utilização de ultra-som para o monitoramento de

UTILIZAÇÃO DE ULTRA-SOM PARA O MONITORAMENTO DE
ESTRUTURAS DE CONCRETO
Alexandre Lorenzi
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais(LEME), Av. Osvaldo Aranha, 99 –
térreo, CEP 90035-190, Centro, Porto Alegre, RS, Brasil
e-mail = [email protected]
Luciane Fonseca Caetano
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais(LEME), Av. Osvaldo Aranha, 99 –
térreo, CEP 90035-190, Centro, Porto Alegre, RS, Brasil
e-mail = [email protected]
Maurício Träsel Drunn
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais(LEME), Av. Osvaldo Aranha, 99 –
térreo, CEP 90035-190, Centro, Porto Alegre, RS, Brasil
e-mail = [email protected]
Luiz Carlos Pinto da Silva Filho
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais(LEME), Av. Osvaldo Aranha, 99 –
térreo, CEP 90035-190, Centro, Porto Alegre, RS, Brasil
e-mail = [email protected]
Resumo. Com o aumento das ocorrências de deterioração precoce das estruturas de concreto, torna-se interessante realizar um
monitoramento contínuo das condições das edificações, com a finalidade de aumentar sua vida útil. Os métodos não destrutivos
facilitam essas análises, por não causar danos às estruturas. Em decorrência disto, esses ensaios têm sido tema de diversos estudos.
O ultra-som é um método bem difundido na área da engenharia civil, pois possibilita a análise da compacidade de uma estrutura de
concreto através da velocidade da onda ultrassônica. O constante monitoramento das estruturas pode elevar a sua vida útil pois,
detectando a patologia em uma estrutura no início de seu surgimento, torna-se mais fácil o seu correto tratamento e recuperação. O
LEME (Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais) esta desenvolvendo uma pesquisa que visa determinar qual a precisão de
detecção do ultra-som, na qual são comparados os resultados de ensaios com diversos espaçamentos, a fim de avaliar as vantagens
da utilização de uma malha mais fina na análise de estruturas. Além disso, a utilização de programas computacionais nos permite
uma análise mais eficaz dos resultados, por diferentes métodos, para verificar-se de que forma pode-se obter resultados mais
próximos da realidade. Para este objetivo foi concretada uma viga de 20 x 40 x 100 cm com corpos estranhos internos à mesma,
tais como bolas de isopor e madeira, visando simular problemas diversos, tais como falhas de concretagem, diferentes taxas de
armadura, presença de cabos de protensão e simulação de corrosão .
Keywords.concreto, monitoramento, ultra-som
1. Introdução
Os métodos de ensaios não destrutivos (Non Destructive Testing - NDT) são focos de diversas pesquisas em
laboratórios de excelência. Isso se deve ao fato desses métodos não afetarem a aparência nem o desempenho da
estrutura que está sendo analisada e, assim, permitir o re-ensaio no mesmo local, ou em local muito próximo, de forma a
possibilitar um constante monitoramento das estruturas e o acompanhamento das suas variações ao longo do tempo.
Através deste monitoramento pode-se elevar a vida útil das referidas estruturas, tornando mais fácil e econômico o seu
tratamento e sua recuperação. A aplicação de NDT no Brasil vem crescendo durante os últimos anos, mas na área da
engenharia civil ainda não são procedimentos rotineiros.
Cabe salientar que os NDT não são métodos adequados para medir a resistência de uma estrutura, mas para analisar
suas propriedades e determinar sua homogeneidade. É possível entretanto estimar a resistência a partir de alguns dos
resultados obtidos, pois quanto mais homogêneo for o concreto e quanto menor for a relação água/cimento do mesmo,
mais resistente o mesmo será. Pode-se desta forma estabelecer uma correlação dos resultados dos NDT com a
resistência da estrutura. Estas correlações, entretanto, são particulares para um certo tipo de concreto e devem ser
utilizadas com cautela.
