EMPREGO DE EXTENSOMETROS ELETRICOS DE RESISTENCIA PARA INSTRUMENTAÇÃO DE ESTACAS METALICAS

Prévia do material em texto

Emprego de Extensômetros Elétricos de Resistência para 
Instrumentação de Estacas Metálicas 
 
Paulo José Rocha de Albuquerque 
Unicamp, Campinas, Brasil, pjra@fec.unicamp.br 
 
Eduardo Oliveira Melo 
Unicamp, Campinas, Brasil, edu.melo@gmail.com 
 
RESUMO: Este trabalho tem como finalidade apresentar os estudos iniciais executados em 
laboratório com um perfil metálico de 30 cm de comprimento instrumentado na alma e mesa, 
empregando ligações do tipo ponte completa, 1/2 ponte e 1/4 de ponte. Após a instrumentação o 
perfil foi carregado axialmente à compressão, obtendo leituras das deformações para cada 
incremento de carga. Os resultados obtidos indicaram que o posicionamento do strain-gage (mesa 
ou alma) não influenciou os resultados, porém este fato não foi observado quando se varia o tipo de 
ligação. Desta forma, entende-se que é de suma importância para um bom funcionamento da 
instrumentação, que se estude detalhadamente o tipo de ligação a ser empregada, tendo em vista os 
custos envolvidos neste tipo de trabalho, bem como a mobilização da obra para a realização de uma 
prova de carga. 
 
PALAVRAS-CHAVE: instrumentação, perfil metálico, carregamento à compressão 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A engenharia de fundações busca 
incessantemente conhecer o comportamento de 
fundações profundas em termos de transferência 
de carga, para isso, pode-se utilizar dentre 
várias técnicas, o emprego de extensômetros 
elétricos de resistência (strain-gage). Quando 
esta técnica é empregada em estacas de 
concreto, o processo é simples, pois em geral, 
instala-se a instrumentação nas fases de pré ou 
pós concretagem. No caso de estacas metálicas, 
deve-se executar anteriormente ao processo de 
cravação, pois não é possível instrumentar após 
sua cravação, o que torna o processo mais 
cuidadoso e com maior probabilidade de falhas, 
devido aos possíveis danos nos sensores que 
podem ocorrer no processo de execução. 
 No Brasil existem poucos trabalhos foram 
publicados a respeito da técnica de instrumentar 
estacas metálicas, alguns datados de meados da 
década de 1990. Com o aumento do emprego de 
perfil metálico em fundações, projetistas e 
consultores tem buscado conhecer o 
comportamento deste tipo de fundação com o 
objetivo de otimizar os projetos, tornando-se 
assim necessário estudar com mais afinco a 
instrumentação de perfil metálico. Para isso 
desenvolveu-se este trabalho, que faz um estudo 
preliminar da instrumentação em uma peça 
metálica (perfil) fixando extensômetros 
elétricos em distintos pontos (alma mesa), além 
de avaliar os tipos de ligação empregados. 
 
 
2 EXTENSÔMETROS ELÉTRICOS 
 
Os extensômetros elétricos, também chamados 
“Strain Gages” não são dispositivos recentes, 
têm-se conhecimento de extensômetros desde a 
década de 30 (Hoffman, 1989). Basicamente os 
extensômetros são constituídos de uma 
resistência elétrica tênue, com dois terminais, 
montados sobre um suporte, que serve como 
isolante, podendo ser constituído de papel ou de 
resina plástica, e coberto por uma capa de feltro 
ou de mesmo material do suporte. 
 Os extensômetros elétricos são instrumentos 
sensíveis que transformam pequenas 
deformações sofridas em variações equivalentes 
de sua resistência elétrica. Sua utilização 
constitui um meio de se medir e registrar o 
fenômeno da deformação como sendo uma 
grandeza elétrica. A partir da deformação 
longitudinal do strain gage, transforma-se em 
sinal elétrico, que depois de captado e 
decodificado é traduzido em deformação linear. 
Existem vários tipos de extensômetros: de 
indutância e de capacitância, assim como os 
piezoelétricos que não tiveram o mesmo 
sucesso obtido pelos extensômetros de 
resistência. Estes apresentam a mais 
considerável contribuição ao desenvolvimento 
da medida das deformações. Na figura 1 pode-
se observar alguns tipos de strain gages. 
 
 
 
Figura 1. Tipo de rosetas (Kyowa, 2014). 
 
