ou à intensidade de carga, fazem com que o concreto trabalhe nas condições de serviço, com uma tensão inferior a 40% da resistência. Nesta faixa de trabalho, o módulo de elasticidade apresenta pouca variação. 7 Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 6118/2003 (p. 32) indica a utilização do módulo tangente inicial na avaliação do comportamento global da estrutura e para o cálculo das perdas de protensão. Módulo Secante de Deformação (Ecs): Propriedade do concreto cujo valor numérico é a inclinação da reta secante ao diagrama tensão-deformação (Ver figura 3), passando pelos seus pontos “A”e “B” correspondentes, respectivamente, à tensão de 0,5 MPa e à tensão considerada NBR 8522/2008. Figura 3. Representação esquemática do módulo de deformação Secante (Ecs) (ABNT NBR 8522/2008). O módulo secante é utilizado para análises elásticas, determinação de esforços solicitantes, verificação dos estados limites de serviço e avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou seção transversal (ALMEIDA, 2005). 1.1.2.2. Módulo de Elasticidade Dinâmico Como a curva tensão-deformação do concreto apresenta um comportamento nãolinear, existe certa dificuldade para determinação exata de um único valor do módulo de elasticidade estático, portanto a utilização de métodos experimentais dinâmicos (não- 8 destrutivos), que aplicam carregamentos dinâmicos e não interferem diretamente na amostra, fornece o valor do módulo de elasticidade do material de forma mais precisa. Além disso, o uso do módulo de elasticidade dinâmico é mais adequado para a análise de deformações e tensões das estruturas carregadas dinamicamente, ou daquelas sujeitas a terremotos ou cargas de impacto (ALMEIDA, 2005) Um ensaio sônico bastante difundido é o da medição da freqüência de ressonância (Ver foto 3), que possibilita calcular o módulo de elasticidade dinâmico. Neste método o corpo de prova é fixado no seu centro com um excitador colocado numa das extremidades do corpo de prova e um coletor na outra extremidade. O excitador é ativado por um oscilador de freqüência variável. As vibrações que se propagam dentro do corpo de prova são recebidas pelo coletor, amplificadas, e sua amplitude é medida por um indicador adequado. A freqüência de excitação é variada até que se obtenha a ressonância na freqüência fundamental (isto é, a menor freqüência) do corpo de prova, indicado pelo deslocamento máximo do ponteiro do indicador. Foto 3. Equipamento para determinação do módulo de elasticidade dinâmico. 9 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais Para o desenvolvimento do trabalho, foram utilizados concretos com quatro resistências diferentes, a saber: 15, 20, 25 e 30 MPa. O concreto foi fornecido pela empresa Concrecon Concretos Ltda. 2.2. Métodos Inicialmente, para o desenvolvimento desse trabalho, foram moldados 20 corpos de prova cilíndricos de concreto de 100x200 mm, sendo cinco para cada resistência utilizada. Esses corpos de prova foram ensaiados aos 28 dias de idade. Para esses corpos de prova foram adotados o ensaio do módulo de elasticidade dinâmico, ensaio de resistência à compressão e ensaio de módulo de elasticidade estático. Primeiramente foi realizado o ensaio de módulo de elasticidade dinâmico (não destrutivo) em 3 corpos de prova de cinco series diferentes. Para este ensaio foi utilizado o equipamento V- Meter MKIV da marca NDT, é necessário a calibração dos transdutores (travessia das ondas de um transdutor emissor para o transdutor receptor), em seguida os corpos de prova a serem ensaiados foram pesados e medidos. Um transdutor acústico é posicionado em um lado do corpo de prova e um acelerômetro é montado em outro lado, sendo ambos com uso de vaselina em suas extremidades para melhor aderência na superfície do corpo de prova (Ver foto 4). Foram definidos valores de velocidade, velocidade de início (Vi) e velocidade de término (Vh). Determinada à velocidade de vibração, devido às variações dos valores obtidos, e calculada à média destes valores podendo assim, calcular o módulo de elasticidade dinâmico. 