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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-08092020-154104
Document
Author
Full name
Thomas Nunes Sombra
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2020
Supervisor
Committee
Haach, Vladimir Guilherme (President)
Barbosa, Cláudius de Sousa
Siqueira, Gustavo Henrique
Title in Portuguese
Aplicação do ensaio de ressonância acústica na caracterização mecânica de unidades de alvenaria estrutural
Keywords in Portuguese
Alvenaria estrutural
Análise modal
Ensaios não destrutivos
Frequências naturais
Modelagem numérica
Abstract in Portuguese
A diversidade e complexidade das geometrias existentes para as unidades utilizadas no sistema construtivo em alvenaria estrutural (bloco inteiro, meio-bloco, entre outras) dificulta a determinação do módulo de elasticidade do material através dos métodos de ressonância, posto que tais elementos não dispõem de uma relação definida (expressa por meio de um coeficiente atrelado à geometria) entre aquela propriedade mecânica e suas frequências de vibração. Portanto, o estudo visa propor um procedimento experimental para aquisição do parâmetro geométrico que vincula o módulo de elasticidade dinâmico às frequências naturais da unidade, obtidas por meio do ensaio de ressonância acústica. A amostra experimental compreende blocos inteiros e meio-blocos (vazados) cerâmicos e de concreto com resistências variadas. Na etapa de caracterização, procederam-se a análise dimensional e a determinação da área líquida destas unidades, posteriormente submetidas ao ensaio de compressão axial para determinação da resistência à compressão característica e uma aproximação do módulo de elasticidade estático. Em outras unidades, foram conduzidos ensaios de velocidade de pulso ultrassônico e ressonância acústica (por meio da técnica de excitação por impulso) para angariar valores locais e globais do módulo de elasticidade dinâmico. Em paralelo, desenvolveu-se análise modal auxiliada pelo pacote de elementos finitos DIANA® com intuito de obter modos de vibrar, estimativas das frequências naturais e coeficientes geométricos para as diferentes unidades estudadas. Velocidades médias da propagação de ondas ultrassônicas longitudinais e transversais foram consideradas para estimar as propriedades elásticas dinâmicas requeridas pelos modelos numéricos. As frequências de ressonância identificadas experimentalmente apresentaram relações bastante razoáveis com aquelas previstas numericamente, especialmente nas unidades de concreto. Em todas as amostras, valores do módulo de elasticidade obtido a partir do ensaio de ultrassom superaram os providos pelo método acústico. Além disso, módulos de elasticidade aferidos pelas metodologias dinâmicas se mostraram mais elevados que o equivalente estático calculado na área bruta das unidades e próximos àquele calculado na área líquida. Os resultados experimentais e numéricos indicaram que o ensaio de ressonância acústica logrou êxito na caracterização do módulo de elasticidade dinâmico em unidades de alvenaria estrutural. Então, um procedimento baseado nesse método para estimar coeficientes geométricos de forma experimental foi enunciado e sua viabilidade discutida.
Title in English
Application of acoustic resonance test on the mechanical characterization of structural masonry units
Keywords in English
Modal analysis
Natural frequencies
Nondestructive testing
Numerical modeling
Structural masonry
Abstract in English
The diversity and complexity of existing geometries for the units used in structural masonry construction system (block, half-block, among others) hinder the determination of material elastic modulus through resonance methods, as such elements lack a defined relation (expressed in terms of a coefficient linked to geometry) between that mechanical property and their vibration frequencies. Therefore, this study proposes an experimental procedure for acquisition of the geometric parameter which relates dynamic elastic modulus to the natural frequencies of a unit, gathered by means of acoustic resonance testing. The experimental sample comprises hollow ceramic and concrete blocks and half-blocks with diverse strengths. During characterization phase, dimensional analysis and determination of net area were carried out for such units, which then underwent axial compression test in order to acquire characteristic compressive strength and an approximation of the static elastic modulus. On other units, ultrasonic pulse velocity and acoustic resonance (by impulse excitation of vibration) tests were conducted to obtain local and global values of dynamic elastic modulus. In parallel, modal analysis aided by finite element software DIANA® was developed to attain vibration modes, estimated natural frequencies and geometric parameters for the different units studied. Average propagation velocities of longitudinal and transverse ultrasonic waves were considered to estimate dynamic elastic properties required by the numerical models. Resonant frequencies identified via experimental setup showed very reasonable relations with those predicted numerically, notably for concrete units. Within all samples, values of elastic modulus obtained through ultrasonic test surpassed those provided by the acoustic test. Besides, elastic moduli measured with dynamic methodologies proved to be higher than their static counterparts calculated in the gross area of the units, and close to those measured in their net area. Experimental and numerical results indicated that the acoustic resonance test succeeded in characterizing the dynamic elastic modulus in structural masonry units. Thus, a procedure based on this method to estimate geometric coefficients in an experimental manner was enunciated and its feasibility discussed.
 
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Publishing Date
2021-06-28
 
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