Os extensômetros elétricos de resistência 
atuais são os de fio e de lâmina. São feitos por 
um metal condutor de eletricidade, possuindo 
grande sensibilidade às deformações. Ao 
contrário do extensômetro de carbono, estes não 
apresentam sensibilidade às variações de 
temperatura, de umidade e influência do tempo. 
Os do tipo elétrico são empregados na 
determinação de diferentes estruturas tais como: 
pontes, máquinas, aviões, automóveis, 
locomotivas, navios e associados a transdutores 
possibilitam a medição de pressão, tensão, 
força, aceleração e outros instrumentos de 
medidas, que são usados em campos que vão 
desde a análise experimental de tensão até a 
investigação e prática médicas e cirúrgicas. 
Todos os materiais sofrem deformações 
quando sujeitos a esforços. O conhecimento dos 
esforços internos é de grande importância, pois 
é através deles que se dimensionam as 
estruturas. A característica tensão vs 
deformação dos materiais estruturais, tais como 
o aço, é hoje suficientemente bem 
compreendida para a maioria das aplicações 
práticas e pode ser determinada em laboratório 
com razoável grau de confiança. 
A deformação depende da tensão aplicada e 
das limitações do material do corpo solicitado. 
Características do material como limite de 
resistência, limite de proporcionalidade, limite 
de escoamento são representadas por tensões. 
As deformações, que são causadas pela 
atuação de cargas ou outras influências externas 
ou pelo seu peso próprio, podem ser medidas 
com extensômetros, tais como a distorção, que é 
uma variação angular, embora com certa 
complexidade comparando-se com a medida de 
deformação linear. Como a maior parte dos 
processos de cálculos baseiam-se nas tensões, 
torna-se necessário transformar o efeito das 
deformações, que podem ser medidas, em 
tensões. A deformação total em qualquer 
direção é composta por três parcelas: 
deformação causada pela variação de 
temperatura; deformação pelo efeito de Poisson 
e a deformação primária relacionada como a 
tensão naquela direção. 
Como o dispositivo é colado na superfície e 
conforme a peça se deforma, o valor da sua 
resistência elétrica altera proporcionalmente, 
então seu maior problema passa a ser a 
umidade. Porém, as técnicas de colagem e 
impermeabilização protegem esses 
extensômetros contra a umidade e garantem a 
permanência do zero. 
A sensibilidade à variação de temperatura é 
um dos mais importantes fatores a serem 
considerados no uso do strain gage por dois 
fatores principais: a diferença de alongamento 
existente entre a peça, o suporte da grade e a 
grade propriamente dita e a variação de 
resistividade com a temperatura. 
À medida que a temperatura varia durante a 
medição das deformações, variando também os 
resultados. A variação da temperatura 
influencia a expansão linear do material e do fio 
do extensômetro e também a variação da 
resistência específica do fio. Tem-se a 
expressão 1: 
 
∆� � ���∆� (1) 
 
Que servirá tanto para a expansão livre do 
extensômetro quanto para o material. Sendo 
que: 
∆� = variação de comprimento tanto do fio 
do extensômetro, quanto do corpo de prova; 
�� = comprimento inicial; 
� =coeficiente de dilatação do material ou 
coeficiente de resistividade; 
∆� = variação da temperatura. 
 
Para minimizar os efeitos da variação da 
temperatura é possível utilizar dois tipos 
distintos de montagem dos strain gages nas 
pontes resistivas: montagem de dois cabos 
(meia ponte) e a montagem de três cabos (1/4 
de ponte). 
A deformação aplicada ao extensômetro 
deve ser tanto quanto possível, a mesma que a 
da peça a ser examinada. Pode-se calcular a 
deformação da peça sabendo a resistência e o 
coeficiente de sensibilidade que são dados pelo 
fabricante. 
 
� �
∆�
�
�
∆	 	⁄
�(2) 
 
Primeiro mede-se a resistência inicial do 
extensômetro, depois se torna a medir essa 
resistência; a subtração das duas tem-se ∆�. 
Assim, resolvendo a equação 2, obtem-se a 
deformação. Essas variações de resistência são 
muito pequenas, não possibilitando a medida 
com ohmímetro convencional. Contudo, existe 
um circuito elétrico, conhecido por Ponte de 
Wheatstone, que pode cumprir essa função. 
A Ponte de Wheatstone basicamente possui 
quatro resistores, sendo ligados em série dois a 
dois e posteriormente ligados em paralelo, que 
estão conectados a uma bateria ou fonte de 
corrente e um galvanômetro. Desta forma, 
fazendo-se a conexão do extensômetro na Ponte 
de Wheatstone pode-se medir com grande 
precisão pequenas variações em sua resistência 
elétrica. 
Nas figuras 2 a 6 observa-se alguns tipos de 
ligações que podem ser efetuadas. 
 
