Avaliação da perda de rigidez de vigas de concreto armado utilizando o método de difusão da energia de ondas ultrassônicas

Abstract

A ocorrência do processo de fissuração em elementos de concreto armado submetidos à flexão é bastante comum, levando à perda de propriedades mecânicas e de rigidez da estrutura, uma vez que esse processo ocasiona a diminuição da seção transversal e altera sua rigidez efetiva, fato que pode, inclusive, provocar a ruptura em situações extremas. Nesse contexto, o método da difusão ultrassônica, associado ao ensaio de ultrassom, tem sido utilizado para avaliar e caracterizar tais elementos de concreto armado quanto à presença e à profundidade de fissuras. Esse método descreve a evolução temporal da densidade média de energia de um campo de onda ultrassônica utilizando a equação da difusão e está relacionado ao comportamento disperso e aleatório de ondas ultrassônicas ao se propagarem em um meio heterogêneo (e.g. concreto), sendo sensível a pequenas mudanças na microestrutura do material. Isto posto, essa pesquisa avaliou a perda de rigidez de vigas de concreto armado submetidas ao ensaio de flexão por meio da aplicação do método da difusão ultrassônica em leituras do ensaio de ultrassom realizadas nas vigas ao longo do ensaio de flexão. Para tal, foram moldadas nove vigas de concreto armado de seção 15 x 22 cm e comprimento de 170 cm, subdivididas em três lotes de três vigas cada, alterando apenas a taxa de armadura longitudinal de flexão entre os lotes. As vigas foram submetidas ao ensaio de flexão a quatro pontos, instrumentadas com LVDTs, para medir o deslocamento linear no meio do vão; com extensômetros, para quantificar as deformações do aço e do concreto na seção central; e com transdutores de ultrassom, distantes 30 cm entre si, eixo a eixo, centrados no meio vão. As leituras do ensaio de ultrassom, realizadas pelo aparelho de ultrassom Pundit Lab, foram feitas em intervalos de 20s por transdutores de frequência de 200 kHz, obtendo formatos de ondas distintos para cada etapa de carregamento. Os parâmetros de difusão (difusividade, dissipação, P0 e ATME) foram recuperados por meio de uma análise tempo-frequência feita para cada leitura de ultrassom. As rigidezes efetivas das vigas foram determinadas a partir dos dados de deformação e de deslocamento em cada instante. Em seguida, foram analisados os comportamentos dos parâmetros de difusão com o aumento dos danos progressivos causados pelo processo de fissuração, correlacionando-os com a perda de rigidez da estrutura. Como resultado, observou-se que a difusividade e o ATME foram os parâmetros mais sensíveis ao início da fissuração e apresentaram comportamento associado à variação de rigidez das vigas. Ao serem correlacionados com a rigidez, a difusividade e o ATME apresentaram coeficientes de correlação médios com a perda de rigidez de 0,88 e -0,91, respectivamente, permitindo concluir ser possível estimar a perda de rigidez por meio desses parâmetros.

Abstract: The occurrence of the cracking process in reinforced concrete elements under bending is very common, leading to the loss of mechanical and stiffness properties of the structure. This process decreases the cross-section area and alters its effective stiffness, which may even cause rupture in extreme situations. In this context, the diffuse ultrasound method, associated with the ultrasound test, has been used to evaluate and characterize such reinforced concrete elements regard to cracking?s presence and depth. This method describes the temporal evolution of the average energy density of an ultrasonic wave field using the diffusion equation and is related to the scattered and random behavior of waves propagating in a heterogeneous medium (like concrete), being sensitive to small changes in the material infrastructure. Thus, this research evaluated the loss of stiffness of reinforced concrete beams submitted to the bending test by means of the application of the diffuse ultrasound method on readings of the ultrasound test performed on the beams simultaneously to the bending test. To this end, nine reinforced concrete beams with a cross section of 15 x 22 cm² and length of 170 cm were casted, subdivided into three batches of three beams each, altering only the longitudinal flexural reinforcement rate between batches. The beams were submitted to a four-point bending test, instrumented with LVDTs, to measure the mid-span linear displacement; with strain gauges, to quantify steel and concrete deformations in the central section; and with ultrasound transducers, positioned 30 cm apart, centered in the middle span. Ultrasound readings from the Pundit Lab ultrasound tester were taken at 20-second intervals by 200 kHz frequency transducers, obtaining distinct waveforms for each loading step. The diffusion parameters (diffusivity, dissipation, P0 and ATME) were recovered using a timefrequency analysis performed for each ultrasound reading. The stiffness of the beams was calculated from the deformation and displacement data at each moment. After that, the behavior of the diffusion parameters with increasing progressive damage caused by the cracking process was analyzed and correlated with the loss of stiffness of the structures. As a result, it was observed that diffusivity and ATME were the most sensitive parameters to crack beginning and presented behaviors associated with the beams stiffness variation. When correlated with stiffness loss, diffusivity and ATME presented mean correlation coefficients of 0.88 and -0.91, respectively, allowing to conclude that it is possible to estimate the loss of stiffness through the diffusion parameters.