10 Foto 4. Realização do ensaio de módulo de elasticidade dinâmico. Para determinação do módulo de elasticidade dinâmico do concreto utilizamos a mesma equação adotada para determinação do módulo de elasticidade dinâmico da argamassa, Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 15630/2009 como mostra a Equação 1. Ed= ( )( ) Em que: Ed = Módulo de elasticidade dinâmico (MPa) ρ = Densidade do corpo-de-prova (kg/m³) V= Velocidade de pulso (km/s) ν= Coeficiente de Poisson – adotado igual a 0,2 Em seguida o corpo de prova foi levado à ruptura para se obter a resistência efetiva. (1) 11 De acordo com Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 5739 (2007, p. 4), Foram realizados os ensaios de resistência à compressão [...] em dois corpos-deprova de cada série. Os corpos-de-prova foram colocados em uma pressa hidráulica informatizada com capacidade máxima de 2.000 KN com controle manual de velocidade de aplicação de carga, tendo um pistão de 25 mm para determinar a resistência média e assim determinar as faixas de leitura para o ensaio de módulo de elasticidade estático. Para a determinação do módulo de elasticidade estático foram utilizados os parâmetros da ABNT NBR 8522/2008. Foram selecionados três corpos de prova de cada série, estes foram levados para o ensaio de módulo de elasticidade estático. Destes três, dois foram utilizados para terminação das médias de resistência à compressão. Os compressômetros com bases dependentes são constituídos por dois anéis, um dos quais rigidamente fixados ao corpo de prova e outro fixado em três pontos transversalmente opostos, de modo que se tenha a rotação livre. Este equipamento é composto por uma haste pivô com intuito de manter constante à distância entre os anéis. O corpo de prova devidamente instrumentado deve ser centralizado nos pratos da máquina. O corpo de prova deve permanecer centrado geometricamente, com seu eixo coincidindo com o eixo de aplicação da carga (Ver foto 5). Em seguida foi aplicada uma carga de 20%, 50% e 80% da carga prevista de ruptura. Caso a diferença entre as deformações lidas nesses medidores seja maior que 20% da maior das deformações lidas, descarregar o corpo de prova e proceder ao ajuste mais correto da centragem, girando o corpo de prova e refazendo novamente o ensaio como descrito acima. Os valores de carga e deformação apresentados em cada faixa determinada para o ensaio foram anotados. 12 Foto 5. Realização do ensaio de módulo de elasticidade estático. Anotados os valores, calcula-se o módulo de deformação secante, indicada , a uma tensão , que é dado pela Equação (2): (2) Onde: → é a tensão maior, expressa em megapascals (MPa); → é a tensão básica, expressa em megapascals ( = 0,5 MPa); → é a deformação específica média dos corpos-de-prova sob a tensão maior; → é a deformação específica média dos corpos-de-prova sob a tensão básica. 13 O módulo de deformação secante a uma tensão indicada pode também ser obtido diretamente no diagrama tensão-deformação. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios laboratoriais realizados para determinação da resistência à compressão, módulo de elasticidade estático secante e o módulo de elasticidade dinâmico. 3.1. Resultados dos ensaios Na tabela a seguir são apresentados os resultados dos ensaios através do método estático e dinâmico. Tabela 2 - Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade estático e módulo de elasticidade dinâmico em concreto. Identificação do corpo-de-prova (MPa) Módulo de elasticidade estático (Gpa) Módulo de elasticidade dinâmico (Gpa) 10 15 20 25 30 15 16 19 25 25 18 19 23 27 28 3.2. Discussões De acordo com que foi apresentado, para esse tipo de concreto de média e baixa resistência, o módulo de elasticidade estático é menor que o dinâmico, o que foi observado (Ver gráfico 1) com a proximidade dos valores obtidos nos ensaios. 