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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CAMPUS DE RUSSAS WÉLLIDA DE ASSIS GUIMARÃES MONITORAMENTO DA TEMPERATURA E DE DEFORMAÇÕES RELATIVAS INDUZIDAS POR CORROSÃO EM UMA VIGA DE CONCRETO ARMADO RUSSAS 2021 WÉLLIDA DE ASSIS GUIMARÃES MONITORAMENTO DA TEMPERATURA E DE DEFORMAÇÕES RELATIVAS INDUZIDAS POR CORROSÃO EM UMA VIGA DE CONCRETO ARMADO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará - Campus de Russas, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Esequiel Fernandes Teixeira Mesquita. RUSSAS 2021 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca Universitária Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo autor ________________________________________________________________________________________________ G981m Guimarães, Wéllida de Assis. Monitoramento da temperatura e de deformações relativas induzidas por corrosão em uma viga de concreto armado / Wéllida de Assis Guimarães. – 2021. 56 f. : il. color. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Campus de Russas, Curso de Curso de Engenharia Civil, Russas, 2021. Orientação: Prof. Dr. Esequiel Fernandes Teixeira Mesquita. 1. Durabilidade. 2. Corrosão. 3. Sensores. 4. Monitoramento. I. Título. CDD 620 ________________________________________________________________________________________________ WÉLLIDA DE ASSIS GUIMARÃES MONITORAMENTO DA TEMPERATURA E DE DEFORMAÇÕES RELATIVAS INDUZIDAS POR CORROSÃO EM UMA VIGA DE CONCRETO ARMADO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará - Campus de Russas, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Aprovada em: ___/___/_____. BANCA EXAMINADORA ________________________________________ Prof. Dr. Esequiel Fernandes Teixeira Mesquita (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC) _________________________________________ Prof. Dra. Mylene Melo Vieira Universidade Federal do Ceará (UFC) _________________________________________ Prof. Dr. Alexandre Matos Arruda Universidade Federal do Ceará (UFC) A Deus, meu Senhor e Salvador. Aos meus pais, Heráclito e Gleidene. AGRADECIMENTOS A Deus, pelo sustento, consolo e força que me concedeu durante a academia. Aos meus pais, Heráclito e Gleidene, pela abnegação, apoio e recursos investidos para que eu concluísse essa etapa da minha vida com êxito. A minha irmã, Déborah, pelo companheirismo e auxílio que me deu, mesmo que indiretamente, durante os anos de curso. Ao meu companheiro, Yvis Silva, pelo apoio emocional e técnico, sem os quais eu não concluiria a jornada acadêmica. Ao Prof. Dr. Esequiel Mesquita, pela orientação e suporte na minha formação profissional. Ao Prof. Dr. Alexandre Arruda, e a equipe do Laboratório de Tecnologias Inovadoras, pelo extremo empenho na elaboração e acompanhamento de todo o projeto. Ao Tallis Maia, pela dedicação e parceria nos trabalhos laboriosos que o desenvolvimento deste projeto requeriu. Aos colegas do LAREB, em especial ao Israel Sousa e ao Guilherme Moreira, pela colaboração neste trabalho “A glória de Deus é ocultar certos conhecimentos; tentar desvendá-los é a glória dos majestosos!” Provérbios 25:2 RESUMO As manifestações patológicas nas estruturas de concreto armado representam a vulnerabilidade que uma determinada obra possui, seja por fatores externos e imprevistos em projeto ou porque atingiu o fim de sua vida útil. Dentre os agentes que deterioram o concreto armado, pode-se citar enfaticamente a corrosão, responsável pelo desgaste da armadura e por outros danos à estrutura. Diante dessa problemática, métodos de verificação da integridade estrutural e diagnóstico de danos têm se tornado relevantes na compreensão e adoção de medidas corretivas, como é o caso dos métodos de Monitoramento da Saúde Estrutural (MSE). Este trabalho tem como objetivo desenvolver o protótipo de um sistema de monitoramento de baixo custo, capaz de mensurar a corrosão da armadura de uma viga de concreto armado. O sistema foi composto por sensores de temperatura, deformação e microcontroladores, sendo aplicado em uma viga construída em laboratório, sujeita a ciclos de molhagem e secagem com solução de 10% de NaCl com o intuito de provocar a corrosão nas armaduras. Por meio dos dados de temperatura e deformações relativas, coletados pelos sensores, foi verificado o funcionamento do protótipo e elaborado um diagnóstico da condição da viga, também foi feita a análise visual, por meio de fotos durante todo o período do ensaio. Pelo diagnóstico foi possível identificar quantitativamente a expansão da armadura causada pela corrosão, no entanto, não foi possível eliminar o efeito da temperatura dos dados de deformação, ainda sim, pode-se constatar o funcionamento do sistema. Além disso, a análise visual contribuiu para identificar a presença de corrosão na armadura. Palavras-chave: Durabilidade; Corrosão; Sensores; Monitoramento. ABSTRACT The pathological manifestations in reinforced concrete structures represent the vulnerability that a given work has, either due to external and unforeseen factors in the project or because it has reached the end of its useful life. Among the agents that deteriorate reinforced concrete, one can emphatically mention corrosion, responsible for reinforcement wear and other damage to the structure. In face of this problem, methods to verify structural integrity and damage diagnosis have become relevant in the understanding and adoption of corrective measures, as is the case of Structural Health Monitoring (SHM) methods. This work aims to develop the prototype of a low-cost monitoring system capable of measuring the corrosion of the reinforcement of a reinforced concrete beam. The system was composed of temperature sensors, strain sensors and microcontrollers, and was applied to a beam built in the laboratory, subjected to wetting and drying cycles with a 10% NaCl solution in order to cause reinforcement corrosion. Through the temperature data and relative deformations, collected by the sensors, the prototype's operation was verified and a diagnosis of the beam's condition was elaborated. Through the diagnosis it was possible to quantitatively identify the reinforcement expansion caused by corrosion, however, it was not possible to eliminate the temperature effect from the strain data, even though it was possible to verify the system's operation. Furthermore, the visual analysis contributed to identify the presence of corrosion in the reinforcement. Keywords: Durability; Corrosion; Sensors; Monitoring. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Evolução esquemática da deterioração de estruturas de concreto por corrosão de armaduras.................................................................................................................................. 20 Figura 2 - Corrosão em armadura real ...................................................................................... 21 Figura 3 - Pilha eletroquímica em concreto armado................................................................. 23 Figura 4 - Esquemade funcionamento de um sistema MSE .................................................... 31 Figura 5 - Representação das dimensões da viga ..................................................................... 34 Figura 6 - Representação da armadura utilizada ...................................................................... 35 Figura 7 - Representação da viga: (a) Seção longitudinal; (b) Seção transversal .................... 35 Figura 8 - Sistema de monitoramento....................................................................................... 36 Figura 10 - Sensor de deformação (strain gauge) .................................................................... 37 Figura 11 - Sensor de temperatura (termopar) conectado em um módulo amplificador de entrada ...................................................................................................................................... 37 Figura 12 - Módulo amplificador de entrada HX711 ............................................................... 38 Figura 9 - Módulo ESP32 acoplado em uma protoboard ......................................................... 38 Figura 13 - Esquema representativo do funcionamento da rede mesh ..................................... 39 Figura 14 - Disposição dos sensores de deformação na armadura ........................................... 41 Figura 15 - Corrosão no ponto de instalação do SG03 ............................................................. 49 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Principais manifestações patológicas no concreto endurecido .............................. 19 Gráfico 2 - Diagrama de Pourbaix ............................................................................................ 22 Gráfico 3 - Lei da Evolução dos Custos para reparos em edificações em função do tempo .... 29 Gráfico 4 - Temperatura nas primeiras 48 horas após a concretagem...................................... 