Dentre os métodos de NDT disponíveis, o ensaio ultra-sônico pode ser considerado como um dos mais promissores
para a avaliação de estruturas de concreto, pois possibilita realizar um exame da homogeneidade do material. Através da
sua utilização consegue-se realizar um controle total da estrutura, podendo-se levar em conta, inclusive, as variações das
propriedades com o tempo. Pode-se, por exemplo, através da análise das variações na velocidade de propagação de uma
onda ultrasônica, verificar a compacidade de uma estrutura ou detectar regiões heterogêneas no interior da mesma.
No caso particular do concreto, a relação entre velocidade de propagação de onda ultrasônica e resistência à
compressão não é muito confiável, pois o número de variáveis que afetam a resistência do material é grande, incluindo,
por exemplo, a relação água-cimento, o tamanho e tipo do agregado, o procedimento de moldagem, o tamanho da
amostra e o tipo de cimento. Apesar disto, o ensaio ultrasônico é um indicativo útil e pode ser aplicado com segurança
para avaliar a uniformidade do concreto em uma estrutura, como afirmam LANDIS et al (2002).
02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
Mesmo nestes casos, é necessário experiência, e muitas vezes o apoio de programas computacionais, para que se
consiga realizar uma adequada análise dos resultados do ultra-som, devido ao grande número de leituras necessárias
para realizar o mapeamento da homogeneidade da estrutura. A melhor forma de interpretar estes dados ainda não foi
estabelecida. Acredita-se que, através de uma análise bem feita, pode-se chegar a um diagnóstico confiável sobre o
estado de conservação das estruturas de concreto. Esta pesquisa investiga estratégias para que se consiga sistematizar e
facilitar a análise, de forma a tornar a mesma mais eficaz.
Neste trabalho são apresentadas simulações feitas com duas estratégias de análise (comparação múltipla de médias
e mapeamento superficial) para os resultados de ensaios ultra-sônicos. As análises foram realizadas com dados obtidos
através de medições realizadas em uma viga de concreto de 20x40x100 cm, concretada com vários corpos estranhos,
tais como bolas de isopor e madeira, visando simular problemas como falhas de concretagem, diferentes taxas de
armadura e simulação de corrosão.
2. Ultra-som
O método ultra-sônico é bastante difundido. O mesmo está baseado na propagação de ondas sonoras de alta
freqüência pelo material analisado. Estas ondas variam de velocidade em função da quantidade de poros e vazios, o que
possibilita a detecção de descontinuidades. A idéia é projetar o som para dentro do material, medindo o tempo até que o
mesmo se propague até um outro ponto qualquer. Sabendo a distância entre os pontos, é possível então determinar a
velocidade média no trecho de propagação, que irá depender de diversos fatores como a natureza do material, a
porosidade do mesmo, a presença ou não de água nos poros, entre outros. Em função da sua sensibilidade a estes
fatores, os ensaios ultra-sônicos servem para caracterizar um determinado material, sua integridade e outras
propriedades físicas, tornando-se uma técnica bastante usada para o controle de qualidade, detecção de defeitos,
medição de espessuras ou caracterização dos materiais constituintes do concreto, segundo explica a norma americana
ASTM E 114-95 (ASTM, 1995).
As ondas são transmitidas pelo transdutor emissor, que consiste em um cristal piezo-elétrico capaz de converter a
energia elétrica em onda mecânica (sonora). Quando esse transdutor está em contato com o material a ser analisado,
emite uma onda que atravessa o mesmo. Ao encontrar uma descontinuidade esta onda é refletida, retardando o sinal que
é captado pelo receptor, como explica FINCH (1985). Quanto maior a velocidade de onda, maior será a compacidade do
concreto. Os ensaios podem ser realizados de forma indireta, quando se tem acesso a apenas uma das faces. Mas, para
uma melhor resposta, os transdutores devem preferencialmente ser colocados em faces opostas, pois se torna menos
provável que ocorra a perda ou perturbação do sinal.