14 30 25 20 MÓDULO DE ELASTICIDADE ESTÁTICO (GPa) 15 MÓDULO DE ELASTICIDADE DINÂMICO (GPa) 10 5 0 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa 30 MPa Gráfico 1. Resultados dos módulos estáticos e dinâmicos. O módulo de elasticidade dinâmico é maior porque na propagação das ondas, o nível de tensão gerado é pequeno e não se desenvolve em todo o corpo, ao contrário do módulo de elasticidade estático, que mede a deformação real causada pela tensão aplicada no concreto. Por isso, o módulo de elasticidade dinâmico é maior do que o módulo de elasticidade estático. A utilização de métodos experimentais dinâmicos, que aplicam carregamentos dinâmicos e não interferem diretamente na amostra, fornece o valor do módulo de elasticidade do material de forma mais precisa. Além disso, para a análise de deformações e tensões o módulo de elasticidade dinâmico é o mais adequado. A qualidade e a reprodutibilidade dos resultados dos ensaios dinâmicos fazem com que o módulo dinâmico seja um parâmetro global, obtido de maneira integrada e com um alto grau de precisão. 15 4. CONCLUSÃO Neste trabalho foi avaliado o comportamento do módulo de elasticidade estático e dinâmico. Os experimentos serviram para uma melhor análise desta relação, para comparar os ensaios práticos e determinar qual método é mais eficiente. A determinação do módulo de elasticidade do concreto a partir dos ensaios dinâmicos apresentou resultados satisfatórios, e confiáveis. Porém, o módulo de elasticidade dinâmico por ser maior que o módulo de elasticidade estático, significa que ele é menos favorável a segurança. O módulo de elasticidade dinâmico fornece informações a respeito da deformabilidade do concreto, da rigidez de um elemento estrutural. A qualidade e a reprodutibilidade dos resultados dos ensaios dinâmicos fazem com que o módulo dinâmico seja um parâmetro, obtido de maneira integrada e com um alto grau de precisão diferente do módulo estático que a predominância é a tração. Por fim, cabe ressaltar que os ensaios dinâmicos são uma ferramenta poderosa ao projetista estrutural. Possibilitando o controle tecnológico, para acompanhar a evolução da resistência do concreto e do módulo de elasticidade, que é algo bastante interessante. Esse tipo de ensaio tem alta reprodutibilidade e possibilita a avaliação das propriedades do concreto ao longo da vida útil da estrutura, a partir do mesmo corpo de prova. RELATIONSHIP BETWEEN THE METHOD FOR DETERMINING STATIC AND DYNAMIC MODULUS OF ELASTICITY OF THE CONCRETE. ABSTRACT In order to monitor the development trend of civil engineering, particularly in the area of building materials, this paper addresses a property of concrete, still little used by professional civil engineering, which is the modulus of elasticity of concrete. It also presents two assays for the determination of the elastic modulus: The first is by uniaxial compression test for determining the static modulus of elasticity, which is a destructive test and regulated in Brazil. The second is the test for resonant frequency, which is a non-destructive testing and determining the dynamic modulus of elasticity. After comparisons are made between the results obtained in the experimental tests. Keywords: Concrete. Modulus of elasticity. Static modulus of elasticity. Dynamic modulus of elasticity. 16 5. REFERÊNCIA BIBLIOGRAFICA ALMEIDA, S.F de. (2005). Análise dinâmica da rigidez de elementos de concreto submetidos à danificação progressiva até a ruptura. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. 2005. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 15630: argamassas para assentamento e revestimento de paredes e tetos – determinação do módulo de elasticidade dinâmico através da propagação de ondas ultrassônica. Rio de Janeiro, 2008. ______.NBR 5739: concreto- Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos.Rio de Janeiro, 2007. ______.NBR 6118: concreto- Procedimento para projetos de estruturas de concreto. Rio de Janeiro, 2003. ______.NBR 8522: concreto- Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de janeiro, 2008. HELENE, Paulo R.L. (1992). Manual de Dosagem e Controle do Concreto. 1ª Edição, Pini: 2004 NEVILLE, A.M. (1997). Tecnologia do Concreto. 2ª Edição, Pini 2013. NÓBREGA, P.G.B (2004).Análise dinâmica de estruturas de concreto:estudo experimental e numérico das condições de contorno de estruturas pré-moldadas.Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. 2004.