Cap35 - Monitoração de estruturas de concreto

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Capítulo 35
Monitoração de estruturas de concreto
Enio Figueiredo UFGEnio Figueiredo – UFG
Gilberto Nery – USP
P d A O Al id USPPedro A. O. Almeida – USP
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Envelhecimento das estruturas
Introdução
• Diminuição da qualidade com efeito sobre aspecto 
e segurançae segurança
• Necessidade de maior conhecimento dos 
mecanismos envolvidos na diminuição domecanismos envolvidos na diminuição do 
desempenho das estruturas
A li ã i t l d t t• Avaliação experimental das estruturas
• Soluções adequadas a cada situação e novos 
critérios de projeto
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I t d ã
• Inclusão do tempo como parâmetro de projeto no 
Introdução
p p p j
código modelo fib 2010
• Estruturas devem ser resistentes à deterioraçãoEstruturas devem ser resistentes à deterioração
• Estratégia de manutenção deve ser desenvolvida 
junto com o projeto da estruturajunto com o projeto da estrutura
• A monitoração estrutural já é bem difundida no 
d i lê b d St t lmundo e em inglês recebe o nome de Structural 
Health Monitoring, SHM
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHM
• SHM aplicada à conservação das construções 
Conceitos do SHM
p ç ç
segundo o Código Modelo fib 2010
• Defini as atividades em 4 estágiosg
• Estágio 1 – Na conclusão da obra, com ensaios de 
recebimento
• Estágio 2 – Na fase de operação da obra
• Estágio 3 – Depois da ocorrência de um evento não g p
esperado em condições normais de projeto
• Estágio 4 – Depois de uma intervenção (reparo ou 
substituição)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHMConceitos do SHM
•“Birth Certification” •“Re Birth Certification”Avaliação de •Avaliação de •fib • Birth Certification
•da estrutura
• Re-Birth Certification
•da estrutura
•Avaliação de 
desempenho
Avaliação de 
desempenho
fib 
2010
•reparo
Projeto e Construção
•Nível de Interrupção do serviço
j ç
detalhes de projeto, 
especificações, registros 
da construção, definição 
dos critérios de 
desempenho
(estagio 1)
Conhecimento 
Acumulado de 
desempenho durante a 
vida
monitoração
(estagio 2)
Intervenção de reparo ou 
recuperação
(estágio 3)
Conhecimento acumulado 
de desempenho durante a 
vida
monitoração
(estágio 4)
Monitoração e avaliação durante a vida
•Figura 1 - Estágios de monitoração de estrutura para conservação das construções (fib 2010)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHM
• Aspectos de segurança estrutural relacionados 
Conceitos do SHM
p g ç
com a monitoração de estruturas
• Capacidade de aviso das estruturasp
• Confiabilidade do sistema
• Premissas de segurançae ssas de segu a ça
• Defeito, dano e deficiência
• Avaliação estruturalAvaliação estrutural
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHMConceitos do SHM
•Figura 2 - Procedimentos para avaliação estrutural (BERGMEISTER, apud PENNER 2002)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHM
• Procedimentos de monitoração visando a
Conceitos do SHM
ç
conservação dos sistemas estruturais
• Preparaçãop ç
• Investigação global
• Investigação detalhadaes gação de a ada
• Apresentação de resultados
• Análise dos resultadosAnálise dos resultados
• Recomendações
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHM
• Ensaios estruturais
Conceitos do SHM
• Ensiao In situ
• Ensaio de monitoração (curta ou longa duração)Ensaio de monitoração (curta ou longa duração)
• Ensaio de vibração
• Natureza dos ensaios• Natureza dos ensaios
• Inspeção rotineira
• fotografias• fotografias
• desenhos esquemáticos de defeitos
• desenhos esquemáticos de danos• desenhos esquemáticos de danos
• medidas de fissuras
• ....
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
....
C it d SHM
• Natureza dos ensaios
Conceitos do SHM
• Inspeção detalhada
• Emprego de instrumentação para medidas de variáveisp g ç p
estruturais em curta e longa duração
• A utilização de equipamentos de medidas de forças e
esforços de interação entre a estrutura e as cargas
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
C it d SHM
•Figura 3 - Classificação das grandezas estruturais segundo a sua natureza
• Variáveis estruturais e indicadores de degradação
Conceitos do SHM
g ç
dos materiais estruturais
Grandezas Estruturais 
segundo a natureza
Grandezas Grandezas 
Mecânicas
Forças e 
Binários
Tensões e 
Solicitações
Geométricas
Deslocamentos
(mudança de 
posição)
Deformações 
Específicas
ε γ
Deformações Totais
∆L ∆Φ
Esforços Solicitantes
(esforços no plano 
da seção transversal)
posição) ε, γ ∆L, ∆Φ
(mudança de forma)
Solicitações Gerais
(em uma superfície qualquer)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Figura 3 - Classificação das grandezas estruturais segundo a sua natureza
C it d SHM
• Monitoração dos materiais
Conceitos do SHM
ç
• Taxa de corrosão
• pH do concretopH do concreto
• Teor de umidade
