Determination of modulus of elasticity of concrete from the acoustic response

Diógenes, H. J. F.; Cossolino, L. C.; Pereira, A. H. A.; El Debs, M. K.; El Debs, A. L. H. C.

doi:10.1590/S1983-41952011000500007

Abstracts

Dynamic structural analysis is increasingly important for civil structures. In this context, non-destructive tests are a promising tool, as they allow obtaining integrated and comprehensive information about structure stiffness and damping and, moreover, may be repeated and compared over time. The determination of the modulus of elasticity of concrete by way of its acoustic response represents an innovative methodology to obtain a design parameter which associated with the compressive strength, achieves the guidelines for the design of structural elements in plain, reinforced and prestressed concrete. Test results show that the use of acoustic response-based tools in the determination of resonance frequency yields values with differences of less than 1% from those obtained by more commonly used non-destructive methods.

dynamic experimental analysis; non-destructive testing; acoustic response; dynamic modulus of elasticity

A análise dinâmica de estruturas é cada vez mais relevante para estruturas civis. Nesse contexto, ensaios dinâmicos, de caráter não-destrutivo, são uma ferramenta promissora, pois permitem que sejam obtidas informações integradas e globais da estrutura a respeito da rigidez e do amortecimento e, além disso, podem ser repetidos e comparados ao longo do tempo. A resposta acústica é uma inovadora metodologia de ensaio não-destrutivo que visa a determinação do módulo de elasticidade do concreto, parâmetro que associado à resistência do concreto à compressão, configura-se como diretriz ao dimensionamento de elementos estruturais de concreto simples, armado ou protendido. Na comparação com metodologias usuais de ensaios não-destrutivos, os resultados demostraram que a utilização de ferramentas baseadas na resposta acústica apresentam diferença inferior a 1% na determinação da frequência de ressonância.

análise experimental dinâmica; ensaios não-destrutivos; resposta acústica; módulo de elasticidade dinâmico

^IUniversidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estrutura, Escola de Engenharia de São Carlos, hidelbrando@sc.usp.br, Av. Trabalhador São Carlense, 400 - Pq. Arnold Schimdt, São Carlos, Brasil;

^IIATCP - Engenharia Física, apl@atcp.com.br, Rua Monteiro Lobato, 1601 - Vila Nery, São Carlos, Brasil

^IIIATCP - Engenharia Física, ha@atcp.com.br, Rua Monteiro Lobato, 1601 - Vila Nery, São Carlos, Brasil

^IVUniversidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estrutura, Escola de Engenharia de São Carlos, mkdebs@sc.usp.br, Av. Trabalhador São Carlense, 400 - Pq. Arnold Schimdt, São Carlos, Brasil;

^VUniversidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Estrutura, Escola de Engenharia de São Carlos, analucia@sc.usp.br, Av. Trabalhador São Carlense, 400 - Pq. Arnold Schimdt, São Carlos, Brasil

ABSTRACT

Dynamic structural analysis is increasingly important for civil structures. In this context, non-destructive tests are a promising tool, as they allow obtaining integrated and comprehensive information about structure stiffness and damping and, moreover, may be repeated and compared over time. The determination of the modulus of elasticity of concrete by way of its acoustic response represents an innovative methodology to obtain a design parameter which associated with the compressive strength, achieves the guidelines for the design of structural elements in plain, reinforced and prestressed concrete. Test results show that the use of acoustic response-based tools in the determination of resonance frequency yields values with differences of less than 1% from those obtained by more commonly used non-destructive methods.

Keywords: dynamic experimental analysis; non-destructive testing; acoustic response; dynamic modulus of elasticity.

Texto completo disponível apenas em PDF.

Full text available only in PDF format.

7. Acknowledgments

To the Brazilian agencies FAPESP for the financial support of the doctoral scholarship and of ACE Data Physics equipment, the LE- -EESC, by the infrastructure available and the ATCP - Physical Engineering, for the partnership in the making of this work.

