Registro metrológico de desenvolvimento de deformação em concreto de desempenho ultra-alto (UHPC) em uma célula de teste triaxial

1. Introdução e Motivação

O concreto de ultra-alto desempenho (UHPC) é um concreto novo, muito denso estruturalmente, com alta resistência de até 250 N / mm2, semelhante ao aço. É até dez vezes mais resistente do que o concreto comum e exige conceitos de design inovadores, que se assemelham mais à construção leve do que à construção tradicional de concreto.

As vantagens materiais e qualidades especiais do UHPC em relação ao concreto normal, produzem soluções estruturais que se caracterizam por um peso intrínseco significativamente menor e por "estruturas abertas". Este tipo de estrutura é muito mais suscetível à excitação dinâmica e carregamento de fadiga do que as construções de concreto normais.

Como, em estruturas UHPC, tensões predominantemente uniaxiais ocorrem em componentes em forma de haste e tensões multiaxiais em componentes compactos e ao introduzir forças concentradas, é o objetivo de um projeto de pesquisa apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) como parte de uma prioridade programa, para investigar analiticamente e por experimento, o comportamento de fadiga de UHPC sob carregamento uniaxial e triaxial.

Os parâmetros para um modelo mecânico tridimensional para UHPC com dano anisotrópico devem ser definidos analisando os principais testes de meridiano (a tensão rotacionalmente simétrica e os estados de deformação).

2. Modelo mecânico tridimensional para UHPC

2.1. Fundamentos

A análise numérica de estruturas de suporte de concreto e concreto armado com programas FEM requer modelos mecânicos adequados, que podem descrever de forma realista a resposta não linear do material, a formação de fissuras e danos progressivos e os estados de falha potenciais.

Uma visão geral detalhada dos modelos desenvolvidos para a descrição matemática da resposta não linear do material para concreto de resistência padrão pode ser encontrada em [Grünberg / Göhlmann-2005].

O envelope de fratura é geralmente descrito geometricamente como uma função dos invariantes I1, J2 e J3 [Chen-1982]. I1 representa o estado de tensão hidrostática, enquanto J2 e J3 são expressos por componentes do desviador de tensão.

A formulação nas coordenadas de Haigh-Westergaard ξ, ρ e θ é útil. Qualquer estado de tensão σ é descrito pelo componente de tensão hidrostática ξ, a tensão do desviador ρ e o ângulo do desviador θ (ver Figura 1).

2.2. Modelo Trifásico para UHPC

Os modelos de falha tradicionais têm uso limitado apenas para concreto de desempenho ultra-alto. É por isso que o modelo trifásico foi listado e desenvolvido para UHPC [Grünberg et al.-2007]. Neste modelo, as respostas do material frágil e dúctil são descritas pelas curvas características dos meridianos principais, em particular o meridiano compressivo dos envelopes de fratura.

Com o carregamento uniaxial, o concreto de ultra-alto desempenho é marcado por rupturas frágeis tanto com tração quanto com compressão. Essa característica não é alterada com a adição de fibras. É de se esperar que esta fragilidade modifique substancialmente as curvas meridianas de tração e compressão. Para desenvolver o modelo mecânico tridimensional de UHPC com dano anisotrópico sob carga multiaxial, é necessário conhecer essas curvas meridianas de compressão e tração (ver Figura 1, à direita).

 

Fig. 1: Envelope de fratura, mostrado nas coordenadas Haigh-Westergaard (topo) e o modelo trifásico para UHPC na seção do meridiano principal

Os principais estados de tensão dos meridianos são particularmente interessantes para o modelo trifásico que foi desenvolvido. Estes são os estados de tensão com carga predominantemente compressiva na direção axial e os estados de tensão transversal rotacionalmente simétrica.

Para determinar os parâmetros necessários, investigações experimentais estáticas e dinâmicas uniaxiais e triaxiais estão sendo realizadas no Institut für Massivbau (Instituto de Construção de Concreto) da Universidade de Leibnitz em Hanover.