• Penetração de cloretosPenetração de cloretos
• Penetração de sulfatos
• Frente de carbonataçãoFrente de carbonatação
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Corrosão de armaduras de estruturas de
Sistemas de monitoração da corrosão
Corrosão de armaduras de estruturas de
concreto
• FrequenteFrequente
• Desplacamento parcial do cobrimento
• Colapso parcial da estruturaColapso parcial da estrutura
• Controle e reparo complexos e dispendiosos
• Monitoração• Monitoração
• Parâmetros que influenciam na iniciação e propagação da
corrosão
• Investigação de eficiência de reabilitações executadas
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Monitoração com sensores portáteis
Sistemas de monitoração da corrosão
ç p
• (a) (b)
Fi 4 ( ) S tátil it i ti id d d t (b) S it
• Monitoração com sensores embutidos no concreto
•Figura 4 – (a) Sensor portátil para monitorar resistividade do concreto; (b) Sensor para monitorar o 
potencial e a velocidade de corrosão
ç
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Técnicas para avaliação da corrosão ou do risco
Sistemas de monitoração da corrosão
p ç
de corrosão
• Técnicas Não perturbativasp
• Resistividade elétrica superficial do concreto
• Potencial de eletrodo
• Macropares galvânicos
• Técnicas perturbativas
• Resistência de polarização
• Curva de polarização
• Impedância eletroquímica
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Resistividade elétrica superficial do concreto
Sistemas de monitoração da corrosão
p
• Resistividade elétrica
• Lei de OhmLei de Ohm
A
LR  
•Quadro 1 - Critérios de avaliação da resistividade superficial do concreto (BUNGEY &MILLARD, 
2001)
Resistividade do Concreto 
(kΩ.cm)
Probabilidade de 
Corrosão
> 20 Desprezível> 20 Desprezível
10 a 20 Baixa
5 a 10 Alta
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
< 5 Muito Alta
Si t d it ã d ã
• Resistividade elétrica superficial do concreto
Sistemas de monitoração da corrosão
p
• Medida por eletrodos metálicos
• Pode ser influenciada por vários fatoresPode ser influenciada por vários fatores
Figura 5 - Modelos de sensores para monitorar a resistividade superficial do 
concreto baseados na técnica dos quatro eletrodos (http://www.proceq.com)•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Potencial de eletrodo
Sistemas de monitoração da corrosão
• Natureza eletroquímica da corrosão
• Formação de micro e/ou macropilhasFormação de micro e/ou macropilhas
• Possibiliade de medição de diferença de potencial entre
região anódica e catódicag
• Normalizado pela ASTM C876 (ASTM, 1991)
Potencial de corrosão relativo ao eletrodo Probabilidade de
•Quadro 2 - Critérios para avaliação da corrosão, segundo a ASTM C876 
(ASTM,1991)
Potencial de corrosão relativo ao eletrodo 
de referência de cobre-sulfato de cobre (mV)
Probabilidade de 
corrosão (%)
Mais negativo que -350 95
Mais positivo que -200 5
d 200 350 I t
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
de -200 a -350 Incerta
Si t d it ã d ã
• Potencial de eletrodo
Sistemas de monitoração da corrosão
•Figura 6 - Influência da umidade do concreto seco e úmido sobre o potencial de corrosão medido g p
(modificado de VENNESLAND et all., 2009)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Potencial de eletrodo
Sistemas de monitoração da corrosão
•Figura 7 - Influência da distância entre o eletrodo de referência e a região em processo de corrosão 
sobre o potencial de corrosão medido devido às linhas de equipotenciais formadas ao redor da região 
anódica (modificado de VENNESLAND et all., 2009) 
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Potencial de eletrodo
Sistemas de monitoração da corrosão
Fi 8 I fl ê i d d b i t b t i l d ã did•Figura 8 - Influência da espessura do cobrimento sobre o potencial de corrosão medido 
(modificado de VENNESLAND et all., 2009)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Macropares Galvânicos
Sistemas de monitoração da corrosão
p
• Corrente galvânica
• Permite mensurar a influência da relação áreaç
anódica / área catódica e a distância entre o cátodo e
o ânodo
• Corrente de parte da corrosão
• Disposição geométrica do ânodo e do cátodo influencia no
gra de corrosão das armad rasgrau de corrosão das armaduras
• Quanto maior fo a distância entre o ânodo e o cátodo,
menor a densidade de corrente entre eles.menor a densidade de corrente entre eles.
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Resistência de polarização
Sistemas de monitoração da corrosão
p ç
• Inércia ao início do processo de corrosão
• Método mais confiável para monitoramentop
• Inclinação de uma rampa potenciodinâmica
• Fornece dados sobre o estado passivo ou ativo da
armadura e cinética da corrosão
• Velocidade de corrosão calculada a partir da variação da
corrente na seção transversal do condutor quando secorrente na seção transversal do condutor, quando se
incrementa o potencial de corrosão (Ecorr) em torno do
potencial de equilíbrio
I
ERp 