45 Gráfico 5 - Dados de temperatura e do sensor SG02 no melhor período antes de iniciar a molhagem ................................................................................................................................. 46 Gráfico 6 - Dados de temperatura e do sensor SG04 no melhor período antes de iniciar a molhagem ................................................................................................................................. 46 Gráfico 7 - Dados de temperatura e do sensor SG03 no período após iniciar a molhagem ..... 47 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Classes de agressividade ambiental (CAA)............................................................. 25 Tabela 2 - Correspondência entre a classe de agressividade e a qualidade do concreto .......... 26 Tabela 3 - Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para Δc = 10 mm ...................................................................................................................... 27 Tabela 4 - Materiais e dispositivos do sistema de monitoramento ........................................... 40 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas LAREB MSE Laboratório de Reabilitação e Durabilidade das Construções Monitoramento da Saúde Estrutural NBR Norma Brasileira Regulamentar SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO................................................................................................................ 13 1.1 Importância e justificativa ............................................................................................ 13 1.2 Problemática .................................................................................................................. 13 1.3 Objetivo geral ................................................................................................................. 14 1.4 Objetivos específicos ...................................................................................................... 15 1.5 Estrutura do trabalho ................................................................................................... 15 2 REFERENCIAL TEÓRICO .......................................................................................... 16 2.1 Durabilidade das estruturas ......................................................................................... 16 2.1.1 Manifestações patológicas .............................................................................................. 17 2.2 Corrosão ......................................................................................................................... 19 2.2.1 Camada passivadora ....................................................................................................... 21 2.2.2 Corrosão eletroquímica .................................................................................................. 22 2.2.3 Fatores que influenciam na corrosão ............................................................................ 24 2.2.3.1 Agressividade do meio .................................................................................................. 24 2.2.3.2 Relação água /cimento ................................................................................................. 25 2.2.3.3 Espessura do cobrimento ............................................................................................. 26 2.3 Monitoramento da saúde estrutural ............................................................................ 28 2.3.1 Categorias do monitoramento estrutural ....................................................................... 30 2.3.2 Funcionamento de um sistema de MSE ........................................................................ 31 2.3.2.1 Aquisição de dados ....................................................................................................... 32 2.3.2.2 Comunicação da informação ....................................................................................... 32 2.3.2.3 Processamento e armazenamento ................................................................................ 32 2.3.2.4 Diagnóstico e resultados da análise ............................................................................. 33 3 METODOLOGIA ............................................................................................................ 34 3.1 Viga de concreto armado .............................................................................................. 34 3.2 Sistema de monitoramento ........................................................................................... 36 3.3 Instalação do sistema de monitoramento .................................................................... 40 3.4 Exposição da viga de concreto à solução salina .......................................................... 41 3.5 Acompanhamento dos dados ........................................................................................ 42 4 RESULTADOS ................................................................................................................ 44 4.1 Dados nas primeiras horas após a concretagem ......................................................... 44 4.2 Dados antes de iniciar os ciclos ..................................................................................... 45 4.3 Dados após o início dos ciclos ....................................................................................... 47 5 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 50 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 52 13 1 INTRODUÇÃO 1.1 Importância e justificativa O concretopode ser definido como sendo duro, condensado, material para construção conseguido com a mistura de cimento, areia, pedra britada e água (HELENE,1986). O concreto, como as pedras naturais, apresenta alta resistência à compressão, o que faz dele um excelente material para ser empregado em elementos estruturais primariamente submetidos à compressão, como por exemplo os pilares, mas, por outro lado, suas características de fragilidade e baixa resistência à tração restringem seu uso isolado em elementos submetidos totalmente ou parcialmente à tração, como tirantes, vigas, lajes e outros elementos fletidos. Para contornar essas limitações, o aço é empregado em conjunto com o concreto, e convenientemente posicionado na peça de modo a resistir às tensões de tração (BASTOS, 2019). Com a adoção do aço na composição das estruturas de concreto o padrão de construção elevou-se, tornando possível a concepção de estruturas cada vez mais robustas. No entanto, além dos benefícios, com o uso do aço, questões relacionadas à integridade estrutural passaram a ser discutidas com mais frequência, dado que estruturas complexas são mais suscetíveis a danos. 1.2 Problemática A corrosão é uma das principais e mais comuns manifestações patológicas das estruturas de concreto armado. Ocorre devido a influência de agentes ambientais que penetram o concreto e atingem a armadura, corroendo-a e diminuindo sua secção. Além disso, também é responsável pelo surgimento de outros danos, como as fissuras e o destacamento do concreto de cobrimento. Com os problemas derivados da corrosão na armadura, a estrutura torna-se frágil e vulnerável a outras interferências. Portanto, torna-se cada vez mais importante o estudo de patologias e durabilidade das construções. O avanço desta área tem fornecido o entendimento do comportamento estrutural e economizado recursos a partir da discussão acerca de ações de manutenção e tratamento preventivo de danos. 14 Com o advento da tecnologia, métodos de avaliação da integridade estrutural têm sido adotados com mais frequência atualmente, além do desenvolvimento de ensaios de verificação das características do concreto. Atualmente nesta área dispõe-se de técnicas de avaliação estrutural divididas principalmente entre dois grupos: inspeção visual e os ensaios, podendo estes serem destrutivos ou não. Essas técnicas, no entanto, em sua definição são executadas quando a estrutura já está em funcionamento e, em certos casos, quando já apresenta manifestações patológicas. Portanto, métodos que acompanhem a estrutura desde sua concepção, fornecendo dados sobre ela têm se revelado vantajosas e necessárias, dado que os danos estruturais que se iniciam internamente serão detectados mais cedo. Nesse cenário, o Monitoramento da Saúde Estrutural tem ganhado espaço no mercado atual, como um mecanismo de avaliação estrutural por meio do sensoriamento das obras, nos quais os sensores fornecem informações específicas da estrutura. Se tratando da corrosão, o monitoramento por meio de sensores pode ser um grande aliado na minimização de danos estruturais. Pois, o fenômeno da corrosão inicia-se internamente quando agentes agressivos penetram a estrutura alcançando a armadura e provocando reações químicas. Essas reações expandem e posteriormente reduzem a secção transversal da armadura, provocando fissuras, desplacamento do concreto de cobrimento e diminuindo a interação concreto-armadura, fundamental para a estabilidade estrutural. Portanto, como trata-se de uma manifestação patológica que se inicia internamente, se for detectada em seus estágios iniciais, pode ser controlada e consequentemente, reduzir problemas futuros. Nesse sentido, a instrumentação de uma estrutura com sensores desde seu início pode fornecer dados necessários para diagnosticar precocemente a corrosão e adotar medidas reparadoras. No mercado, atualmente encontram-se empresas especializadas nesse tipo de serviço como a HBM Test and Measurement e o LSE Laboratório de Sistemas Estruturais. No entanto, a adesão de seus serviços é onerosa, tornando muitas vezes inviável. 