 
Figura 2. Ligação 1/4 de ponte - 2 fios (Paulino, 2011) 
 
 
Figura 3. Ligação 1/4 de ponte - 3 fios (Paulino, 2011) 
 
 
Figura 4. Ligação 1/2 de ponte - ativo / passivo (Paulino, 
2011) 
 
 
Figura 5. Ligação 1/2 de ponte - ativo / ativo (Paulino, 
2011) 
 
 
Figura 6. Ligação ponte completa (Paulino, 2011) 
 
A partir dos variados tipos de ligações que se 
podem fazer, sua escolha dependerá do tipo de 
sinal que se deseja obter. Dependendo do tipo 
de ligação que se faz, obtem-se esforços axiais, 
momento, torção e temperatura. Porém, se 
houver falha no esquema de ligação, corre-se o 
risco de se obter uma somatória de sinais, como 
por exemplo: axial e momento ou axial e 
temperatura. Sendo assim, a leitura obtida não 
representará as deformações que estão sendo 
submetidas à peça. De uma forma geral, pode-
se dizer que uma ligação em 1/4 de ponte 
obtem-se uma somatória de esforços axiais, 
momento e temperatura, este último pode ser 
corrigido se utilizar a técnica de três fios. No 
caso de 1/2 ponte pode-se obter a soma de 
momento e axial, eliminando neste caso o efeito 
de temperatura. Porém, no caso de ponte 
completa, eliminam-se os efeitos advindos do 
momento e temperatura. 
Outro fator que deve avaliar quando se 
utiliza 1/4 de ponte é a questão do desvio de 
linearidade (figura 7). 
 
 
Figura 7. Posicionamento dos strain-gages. 
 
Hoffman (1989) mostra que neste tipo de 
ligação existe um desvio de linearidade no 
trecho inicial e final de um ciclo de 
carregamento. Este fator é importante e deve ser 
considerado em consideração no planejamento 
do processo de instrumentação 
A histerese também deve ser avaliada no 
processo de instrumentação. Ela é caracterizada 
pelo erro de um transdutor que surge quando se 
faz leituras de carga e descarga. Geralmente 
uma mesma carga lida no sentido descendente 
(descarregamento) é maior que a sua 
equivalente no sentido do carregamento (Figura 
8). 
 
 
Figura 8. Posicionamento dos strain-gages. 
 
 
3 MATERIAL E MÉTODO 
 
3.1 Instrumentação 
 
Neste trabalho utilizaram as ligações em ¼ de 
ponte, meia ponte e ponte completa, em que se 
fixaram os strain-gages nas abas e alma do 
perfil, sempre em sua meia-altura. No caso da 
ligação em meia ponte, fixou-se dois 
extensômetros, sendo um externo ativo e outro 
compensador (sem carga). Na fixação em ponte 
completa, fez-se uma perfuração na alma do 
perfil (φ = 3 mm) para a passagem da fiação e 
montagem da ponte. Este tipo de ligação foi 
executado somente na alma do perfil. Utilizou-
se um perfil W 150 x 22,5 (H) com 30 cm de 
comprimento. 
 Para as ligações em meia ponte e 1/4 de 
ponte (três fios) utilizou strain-gages uniaxiais 
de 10 mm de comprimento de grade e para a 
ponte completa strain-gages do tipo roseta 90º 
com comprimento de grade de 5 mm. Na Figura 
9 pode-se observar a posição em que foram 
colados os sensores. 
 
-100
-80
-60
-40
-20
0
+20
+40
+60
+80
+100
-0,3 -0,2 -0,1 0 +0,1 +0,2 +0,3
Desvio Linear
U
 
/ U
 
 
(m
V
/V
)
A
B
∆R / R (Ω / Ω)0
 
Figura 9. Posicionamento dos strain-gages. 
 
Anteriormente a fixação dos strain-gages na 
peça procedeu-se a preparação da superfície de 
colagem com a retirada de irregularidades por 
meio de lixas Nº 80, 120 e 180, até que se 
obtivesse uma região apropriada. Em seguida 
foi feita a marcação dos eixos de 
posicionamento e em seguida a limpeza da área 
por meio de acetona PA com auxílio de gaze, 
limpando várias vezes o mesmo local para 
desengordurar e eliminar qualquer resíduo. 
Em seguida, procedeu-se o posicionamento 
do strain-gage com o auxílio de uma pinça, que 
em seguida foi fixado à peça com uma fita 
adesiva transparente. Após esta etapa, 
adicionou-se uma gota de cola (cianocrilato) na 
base do extensômetro para assim fixá-lo na 
posição desejada. 
Depois da secagem da cola, a fita adesiva foi 
retirada com cuidado, sempre a favor dos 
filamentos para não danificá-los. Em seguida, 
mediu-se a resistência elétrica do strain gage 
para verificar se não foi danificado durante a 
colagem. Na parte inferior dos fios de ligação 
foi colocada fita isolante para proteção quanto à 
interferência elétrica. Mesmo procedimento foi 
executado na peça externa metálica 
(compensadora) para a conexão em meia ponte. 
Para a ligação dos strain gages utilizaram-se 
cabos AWG 26. Esse cabo foi ligado aos gages 
por meio de solda de estanho e fixado no perfil 
por meio de cola e fita isolante para que não 
houvesse risco de dano no manuseio. 
 