3. Modelo utilizado
Objetivando-se estudar os diferentes métodos de análise dos resultados obtidos através do ensaio por ultra-som e
fazer uma comparação entre malhas de diferentes espaçamentos, criou-se uma estrutura de teste controlada. Para isto,
moldou-se uma viga de dimensões 20 x 40 x 100 cm. Primeiramente montou-se a armadura com espaçamentos
diferentes entre estribos. Foram então fixados à armadura corpos estranhos de diferentes tamanhos, tais como bolas de
isopor, de ping-pong e de tênis, assim como pedaços de madeira, de forma a simular falhas de concretagem e vazios.
Para a concretagem da viga foi utilizado um traço com proporções 1:2,57:3,43 (cimento:areia:brita) e com relação
água/cimento (a/c) de 0,58. Na figura 1 pode-se observar a posição dos elementos utilizados na viga.
Figura 1. Detalhe da ferragem e dos objetos presentes na viga.
Após completar 1 ano de idade, a viga foi ensaiada com um ultra-som portátil de 54 Khz, tipo PUNDIT. Esperou-se
um tempo elevado para iniciar o ensaio de forma a minimizar a influência da variação da resistência do concreto nas
medições. As dimensões dos objetos dispostos na viga variaram entre 30 mm e 95 mm. Todos potencialmente podiam,
portanto, ser detectados pelo ultra-som, pois a freqüência do aparelho de ultra-som teoricamente permite que objetos
com dimensões a partir de 8 mm sejam percebidos.
O objetivo era coletar dados e verificar se a análise dos mesmos permitiria realizar a detecção dos objetos e das
situações provocadas. Foram utilizadas duas técnicas de interpretação (mapeamento de superfície e análise estatística
por comparação de médias) e duas malhas de medições (uma mais fina, de 75mm x 75mm, e outra, mais espaçada, de
150mm x 150mm). Em cada ponto foram realizadas medições diretas e indiretas, sendo as últimas realizadas entre o
ponto e os pontos adjacentes.
Visando determinar o grau de precisão do método na detecção dos objetos inseridos no concreto, executou-se o
ensaio com os dois espaçamentos de malha, o que permitiu avaliar se a utilização de uma malha mais fina na análise da
estrutura possibilita uma análise mais precisa. Nas figuras 2 e 3 mostram-se os grids dispostos em uma das faces, sendo
que no grid de 150mm tem-se um total de 21 leituras diretas e 66 leituras indiretas e no grid de 75mm tem-se 65 leituras
diretas e 252 leituras indiretas.
Figura 2. Disposição dos objetos na viga e posicionamento da malha de 150 mm.
Figura 3. Disposição dos objetos na viga e posicionamento da malha de 75 mm.
Foram feitas leituras horizontais, verticais e diagonais em torno de cada ponto. Estas foram agrupadas gerando o
que se denominou quadrantes de leitura. De posse dos resultados, passou-se à fase de investigação de qual a melhor
estratégia para organizá-los e interpretá-los. Para tanto foram utilizados os programas computacionais Statistica 6.0 e
Surfer 7.0.
O primeiro foi empregado para realizar uma análise estatística dos resultados, buscando definir zonas
estatisticamente equivalentes ou diferenciadas. A estratégia era comparar cada um dos quadrantes das malhas com seus
vizinhos e depois considerar todos ao mesmo tempo, numa comparação múltipla de médias.
Já o programa Surfer foi utilizado para realizar um mapeamento superficial através da técnica de formação de
curvas de nível, com geração de uma imagem com escalonamento de cores.
4. Análise dos resultados
4.1. Análise Estatística
Numa primeira fase foram executados testes de comparação múltipla de médias para verificar-se a homogeneidade
estatística entre os quadrantes adjacentes. Para esta finalidade foram agrupados os resultados das 6 leituras de cada
quadrante. As figuras 4 e 5 nos mostram os resultados obtidos, considerando-se que cada quadrante correspondia a um
grupo. O valor de t (Student ) teórico para p = 0,95 é de 6,21 . A partir deste valor se determina quando duas ou
mais médias amostrais são ou não são iguais.