References

[01] McCONNELL, K.G.; VAROTO. P. S. (2008) Vibration testing: theory and practice. New York, John Wiley.
[02] EWINS, D.J. (2000). Modal testing: theory, practice and application. 2. ed. RSP.
[03] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C597-09: Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete. Philadelphia, 2009.
[04] NEVILLE, A.M. (1982). Propriedades do concreto. São Paulo: Pini.
[05] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C215-08: Standard test method for fundamental transverse, longitudinal and torsional frequencies of concrete specimens. Philadelphia, 2008.
[06] COSSOLINO, L.C; PEREIRA, A.H.A. (publicado online em: 21/10/2010). Módulos Elásticos: Visão Geral e Métodos de Caracterização. Informativo Técnico Científico. Disponível em: http://www.atcp.com.br/imagens/produtos/sonelastic/artigos/RT03-ATCP.pdf
[07] DIÓGENES, H. J. F. (2010) Análise tipológica de elementos e sistemas construtivos pré-moldados de concreto do ponto de vista de sensibilidade a vibrações em serviço. 210 f. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.
[08] MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. (1994). Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini.
[09] MALHOTRA, V.M. (1986). Testing Hardened Concrete: Nondestructive Methods. ACI Monograph nº 9. The Iowa State University Press.
[10] BSI - BRITISH STANDARDS INSTITUTION. BS 8110-2: 1985 - Structural use of concrete - Part 2: Code of practice for special circumstances. London, UK. 2001.
[11] LYNDON, F. D.; BALADRAN, R. V.. Some observations on elastic properties of plain concrete, Cement and Concrete Research, v.16, No.3, pp. 314-24. 1986.
[12] HAN S.H.; KIM, J.K. (2004). Effect of temperature and age on the relationship between dynamic and static elastic modulus of concrete. Cement and Concrete Research, v.34, p.1219-1227.
[13] MESBAH, H.A., LACHEMI. M., AITCIN, P. Determination of elastic properties of high-performance concrete at early ages. ACI Materials Journal, v.99. n.1. p.37-41, 2002.
[14] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C469-02: Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression . Philadelphia, 2002.
[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de Estruturas de Concreto: Procedimento. Rio de Janeiro, 2007.
[16] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8522: Concreto - Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de Janeiro, 2008.
[17] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12142: Concreto - Determinação da resistência à tração na flexão em corpos de prova prismáticos. Rio de Janeiro, 2010.

Determination of modulus of elasticity of concrete from the acoustic response

H. J. F. Diógenes^I; L. C. Cossolino^II; A. H. A. Pereira^III; M. K. El Debs^IV; A. L. H. C. El Debs^V

Publication Dates

Publication in this collection
10 Sept 2013
Date of issue
Dec 2011

History

Accepted
06 Sept 2011
Received
28 Feb 2011

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

[1] [01] McCONNELL, K.G.; VAROTO. P. S. (2008) Vibration testing: theory and practice. New York, John Wiley.

[2] [02] EWINS, D.J. (2000). Modal testing: theory, practice and application. 2. ed. RSP.

[3] [03] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C597-09: Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete. Philadelphia, 2009.

[4] [04] NEVILLE, A.M. (1982). Propriedades do concreto. São Paulo: Pini.

[5] [05] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C215-08: Standard test method for fundamental transverse, longitudinal and torsional frequencies of concrete specimens. Philadelphia, 2008.

[6] [06] COSSOLINO, L.C; PEREIRA, A.H.A. (publicado online em: 21/10/2010). Módulos Elásticos: Visão Geral e Métodos de Caracterização. Informativo Técnico Científico. Disponível em: http://www.atcp.com.br/imagens/produtos/sonelastic/artigos/RT03-ATCP.pdf

[7] [07] DIÓGENES, H. J. F. (2010) Análise tipológica de elementos e sistemas construtivos pré-moldados de concreto do ponto de vista de sensibilidade a vibrações em serviço. 210 f. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

[8] [08] MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. (1994). Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini.

[9] [09] MALHOTRA, V.M. (1986). Testing Hardened Concrete: Nondestructive Methods. ACI Monograph nº 9. The Iowa State University Press.

[10] [10] BSI - BRITISH STANDARDS INSTITUTION. BS 8110-2: 1985 - Structural use of concrete - Part 2: Code of practice for special circumstances. London, UK. 2001.

[11] [11] LYNDON, F. D.; BALADRAN, R. V.. Some observations on elastic properties of plain concrete, Cement and Concrete Research, v.16, No.3, pp. 314-24. 1986.

[12] [12] HAN S.H.; KIM, J.K. (2004). Effect of temperature and age on the relationship between dynamic and static elastic modulus of concrete. Cement and Concrete Research, v.34, p.1219-1227.

[13] [13] MESBAH, H.A., LACHEMI. M., AITCIN, P. Determination of elastic properties of high-performance concrete at early ages. ACI Materials Journal, v.99. n.1. p.37-41, 2002.

[14] [14] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C469-02: Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of Concrete in Compression . Philadelphia, 2002.

[15] [15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de Estruturas de Concreto: Procedimento. Rio de Janeiro, 2007.

[16] [16] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8522: Concreto - Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de Janeiro, 2008.

[17] [17] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12142: Concreto - Determinação da resistência à tração na flexão em corpos de prova prismáticos. Rio de Janeiro, 2010.