3. Investigações Experimentais

3.1. Testes de compressão de meridianos

O meridiano de compressão é particularmente importante para a aplicação, porque é onde as relações de tensões relevantes para a prática de construção devem ser encontradas. As relações de tensões produzidas pela superposição de uma carga compressiva hidrostática baixa com uma carga compressiva alta na direção axial são investigadas na célula de teste triaxial. Essas relações de tensão investigadas são encontradas no meridiano de compressão e, portanto, acima da resistência uniaxial. No concreto, mesmo um carregamento de baixa pressão transversal pode resultar em um claro aumento da resistência axial do rolamento.

As investigações foram realizadas em corpos de prova cilíndricos UHPC = 60 mm). Foi usada a "mistura M2Q" de ∅ (h = 180 mm, Programa Prioritário DFG 1182 "Construção sustentável com UHPC" [Schmidt-2008]. A força de fcm = 198 MPa foi alcançada nas investigações uniaxiais comparativas.

3.2. Célula de teste triaxial e instrumentação

Células de teste triaxial já foram usadas muitas vezes para determinar a resistência estática multiaxial do concreto [Dahl-1992], [Rogge-2002]. Mas o campo de aplicação mais importante, de longe, é a engenharia geotécnica e a mecânica das rochas. A vantagem deste aparelho de teste é que a carga de pressão transversal é aplicada ao corpo de prova hidraulicamente, sem evitar a deformação na direção axial.

Sistemas de vedação especiais e um controle específico para o carregamento sincronizado de fase da amostra foram necessários para as investigações dinâmicas pretendidas aqui. A célula de teste triaxial DBTA60-100-RT-DYN (Figura 2), projetada para carregamentos dinâmicos de até 5 Hertz, foi desenvolvida em cooperação com o fabricante.

Fig. 2: Célula de teste triaxial dinâmica DBTA60-100-RT-DYN

A câmara de pressão é vedada contra o selo de carga superior por uma vedação escalonada colocada no fechamento superior. A força axial é aplicada por um cilindro de 1 MN de um quadro de carga universal existente. A pressão transversal é gerada diretamente pelo dispositivo de teste servo-hidráulico e é acionada, com sincronização de fase com a frequência de carregamento de 5 Hertz, pelo controle multicanal PCS 8000 da Walter & Bai. Uma manga de amostra de borracha nitrílica butadieno com 3 mm de espessura protege a amostra de teste UHPC do óleo.

Como a câmara de pressão de óleo é muito grande, também é possível colocar tecnologia de medição adicional diretamente no corpo de prova, no óleo circundante (consulte a seção 3.2.3).

Os sinais de medição podem ser retirados do vaso de pressão por um total de 8 condutores elétricos de 4 fios. A célula de teste é projetada para pressões de óleo de até 1000 bar. O volume de óleo na célula pode ser reduzido de aprox. 8 litros a aprox. 1,5 litros com o auxílio de embalagem especial de alumínio, para que um carregamento sinusoidal "adequado" possa ser implementado também no sentido transversal.

3.2.1. Aquisição de equipamento de teste e medição

A célula de teste triaxial foi instalada na bancada de teste servo-hidráulica existente (Figura 3), integrada ao novo sistema de controle e conectada ao amplificador.

A integração dos componentes individuais do fabricante (célula de teste triaxial, hidráulica e tecnologia de controle e medição) em uma bancada de teste com sequências de teste simples é um desenvolvimento interno do Instituto de Construção de Concreto da Universidade de Leibnitz, em Hanover.

Fig. 3: Célula de teste triaxial na plataforma de teste

Alguns dos canais de medição também são relevantes para o controle. Portanto, é necessário primeiro registrar esses canais (pressão do cilindro, LVDTs, extensômetro circunferencial) com o sistema de controle PCS-8000 e, em seguida, no mesmo tempo de controle (0,125 ms), transferi-los para o amplificador, novamente através da saída analógica módulos (0-10 V). Este desvio não é necessário para o transmissor de pressão (pressão transversal) e os sensores de distância a laser, pois o sinal de tensão para ambos os sistemas pode ser medido em paralelo.

Para permitir o registro de um número suficiente de canais de medição, três amplificadores universais do tipo QuantumX MX840B da HBM foram colocados em cascata até um total de 24 canais de medição disponíveis. Este amplificador também suporta excitação em ponte completa de frequência portadora (CF) e, portanto, é protegido contra interferência eletromagnética. Os valores medidos são visualizados, calculados de forma cruzada e registrados no PC usando catman Easy, também da HBM.

