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DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA TENACIDADE AO FRATURAMENTO DO CONCRETO COM CORPOS DE PROVA DO TIPO “SHORT-ROD” Antonio Carlos dos Santos Laboratório de Estruturas e Materiais Estruturais (LEM) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo E-mail:
[email protected] José Luiz Antunes O. e Sousa Faculdade de Engenharia Civil - UNICAMP
E-mail:
[email protected]. Túlio Nogueira Bittencourt Laboratório de Estruturas e Materiais Estruturais (LEM) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo E-mail:
[email protected]
ABSTRACT A methodology has been developed for the determination of the fracture toughness (K Ic ) of concrete, by controlled deformation tests of short-rod specimens, according to ISRM recommended procedures. Four groups of 18 specimens have been tested, varying strength and coarse aggregate size. Each group has been tested at three different ages. Simultaneously, tests of 150 x 300 mm cylindrical specimens have been conducted in order to obtain the compressive and the tensile strengths of the material. The methodology has been proved to be adequate for determination the fracture toughness (K Ic ) of plain concrete. The results indicate dependency of the fracture toughness on size of course agregates, compressive strength and concrete age.
1.
INTRODUÇÃO
Este trabalho pretende descrever um processo de determinação do valor da tenacidade ao fraturamento para o material concreto, com base na mecânica do fraturamento não-linear através de ensaios com ciclos de carregamento e descarregamento e deformação controlada (ensaio nível II). São utilizados corpos de prova do tipo “short-rod”. Pretende-se ainda avaliar a influência da resistência à compressão, da idade e do tamanho do agregado graúdo nos valores de tenacidade ao fraturamento. A mecânica do fraturamento teve sua origem histórica com a publicação de GRIFFITH (1920), sendo que após tal fato não houve grandes avanços na área da Mecânica do Fraturamento, até que, durante a Segunda Guerra Mundial, vários acidentes envolvendo navios de guerra descritos por BROEK (1986), ANDERSON (1969) e BIGGS (1960) ocorreram. A aplicação da Mecânica do Fraturamento compreende uma grande gama de materiais, desde os dúcteis até os quase-frágeis (materiais cerâmicos, concreto, argamassa, compósitos cerâmicos, etc.). KAPLAN (1961) apud CATALANO (1983) foi o primeiro a aplicar os princípios da mecânica do fraturamento elástico linear em materiais cimentícios, no caso argamassa e concreto,
2 tendo chegado à conclusão que o valor critico da taxa de liberação de energia potencial (G c ) pode ser utilizado como critério para propagação rápida da fissura e fraturamento do concreto. NAUS e LOTT (1969) realizaram testes para a determinação dos efeitos de vários parâmetros de mistura no valor da tenacidade ao fraturamento, em pasta de cimento, argamassa e concreto, e como resultado concluíram que há um acréscimo no valor da tenacidade ao fraturamento em pasta de cimento e argamassa com o aumento da idade do corpo de prova e do conteúdo de água. Com relação à argamassa, o valor da tenacidade ao fraturamento cresce com o aumento da relação areia/cimento. No caso do concreto, verificou-se um aumento da tenacidade ao fraturamento com o aumento do tamanho do agregado graúdo. Os valores de tenacidade ao fraturamento diminuem de forma direta quando a quantidade de ar contido aumenta, em todos os materiais testados. Essa diminuição é verificada também quando o valor da relação areia/cimento aumenta no concreto. A relação água/cimento não apresentou interferência nos valores de tenacidade ao fraturamento do concreto. Sendo que esta última conclusão difere dos resultados obtidos por PETERSSON (1980) STRANGE e BRYANT ( 1979 ) ensaiaram quatro séries de vigas, duas de concreto, uma de argamassa e uma de pasta de cimento. Foram realizados ensaios com vigas de três pontos (3PB). Os autores chegaram à conclusão de que a tenacidade ao fraturamento cresce com o aumento do tamanho do agregado e do corpo de prova, deste modo invalidando uma análise de tensões linear na região em torno da ponta da fissura. PETERSSON (1980), ensaiou oitenta séries de vigas de concreto. Cada série com doze vigas de 50x50x650mm. O tamanho máximo do agregado graúdo foi 16mm em 64 das séries e 13mm nas séries restantes, com o propósito de determinar a taxa de liberação de energia crítica (G c ), obtida através da área sob a curva de carga-deflexão resultante dos ensaios. Petersson concluiu que o valor de G c cresce com a adição de agregado, com o envelhecimento do concreto ou com a diminuição da relação água/cimento CATALANO (1983) foi o primeiro a utilizar corpos de prova do tipo “short-rod” com o material concreto, sendo que tratou em seu trabalho de três objetivos principais : I)
II ) III )
Avaliar se a tenacidade ao fraturamento (K IC ), sendo um parâmetro da mecânica do fraturamento elástico linear (MFEL) é uma propriedade de materiais como concreto e argamassa (quase-frágeis); Determinar, experimentalmente, a relação entre flexibilidade (compliância) e o comprimento da fissura; Discutir a validade do ensaio de tenacidade ao fraturamento para argamassa e concreto, utilizando-se de corpos de prova cilíndrico com ranhura do tipo chevron no plano diametral (short-rod SR).
