Relatorio Mec Rochas 23 08

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Escola de Minas da Universidade Federal De Ouro Preto
Departamento de Engenharia de Minas
RELATÓRIO DAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO DA DISCIPLINA MIN111 – MECÂNICA DAS ROCHAS
						Alunas: Ana Carolina Faria Oliveira Morais
							 Raquel Camargos Lima
 
						Professora: Christianne de Lyra Nogueira 
						Relatório final referente às práticas de laboratório 						realizadas no âmbito da disciplina MIN 111 – 						Mecânica das Rochas no primeiro semestre de 						2017.
OURO PRETO - MINAS GERAIS - BRASIL
AGOSTO, 2017.
SUMÁRIO
Capítulo 1 - Introdução
	Segundo Azevedo (2002), as rochas são materiais sólidos consolidados, formados naturalmente por agregados de matéria mineral, sendo as principais propriedades que as distinguem dos solos, a coesão interna – força que liga as partículas umas às outras – e resistência à tração.
	Devido à grande variação nas propriedades das rochas, podem-se tomar como referência algumas medições básicas para descrever as rochas quantitativamente. Certas propriedades, por serem relativamente fáceis de serem medidas, podem ser designadas como propriedades-índice das amostras de rocha. Neste aspecto, as propriedades índices das rochas são índices físicos que refletem a estrutura, a composição, a fábrica e o comportamento mecânico do material, como: densidade, porosidade, teor de umidade, velocidade de propagação de ondas, permeabilidade, durabilidade, resistência dentre outros. A importância de se conhecer estas propriedades deve-se à necessidade de caracterizar e quantificar a rocha, bem como fazer a correlação com propriedades mecânicas.
	No estudo da mecânica das rochas, pode-se aliar aos cálculos matemáticos e análises empíricas, alguns testes laboratoriais que auxiliam na determinação das mais variáveis propriedades das rochas. O grau de fissuramento de uma rocha, por exemplo, pode ser obtido através do ensaio de propagação de ondas longitudinais e transversais. Na prática, se observa que o grau de fissuramento interfere diretamente na medida da velocidade de propagação, sendo esta diminuída conforme a presença de fissuras, sendo este índice de grande importância para se determinar zonas de faturamento e alterações em escavações subterrâneas. 
	A durabilidade de uma rocha se trata da dificuldade que uma determinada rocha tem de se alterar em virtude de variações nos níveis de tensão (aquecimento-resfriamento, umedecimento-secagem, congelamento-degelo), que levam à fadiga e ruptura do material. O índice de durabilidade pode ser obtido através do ensaio proposto por Franklin e Chandra em 1972, chamado de Slake Durability Test ou Ensaio de Durabilidade. Neste ensaio, é observado que a durabilidade varia diretamente com a densidade e inversamente proporcional com o teor de umidade natural da rocha.
	A resistência de uma rocha determina a eficiência desta em manter o seu arranjo original, ou seja, em manter coesos os seus componentes. Em 1972, Broch e Franklin propuseram o índice de resistência puntiforme obtido pelo ensaio de carga pontual. Trata-se de um ensaio simples cuja ruptura do material é provocada pelo desenvolvimento de fraturas de tração paralelas ao eixo de carregamento e tem como vantagens a simplicidade e rapidez de execução, se comparado aos demais ensaios de laboratório para determinação de resistência de rochas.
	Ensaios de compressão simples e tração indireta também são utilizados na determinação da resistência e deformabilidade das rochas, realizando respectivamente, a compressão no eixo axial e a compressão diametral, ambos sob o corpo de prova.
	Estes e outros ensaios sobre as rochas são importantes pois consolidam o entendimento sobre as propriedades físicas e mecânicas dos materiais, bem como suas variações em função das situações que estes são submetidos seja por ação humana ou de ocorrência natural. 
Capítulo 2 – Objetivos
	As cinco práticas laboratoriais descritas neste relatório foram: 
Ensaio de Carga Pontual, que teve como objetivo provocar a ruptura de amostras de rocha através da aplicação de força crescente num ponto da seção transversal do corpo de prova para obter-se o índice de carga pontual.
Teste de Durabilidade ou Slake Durability Test (SDT), que teve como objetivo estimar quantitativamente a durabilidade de rochas brandas;
O ensaio de Propagação de onda com o objetivo de quantificar a velocidade de propagação das ondas P (primária) e S (secundária) em um corpo de prova de rocha, afim de obter informações sobre as características elásticas e o fissuramento da rocha;
Ensaio de Compressão Diametral ou Tração Indireta, que teve como objetivo a determinação da resistência à tração de forma indireta, por meio da compressão diametral;
E por fim, o ensaio de Compressão Simples ou Uniaxial cujo objetivo foi a determinação da resistência à compressão simples num corpo de prova cilíndrico de altura igual ou superior ao dobro de seu diâmetro.
 