Pode-se observar, na figura 4, os resultados dos testes de hipóteses, nos quais o quadrante com preenchimento em
linhas diagonais é o de referência, os pontilhados referem-se à região de aceitação e, por fim, os preenchidos com
quadrados fazem parte da região de rejeição. A figura 5 mostra a única região de rejeição obtida com o grid de 75 mm.
A análise desse grid foi feita somente nos quadrantes que mostraram regiões de rejeição no grid de 150 mm, com o
objetivo de verificar se o refinamento da malha tenderia a aumentar a sensibilidade da análise.
Figura 4. Resultados dos testes de hipóteses – Malha 150 X 150 mm.
Os testes de hipóteses forma feitos considerando-se a seguinte formulação:
H 0 = Hipótese nula – as médias das amostras são iguais.
H 1 = Hipótese alternativa – as médias das amostras são diferentes.
H 0 = texp erimental ≤ tteórico – Região de Aceitação da Hipótese H0
H 1 = texp erimental > tteórico – Região de Rejeição da Hipótese H0
Através dos resultados dos testes de hipóteses rejeita-se a hipótese de que os dados sejam iguais nas comparações
entre os quadrantes (Q4 vs. Q9, Q4 vs. Q5, Q3 vs. Q9, Q2 vs. Q9 e Q1 vs. Q8). As diferenças entre os valores do ensaio
ultra-sônico nestes quadrantes podem ser consideradas estatisticamente significativas. Aceita-se que os dados sejam
iguais nas outras análises.
Figura 5. Resultados dos testes de hipóteses – Malha 75 X 75 mm.
Através dos resultados dos testes de hipóteses rejeita-se a hipótese de que os dados sejam iguais nas comparações
entre os quadrantes (Q1 vs. Q34, Q1 vs. Q43 e Q1 vs. Q44). As diferenças entre os valores do ensaio ultra-sônico nestes
quadrantes podem ser consideradas estatisticamente significativas. Aceita-se que os dados sejam iguais nas outras
análises.
Podemos verificar que a análise estatística demonstrou que existem regiões estatisticamente diferentes, embora os
resultados da análise não estejam totalmente claros e se mostrem como sendo de difícil interpretação.
4.2. Mapeamento Superficial
A partir do programa Surfer 7.0 pode-se gerar uma superfície de curvas de nível, com base nos dados obtidos
através do ultra-som. Observando a imagem gerada pode-se verificar a existência de regiões onde as leituras são mais
baixas ou mais altas, indicando variações na homogeneidade do concreto, que podem ser associadas à presença de
defeitos. Nas figuras 6 e 7 pode-se observar as superfícies geradas a partir dos resultados ultra-sônicos. No primeiro
caso fica bem evidente a região onde foi colocada a bola de isopor maior. Toda a região direita da figura, onde estão os
objetos inseridos, mostra variações nas leituras, permitindo estimar aproximadamente sua posição.
0.3
0.2
0.1
0.1
0.2
0.3
0.4
Figura 6. Superfície de análise – Malha 150 X 150 mm.
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.3
0.2
0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Figura 7. Superfície de análise – Malha 75 X 75 mm.
5. Conclusão
A partir da análise dos resultados obtidos verifica-se que é possível identificar a existência de regiões heterogêneas
na estrutura testada com ambas estratégias de análise dos dados empregadas. Todavia, a análise estatística não se
mostrou muito sensível e não permitiu que se conseguisse obter a real posição dos defeitos existentes na viga.
Já através da estratégia de mapeamento com geração de curvas de superfície conseguiu-se obter uma maior
sensibilidade às variações, permitindo obter melhores resultados no diagnóstico de defeitos e de diferenças na
homogeneidade do concreto. A geração de uma superfície de resultados com o programa Surfer permitiu a localização
aproximada dos objetos inseridos no interior do concreto. Chega-se assim a conclusão de que sua utilização é uma
forma mais eficiente de análise, pois permite que se visualize melhor as regiões heterogêneas internas ao concreto.