•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
I
Si t d it ã d ã
• Resistência de polarização
Sistemas de monitoração da corrosão
p ç
• Com Rp determina-se a corrente de corrosão instantânea
• Intensidade de corrosão (Icorr)( corr)
I B•Icorr = Rp
• B é a constante de Stern, B = 52 mV para armadura no
estado passivo e B = 26 mV para armadura no estadoestado passivo e B = 26 mV para armadura no estado
ativo
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Quadro 5 - Nível de corrosão em função da corrente icorr (DURAR, 1997)
• Curva de polarização
Sistemas de monitoração da corrosão
p ç
• Expressão da função potencial (E) x intensidade de
corrente (I).
• A morfologia do processo também pode ser determinada a
partir desta curva
E d t d d f ô d ã• Empregada no estudo dos fenômenos da corrosão
• Método destrutivo
• Ainda sem aplicação em campo• Ainda sem aplicação em campo
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Impedância eletroquímica
Sistemas de monitoração da corrosão
p q
• Técnica não destrutiva
• Baseia-se na análise da resposta de um sistema frente àp
aplicação de uma diferença de potencial em corrente
alternada, procurando modeloar um circuito elétrico que
possua um comportamento similar ao processopossua um comportamento similar ao processo
eletroquímico que se deseja estudar
•Figura 9 - Modelo de Randles que simula o sistema eletroquímico metal/solução (RANDLES, 1947)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Impedância eletroquímica
Sistemas de monitoração da corrosão
p q
• A impedância, assim como a resistência de
polarização, mede a dificuldade da passagem dep ç p g
corrente elétrica em um determinado meio diante de
uma diferença de potencial imposta
• Também pode ser utilizada para medir a velocidade
de corrosão
3 h i bt i• 3 horas ou mais para obter o icorr
• Capaz de fornecer a velocidade de corrosão
instantâneainstantânea
• Não é utilizada em campo
A t d fi bilid d
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Apresenta grande confiabilidade
Si t d it ã d ã
• Impedância eletroquímica
Sistemas de monitoração da corrosão
p q
• A impedância do sistema (Z), exceto no caso de
sistemas com comportamentos puramente resistivos,p p
é dependente da frequência
• A variação de Z em função da frequência pode ser
representada em um plano complexo denominado
Diagrama de Nyquist
A t ã d â l d f () ód l• A representação do ângulo de fase (), ou o módulo
da impedância (Z), em relação ao logaritmo da
freqüência é denominada de Diagrama de Bodefreqüência é denominada de Diagrama de Bode
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Impedância eletroquímica
Sistemas de monitoração da corrosão
p q
50
60 máx
1000
50
601000
50
60
30
40
50
Z
i
m
 
(
o
h
m
s
)
100
|
Z
|
 
(
o
h
m
s
)
20
30
40
a
s
e
 
o
f
 
Z
 
(
d
e
g
)

(
g
r
a
u
s
)
|
Z
|
(
O
h
m
s
)
100
|
Z
|
 
(
o
h
m
s
)
20
30
40
a
s
e
 
o
f
 
Z
 
(
d
e
g
)