Para a frequência de carregamento de 5 Hz, uma taxa de dados do canal de 200 S / s foi selecionada e filtrada em tempo real com Bessel / 20 Hz para que o sistema de controle também receba um sinal suave. Essa taxa de amostragem também permite que os picos sejam registrados com uma resolução apropriada, enquanto mantém o volume de dados acumulado de testes mais longos (até 1,5 bilhão de ciclos de carga) em um tamanho razoável e em diferentes formatos (bin, ASCII). Medidores de tensão e sensores de temperatura foram adquiridos exclusivamente pela QuantumX. O arranjo modular do sistema permite uma escala elegante para muitos testes diferentes em nosso laboratório.

A Figura 4 mostra um diagrama da configuração do teste com a célula de teste triaxial, instrumentação e sistema de controle. e aquisição de medição.

Fig. 4: Esquema do sistema: célula de teste triaxial, instrumentação, sistema de controle e amplificador

Mais detalhes sobre a instrumentação usada e suas qualidades especiais são fornecidos nas seções abaixo.

3.2.2. Tecnologia de medição fora da célula de teste triaxial

O cilindro de teste servo-hidráulico PZ-D 1000/600 da Walter & Bai, que foi usado para carregamento axial, tem um curso de pistão máximo de 250 mm e pode aplicar uma carga de até 1 MN. O deslocamento do cilindro é registrado por um transdutor de deslocamento indutivo LVDT WA200 da HBM, com uma faixa de medição de ± 200 mm. A célula de carga entre o cilindro e a tampa esférica possui uma faixa de medição de ± 1000 kN.

Fig. 5: Tecnologia de medição fora da célula de teste triaxial

Um transdutor de pressão P2VA1 (D-1) aparafusado na célula de teste triaxial de fora na área superior da câmara de pressão, registra a pressão do óleo (até 1000 bar) e retorna um sinal de tensão (0,5-10 V). Para alguns dos testes, um transdutor de pressão absoluta P5MA adicional (D-2), com uma faixa de medição de até 500 bar, foi usado na entrada da célula inferior. Este sinal de medição foi adquirido diretamente pelo amplificador QuantumX. Por um lado, isso significava que o sinal de medição do transdutor de pressão poderia ser monitorado (redundância) e, por outro lado, que este segundo sensor de pressão poderia ser usado para verificar se uma mudança de fase ocorre na câmara de pressão durante o carregamento dinâmico.

A distância entre a bancada de teste com a célula de teste triaxial completa e a tampa do cilindro esférico é registrada por três sensores de distância a laser, L − 1 a L − 3. Os sensores utilizados têm uma faixa de medição entre 16 e 26 mm, com resolução de 5 µm, e retornam um sinal de tensão (0-10 V) para esta faixa. A vantagem dos sensores de distância a laser, especialmente em investigações dinâmicas, é que eles não têm componentes mecânicos e, portanto, também podem suportar um grande número de ciclos de carga sem desgaste. As deformações medidas pelos sensores de distância a laser incluem não apenas a deformação pura do corpo de prova, mas também o conteúdo de deformação dos selos de carga superior e inferior, bem como os efeitos não lineares da inicialização.

Para excluir este conteúdo de deformação adicional e às vezes não linear, a instrumentação deve ser colocada diretamente no corpo de prova, no óleo.

3.2.3. Tecnologia de medição dentro da célula de teste triaxial

As deformações longitudinais e transversais são medidas diretamente no corpo de prova, usando um extensômetro circunferencial no centro do cilindro de amostra e três transformadores diferenciais, cada um deslocado em 120 °.

Outra forma de registrar o desenvolvimento da deformação é a utilização de extensômetros (SG), aplicados ao corpo de prova UHPC. O aspecto especial aqui é que os strain gages são diretamente expostos a uma pressão ambiente de até 1000 bar.
Oito passagens elétricas à prova de pressão (Lemo S0 4 de 4 pinos) na tampa da célula permitem que você seja flexível quanto ao uso de diferentes instrumentos de medição na célula.