1.3 Objetivo geral O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o protótipo de um sistema de monitoramento de baixo custo, capaz de mensurar a corrosão de armaduras, por meio do sensoriamento estrutural e coleta de dados de temperatura e deformações relativas. O sistema é aplicado em uma viga de concreto armado exposta a solução salina. 15 1.4 Objetivos específicos ● Desenvolver o protótipo do sistema de aquisição e transmissão wireless de dados por meio de sensores, para detecção de corrosão em armaduras; ● Aplicar o sistema na armadura de uma viga de concreto armado, exposta à solução de 10% de NaCl; ● Executar o acompanhamento dos dados e análise visual da degradação; ● Verificar o funcionamento do protótipo aplicado na viga e a fiabilidade dos dados coletados para identificar a presença de corrosão na armadura. 1.5 Estrutura do trabalho O Capítulo 1 faz a introdução do trabalho, explanando as características e a evolução da utilização do concreto, além de abordar o contexto no qual a problemática está inserida. O capítulo ainda descreve os objetivos cujo trabalho busca atingir. O Capítulo 2 aborda o referencial teórico, com a explicação dos conceitos de durabilidade das construções e manifestação de danos, bem como abrange a explicação do fenômeno da corrosão nas armaduras e suas consequências. O capítulo ainda descreve as aplicações do Monitoramento da Saúde Estrutural e as vantagens que sua adoção proporciona. O Capítulo 3 apresenta a metodologia deste trabalho, juntamente aos materiais e métodos correspondentes a aplicação do protótipo do sistema de monitoramento aplicado a uma viga de concreto armado e acompanhamento de dados. O Capítulo 4 aborda os resultados aferidos dos dados obtidos durante cerca de três meses, incluindo análise gráfica e visual. O Capítulo 5, por fim, apresenta as conclusões obtidas por meio do estudo que incorpora este trabalho. 16 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 Durabilidade das estruturas O concreto é um material utilizado em larga escala no mundo inteiro. Em sua fase final de aplicação, após algumas horas, apresenta-se de forma sólida, passando a ideia de ser um produto altamente resistente, denso, indestrutível, durável, fácil de ser produzido (AMORIM, 2010). As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que, sob as condições ambientais previstas e quando utilizadas conforme preconizado, conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o prazo correspondente à sua vida útil (NBR 6118:2014). As estruturas de concreto além de seguir aos requisitos definidos entre o projetista e o contratante, devem atender os requisitos mínimos de qualidade classificados na NBR 6118:2014. Durante sua construção e serviço, deve-se considerar a capacidade resistente, que consiste na resistência e segurança à ruptura. Pode-se citar ainda, o desempenho em serviço, que trata da capacidade da estrutura de manter-se em condições plenas de utilização durante sua vida útil. Durante esse período, a estrutura não deve apresentar danos que comprometam em parte ou totalmente o uso para o qual foi projetada. Além disso, é importante o estudo da durabilidade, ou seja, a capacidade da estrutura em resistir às influências ambientais previstas em projeto. No início do desenvolvimento e da difusão do concreto armado, nas primeiras décadas de 1900, as estruturas eram projetadas utilizando bom senso e experiência profissional, em que a principal característica controlada era a resistência média à compressão e que, durante muito tempo, foi tida como fonte única e segura das especificações de projeto. Com o passar dos anos, enfatizou-se a durabilidade dessas estruturas e dos seus materiais constituintes,aliando esse conceito ao desempenho das mesmas, ou seja, ao comportamento em uso (MEDEIROS, 2011). A vida útil de projeto refere-se ao período de tempo durante o qual se mantêm as características das estruturas de concreto, sem intervenções significativas. Deve-se atender os requisitos de uso e manutenção prescritos pelo projetista e pelo construtor, bem como de execução dos reparos necessários decorrentes de danos acidentais ao longo do tempo. Segundo Silva (2020), a vida útil de um material é o período durante o qual suas características físicas e químicas atendem aos limites mínimos capazes de exercer sua função. 17 Esse período pode ser estendido se medidas de manutenção e prevenção de falhas forem atendidas. No entanto, a vida útil das estruturas depende também de uma série de outros requisitos, nomeadamente: qualidade dos materiais, abordagem de concepção adequada, métodos de construção adequados, execução e existência de fases de manutenção (MESQUITA, 2018). A NBR 6118:2014 estabelece que o conceito de vida útil se aplica à estrutura como um todo ou às suas partes. Dessa forma, determinadas partes das estruturas podem merecer consideração especial com valor de vida útil diferente do todo, como, por exemplo, aparelhos de apoio e juntas de movimentação. Entende-se que a estrutura ou o material atingiu o fim da vida útil, quando suas propriedades se deterioram ao limite, tornando o uso inseguro, antieconômico ou impróprio. 2.1.1 Manifestações patológicas Segundo Mesquita (2018), as estruturas são sujeitas a ações naturais, ocorrência de perigos ambientais e cargas excessivas que não foram consideradas durante a fase de concepção, comprometendo a sua segurança estrutural. Diante de influências não previstas em projeto, como sobrecarga, intempéries ou intervenções, ou quando os padrões de uso e manutenção periódica não são atendidos, manifestações patológicas podem surgir degradando a estrutura. Além disso, tais influências comprometem a integridade e reduzem sua vida útil, que segundo a NBR 15575:2013, deve ser de no mínimo 50 anos. Os mecanismos mais importantes e frequentes de envelhecimento e de deterioração das estruturas de concreto estão descritos nas ABNT NBR 6118:2014 e ABNT NBR 12655:2006 e listados no Quadro 1 (MEDEIROS, 2011). 18 Quadro 1 - Principais mecanismos de deterioração das estruturas de concreto armado. Mecanismos preponderantes de deterioração relativos ao concreto Lixiviação (águas puras e ácidas) Expansão (sulfatos, magnésio) Expansão (reação álcali-agregado) Reações deletérias (superficiais tipo eflorescências) Mecanismos preponderantes de deterioração relativos à armadura Corrosão devida à carbonatação Corrosão por elevado teor de íon cloro (cloreto). Mecanismos de deterioração da estrutura propriamente dita Ações mecânicas Movimentações de origem térmica Impactos Ações cíclicas (fadiga) Deformação lenta (fluência) Relaxação Outros Fonte: Adaptado de Medeiros (2011). Dentre as principais manifestações, destacam-se as fissuras, manchas, eflorescências e corrosão de armaduras, sendo a corrosão uma das mais frequentes nas edificações, segundo o Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT (2016). No concreto endurecido, a corrosão também é mais frequente, frente a outras causas de manifestações patológicas, como mostra o Gráfico 1. 19 Gráfico 1 - Principais manifestações patológicas no concreto endurecido Fonte: Adaptado de Silva (2018). Os danos sofridos pela estrutura são identificados, em sua maioria, quando já atingiram níveis de desgaste capazes de comprometer a integridade e a estética das obras. Quando uma manifestação patológica se torna visível na superfície da estrutura, sinaliza, na maioria dos casos, que o interior está comprometido. A partir dessa fase de identificação, a fim de manter a durabilidade, torna-se necessária a aplicação de ensaios e testes para compreender a gravidade dos danos e estabelecer um plano de recuperação. 2.2 Corrosão A corrosão pode ser entendida como a interação destrutiva de um material com o meio ambiente, como resultado de reações deletérias de natureza química ou eletroquímica. Pode ser associada ou não a ações físicas ou mecânicas de degradação (HELENE, 1993). A corrosão é frequentemente relacionada à presença de teores críticos de íons de cloreto no concreto ou no abaixamento do seu pH. Essas circunstâncias se devem às reações com compostos presentes no ar atmosférico, especialmente o dióxido de carbono (ARAÚJO, 2013). Segundo Curcio (2008), o problema pode ser acelerado por agentes agressivos presentes no concreto como sulfetos, cloretos, dióxido de carbono, nitritos, gás sulfídrico, cátion amônio, óxidos de enxofre e fuligem. A relação água-cimento e a espessura do recobrimento são fatores determinantes no processo de corrosão, porque o primeiro define a porosidade do concreto e o segundo influencia na velocidade de carbonatação. 