Capítulo 3 – Descrição dos ensaios
Ensaio de Carga Pontual
 	O ensaio consiste na aplicação de uma tensão manual pontual através de um sistema hidráulico, sobre um corpo de prova. Pode ser realizado em amostras regulares (diametral e axial) e em amostras irregulares, sendo o diâmetro equivalente da amostra correspondente à distância entre as ponteiras dos cones de aplicação de tensão. Segundo AZEVEDO (2012), o ensaio não é recomendado para rochas brandas (<25 Mpa de resistência à compressão uniaxial), já que os cones podem penetrar no corpo de prova. O ensaio é realizado segundo as recomendações da ISRM (2007). Este ensaio apresenta algumas vantagens como simplicidade e rapidez de execução; baixo custo e o formato e tamanho das rochas podem ser quaisquer.
Teste de Durabilidade
O ensaio Slake Durability Test (SDT), proposto por Franklin e Chandra (1972) consiste em submeter as amostras de rocha à ciclos de umedecimento concomitante com rotação e depois secagem em estufa, com o objetivo de verificar a perda de peso após cada ciclo. É usado para estimar quantitativamente a durabilidade de rochas brandas (Silva, 2010). O índice de durabilidade obtido é justamente a resistência da rocha a esse desgaste.
Para realizar o teste de durabilidade deve-se primeiramente selecionar aproximadamente 10 fragmentos de rocha, cada um pesando entre 40 e 60 gramas, totalizando de 450 a 550 gramas. Os cantos das amostras devem ser retirados com o intuito de deixá-las mais arredondadas, conforme sugere a norma ISRM (1979). 
Ensaio de Propagação de onda
	O ensaio de propagação de onda quantifica a velocidade propagação das ondas longitudinais e transversais em um corpo de prova, utilizando-se da passagem de ondas ultrassônicas por meio de amostras cilíndricas de rocha. As ondas são transmitidas na rocha por meio de um transdutor piezelétrico localizado no topo da amostra até o transdutor de saída, na base da amostra. Segundo AZEVEDO (2002), a velocidade propagação de onda pode ser usada como índice para avaliar o grau de fissuramento da rocha. A ISRM (2007) recomenda que a realização do ensaio ocorra sobre corpos de prova que apresentem uma geometria que permita que a distância percorrida pela onda seja pelo menos 10 vezes o tamanho do grão meio da rocha.
Ensaio de Compressão Diametral ou Tração Indireta
O ensaio de compressão diametral também é conhecido como ensaio brasileiro ou tração indireta e tem como objetivo a determinação da resistência à tração de forma indireta, por meio da compressão diametral. Tratando-se do ensaio realizado em rochas, existe a norma internacional ASTM D 3967(American Society for Tests and Materials, 2008) que estabelece os componentes necessários para garantir que o ensaio ocorra corretamente, destacando-se equipamento de aplicação de carga e cabeçotes. O corpo de prova deve ser colocado em contato direto entre as peças e a aplicação da força deve ser distribuída em uma faixa ao invés de linearmente, para evitar as altas concentrações detensão que ocorrem nos pontos de contato com os cabeçotes, que pode provocar a ruptura precoce do corpo. 
Ensaio de Compressão Simples ou Uniaxial
O ensaio teve como objetivo a determinação da resistência à compressão simples num corpo de prova cilíndrico de altura igual ou superior ao dobro de seu diâmetro. Deve-se colocar o corpo de prova no centro da prensa e aplicar sobre ele uma força axial P que o levará à ruptura.
 