Transdutores de deslocamento indutivo em um circuito de transformador diferencial (LVDT)

Um dispositivo de fixação para três LVDTs, LVDT – 1 a LVDT – 3, permite que a deformação axial da amostra seja medida muito perto do corpo de prova. De acordo com o fabricante, os LVDTs podem ser usados em pressões de óleo de até 1000 bar e possuem faixa de medição de ± 5 mm. O anel de fixação está próximo ao corpo de prova, no carimbo de carga superior, e tem um retentor magnético para o êmbolo, em incrementos de 120 °, para proteger o LVDT, caso a faixa de medição seja excedida (ver Figura 6, esquerda).

Fig. 6: Configuração interna da célula de teste triaxial e instrumentação

Extensômetro circunferencial

O extensômetro circunferencial é projetado para uso em vasos de pressão, tendo como meio de pressão óleo mineral (até 1350 bar), e permite a medição de alterações na circunferência da amostra cilíndrica de concreto. O extensômetro é conectado diretamente à amostra por uma corrente de alta precisão de rolos especiais. A unidade completa é automaticamente mantida pelas molas integradas.

O ponto zero é facilmente ajustado por um parafuso de ajuste mecânico. A faixa de medição do clipe, que tem um princípio de medição baseado em uma ponte completa do extensômetro, é de 12 mm no total (-2 mm a +10 mm). Um dispositivo de quebra evita a destruição do extensômetro, caso o corpo de prova fratura repentinamente.

Para evitar que os resultados da medição sejam falsificados pela manga de amostra MBR elástica, um tubo de fluoropolímero muito fino e transparente foi usado para testes com o extensômetro circunferencial na área central da amostra de teste (ver Figura 6, à direita).

Strain gauges

Considerando que todos os métodos de medição descritos anteriormente representam a medição integral ao longo de toda a circunferência e altura da amostra, extensômetros podem ser usados ​​para observar o desenvolvimento local da deformação. É importante notar aqui que, ao usar medidores de tensão, a preparação da amostra de teste e a incorporação na célula são consideravelmente mais demoradas e dispendiosas.

Os strain gages LY41-20 / 120 da HBM, com um comprimento de grade de medição de 20 mm, são usados ​​aqui. São aplicados sobre o concreto com cola X60, após uma leve rugosidade e limpeza da superfície. Terminais de solda (LS 5) também são usados, pois os cabos de conexão serão carregados mais pesadamente quando o corpo de prova for inserido na manga MBR. Até três strain gages podem ser posicionados verticalmente (SG-l) e horizontalmente (SG-t), conforme necessário. Os cabos de conexão passam dentro da manga de amostra e alcançam a câmara de óleo na extremidade superior da manga (Figura 7).

A ponte ¼ ativa é estendida a meia ponte por um extensômetro de compensação. O extensômetro de compensação também está localizado em um espécime UHPC na câmara de pressão cheia de óleo da célula. Durante os testes, ambos os strain gages são igualmente aquecidos pelo óleo que circula ao seu redor. Testes preliminares mostraram que a pressão transversal tem muito pouca influência nos valores medidos. A medição do extensômetro funciona de forma muito confiável em testes estáticos, mas com o carregamento de pressão transversal dinâmica, há um número crescente de falhas do extensômetro (consulte a seção 3.2.5), causadas pelos pequenos vazios de ar perto da superfície, abaixo dos extensômetros , que não estava visível anteriormente (consulte a Figura 7, à direita).

Fig. 7: Amostra de teste com strain gauges aplicados

Sensores de temperatura

Um sensor Pt100 encapsulado (termômetro de resistência) foi utilizado como sensor de temperatura para registrar a temperatura do óleo na câmara de pressão. O carregamento dinâmico faz com que o óleo na câmara de pressão aqueça até aprox. 50 ° C. Um outro sensor Pt100 registrou a temperatura ambiente ao lado da célula de teste triaxial na bancada de teste. O resistor foi estendido para meia ponte para conexão com o amplificador.