20 No caso de armaduras em concreto, os efeitos degenerativos manifestam-se na forma de manchas superficiais causadas pelos produtos de corrosão, fissuras, destacamento do concreto de cobrimento, redução da seção resistente das armaduras com frequente seccionamento de estribos, redução e eventual perda de aderência das armaduras principais, ou seja, deteriorações que levam a um comprometimento da segurança estrutural (HELENE, 1993). Segundo Cánovas (1998), uma das grandes preocupações com o aparecimento das manifestações patológicas é a de que, boa parte dos danos possui caráter evolutivo, podendo levar a estrutura a uma situação de perigo em um curto prazo. Quando se trata da corrosão a preocupação é mais elevada, pois se trata de um efeito que em sua fase inicial é invisível a olho nu, e somente quando já se encontra em estágio avançado manifesta-se na superfície externa do concreto. Segundo Medeiros (2011), a deterioração de uma estrutura de concreto causada por corrosão na armadura ocorre, resumidamente, em quatro estágios: 1. A penetração de agentes agressivos por difusão, absorção capilar ou permeabilidade. (Figura 1a) 2. Fissuração devida às forças de expansão dos produtos de corrosão. (Figura 1b) 3. Destacamento do concreto e corrosão acentuada. (Figura 1c) 4. Destacamento acentuado e redução significativa da secção da armadura. (Figura 1d) Figura 1 - Evolução esquemática da deterioração de estruturas de concreto por corrosão de armaduras (a) (b) (c) (d) Fonte: Adaptado de Medeiros (2011). 21 A Figura 2 demonstra o caso de uma armadura (já com a secção reduzida) que sofreu corrosão e ocasionou o destacamento da camada de cobrimento de concreto. Figura 2 - Corrosão em armadura real Fonte: Andrade (2016). Bertolini (2010) considera dois tipos de corrosão: a corrosão eletroquímica (aquosa) e a corrosão química (corrosão seca). A corrosão eletroquímica ocorre quando estruturas entram em contato com soluções aquosas, em ambientes úmidos. A corrosão química é um processo lento e não provoca deterioração superficial das superfícies metálicas (exceto quando se tratar de gases extremamente agressivos), por isso é pouco considerada na construção civil. 2.2.1 Camada passivadora Inicialmente, devido à alta alcalinidade do concreto (pH > 11), o aço das armaduras está protegido pelo que se denomina camada passivadora. A passivação é a formação de películas protetoras sobre a superfície dos metais por imposição de correntes. É um processo natural na qual o potencial de um eletrodo é modificado no sentido de menor atividade, tornando-se mais catódico e, por consequência, imune à corrosão (FRAUCHES-SANTOS et al., 2014). A Gráfico 2 ilustra o Diagrama de Pourbaix para o ferro em solução aquosa para temperatura ambiente. Nele, pode-se observar as possíveis fases deequilíbrio estáveis do sistema eletroquímico. 22 Gráfico 2 - Diagrama de Pourbaix Fonte: Andrade (2021). Segundo Andrade (2021), na faixa de potencial entre -0,55 V e -0.60 V, para um pH igual a 12, ocorre a formação de um filme protetor de óxido de ferro (Fe3O4), que por ser compacto e aderente, atua como uma barreira entre o meio corrosivo e a superfície do aço. A proteção gerada pelo Fe3O4 diminui a taxa de dissolução da armadura e a protege contra a corrosão na ausência de íons cloreto. Para a região na qual o potencial de eletrodo é menor do que -0.60 V, tem-se a chamada zona de imunidade, devido ao aço não reagir com o meio, qualquer que seja a natureza desse, ácida, neutra ou alcalina (HELENE, 1993). Entretanto, se quando o aço estiver fora da zona de imunidade, ocorrer a diminuição do pH, o filme passivo de Fe3O4 deixa de ser estável, havendo a formação de Fe2O3.3H2O, um óxido não compacto e de baixa aderência, e que deixa a tão famosa aparência de “ferrugem” no metal (RIBEIRO et al.,2014). 2.2.2 Corrosão eletroquímica Em obras civis a corrosão eletroquímica é a mais relevante, produzindo óxidos e hidróxidos de ferro, chamados de ferrugem, caracterizados por serem pulverulentos, porosos e 23 apresentarem cor avermelhada. Para esse fenômeno, são necessárias três condições: existência de um eletrólito, diferença de potencial e presença de oxigênio (COMIM; STACECHEN, 2017). De acordo com Cascudo (1997), seu mecanismo de corrosão promove a formação de pilhas eletroquímicas, que se estabelecem entre dois metais diferentes de uma mesma solução ou em regiões diferentes de um mesmo metal, como é o caso da armadura no interior do concreto. Uma pilha eletroquímica é formada pelos seguintes componentes: ● ânodo: eletrodo onde ocorre oxidação e a corrente elétrica entra no eletrólito, na forma de íons metálicos positivos; ● cátodo: eletrodo onde ocorre redução por meio das cargas negativas (elétrons) e a corrente elétrica sai do eletrólito; ● eletrólito: condutor (normalmente líquido) contendo íons que transportam a corrente elétrica do ânodo para o cátodo; ● circuito metálico: ligação metálica entre o ânodo e o cátodo por onde escoam os elétrons, no sentido ânodo-cátodo (GENTIL, 1996). Figura 3 - Pilha eletroquímica em concreto armado Fonte: Silva (2020). Qualquer diferença de potencial entre as zonas anódicas e catódicas causa o surgimento de corrente elétrica. A corrosão acontece de acordo com o tamanho dessa corrente e o livre acesso de oxigênio. A Figura 3 representa a formação de uma célula de corrosão no concreto armado, com armadura despassivada. A camada passivadora da armadura é destruída 24 pela ação conjunta de umidade, oxigênio e agentes agressivos (principalmente os cloretos), que penetram o concreto. A ação destes elementos ocorre de forma variável ao longo da armadura, formando assim, uma pilha de corrosão, devido a diferença de potencial entre os diferentes trechos da armadura (ânodo e cátodo) (SILVA, 2020). É importante considerar que, de acordo com Gentil (1996), o ferro em atmosfera de baixa umidade relativa praticamente não sofre corrosão, enquanto que em umidade acima de 70% o processo se torna acelerado. 2.2.3 Fatores que influenciam na corrosão A corrosão de armaduras é um caso frequentemente verificado nas estruturas e fortemente influenciada por ambientes agressivos, umidade, alta porosidade, alta capilaridade, deficiência de cobrimento, materiais de construção contestáveis e fissuração acentuada (SILVA, 2020). 2.2.3.1 Agressividade do meio Conforme a NBR 6118:2014, a agressividade do meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, independentemente das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da retração hidráulica e outras previstas no dimensionamento das estruturas. Nos projetos das estruturas correntes, a agressividade ambiental deve ser classificada de acordo com a Tabela 1, podendo ser avaliada, simplificadamente, segundo as condições de exposição da estrutura ou de suas partes. 25 Tabela 1 - Classes de agressividade ambiental (CAA) Classe de agressividade ambiental Agressividade Classificação geral do tipo de ambiente para efeito de projeto Risco de deterioração da estrutura I Fraca Rural Insignificante Submersa II Moderada Urbana a,b Pequeno III Forte Marinha a Grande Industrial a,b IV Muito forte Industrial a,c Elevado Respingos de maré a Pode-se admitir um microclima com uma classe de agressividade mais branda (uma classe acima) para ambientes internos secos (salas, dormitórios, banheiros, cozinhas e áreas de serviço de apartamentos residenciais e conjuntos comerciais ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura). b Pode-se admitir uma classe de agressividade mais branda (uma classe acima) em obras em regiões de clima seco, com umidade média relativa do ar menor ou igual a 65 %, partes da estrutura protegidas de chuva em ambientes predominantemente secos ou regiões onde raramente chove. c Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas. Fonte: NBR 6118:2014. Quando exposta a solução salina, configurando um ambiente agressivo, o concreto se torna vulnerável à ação dos cloretos e ao possível surgimento de corrosão nas armaduras. Por isso a classe de agressividade de ambientes marinhos se apresenta com valores elevados, pois apresentam concentração salina média próxima a 3,5% em relação à massa de água. Segundo Meira e Ferreira (2019), nos ensaios com ciclos de molhagem e secagem do concreto com solução salina, a sucção capilar prevalece nas camadas superficiais. A sucção capilar é caracterizada pela penetração dos íons cloreto na rede porosa do material por tensões capilares. No entanto, nas camadas mais profundas, onde a perda de água não é tão acentuada durante a secagem, também ocorre difusão, assemelhando-se significativamente com a realidade. 