(
g
r
a
u
s
)
|
Z
|
(
O
h
m
s
)
0
10
20
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Z
Re Re+Rp
10
0.00001 0.1 1000 10000000
0
10
20
p
h
a
10
0.00001 0.1 1000 10000000
0
10
20
p
h
a
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Zre (ohms)
Re Re Rp
Frequency (Hz )Freqüência (Hz)Frequency (Hz )Freqüência (Hz)
•Figura 10 - Diagrama de Nyquist (a) e Bode (b), referentes ao circuito equivalente de RANDLESFigura 10 Diagrama de Nyquist (a) e Bode (b), referentes ao circuito equivalente de RANDLES 
(1947)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Si t d it ã d ã
• Impedância eletroquímica
Sistemas de monitoração da corrosão
p q
•Figura 11 - Uso da técnica de impedância para avaliar a corrosão de armadura (FIGUEIREDO, 1994)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de umidade relativa
corrosão
• Precisa ser hermeticamente inserido em um orifício
no concreto
•Figura 12 - Esquema da montagem do sensor de umidade no interior do concreto
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de resistividade elétrica do concreto
corrosão
•Figura 13 - Sensor de cloreto (FIGUEIREDO, 2010)
•Livro Concreto:Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Figura 14 - Eletrodo multi-anel para produzir perfis de resistividade em diferentes 
profundidades do concreto (BERTOLINI et al, 2004)
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensor galvânico
corrosão
g
•Figura 15 - Sensor de escada (RAUPACH; SCHIESSL, 2001)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de potencial de corrosão
corrosão
p
Figura 16 Esquema da medida de potencial de corrosão para o caso de eletrodo embutido no•Figura 16 - Esquema da medida de potencial de corrosão para o caso de eletrodo embutido no 
concreto (modificado de VENNESLAND et all., 2009)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de potencial de corrosão
corrosão
p
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
•Figura 17 - Eletrodo de Prata/Cloreto de Prata
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de potencial de corrosão
corrosão
p
•Quadro 3 - Probabilidade de corrosão em função do potencial em relação ao eletrodo de 
referência de Ag/AgClreferência de Ag/AgCl
Ecms (mV) Estado da Armadura
< - 270 Sem corrosão
- 270 a -370 Possibilidade de corrosão- 270 a -370 Possibilidade de corrosão
> - 370 Corrosão Instalada
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de potencial de corrosão
corrosão
p
•Figura 18 - Eletrodo de Cobre/Sulfato de Cobre (HTTP://corrosion-doctors.org/Corrosion-
Thermodinamics/Reference-Half-Cells-Cooper)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensores de potencial de corrosão
corrosão
p
•(a) (b)
•Figura 19 (a) Eletrodos comerciais de dióxido de manganês (MnO ); (b) Instalação de eletrodo de•Figura 19 – (a) Eletrodos comerciais de dióxido de manganês (MnO2); (b) Instalação de eletrodo de 
referência de dióxido de manganês (FORCE TECHNOLOGY, 2008)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensor de resistência de polarização (RPL)
corrosão
p ç ( )
•Figura 20 - Esquema da medida de resistência de polarização linear (LPR) com 
eletrodos embutidos no concreto e potenciostato externo
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensor de Teor de cloretos
corrosão
•Figura 21 - Sensor de Ag/AgCl
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensor de Teor de cloretos
corrosão
•Figura 22 - Disposição dos sensores, eletrodo de referência e armaduras dentro da 
fôrma, antes da concretagem
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores internos para monitoração da 
ã
• Sensor de Teor de cloretos
corrosão
Figura 23 - Monitoramento do potencial de corrosão indicando a despassivação da 
armadura ET2 (Eletrodo de Trabalho 2)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Sensores e equipamentos de medidas 
d it ã t t lempregados na monitoração estrutural
Fi 24 Di did d d fi i
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Figura 24 – Diagrama para medida das grandezas fisicas
Sensores e equipamentos de medidas 
d it ã t t lempregados na monitoração estrutural
•direção da deformação
•Grade
•de
•medida
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Figura 25 – Medida de deformações específicas por extensômetros elétricos de resistências
Identificação de sistemas estruturais por 
i di â iensaios dinâmicos
Figura 26 – Modelos para identificação de estruturas
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
g p ç
Identificação de sistemas estruturais por 
i di â iensaios dinâmicos
Figura 27 – Sincronização da monitoração da ponte sobre o Rio Candeias, 
Porto Velho, RO
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Identificação de sistemas estruturais por 
i di â iensaios dinâmicos
(b)
Figura 28 – (a) Base triaxial de servo acelerômetros; (b) Sensor para detectar 
a passagem do veículo na ponte
•(a) •(b)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Homologação de estruturas com ensaios 
di â idinâmicos
•(b)
•(c)
•(a)
•Figura 29 – (a) Ensaio dinâmico de vibração forçada em vigas pré-moldadas, Rio Coco, 
Fortaleza CE; (b) Instrumentação das cordoalhas na seção central da viga strain gage; (c)
•(d)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Fortaleza, CE; (b) Instrumentação das cordoalhas na seção central da viga, strain gage; (c) 
Ensaio antes do lançamento; (d) detalhe do suporte da viga
M it ã d t d t tMonitoração de montagem de estruturas
•(c)
FORÇAS NOS ESTAIS - ARCO SHIS - 20 kN - 1a. ETAPA
1000
1200
1400
1600
•(a)
200
400
600
800
F
O
R
Ç
A
,
 
e
m
 
k
N
•Figura 30 – (a) Monitoração da montagem da Ponte JK, Brasília, DF; (b) Instrumentação 
do arco Clubes da ponte JK; (c) Instrumentação da ancoragem dos estais; (d) Forças
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
ESTAI
Força (kN) Força EGT (kN)•(b) •(d)
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
do arco Clubes da ponte JK; (c) Instrumentação da ancoragem dos estais; (d) Forças 
aplicadas comparadas com as forças de projeto durante a montagem, fase a, com 20%