3.2.4. Resultados de testes estáticos

Os testes estáticos sempre seguiram o mesmo padrão. Em uma primeira etapa, o estado de tensão hidrostática foi aumentado até que a pressão transversal desejada (aqui 200 bar = 20 N / mm²) fosse atingida, então o carregamento na direção axial progrediu com um avanço constante do cilindro, até a fratura (aqui 287,1 N / mm²) ) A tensão axial e a pressão transversal ao longo do tempo são mostradas na Figura 8.

Fig. 8: Curvas de tensão axial e transversal

Após a instalação inicial da bancada de teste, uma extensa série de testes foi realizada com extensômetros instalados em paralelo (ao longo e transversalmente), LVDTs, extensômetros circunferenciais e sensores de distância a laser. A Figura 9 (esquerda) mostra as deformações axiais e transversais determinadas pelos extensômetros na amostra de teste UHPC. Como comparação, observe à direita da Figura 9 as deformações axiais determinadas a partir dos LVDTs e a deformação transversal definida pelos extensômetros circunferenciais. Os valores medidos dos LVDTs foram reduzidos pelo cálculo da deformação do aço do carimbo de carga.

Fig. 9: As curvas de deformação dos extensômetros (esquerda) e LVDTs (direita)

Ambos os métodos de medição produziram virtualmente a mesma tensão axial na fratura (εB ≈6,8 0/00). Com os LVDTs, um pequeno efeito de inicialização não linear é perceptível após o início da carga hidrostática inicial. Isto é o resultado dos selos de carga superior e inferior pressionando contra o corpo de prova. Os strain gages registram puramente a deformação da amostra de teste.

As medições de deformação com os sensores de distância a laser (Figura 10) entre a bancada de teste e a plataforma de força do cilindro axial incluem muito mais influências da configuração do teste. Isso inclui o conteúdo elástico do carimbo de carga de aço e o conteúdo de deformação linear da configuração de teste, bem como o conteúdo dos efeitos de inicialização não linear, que diminuem à medida que a carga axial aumenta.

Fig. 10: Medição de deformação por sensores de distância a laser

3.2.5. Resultados de testes dinâmicos

Devido à embalagem, não é possível usar todos os outros instrumentos no interior durante o carregamento dinâmico. Portanto, a única maneira de registrar o desenvolvimento da deformação diretamente no corpo de prova nesses testes é usar extensômetros. O problema é que, nesses testes, os strain gages falham conforme o número de ciclos de carga aumenta.

Os testes dinâmicos realizados para diferentes tensões máximas (75%, ..., 50%) estão sempre a uma tensão mínima constante (5%). A quantidade de referência é a carga de ruptura específica sob tensão triaxial estática. A Figura 11 mostra as deformações mínimas e máximas para cada ciclo de carga ao longo do número de ciclos, até a fratura após 21.558 ciclos de carga, para um teste com uma tensão máxima de 55%. As falhas intermediárias são reconhecidas pelas linhas verticais (valor medido "-8 ‰"). SG-1 mostra a deformação transversal, enquanto SG-2 e SG-3 mostram a deformação axial.

Se você olhar para as deformações transversais, é perceptível que aqui as deformações de até aprox. 3500 ciclos de carga (ponto 1) correspondem à curva esperada sem falhas (aproximadamente 20% das deformações axiais). Os valores então "desviam", com o diferencial de deformação permanecendo constante. Após quase 5.000 ciclos de carga, o extensômetro finalmente falha.

Fig. 11: Valores medidos do extensômetro durante o carregamento dinâmico

SG-2 retorna valores medidos realistas até aprox. 13.000 ciclos de carga (ponto 2), mesmo que haja algumas falhas. Os valores de deformação na tensão mínima para SG-3 correspondem bem aos de SG-2, até aprox. 5000 ciclos de carga (ponto 3). O SG-3 com tensão mínima (compressão mínima do corpo de prova) não retorna nenhum valor medido adicional, enquanto o mesmo extensômetro na compressão máxima retorna valores plausíveis até a fratura.

Uma vez que os strain gages falharam, o último mensurando remanescente nos testes dinâmicos é fornecido pelos sensores de distância a laser fora da célula de teste triaxial.

Reconhecível em sua curva (Figura 12) é o desenvolvimento característico da deformação encontrada no concreto sob carregamento de fadiga.