2.2.3.2 Relação água /cimento Outro fator que interfere diretamente na qualidade do concreto e colabora para o surgimento de corrosão nas armaduras é a relação água/cimento, pois influencia no surgimento de vazios (poros), reduzindo a resistência e a durabilidade, e aumentando a permeabilidade. A depender do ambiente em que se encontra, uma estrutura com concreto poroso e de fácil permeabilidade facilita a penetração de agentes agressivos. O fator a/c deve ser sempre o mais 26 baixo possível, dentro das exigências de trabalhabilidade do concreto e qualidade de seus componentes (SILVA, 2020). A NBR 6118:2014 determina o fator água/cimento mínimo desejável, de acordo com o tipo de estrutura e a classe de agressividade à qual está sujeita, como mostra a Tabela 2. Tabela 2 - Correspondência entre a classe de agressividade e a qualidade do concreto Concreto a Tipo b, c Classe de agressividade I II III IV Relação água/cimento em massa CA ≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45 CP ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,50 ≤ 0,45 Classe de concreto (ABNT NBR 8953) CA ≥ C20 ≥ C25 ≥ C30 ≥ C40 CP ≥ C25 ≥ C30 ≥ C35 ≥ C40 a O concreto empregado na execução das estruturas deve cumprir com os requisitos estabelecidos na ABNT NBR 12655. b CA corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto armado. c CP corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto protendido. Fonte: NBR 6118:2014. 2.2.3.3 Espessura do cobrimento Segundo Nakamura (2011), o concreto além de ter sua capacidade de suportar as cargas verticais, também tem o importante papel de proteger as armaduras, cobrindo o aço de modo a evitar seu contato direto com o ambiente agressivo. Deforma geral, quanto maior for o cobrimento maior será a proteção que a armadura de aço terá. Segundo a NBR 6118:2014, a durabilidade das estruturas é altamente dependente das características do concreto e da espessura e qualidade do concreto do cobrimento da armadura. Pela referida norma, é necessário estabelecer o cobrimento mínimo da armadura, que é o menor valor a ser respeitado ao longo de todo o elemento. Para garantí-lo deve-se considerar o cobrimento nominal (cnom), que é o cobrimento mínimo acrescido da tolerância de execução (Δc). cnom = cmin + Δc (1) 27 Os cobrimentos nominais e mínimos estão sempre referidos à superfície da armadura externa, em geral à face externa do estribo. O cobrimento nominal de uma determinada barra deve sempre ser: cnom ≥ Φ barra (2) cnom ≥ Φ feixe = Φn = (3) cnom ≥ 0,5 Φ bainha. (4) Assim, as dimensões das armaduras e os espaçadores devem respeitar os cobrimentos nominais, estabelecidos na Tabela 3, para Δc = 10 mm, além de atender os requisitos da referida norma. No caso do controle adequado da qualidade e limites rígidos de tolerância durante a execução, pode-se considerar Δc = 5 mm, mas a exigência do controle de qualidade deve estar explícita no projeto. Tabela 3 - Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para Δc = 10 mm Tipo de estrutura Componente ou elemento Classe de agressividade ambiental I II III IV Cobrimento nominal mm Concreto armado Laje b 20 25 35 45 Viga/pilar 25 30 40 50 Elementos estruturais em contato com o solo d 30 40 50 Concreto protendido a Laje 25 30 40 50 Viga/pilar 30 35 45 55 a Cobrimento nominal da bainha ou dos fios, cabos e cordoalhas. O cobrimento da armadura passiva deve respeitar os cobrimentos para concreto armado. b Para a face superior de lajes e vigas que serão revestidas com argamassa de contrapiso, com revestimentos finais secos tipo carpete e madeira, com argamassa de revestimento e acabamento, como pisos de elevado desempenho, pisos cerâmicos, pisos asfálticos e outros. c Nas superfícies expostas a ambientes agressivos, como reservatórios, estações de tratamento de água e esgoto, condutos de esgoto, canaletas de efluentes e outras obras em ambientes química e intensamente agressivos, devem ser atendidos os cobrimentos da classe de agressividade IV. d No trecho dos pilares em contato com o solo junto aos elementos de fundação, a armadura deve ter cobrimento nominal ≥ 45 mm. Fonte: NBR 6118:2014. Além disso, a dimensão máxima característica do agregado graúdo utilizado no concreto não pode superar em 20% a espessura nominal do cobrimento, ou seja, dmáx ≤ 1,2 cnom. 28 2.3 Monitoramento da saúde estrutural O Monitoramento da Saúde Estrutural (MSE), trata-se da execução de mecanismos de observação e análise de estruturas, quanto às suas condições de integridade, durabilidade e deterioração. O monitoramento é desenvolvido por instrumentação específica, dependendo dos dados desejados, podendo ser dados referentes a deformação, temperatura, corrosão, entre outros. Segundo Silva, et al. (2019), o MSE tem por finalidade monitorar o comportamento da estrutura, bem como verificar modelos analíticos e numéricos. Esses modelos são utilizados na concepção de uma estrutura solicitada sob várias condições de carregamentos, inclusive com o intuito de se verificar a ocorrência de danos ou deteriorações. Por meio do MSE é realizada a aquisição e compilação dos dados provenientes das estruturas, os quais são posteriormente analisados de forma sistêmica. Dessa forma, é possível a detecção precoce de danos estruturais, bem como a verificação de modelos teóricos referentes ao comportamento da estrutura (SILVA, et al., 2019). Com o desenvolvimento tecnológico dos últimos anos, acompanhamentos de estruturas utilizando mecanismos como o MSE têm se mostrado funcionais e relevantes, principalmente se tratando de construções históricas. Nos últimos dez anos têm sido notados esforços centrados na definição de boas práticas comuns e na normalização do MSE, voltadas para esse tipo de construção, como pode ser citado o Boletim número 11 da Associación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología y Recuperación de la Construción - ALCONPAT (MESQUITA, 2018). Segundo Mesquita (2018), a avaliação estrutural baseia-se em dois grupos distintos de dados: a informação da inspecção visual e os dados dos testes experimentais. Essencialmente, a inspecção visual tem sido o passo inicial da avaliação estrutural, e o alerta sobre o surgimento de danos. A inspecção se dá, em primeiro lugar, pelas observações dos próprios proprietários. No entanto, esse tipo de técnica é limitada, dado que depende da observação e experiência do avaliador, além de se tornarem visíveis em estágios intermediários ou avançados do dano. Quando o diagnóstico de danos é feito precocemente, mais cedo pode-se adotar medidas de reparação, evitando colapsos e minimizando perdas. Dessa forma, é possível otimizar a vida útil, preservar a durabilidade e manter a segurança da estrutura. Segundo a Lei da Evolução dos Custos (Gráfico 3), ou Lei de Sitter (1984), os custos de intervenção crescem exponencialmente quanto mais tarde for essa intervenção, sendo 29 os custos de projeto, execução e manutenção preventiva muito menores que os custos de manutenção corretiva. Gráfico 3 - Lei da Evolução dos Custos para reparos em edificações em função do tempo Fonte: Silva, 2018. Assim, pode-se afirmar que, após a fase de projeto e construção, a integridade de uma estrutura está principalmente relacionada às ações ambientais às quais estará sujeita, e a consequente adoção de medidas de manutenção. Desse modo o MSE poderia ser utilizado para detectar e diagnosticar danos ainda nas fases iniciais e prever os riscos estruturais, evitando seu desenvolvimento. No entanto, um método não se sobrepõe ao outro, sendo ideal a complementaridade das técnicas, a fim de minimizar erros. Além da inspeção visual, a caracterização do comportamento estrutural pode ser executada por meio de testes destrutivos, que correspondem a ensaios que destroem uma amostra da estrutura a fim de obter informações sobre sua qualidade. Sendo esta uma das técnicas mais utilizadas para obter dados sobre estruturas já existentes. Contudo, segundo Mesquita (2018), as novas perspectivas em MSE introduzem o conceito de "avaliação não-intrusiva" na avaliação estrutural. Nesta linha, o número de testes não destrutivos, especialmente para aplicações in situ, apresentou um aumento expressivo motivado principalmente pela necessidade de menor impacto na construção, redução mais competitiva do custo e do tempo de aquisição de dados durante o processo de avaliação. A sua concretização implica o recurso a diversos tipos sensores que são fixados ou embebidos no objeto a ser monitorizado. Estes sensores produzem diversos tipos de dados que são posteriormente recolhidos, analisados e armazenados para análises futuras, através de um sistema de aquisição e armazenamento (FRAGA, 2015). 30 Mesquita (2018) afirma que a implementação de sistemas MSE produz um retorno significativo em termos de otimização da manutenção, detecção de falhas estruturais em idades precoces, perdas de equipamento e estrutura, e o mais importante, evitar lesões humanas ou fatalidades. No entanto, ainda apresentam um elevado custo de investimento, em termos monetários. Ressalta-se que seu custo tem diminuído, nos últimos anos, especialmente devido ao constante desenvolvimento de sensores e técnicas de baixo custo. No mercado pode-se citar comoequipamento comercial de referência, o aquisitor modelo QuantumX-MX840A fabricado pela HBM Test and Measurement, cotado no valor de R$ 14.571,43 em setembro de 2011 por Silva (2019). Na literatura, é possível destacar trabalhos voltados para o estudo do monitoramento de estruturas, como o de Fraga (2015), no qual aborda o acompanhamento de edifícios históricos por meio de sensores, a fim de justificar o estudo de estruturas patrimoniais, além de estudar detalhadamente os sistemas de monitorização que permitem efetuar a avaliação estrutural. O trabalho de Silva (2019) desenvolve um comparativo entre um equipamento comercial de referência e um sistema de monitoramento low cost desenvolvido pelo autor, para adquirir dados de deformação, deslocamento e força durante ensaios de flexão em lâminas metálicas e vigas de concreto armado. 