Novos métodos para determinação de resistência e tenacidade à fratura de rocha e concreto. - Vizini, Vitor Oliveira Santos (2020)
Esta pesquisa aborda dois novos métodos experimentais para determinação de resistência e tenacidade à fratura de rocha e concreto: Ensaio de Cisalhamento Direto Modificado (ECDM) e Ensaio de Arrancamento (EA). O ECDM propõe uma modificação na geometria do Ensaio de Cisalhamento Direto (ECD) para melhorar as condições de contorno do ensaio, evitando indesejáveis fraturas de tração e promovendo uma única fratura de cisalhamento. O ECDM basicamente consiste em adicionar dois entalhes inclinados no corpo de prova do ECD. Uma geometria ideal foi proposta baseando-se em análise numérica e experimental em concreto. Testes experimentais em rochas homogêneas, para tensões normais baixas, foram realizados com a geometria ideal e foi obtido para a maioria dos casos estudados: i) uma única fratura de cisalhamento horizontal (sem fraturas por tração); ii) superfície com aparência estriada na maioria da área cisalhada e iii) curva força versus deslocamento aproximadamente linear com ruptura abrupta. Além disto, o ECDM foi proposto para se determinar tenacidade à fratura no modo II (KIIc), em função da pressão confinante, de rocha visualmente homogênea e concreto. O estudo foi conduzido por meio de análise numérica e permitiu concluir que: i) o MDST é adequado para teste de KIIc, visto que o modo II prevalece no ensaio; ii) o padrão de fratura horizontal é devido ao cisalhamento; iii) a pressão confinante deve ser determinada na ponta da fratura (?n (ponta)) e iv) duas equações foram propostas para determinar KIIc em função da ?n (ponta). Um exemplo prático foi fornecido e envoltórias de KIIc foram obtidas para algumas rochas e um concreto. O mecanismo de fratura no EA foi estudado para diferentes condições de teste usando o Método dos Elementos Finitos Extendidos, para avaliar os fatores que influenciam a resistência à tração em rochas homogêneas. Os resultados numéricos foram validados com dados experimentais e uma boa aproximação foi obtida. Uma geometria ideal foi proposta (a profundidade e a largura do corte parcial foram iguais a 2,5 cm e 0,4 cm, respectivamente). O EA pode superestimar ou subestimar a resistência à tração da rocha, dependendo da energia de fratura coesiva e uma equação de correção foi proposta. Além disto, o EA foi proposto para se determinar tenacidade à fratura no modo I (KIc) de rocha homogênea e concreto, com aplicação em campo. Uma razão entre as dimensões do EA foi proposta, para atender aos requerimentos da Mecânica da Fratura Linear Elástica e às recomendações da literatura. O estudo foi conduzido por meio de análise numérica e permitiu concluir que o EA é adequado para teste de KIc, visto que o modo I prevalece no ensaio, e uma equação foi proposta para se determinar KIc via EA. Um exemplo prático de aplicação do método foi fornecido e KIc foi determinado para algumas rochas homogêneas. Resultados similares foram obtidos entre o EA com o Ensaio Semi-Circular de Flexão, indicando uma primeira validação e correlação do método.