Fig. 12: Medição de deformação dos sensores de distância a laser durante o carregamento dinâmico

4. Resumo e Perspectiva

Com a bancada de teste de "célula triaxial" descrita acima, é possível determinar as forças triaxiais para cargas estáticas e dinâmicas.

O uso de sensores na câmara de pressão cheia de óleo da célula de teste triaxial é particularmente exigente da tecnologia de medição implantada. Usando transdutores de deslocamento indutivo especiais (LVDTs) e um extensômetro circunferencial, é possível determinar as deformações em carga estática diretamente no corpo de prova UHPC. Essas deformações foram verificadas por extensômetros aplicados diretamente no corpo de prova. Para as principais séries de testes, isso economiza custos (os custos de material dos extensômetros) e tempo na preparação do corpo de prova (anexando os extensômetros).

O problema é registrar metrologicamente o desenvolvimento da deformação nas investigações dinâmicas. Como a embalagem é necessária, só é possível usar extensômetros aqui. O carregamento dinâmico repetido verticalmente na superfície do extensômetro empurra o extensômetro para os pequenos vazios de ar no concreto. Isso eventualmente faz com que o strain gage falhe prematuramente. Sensores de distância a laser fixados fora da célula de teste registram a curva característica de desenvolvimento de deformação.

Os testes triaxiais mostraram que o modelo trifásico que foi desenvolvido descreve muito bem o meridiano compressivo do envelope de fratura. Um carregamento de pressão transversal produz uma resposta de material mais dúctil no UHPC, em comparação com as qualidades frágeis no carregamento uniaxial.

Um relatório detalhado sobre as investigações dinâmicas triaxiais em andamento e as linhas Wöhler que são desenvolvidas a partir delas, será apresentado no 3º fib-Congress [Ertel / Grünberg-2010].

Agradecimentos e referências

Agradecimentos

O projeto de pesquisa é apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) no Programa Prioritário 1182: "Construção sustentável com UHPC".

Referências

[Chen-1982] Chen, W. F.:Plasticity in Reinforced Concrete. McGraw-Hill, New York, 1982.

[Dahl-1992] Dahl, Karre K. B.; The Calibration and Use of Triaxial Cell, Danmarks Tekniske Hojskole, 1992

[Düsterloh 2007] Düsterloh, U.: Triaxiale Kompressionsversuche an UHPC-Beton, Bericht (unveröffentlicht), Institut für Aufbereitung und Deponietechnik, Professur für Deponietechnik und Geomechanik, Technische Universität Clausthal, 2007

[Ertel/Grünberg-2010] Ertel, Chr.; Grünberg, J.: “Triaxial Fatigue Behaviour of Ultra High Performance Concrete”; 3rd fib International Congress; May 29 – June 2, 2010, Washington, D.C. (accepted)

[Grünberg/Göhlmann-2005] Grünberg, J.; Göhlmann, J.: Versagensmodelle für Beton unter monotoner Beanspruchung und Ermüdung. Bauingenieur, Band 80. März 2005

[Grünberg et al. 2007] Grünberg, J., Lohaus, L., Ertel, C. Wefer, M.: Mehraxiales mechanisches Ermüdungsmodell von Ultra-Hochfestem Beton – Experimentelle und analytische Untersuchungen, Beton- und Stahlbetonbau, Heft 6, 2007

[Grünberg et al. 2008] Grünberg, J., Lohaus, L., Ertel, C. Wefer, M.: Multi-Axial and Fatigue Behaviour of ultra–high–performance concrete (UHPC), Proceedings of the 2nd International Symposium on Ultra-High Performance Concrete, 05.-07.03.2008, Kassel

[Kupfer-1973] Kupfer, H.: Das Verhalten des Betons unter mehraxialer Kurzzeitbelastung unter besonderer Berücksichtigung der zweiaxialen Beanspruchung. DAfStb, Heft 229, Ernst & Sohn, Berlin, 1973.

[Rogge-2002] Rogge, Andreas; Materialverhalten von Beton unter mehraxialer Beanspruchung, Dissertation, Lehrstuhl für Massivbau, TU München, 2002.

[Schmidt-2008] Sachstandsbericht Ultrahochfester Beton, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 561, Beuth, 2008

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