2.3.1 Categorias do monitoramento estrutural Antes de iniciar o monitoramento é necessário identificar a categoria mais adequada para a estrutura na qual a avaliação será feita, considerando as características que se deseja estudar. Pode-se indicar quatro categorias: ensaios de campo estáticos, ensaios de campo dinâmicos, monitoramento periódico, e monitoramento contínuo. Cada ensaio tem uma função definida, sendo os ensaios de campo estáticos e dinâmicos testes pontuais no tempo. Essa categoria de ensaio é ideal para análises que não necessitam de longas observações. O monitoramento periódico consiste na aplicação recorrente de ensaios que são executados durante um determinado período de tempo. Com esse tipo de monitoramento, pode- se identificar o comportamento estrutural e sua evolução. Por fim, quando se diz que o monitoramento é do tipo contínuo, refere-se ao funcionamento constante do sistema, no qual se tem o controle sem limitação temporal de uma estrutura. O sistema fornece as informações a intervalos previamente definidos, suficientemente 31 curtos para interpretação. O monitoramento contínuo pode, ainda, ser classificado em duas modalidades: ● Monitorização passiva: quando o sistema apenas lê os dados dos sensores; ● Monitorização ativa: quando o sistema de monitorização tem a capacidade de interagir ou excitar a estrutura. Desse modo, a qualidade da análise torna-se mais detalhada, pois o sistema adquire os dados representativos para cada período de tempo, tornando os resultados e comparações mais assertivos. Com a utilização do monitoramento de integridade estrutural desde a concepção da construção a análise e detecção de danos tornam-se mais acuradas, visto que que serão obtidos dados de toda a vida útil da estrutura. 2.3.2 Funcionamento de um sistema de MSE O processo de monitoramento da saúde de uma estrutura, de modo geral, inicia-se com a concepção do sistema onde são definidos seus principais objetivos e o seu nível de resposta. Após a idealização do sistema, o monitoramento é dividido, geralmente, nas seguintes etapas: aquisição de dados, comunicação da informação, processamento e armazenamento, diagnóstico e resultados (Figura 4). Figura 4 - Esquema de funcionamento de um sistema MSE Fonte: Elaborado pelo autor. 32 2.3.2.1 Aquisição de dados A aquisição de dados compreende um sistema que inclui a leitura de dados dos sensores, conversão e disponibilização destes dados ao usuário. Este sistema descrito refere-se a um sistema informatizado, também conhecido como computadorizado. Entretanto estes sistemas podem ser manuais, ou seja, quando a leitura é feita por um operador em cada um dos sensores. No caso de um sistema informatizado, o mesmo inclui um Dispositivo de Aquisição de Dados (DAQ), condicionadores de sinais para tratamento e filtragem, bem como conversores analógicos-digitais, para envio das informações a um computador (SILVA, et al., 2019). Os sensores são o primeiro contato da monitorização com a estrutura e têm como objetivo medir os parâmetros físico-mecânicos definidos: os mais frequentes são o deslocamento, a rotação, a deformação e a aceleração. Têm-se em conta também parâmetros ambientais para se correlacionar o seu efeito nos dados medidos pelos sensores, como será analisado posteriormente (FRAGA, 2015). 2.3.2.2 Comunicação da informação Corresponde a etapa em que os dados são amplificados e transmitidos para o local de onde serão processados e em seguida armazenados. Essa comunicação pode ser feita por cabeamento ou via wireless. A transmissão dos dados para o exterior por meio da internet tem ganhado destaque nos processos de monitoramento atuais. Dentre as vantagens que sua utilização oferece, destaca-se a desnecessidade de deslocação para acesso aos dados, além de não estarem sujeitos a alterações no local de instalação, como queda de energia, desde que tomadas as devidas medidas para adaptar o sistema. A tecnologia wireless é vantajosa em comparação ao cabeamento, dado que sem os cabos há uma economia e facilidade de instalação do sistema, ampliando a rede de monitorização e facilitando o manuseio. No entanto, esse método reduz o alcance de comunicação entre os sensores e o módulo receptor, além de possuir um custo mais elevado. 2.3.2.3 Processamento e armazenamento Esta etapa refere-se a um pré-tratamento, no qual o sinal dos sensores é convertido em dados legíveis e processados para reduzir ruídos e informações equivocadas. Em seguida os 33 dados são armazenados de forma que seja possível estudá-los posteriormente e retirar informações. 2.3.2.4 Diagnóstico e resultados da análise Após coletados e processados é necessário analisar os dados para convertê-los em respostas estruturais. Essa etapa depende diretamente do operador, visto que é este que define o método de análise dos dados, verifica as implicações dos dados coletados na segurança estrutural e enfim retira conclusões. Feito o diagnóstico, segundo Fraga (2015), define-se os processos posteriores que forem necessários, como a necessidade de intervenção, a correção de modelos numéricos, avaliação da segurança estrutural, entre outras. Terminada esta fase, pode-se planejar com mais precisão futuras intervenções e prevenir com mais certeza a necessidade de intervenção. 34 3 METODOLOGIA O presente trabalho propõe-se a desenvolver o protótipo de um sistema de monitoramento capaz de mensurar, por meio da utilização de sensores e dos conceitos de MSE, o processo de corrosão da armadura de uma viga. O elemento estrutural é submetido ao contato com uma solução de NaCl com 10% de concentração. Para o estudo do processo de corrosão e suas influências nas estruturas de concreto armado, desenvolveu-se em laboratório uma viga de concreto armado monitorada desde de sua montagem por um sistema de monitoramento estrutural de sensores. O sistema, também foi produzido em laboratório, a fim de reduzir os custos de operação e validar o funcionamento do conjunto como um sistema de monitoramento low-cost. 3.1 Viga de concreto armado O objeto de estudo deste trabalho consiste em uma viga de concreto armado com dimensões de 85 cm de comprimento, 15 cm de largura e 30 cm de altura (Figura 5), confeccionada no Laboratório de Reabilitação e Durabilidade das Construções (LAREB), vinculado à Universidade Federal do Ceará (UFC). Figura 5 - Representação das dimensões da viga Fonte: Elaborado pelo autor. A armadura (Figura 6) é composta por barras de aço CA-50, sendo duas de 8mm de diâmetro em sentido longitudinal negativo e duas de 12,5 mm de diâmetro em sentido longitudinal positivo. Os estribos são de 5 mm de diâmetro, espaçados a cada 7 cm. Para 35 reforçar as laterais da viga adicionou-se duas barras longitudinais (Figura 7) de 5 mm de diâmetro equidistantes, em cada lateral da armadura. Foi considerado um cobrimento de 2,5 cm, facilitando a permeabilidade da solução salina,sem infringir os padrões da NBR 6118:2014. Figura 6 - Representação da armadura utilizada Fonte: Elaborado pelo autor. Figura 7 - Representação da viga: (a) Seção longitudinal; (b) Seção transversal (a) (b) Fonte: Elaborado pelo autor. Para o concreto, optou-se por adotar padrões de porosidade e baixa resistência, a fim de auxiliar na aceleração do processo de corrosão da armadura. O traço considerado foi de 1:2:2, sendo constituído de cimento CP II-E, brita 0 e areia, com 0,50 de relação água/cimento. Foram confeccionados 6 corpos de prova cilíndricos de 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, os quais foram submetidos ao ensaio de compressão, cujo resultado indicou uma resistência média do concreto de 20,06 MPa. 36 3.2 Sistema de monitoramento O protótipo do sistema de monitoramento low cost foi desenvolvido em parceria com o Laboratório de Tecnologias Inovadoras (LTI), vinculado a UFC. O conjunto é composto, principalmente, de elementos de coleta, amplificação, transmissão e armazenamento de dados, sendo estes: ● Sensores para coleta de dados, tanto de deformação (strain gauge) quanto de temperatura (termopar); ● Módulo amplificador de entrada HX711; ● Módulos ESP32, para transmissão de dados; ● Módulo de armazenamento Shield Micro SD. Após adquiridos e processados, os dados são direcionados para o servidor de dados, onde passam por uma etapa de pré-tratamento e posteriormente armazenados para diagnóstico. A Figura 8 representa a arquitetura simplificada do sistema de monitoramento adotado. Figura 8 - Sistema de monitoramento Fonte: Elaborado pelo autor 37 Para a etapa de coleta de dados, os strain gauges do tipo BX120-3AA (Figura 9), cujo fator de Fator de sensibilidade é de 2,00 - 2,20, e o termopar (Figura 10) foram ligados aos módulos amplificadores de entrada HX711, que amplificam os sinais e efetuam a conversão de sinal analógica-digital (AD) em uma taxa de 24 bits (Figura 11). Figura 9 - Sensor de deformação (strain gauge) Fonte: Autor. Figura 10 - Sensor de temperatura (termopar) conectado em um módulo amplificador de entrada Fonte: Autor. 