Analisando-se as duas superfícies geradas, com grids de tamanhos diferentes, verifica-se que, pelo menos no
presente caso, não é válida a hipótese de que, com o refinamento da malha, é possível visualizar melhor as
heterogeneidades presentes na viga de concreto. Quando os pontos de leitura são muito próximos, a superfície gerada
tende a ficar muito fragmentada, dificultando a interpretação. Acredita-se, portanto, que se deve estabelecer o tamanho
da malha em função da natureza dos defeitos a serem investigados e do tamanho da estrutura.
De forma geral, os testes realizados reforçam a idéia de que a utilização do ensaio ultrassônico pode ser útil para a
análise de estruturas, visto que os dados obtidos permitiram verificar a presença de corpos estranhos e vazios na viga de
teste. Confirma-se assim a idéia de que o ensaio ultrassônico tem grande potencial de utilização nos casos de inspeção
de estruturas. Seu emprego permite obter indicações importantes para a caracterização do concreto e dados sobre a
homogeneidade e a qualidade da estrutura.
6. References
ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, Standard Practice for Ultrasonic Pulse-Echo Straight-Beam Examination
by the Contact Method. Vol. 03.03 Nondestructive Testing. West Conshohocken: ASTM E 114-95, 1995, 920 p., p.
12-15.
Finch,T., 1985, “Non-destructive testing in building services – A general introduction”, BSRIA-Building Services
Research and Information Association, Technical Note TN 10/85, 22 p.
LANDIS, E., PETERSON, E., SELLECK, S., SHAH, S., LI, Z., ZDUNEK, A., PRINE, D., Developments in NDE of
Concrete. Northwestern University Center for Advanced Cement-Based Materials e BIRL Industrial Research
Laboratory. Disponível em: <http://iti.acns.nwu.edu/pubs/landis.html#pulse>. Acesso em: 20 de nov. 2002.
7. Copyright Notice
The author is the only responsible for the printed material included in this paper.
Analyising Different Data Processing Strategies for Using Ultrasonic
Measurements to Monitor Concrete Structures
Abstract. The rising number of deterioration problems found in relatively new concrete structures provides a strong argument for
the development and validation of techniques that would allow the monitoring of the condition state of elements and provide data
about is potential service life. Non-destructive test methods (NDT) are very suitable for this task, since they can be quick, precise
and do not cause any considerable damage to the structure. The use of Ultrasonic Pulse Velocity measurements is one specially
effective, powerful and flexible test method, which allows the in-depth analysis of the material homogeneity. Due to its nature, it can
be used to detect flaws and voids in the concrete. It can also give an estimate of the material density, which is related to the
compressive strength. Finally, when used over time on a semi-continuous basis, it can provide data about the development of
problems. The research team at LEME (Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais) has established a line of research that aims
to investigate the nature, assess the potentiality and establish best use procedures for employing NDT tests. The research is now
focused on the use of radar and ultrasonic methods. The present paper contains the results of a study carried out to determine the
best strategy for analyzing a great number of ultrasonic data, in order to obtain a clearer and more precise diagnosis about the
presence of flaws and air voids. The study compares data generated using measurement grids of different sizes, to check if the
refinement of the measurement grid can improve the diagnosis. To this end, a 20 x 40 x 100 cm beam, containing various objects
used to create disturbances (such as polystyrene and plastic balls, pieces of rebar and post-tension tendons) was molded. Over the
lateral surface two measurement grids (one 15 x 15 and another 7.5 x 7.5) were superimposed. Direct and indirect measurements
were then carried out in each point. The results were analyzed using two strategies: a statistical multiple-mean comparison
analysis and a surface mapping. A statistical package and an area mapping software were used to verify which strategy is best for
organizing and present the ultrasonic measurements.
Keywords: NDT, condition monitoring, concrete test, ultrasonic measurements