 
3.2 Carregamento 
 
Finalizadas as etapas, a peça foi levada a uma 
prensa para carregamento axial à compressão. 
Tomou-se o cuidado para que não houvesse 
risco de carregamento excentrico. Na figura 10 
pode-se observar a peça posionada no eixo da 
máquina. 
 
 
Figura 10. Carregamento do perfil. 
 
 Os carregamentos foram executados de tal 
forma que o aço mantivesse em seu regime 
elástico. A carga máxima do ensaio foi de 
300kN, com incrementos de carga de 30kN. 
Para carga estágio de carga foram realizadas 
leituras de deformação, inclusive no 
descarregamento, para verificação da histerese. 
Foram realizados cinco ciclos de carga e 
descarga. Utilizou-se o sistema de leitura 
QUANTUM 840X-HBM que permitiu fazer a 
coleta simultânea das leituras (Figura 11). 
 
 
Figura 11. Equipamentos do sistema de aquisição de 
dados 
 
 
4 RESULTADOS E ANÁLISES 
 
A partir dos dados coletados pelo sistema de 
aquisição de dados, foi possível obter os 
gráficos tensão vs deformação (médios) para 
PONTE COMPLETA
MEIA PONTE1/4 PONTE
MEIA PONTE
todos os tipos de instrumentação (Figura 12). 
Na tabela 1 são apresentados os valores dos 
módulos de elasticidade, desvio padrão e 
coeficiente de variação. 
 
 
Figura 12. Gráficos tensão vs deformação. 
 
Tabela 1. Parâmetros obtidos em cada tipo de ligação. 
Tipo ligação 
E 
(GPa) 
Sd 
(GPa) 
CV 
(%) 
Ponte completa 217,3 7,81 3,6 
1/2 ponte (alma) 223,2 14,8 6,6 
1/2 ponte (mesa) 226,8 15,2 6,7 
1/4 ponte (alma) 259,4 49,7 19,1 
1/4 ponte (mesa) 272,3 61,7 22,7 
E = módulo de elasticidade (média), Sd = desvio padrão, 
CV = coeficiente de variação 
 
 A partir dos resultados apresentados na 
tabela 1 verificou-se que a ligação que 
apresentou melhor resposta foi a ponte 
completa, seguida da meia ponte. Estes 
resultados são corroborados por meio da análise 
dos valores dos módulos de elasticidade, bem 
como pela variabilidade dos resultados. 
 Pode-se observar também que o 
posicionamento dos strain-gages na alma ou na 
mesa não alteram os resultados das 
deformações. 
 Cabe ressaltar que as ligações e colagem 
foram realizadas em laboratório, com o máximo 
controle no processo de instrumentação. 
 
 
5 CONCLUSÃO 
 
Esta pesquisa teve a finalidade de avaliar os 
tiposde ligações e o posicionamento dos strain-
gages em um perfil metálico. A partir dos 
resultados conclue-se que: 
 
- O tipo de ligação que se executa neste tipo de 
elemento estrutural é de suma importância ao 
funcionamento da instrumentação; 
- O posicionamento do strain-gage na peça não 
influencia os resultados; 
- O processo de colagem deve ser cuidadodo 
para que evite ao máximo a perda do sinal; 
- Anteriormente ao início de qualquer processo 
de instrumentação, deve-se fazer um 
planejamento do processo, o que inclui o tipo de 
ligação mais adequada ao tipo de sinal que se 
deseja obter. A negligência desta etapa pode 
incorrer em erros irreparáveis nos sinais de 
leitura, que não poderão ser corrigidos ou 
ajustados após ensaio. 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Os autores agradecem às agências FAPESP e 
FAEPEX (Unicamp) pelo financiamento e 
apoio a essa pesquisa, e da Gerdau Açominas 
pelo apoio à pesquisa. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
Hoffmann, K. (1989). An introduction to measurements 
using strain gages. HBM editor. Alsbach, Germany. 
273 p. 
Kyowa (2014). Strain Gages - Virtual Catalogue. 
<https://www.kyowaei.co.jp/en/download/detail?id=1
864. Acesso em: 23 jun. 2014. 
Paulino, H. L (2011). Aplicação de strain gages rosetas 
na análise experimental de tensões. Campinas. 80 p. 
 
 
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0,000% 0,005% 0,010% 0,015% 0,020% 0,025% 0,030% 0,035% 0,040%
PONTE COMPLETA_PERFIL MEIA PONTE_ALMA
MEIA PONTE_MESA 1/4 PONTE - ALMA
1/4 PONTE - MESA
TE
N
SÃ
O
(M
Pa
)
DEFORMAÇÃO