38 Figura 11 - Módulo amplificador de entrada HX711 Fonte: Autor. Para a montagem do sistema, a plataforma ESP32 que possui tecnologia de transmissão de dados wireless (sem fio), é embarcada no módulo (hardware) e que suporta upgrade remoto de firmware (código de controle do módulo) (Figura 12). Figura 12 - Módulo ESP32 acoplado em uma protoboard Fonte: Autor. Os módulos HX711 são ligados a microcontroladores ESP32 “escravos” (slaves) e esses, por sua vez, são conectados via rede wireless a um outro microcontrolador ESP32, do tipo “mestre” (master), onde juntos, formam uma rede mesh. O microcontrolador “mestre”, solicita as informações aos dispositivos “escravos” em intervalos de tempo de cinco minutos, definidos no código. Os “escravos” enviam os dados solicitados e após recebê-los, o “mestre” armazena e envia os dados via rede wireless em tempo real para um banco de dados disponível em um serviço na nuvem (Figura 13). 39 Figura 13 - Esquema representativo do funcionamento da rede mesh: (I) Mestre solicita informação; (II) Escravos enviam a informação para o mestre; e (III) Mestre envia os dados via wireless para a nuvem Fonte: Elaborado pelo autor. Dessa forma, as informações obtidas pelo sistema de monitoramento ficam disponíveis para acesso remoto em tempo real. A linguagem de programação empregada na automatização das atividades na camada de software, foi a C++, incluindo o uso de bibliotecas exclusivas da plataforma ESP32. A composição do sistema é feita com a conexão descentralizada dos sensores aos microcontroladores ESP32, ou seja, os sensores não são conectados a um único microcontrolador. Desse modo, o conjunto apresenta proteção contra possíveis falhas: se um sensor falhar, o sistema não é prejudicado como um todo. A Tabela 4 descreve os materiais e dispositivos utilizados no desenvolvimento do sistema de monitoramento. 40 Tabela 4 - Materiais e dispositivos do sistema de monitoramento Descrição dos itens US$ Unitário Quant. US$ Total ESP 32 Xtensa® Dual-Core 32-bit LX6 7,60 5 38,00 Protoboard 830 furos 3,95 4 15,80 Strain gauge BX120-3AA 2,30 6 13,80 Termopar Tipo J 15,10 1 15,10 Módulo Amplificador HX711 3,45 6 20,70 Módulo de armazenamento Shield Micro SD 2,45 1 2,45 Outros componentes eletrônicos (fios, soldas, conector e resistor) 4,00 4,00 Valor total 109,85 Fonte: Elaborado pelo autor. 3.3 Instalação do sistema de monitoramento Inicialmente, preparou-se a armadura e a fôrma, conforme as dimensões predefinidas e considerando um cobrimento de 2,5 cm, facilitando a permeabilidade da solução agressiva, sem infringir os padrões da NBR 6118:2014. Antes de iniciar a concretagem foram instalados na viga os sensores de deformação, sendo três sensores nas barras longitudinais negativas da armadura e outros três nas barras positivas, intercalando as posições, conforme indica a Figura 14. Cada sensor foi ligado ao sistema de coleta de dados por cabos devidamente isolados e protegidos de possíveis degradações ao longo do estudo. Os sensores de deformação, doravante denominados SG01, SG02, SG03, SG04, SG05 e SG06, foram acoplados a molas de metal enroscadas às barras, a fim de ampliar o campo de captação de possíveis pontos de deformações na barra. A união foi feita com cola de silicone, para não interferir na movimentação da barra ou no funcionamento dos sensores. Os sensores foram isolados com espuma expansiva a fim de impedir a degradação dos mesmos ao longo do processo de corrosão. Durante o processo de concretagem foi também instalado o sensor de temperatura, doravante denominado T1, posicionado no centro geométrico da viga. 41 Figura 14 - Disposição dos sensores de deformação na armadura Fonte: Autor. 3.4 Exposição da viga de concreto à solução salina A viga, concretada em 20 de julho de 2021, foi mantida em laboratório livre de incidência solar. Durante um período de 69 dias, compreendendo o processo de cura do concreto e intervalo de aquisição de dados da estrutura para posterior análise. Considerando a corrosão como um evento lento, em condições ambientais de baixa agressividade, e a intenção de acelerar este processo na armadura da viga para obter os dados de interesse, submeteu-se a estrutura a ciclos de molhagem com solução salina. A solução desenvolvida em laboratório compreende um teor de 10% de NaCl, característica de ensaios acelerados, visto que corresponde a um valor acima do que se encontra em campo, como na água do mar, por exemplo. No entanto, esse índice de salinidade elevado não interfere nas considerações do trabalho, dado que o objetivo é provocar a corrosão e não reproduzir uma situação real. Os ciclos foram feitos com processos de molhagem e secagem, a fim de expor a estrutura ora a solução salina, ora ao oxigênio, compostos que favorecem o surgimento da corrosão. Utilizou-se 5 litros de solução por dia para molhar a viga progressivamente em pequenas dosagens, possibilitando a absorção da solução pelo concreto. Por fim, a viga ficava em processo de secagem natural até o dia seguinte quando se inicia o ciclo novamente. 42 A molhagem foi executada em períodos de cinco dias seguidos e intervalos de dois dias, nos quais não ocorria a molhagem. Os ciclos foram repetidos 11 vezes, totalizando um período de 78 dias de ensaio, iniciados no dia 27 de setembro de 2021 e finalizados no dia 13 de dezembro de 2021. O avanço da degradação da viga foi acompanhado, além dos dados coletados, por análise visual. 3.5 Acompanhamento dos dados Cada um dos seis sensores de deformação e o sensor de temperatura permaneceram ligados ao sistema durante todoo período do experimento, a fim de obter-se uma visão geral do funcionamento do sistema e compreender o desempenho individual de cada sensor. A partir da finalização da concretagem da viga, iniciou-se o processo de coleta de dados, cuja análise foi dividida em três etapas: ● Dados nas primeiras 48 horas após a concretagem ● Dados antes de iniciar a molhagem; ● Dados a partir do início da molhagem. Antes de analisados, os dados são sintetizados através de uma média móvel que permite reduzir os valores para intervalos de hora a hora. Dessa forma, elimina-se as variações pontuais do sensor devidas a erros de leitura. Em seguida, o tratamento dos dados procura a eliminação dos efeitos ambientais nos dados, como a temperatura e umidade relativa. Sabendo que os dados ambientais provocam alterações nos registos obtidos pelos sensores, é necessário que o período desta fase abranja as alterações que esses dados sofreram ao longo do ano. Normalmente, é recomendável que a monitorização cubra três vezes o ciclo de variação dos efeitos ambientais, definindo o ciclo de um ano, considera-se ideal um período entre 1,5 a 3 anos para garantir que todos os efeitos devidos ao ambiente sejam analisados (FRAGA, 2015). A correlação definida entre os dados registrados pelo sistema de monitoramento e os efeitos ambientais contribui para compreender a tendência de evolução dos danos da estrutura estudada. Tal correlação é estabelecida matematicamente, retirando-se o efeito ambiental dos dados coletados, e assim obtendo o comportamento real da evolução dos danos. Segundo Fraga (2015), primeiro é feita a correlação do parâmetro físico-mecânico estático com o efeito ambiental para uma regressão linear. Caso a correlação entre ambos os 43 parâmetros seja satisfatória, retira-se a influência da temperatura sobre os valores originais, obtendo-se assim a variação do parâmetro apenas com base no comportamento mecânico e sem o efeito dos parâmetros ambientais. Sabendo disso, os dados foram plotados em gráficos a fim de visualizar a correlação com o tempo e o desenvolvimento da deformação. 44 4 RESULTADOS A depender da etapa analisada, alguns sensores apresentaram variações com destoam da realidade, concluindo-se erros na coleta ou falha na calibração. Por conta dessas variações, necessitou-se de uma recalibração dos sensores durante o processo do experimento. No entanto, além da recalibração, as variações que poderiam interferir na análise completa dos dados foram desconsideradas, incluindo os outliers (valores zerados), dado que representam queda de energia ou falha na transmissão dos dados. Para todas as etapas, os dados de temperatura e deformação foram sintetizados através de média móvel, para reduzir a divergência e amenizar os efeitos causados por eventuais erros de operação. Os sensores de deformação foram submetidos em cada etapa a um tratamento a fim de eliminar o efeito da temperatura dos valores de deformação. Porém não foi possível estabelecer uma relação entre ambos, em nenhuma das etapas, pois não foi identificado um coeficiente de correlação linear satisfatório. Deve-se considerar, ainda, que a variação do sinal dos sensores não é suficiente para estabelecer tal relação. 