Capítulo 4 - Material e métodos
Ensaio de Carga Pontual
	Primeiramente, a amostra foi colocada entre as duas ponteiras cônicas metálicas. Em seguida, provocou-se tensão manualmente através do sistema hidráulico do equipamento, até o momento da ruptura (que ocorreu por tração e cisalhamento), como mostra a figura 1: 
Figura 1 - Ensaio de carga pontual após a aplicação da força
Por fim, registrou-se o valor da carga que provocou a ruptura para realizar o cálculo do índice de carga pontual, conforme a equação 1:
Onde:
Is é a resistência à compressão puntiforme (MPa);
P é a carga aplicada no momento de ruptura (MN) e
De é o diâmetro equivalente correspondente a uma seção circular com área igual à da seção transversal do corpo de prova ensaiado.
	Neste ensaio foi preciso utilizar uma equação de correção, pois o De do corpo de prova era diferente do padrão de 50mm. A resistência à compressão puntiforme corrigida consiste a multiplicação do fator de correção pela resistência Is obtida no ensaio, conforme as equações 2 e 3 a seguir:
Onde:
Is50 é a resistência à compressão puntiforme corrigida (Mpa);
F é fator de correção aplicado à situação.
Teste de Durabilidade
Primeiramente as amostras foram colocadas dentro do cilindro de teste cuja parede é uma rede metálica, que gira parcialmente imerso em água, segundo um eixo horizontal. O conjunto cilindro mais amostras foi pesado e registrado. Em seguida preencheu-se a calha com água destilada e iniciou-se o procedimento de rotação. A rotação do cilindro combinada com a presença de água fez com que a rocha sofresse desgaste, pois os fragmentos se chocam uns com os outros e também com o equipamento, enquanto que a água ajuda a desagregar as partículas. A rotação do cilindro foi de 20 rpm por um período de 10 minutos.
Em seguida, o cilindro mais as amostras foram retiradas da calha e colocados na estufa, sendo pesados novamente após a secagem. 
O índice de durabilidade (Id2) é dado pela relação entre a massa da amostra após a secagem e pela massa da amostra antes de se submeter ao ciclo e é obtido pela equação 4 abaixo:
Onde:
A é a massa inicial das amostras secas e do cilindro;
D é a massa final das amostras secas e do cilindro após o segundo ciclo;
C é a massa do cilindro.
Obtido o Id2, a durabilidade do material pode ser classificada conforme a Tabela 1.Tabela 1 - Classificação de durabilidade
Ensaio de Propagação de onda
	Inicialmente, conectou-se os cones e cabos de condução das ondas e mediu-se os parâmetros de massa (kg), altura (mm) e densidade (kg/mm³) do corpo de prova. Em seguida, entrou-se com os dados de input solicitados pelo programa, para que fossem geradas as ondas ultrassônicas. Por fim, observou-se a onda gerada e tomou-se nota das velocidades obtidas.
	Tecnicamente, a velocidade de propagação de onda na rocha está relacionada com as propriedades elásticas dos minerais constituintes e da densidade. Desta forma, se o equipamento é apto para gerar ondas longitudinais e também transversais, é possível estimar algumas características elásticas dinâmicas da matriz rochosa, tais como o módulo dinâmico de Young e de cisalhamento. Uma vez determinadas as velocidades de onda, as características elásticas dinâmicas podem ser obtidas conforme as equações 5, 6 e 7 a seguir (Zhao, 2008):
Onde:
Ed é o módulo de Young dinâmico (N/m²);
ρ é a densidade (kg/m³);
Vp é a velocidade de onda longitudinal ou primária (m/s)
Onde:
Gd é o módulo de cisalhamento dinâmico (N/m²);
ρ é a densidade (kg/m³);
Vs é a velocidade de onda transversal ou secundária (m/s)
Onde:
νd é o coeficiente de Poisson dinâmico.
	Formaintraux (1976) propõe determinar um índice que quantifica o grau de fissuramento na rocha por meio de um ábaco que relaciona o índice IQ e a porosidade (n) com o grau de fissuramento, conforme a figura 3:
Figura 2 - Gráfico para classificação do grau de fissuramento em amostras de rocha. In: Fourmaintraux, 1976. 
I - Sem fissuras; II - Levemente fissurada; III - Moderadamente fissurada; IV - Fortemente fissurada; V - Extremamente fissurada.
	
Sendo o índice IQ determinado por:
Onde:
Vp é a velocidade de onda longitudinal (m/s) e 
Vp* é a velocidade de onda longitudinal (m/s) se a amostra não tivesse poros ou microfissuras.
Tabela 2 - Valores típicos de Vp*
	ROCHA
	Vp* (m/s)
	Gabro
	7000
	Basalto
	6500-7000
	Calcário
	6000-6500
	Dolomita
	6500-7000
	Arenito e quartzo
	6000
	Rochas graníticas
	5500-6000
Ensaio de Compressão Diametral ou Tração Indireta
Colocou-se um corpo de prova cilíndrico de concreto de 5 centímetros de diâmetro e 10 centímetros de comprimento no equipamento, de forma a comprimi-lo diametralmente, exemplificado pela figura 3. Uma força axial (W) foi aplicada manualmente através do sistema hidráulico do equipamento até atingir o rompimento do corpo de prova.
Figura 3 - Representação da força atuante no ensaio brasileiro
 