Dentre as conclusões de Catalano, está a de que a mecânica do fraturamento elástico-linear é aplicável e caracteriza o comportamento ao fraturamento dos materiais argamassa e concreto, destacando que os valores obtidos de tenacidade ao fraturamento são dependentes dos seguintes fatores: • constituintes da argamassa ou concreto; • condições de cura; • idade.
Evidenciou-se que os corpos de prova SR de concreto não fornecem valores válidos de tenacidade ao fraturamento aparente ou seja valores obtidos através da carga crítica de fraturamento, enquanto os espécimes SR de argamassa produziram valores precisos. BAZANT e GETTU (1990) discutem o efeito do tamanho relacionado com a taxa de carregamento. Para tal realizaram ensaios com vigas de concreto com o teste do tipo 3PB. Os corpos de prova foram testados com várias taxas de abertura de fissuras, onde ciclos fechados controlados de carregamento e descarregamento media-se a abertura da boca da fissura. Os intervalos de tempo adotados para a aplicação da carga (T p ) foram 1,4s, 500s, 13650s e 253000s.
3 Concluiu-se que: 1) A lei de efeito de tamanho é verificada sobre uma grande faixa de taxas de carregamento, sendo um meio conveniente de comparar a mudança do modo de falha com a taxa de carregamento. 2) O efeito de tamanho na tensão de ruptura é fortemente influenciada pela taxa de carregamento. 3) A tenacidade ao fraturamento do material obtido através da lei do efeito do tamanho pode ser usado para explicar a influência da taxa de carregamento na resposta estrutural. 4) A tenacidade ao fraturamento decresce com o incremento do tempo de falha (T p ), refletindo na diminuição observada na resistência. 5) O comprimento da zona de processos também diminui implicando que a velocidade do mecanismo de propagação da ponta da fissura diminui e que a fragilidade cresce, para baixas taxas de carregamento. HANSON e INGRAFFEA (1996) apresentam as recomendações para determinação da tenacidade ao fraturamento feitas pela ASTM (1987) e da ISRM (1988), aplicadas ao concreto, assim como vantagens e desvantagens de se utilizar corpos de prova do tipo SR em ensaios com este propósito e discutem a respeito dos procedimentos de teste baseados em SR apresentados (ASTM e ISRM), o que pode ser aplicado em concreto. Os autores concluíram que o comportamento de fraturamento do concreto sugere que um K Ic válido deva ser obtido a partir de testes no níve I ou nível II, utilizando-se da geometria tipo SR em alguma escala e que dentre as vantagens da utilização do SR destacam-se a forma do corpo de prova, volume, preparação, pré-fissura e simetria, além do fato de que, para ensaios realizados no nível I (mecânica do fraturamento elástica linear), o único parâmetro medido é a carga. Dentro da evolução dos estudos da Mecânica do Fraturamento, especificamente para o material concreto, destaca-se na atualidade relevante o desenvolvimento de metodologias de ensaio para determinação dos parâmetros de tenacidade ao fraturamento do material, assim como conhecer de que forma características de composição do material afeta estes parâmetros. Assim sendo, a proposta deste trabalho é estudar uma metodologia de ensaio para o concreto, afim de determinar a tenacidade ao fraturamento, baseando-se nas recomendações da ISRM (1988), alem de avaliar a influência do tamanho do agregado e da resistência à compressão e idade do concreto nos valores de tenacidade ao fraturamento, utilizando corpos de prova de tamanho reduzido com ensaios de deformação controlada, sob a ótica da mecânica do fraturamento elástico não linear (ensaio nível II).
Figura 1 : Modos de Fraturamento
2.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
O fraturamento pode se dar de três modos distintos ou pela combinação destes. O mais importante é denominado de modo I, onde o deslocamento das superfícies da fissura acontece de forma perpendicular ao plano de fraturamento (Figura 1).
4 O ensaio de tenacidade ao fraturamento com corpos de prova do tipo SR (Short-Rod) foi proposto por BARKER (1977), onde de acordo com o autor a utilizando deste tipo de configuração geométrica oferece as seguintes vantagens : “propagação estável da fissura, simplicidade, medição de um único parâmetro (carga de pico), dispensa pré-fraturamento”. O ensaio consiste na aplicação de uma carga na direção ortogonal ao plano de fraturamento, definido por uma ranhura préexecutada (chevron-notch) em um plano diametral do corpo de prova (Figura 2). Durante ciclos de carregamento e descarregamento, são medidas a carga aplicada e a respectiva abertura da boca da fissura. CMOD
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B a0
W = 1,45 B T
