Desenvolvimento e caracterização de um sistema automatizado para realização de ensaio sônico

Abstract

Resumo: Solo grampeado é um tipo de contenção passiva composta pela inserção de barras de aço no solo e injeção de calda de cimento em volta deste elemento, sendo esta composição denominada de grampo. Esse tipo de contenção possui baixo controle tecnológico durante a execução, sendo que os defeitos nos grampos podem ser gerados durante a construção e/ou com o passar dos anos. As anomalias podem, por exemplo, envolver o colapso parcial ou total do furo, contaminação da calda de cimento com o fluxo de água e falhas no preenchimento da calda de cimento. Métodos destrutivos removem o elemento do solo, aferindo seu comprimento e integridade, no entanto este objeto se torna inoperante, diminuindo a segurança da obra, além de possuir alto custo por elemento. Assim, o uso de métodos não destrutivos se torna uma alternativa para verificar a integridade e o comprimento dos elementos inclusos no solo. Nesse contexto, o método Sonic Echo, semelhante ao ensaio PIT {Pile Integrity Test) amplamente aplicado em fundações, torna-se uma opção em solo grampeado. O método sônico consiste na geração, propagação e recepção da onda sônica no elemento e as reflexões são analisadas através de um gráfico obtido ao longo do tempo, designado reflectograma. Este ensaio apresenta interferência de diversas variáveis em sua execução, sendo uma das principais a geração da onda sônica por um martelo de mão operado pelo executor do ensaio. Propriedades magnéticas podem ser usadas para a geração de um pulso controlado, assim a realização da batida mecânica acontece com o uso de um sistema de propulsão produzido por um campo magnético. O objetivo da pesquisa é estudar a aplicabilidade e limitações do método Sonic Echo através do desenvolvimento e caracterização de um sistema eletromagnético para a geração do pulso inicial controlado e da criação do próprio sistema de captação e aquisição dos dados. Para tal, foram realizados ensaios em laboratório com barras de aço e em grampos (barra de aço envolta por calda de cimento) com variações de comprimento e diâmetro. O uso de diferentes pontas no projétil e variações no local de geração e recepção da onda foram testadas. Os resultados foram analisados através do reflectograma no domínio do tempo e da frequência. Modelagens numéricas também foram realizadas para a análise de variáveis que não puderam ser verificadas nos ensaios de laboratório e esta foi calibrada com base nos dados provenientes destes ensaios. O uso de pontas de borracha, nylon e de metal no projétil resultou em diferentes formatos de curvas e tempos de contato em função da rigidez do material. Testou-se a geração e captação da onda na barra e o impacto do projétil no centro da barra foi considerado o melhor local para a geração da onda e com a captação a % do raio. O diâmetro da barra não interferiu na velocidade de propagação da onda no elemento de aço e grampos; a velocidade apresentou variação em relação ao comprimento devido à aderência entre a barra e a calda de cimento. Assim, foi possível desenvolver um sistema automatizado que gerou reprodutibilidade dos resultados, auxiliando a compreender a propagação da onda pelos elementos e qual a interferência das variáveis analisadas neste trabalho. Palavras-chave: Solo grampeado. Sonic Echo. Reflectograma. Sistema magnético. Reprodutibilidade. Modelagem numérica.

Abstract: The soil nailing system is a type of retaining structure with passive elements that are drilled and grouted with cement grout in the ground. Defects in nails can be generated during the construction or lifespan due to low technological control in this structure works. Common problems are partial or total collapse of the drillhole, contamination of the cement grout with water flow and incomplete grouting. Nondestructive methods are an alternative to verify the integrity and length of the buried elements in the ground. The Sonic Echo method is similar to the PIT (Pile Integrity Test) which is widely applied to deep foundations and becomes an alternative to soil nail. The sonic method consists of the generation, propagation and reception of the sonic wave in the element. Reflections are analyzed using a graphic obtained over time, called a reflectogram. Several variables can interfere the Sonic Echo method, as the wave generation by a hand hammer used by different operators. Magnetic properties can be used to generate a controlled pulse. The mechanical strike is produced through a propulsion system created by a magnetic field. The research objective is to study the applicability and limitations of the Sonic Echo method. An electromagnetic system was developed and characterized to generate the initial controlled pulse and a data capture and acquisition system was created. Laboratory tests were carried out with steel bars and a nail (steel bar surrounded by cement grout) with variations in length and diameter. Different projectile tips and variations in the location of wave generation and reception were tested. The results were analyzed using the time and frequency domain reflectogram. Numerical modeling was also performed to evaluate variables that could not be verified in laboratory tests. The numerical model was calibrated with laboratory data. Three types of projectile tips were tested: rubber, nylon and aluminum, which presented different curves shape and contact time due to material stiffness. The position ofw ave generation with projectile and reception with microphone were evaluated. Data repeatability were observed when the wave generation was produced the center of the steel bar and the reception at % of the bar radius. The bar diameter did not affect the wave propagation velocity in the steel elements. However, wave propagation velocity in nails varied with bar length due to the adherence between bar and cement grout. An automated system was developed that generated reproducible results and allow to understand the wave propagation by the elements and the interference of the variables analyzed in this research. Keywords: Soil nail. Sonic Echo. Reflectogram. Reproductibility. Magnetic system. Numerical modeling.