Por fim, registrou-se o valor da carga que provocou a ruptura para realizar o cálculo de resistência à tração indireta calculada pela equação 9:
Onde:
σtração é a tensão de tração ao longo do diâmetro carregado
W é a carga máxima obtida no ensaio
D é o diâmetro do corpo de prova
L é o comprimento do corpo de prova
Ensaio de Compressão Simples ou Uniaxial
Primeiramente, colocou-se um corpo de prova cilíndrico de concreto de 5 centímetros de diâmetro e 10 centímetros de comprimento no equipamento de forma que o cilindro foi comprimido paralelamente em relação ao eixo longitudinal, como mostra a figura 4 abaixo.
Figura 4 - Representação da força atuante no ensaio uniaxial
Uma força uniaxial (P) foi aplicada manualmente através do sistema hidráulico do equipamento até que ocorreu a ruptura do corpo de prova. Este valor da carga de ruptura é utilizado para obter a resistência à compressão simples dada pela equação 10:
Onde:
σc é o valor da resistência à compressão simples
P é o valor da carga máxima de ruptura
Área é a área da base do corpo de prova ensaiado
Capítulo 5 - Resultados e discussão
Ensaio de Carga Pontual
Os índices obtidos com o ensaio foram:
Is = 2,05 MPa
P = 7,4 kN
Is50 = 2,23 Mpa
Desta forma, calculou-se o diâmetro equivalente De através da equação 1, obtendo-se o valor de:
De = 0,06m ou 60mm
Como o corpo de prova possuía diâmetro diferente de 50mm, foi aplicado o fator de correção baseando-se na equação 2. Assim:
F = 1,088
E por fim, com o uso da equação 3, o diâmetro final obtido foi de:
De = 60,307mm
Com os valores obtidos para Is50 e conforme a classificação de Goodman, pôde-se supor que o material ensaiado tratava-se de uma Gnaisse.
Teste de Durabilidade
Os resultados das pesagens obtidos antes e após o ciclo foram:
A = 1,804kg (0,504kg de amostras secas + 1,3kg do cilindro)
D = 1,802kg (0,502kg de amostras secas após o ciclo + 1,3 kg do cilindro)
C = 1,300kg (massa do cilindro)
	
Com esses dados, portanto, foi possível calcular o índice de durabilidade (Id2) através da equação 4, logo:
Id2 = 99,6%
Conforme a tabela 1, a durabilidade do material pôde ser classificada como sendo “extremamente alta”
Ensaio de Propagação de onda
Os parâmetros medidos do corpo de prova ensaiado foram peso = 0,0609 kg, ρ=2,96x10-3 gr/mm³, altura = 32 mm e largura = 28,6 mm. Ao entrar com estes dados no programa, observaram-se as ondas geradas e a velocidade primária obtida no valor de Vp = 341333 m/s no tempo de t = 0,22 µsegundos.
Uma vez determinada avelocidade primária de onda, o módulo de Young dinâmico pode ser calculado conforme a equação 5, obtendo-se o valor de:
Ed = 24,13 M (N/m²);
Como era desconhecido o parâmetro de porosidade da amostra utilizada, o índice de qualidade IQ neste ensaio não pôde ser calculado.
Figura 5 - Tela do programa do ensaio de propagação de onda.
Ensaio de Compressão Diametral ou Tração Indireta
Realizando o cálculo da resistência à tração indireta pela equação 9, com 0,88kN de carga axial máxima, 0,05m de diâmetro da base do corpo de prova e 0,1m de altura do corpo de prova, obteve-se o valor de 112,05 kPa.
σtração = 112,05 kPa
Ensaio de Compressão Simples ou Uniaxial
Realizando o cálculo da resistência à compressão simples pela equação 10, com 7,6kN de carga axial máxima e 0,05m de diâmetro da base do corpo de prova, obteve-se o valor da resistência à compressão simples de 3,87MPa.
σc = 3,87 MPa
Capítulo 6 – Conclusões
Os corpos de prova de concreto estudados possuem altos valores de resistência à compressão simples e baixos valores de resistência à tração indireta. Com o valor da resistência a compressão puntiforme concluiu-se que a amostra do ensaio era um gnaisse. Já o índice de durabilidade revelou que a durabilidade do material ensaiado era extremamente alta, aparentando ser pouco afetado pelas variações de ciclos de umedecimento-secagem, congelamento-degelo, e aquecimento-resfriamento que induzem variações nos níveis de tensão causando fadiga e ruptura do material. O índice de qualidade IQ não pôde ser calculado, pois era desconhecido o parâmetro de porosidade da amostra utilizada.
Tais parâmetros são fundamentais para analisar a correlação entre as propriedades mecânicas da rocha com sua utilização, pois assim pode-se assegurar que as atividades em superfície ou em profundidade realizadas serão feitas com segurança, prevendo possíveis problemas estruturais. Por exemplo, para a fundação de edifícios e estruturas em geral, há problemas associados à capacidade de suporte e o parâmetro de resistência a compressão simples, é essencial. 
Capítulo 7 – Bibliografia
Notas de práticas laboratoriais de Mecânica das Rochas – 2017.1
Azevedo, Izabel C. D, Marques, Eduardo A. G. Introdução à mecânica das rochas. 1.ed, p.15, p.50-76. Editora UFV. Viçosa, 2002.
Internet, <www.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0510741_09_cap_05.pdf.>. Acesso em 15/08/2017.