4.1 Dados nas primeiras horas após a concretagem Foi considerado para essa etapa o período de 48 horas a partir do início da concretagem, e foram analisados, principalmente, os dados referentes a temperatura, cujo Gráfico 4 demonstrou uma elevação cerca de 12 horas após a concretagem, referente ao calor de hidratação do concreto no estado fresco. O Gráfico 4 demonstrou uma elevação cerca de 12 horas após a concretagem, referente ao calor de hidratação do concreto, que é aquele liberado por conta da reação química do cimento com a água. Esse processo acontece nas primeiras horas após a aplicação do concreto fazendo com que a temperatura do concreto aumente. 45 Gráfico 4 - Temperatura nas primeiras 48 horas após a concretagem Fonte: Elaborado pelo autor. Desse modo, o pico confirma a detecção do calor de hidratação, configurando o bom funcionamento do sensor de temperatura, com dados fiáveis e condizentes com a realidade. Quanto aos sensores de deformação, para essa etapa apresentaram valores inconsistentes, provavelmente devido à instabilidade do concreto durante o período de secagem, erro de calibração, manuseio, influência da umidade ou temperatura. 4.2 Dados antes de iniciar os ciclos Para essa etapa foi selecionado o período após as horas iniciais de concretagem e antes da molhagem, que apresentasse dados consistentes e adequados para análise. O período corresponde a ciclos diários durante 10 dias. Essa etapa tem como objetivo observar os dados de deformação antes de provocar a corrosão na armadura, a fim de confirmar o funcionamento do sistema na etapa posterior. Nesta etapa apenas os sensores SG02 e SG04 (Gráfico 5) apresentaram valores significativos para análise. 46 Gráfico 5 - Dados de temperatura e do sensor SG02 no melhor período antes de iniciar a molhagem Fonte: Elaborado pelo autor. Pelo Gráfico 5 infere-se que a deformação do sensor SG02 atingiu a variação máxima de 0,03 mm seguida por um declínio nos valores, no período analisado. Analisando graficamente de uma forma local é perceptível que os movimentos registrados pelo sensor podem ser associados à variação da temperatura, demonstrando a provável relação entre ambos, apesar de não ser possível relacioná-los. Gráfico 6 - Dados de temperatura e do sensor SG04 no melhor período antes de iniciar a molhagem Fonte: Elaborado pelo autor. 47 Para o sensor SG04 (Gráfico 6) pelos dados, percebe-se pequenas oscilações que variam de 0,0026 mm a 0,0030 mm, com coincidência de picos de temperatura e deformação, demonstrando a influência do efeito ambiental sobre a deformação, apesar de não ser possível relacioná-los. 4.3 Dados após o início dos ciclos Nesta etapa, considerou-se dados referentes ao período de 78 dias após o início da molhagem, como pode ser visto no Gráfico 7. Os sensores perderam sua funcionalidade ao longo desta etapa, exceto o SG03, sendo este o único utilizado para análise de dados. Gráfico 7 - Dados de temperatura e do sensor SG03 no período após iniciar a molhagem Fonte: Elaborado pelo autor. Pelos valores finais, pode-se afirmar que as oscilações podem ser ocasionadas por influência da temperatura apesar de não ser possível estabelecer uma relação adequada. No entanto, pelos dados brutos, pode-se inferir que os valores sofreram oscilações dentro do intervalo de 0,005 mm e 0,03 mm, e ao fim os dados se estabilizam em valores maiores, indicando que apesar da influência indefinida da temperatura, o ponto realmente sofreu deformação. Considerando que antes de induzir a corrosão, os valores variam em torno de 0,003 mm e que após, variam em torno de 0,01 mm, pode-se confirmar que ocorreu uma pequena deformação ocasionada por corrosão. 48 4.4 Análise visual Pela análise das fotos diárias da viga foi possível observar a evolução dos danos visíveis a partir do início da molhagem da viga. O Quadro 2 apresenta as fotos organizadas cronologicamente. Quadro 2 - Imagens em ordem cronológica da deterioração da viga pela indução da corrosão Antes de iniciar a molhagem (27/09/2021) Semana 1 Semana 3 Semana 6 Semana 7 Semana 9 Semana 10 Último dia de molhagem (13/12/2021) Fonte: Elaborado pelo autor. 49 Pelas imagens, nota-se que desde a primeira semana de ensaio, a viga apresenta sinais visíveis de corrosão, provavelmente derivado do mau adensamento do concreto na etapa de concretagem, formando vazios que facilitam o contato com a armadura. Ao longo das semanas é possível verificar o surgimento de outros pontos de corrosão,indicando que de fato a armadura está sendo atingida. Após a finalização da coleta de dados pelo sistema, a fim de verificar se realmente houve a ocorrência de corrosão detectada no ponto do sensor 03, a viga foi aberta para análise visual da armadura, como pode ser visto na Figura 15. Figura 15 - Corrosão no ponto de instalação do SG03 Fonte: Autor. Pela análise visual foi possível conferir a manifestação patológica no ponto, confirmando o funcionamento do sistema e sua utilização para a detecção de corrosão em armaduras. 50 5 CONCLUSÃO Este trabalho teve por objetivo desenvolver o protótipo de um sistema de monitoramento low cost encarregado de monitorar a temperatura e as deformações relativas provocadas pelo avanço da corrosão em uma viga de concreto armado. Configura-se como um teste inicial realizado como parte integrante de um projeto de dissertação de mestrado intitulado “Desenvolvimento de sistema de monitoramento low cost para pontes de concreto armado”, do aluno Tallis Maia, cujo objetivo é desenvolver sistemas de monitoramento de baixo custo em estruturas mais amplas e complexas. Foi constatado o bom funcionamento do sensor de temperatura para todo o período de monitoramento. Quanto aos sensores de deformação, após o início dos ciclos de molhagem e secagem, apresentaram variações nos valores que configuram a influência de fatores externos como umidade e temperatura. Nas etapas seguintes, antes e após a molhagem, os strain gauges SG02, SG03 e SG04, os únicos que permaneceram em funcionamento, apresentaram pequenas deformações relativas ao longo do tempo, variando entre valores positivos e negativos. A oscilação entre positivo e negativo é natural, dado que a corrosão não é um processo uniforme, e podem ocorrer movimentações dos sensores referentes a expansão ou compressão. Por meio da análise visual constatou-se a presença e o avanço da corrosão na armadura. Notou-se que os pontos de aplicação dos sensores apresentavam corrosão enquanto o restante da armadura estava normal. Isso indica a possível percolação da água por meio do cabo do sensor, facilitando a degradação do ponto e a interferência de agentes agressivos como a umidade nos dados coletados. Não foi possível estabelecer matematicamente uma equação de correlação entre a temperatura do concreto e as movimentações captadas pelos sensores de deformação. Isso pode ser justificado pelo curto período de tempo de estudo ou pela interferência de outros fatores desconhecidos e de difícil mensuração. Pode-se considerar, ainda, possíveis falhas nos sensores, erro no código do programa, ambiente pouco controlado, ou características do próprio método de correlação escolhido. Por fim, o protótipo mostrou-se funcional e foi bem sucedido em monitorar a corrosão, mensurando as deformações, apesar de necessitar de otimização, tanto em relação a instalação, quanto a qualidade dos sensores. É mais indicado um sensor de deformação mais robusto, que não seja interferido por movimentações tão pequenas. 51 Desse modo, o estudo contribuiu para o entendimento de métodos de monitoramento de estruturas e suas aplicações. Além disso, propôs ensaios iniciais para um sistema de baixo custo para monitorar o avanço da corrosão em armaduras, servindo como teste para estudos futuros mais avançados na área, com valor total de U$ 109,85, expressivamente menor que os equipamentos do mercado atual de cerca de R$ 14.000. Como sugestões para futuros trabalhos, pode-se indicar: ● Adotar o encapsulamento dos sensores com espuma polimérica, ou seguindo padrões mais detalhados da literatura, para restringir a movimentação do sensor por outros agentes e coletar apenas informações derivadas da movimentação da expansão da armadura; ● Utilizar outros métodos de tratamento de dados para reduzir a interferência da temperatura ou processos de redução de ruídos de dados, como o filtro de Savitzky-Golay, e compará-los com o método da regressão linear. ● Aplicação do sistema em elementos menores, para análise pontual e aperfeiçoamento da instalação. ● Análises em grandes elementos por um período de tempo mais longo, para verificação e confirmação da influência da temperatura nos dados de deformação. ● Aplicar o sistema em estruturas reais, em campo, para discretizar a instalação com distâncias maiores entre os sensores, e validar o funcionamento para casos reais. 52 REFERÊNCIAS AMORIM, A. A. 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