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ESTUDO DA TÉCNICA DE GAMAGRAFIA NA INSPECÇÃO DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO PRÉ-ESFORÇADO

D. M. SOARES J. R. CORREIA

Eng.º Civil Prof. Associado Eng.ª Civil

IST IST

Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal

[email protected] [email protected]

F. BRANCO J. G. FERREIRA

Prof Catedrático Eng.ª Civil Prof. Associado Eng.ª Civil

IST IST



J. C. CALDAS R. MOURA

Eng.ª Civil Eng.ª Civil

Teixeira Duarte Teixeira Duarte



RESUMO

O presente artigo apresenta um estudo sobre a utilização da técnica de gamagrafia na inspecção e diagnóstico de

elementos estruturais em betão armado pré-esforçado. Foram produzidas duas vigas-protótipo em betão pré-esforçado e

com defeitos simulados, nomeadamente, (i) fissuras, (ii) vazios e (iii) ninhos de britas no betão e (iv) vazios em bainhas

de pré-esforço. As vigas foram posteriormente irradiadas com radiação gama (γ). Os resultados obtidos permitiram

distinguir o aspecto heterogéneo do betão, verificar a existência de varões de armadura e das bainhas de pré-esforço e,

relativamente às anomalias, foi possível distinguir ninhos de britas e vazios no betão. Além disso, identificaram-se

vazios em bainhas de pré-esforço, ilustrando o potencial da técnica na inspecção de estruturas pré-esforçadas. Concluiu-

se que, com o desenvolvimento correcto e devida calibração, a técnica de gamagrafia poderá vir ser uma técnica muito

útil na análise de defeitos com elevada precisão e em qualquer ponto de elementos estruturais em betão pré esforçado.

1. INTRODUÇÃO

Tendo em conta o crescente número de problemas de durabilidade em estruturas de betão armado e pré-esforçado e os

recursos despendidos nas sua resolução, é importante dispor de técnicas que permitam analisar de uma forma eficaz o

seu comportamento ou estado de deterioração. Idealmente, tais técnicas devem ser aplicadas sem danificar o betão, o

que nem sempre é possível. Uma das técnicas não destrutivas de inspecção e diagnóstico que, recentemente, começou a

ser estudada para este tipo de aplicação, consiste no uso de radiação gama. Segundo o espectro electromagnético e por

comparação com outros tipos de radiação, a radiação gama (γ) tem comprimentos de onda muito reduzidos e elevada

frequência, tendo elevada energia associada. Por ser altamente energética, é também muito mais perigosa, por interagir

com a matéria pela forma de efeito fotoeléctrico e efeito Compton. O objectivo deste artigo é analisar e discutir o

potencial da técnica da gamagrafia. Para esse efeito, no âmbito do projecto REABET, foram realizados ensaios em

vigas de betão armado pré-esforçado com diferentes defeitos simulados [1].

2. ESTUDO EXPERIMENTAL

Os ensaios basearam-se na emissão de fotões por radiação γ produzida por um material radioactivo. O objectivo consistiu

em definir um procedimento e os equipamentos ideais para permitir a identificação inequívoca de diferentes anomalias

típicas de estruturas de betão armado pré esforçado. Tal implicou (i) testar as várias maneiras de incidir a radiação numa

estrutura de betão armado pré-esforçado, (ii) testar diferentes tipos de material de aquisição de imagem e (iii) avaliar a

melhor maneira de a processar. Foram projectadas e construídas duas vigas de betão armado pré-esforçado (Figuras 1 e 2),

DM Soares, JR Correia, FA Branco, JG Ferreira, R Moura, JC Caldas, Estudo da Técnica da Gamagrafia na

Inspecção de Estruturas de Betão Armado Pré-Esforçado

2

que simularam vigas em serviço. Em particular, foram reproduzidas situações de anomalias comuns em estruturas deste

tipo, tais como vazios em bainhas de pré-esforço, vazios e fissuras no betão e ninhos de brita.

Figura 1 – Geometria da viga protótipo: vista lateral (à

esquerda) e vista da secção transversal (à direita)

Figura 2 – Representação tridimensional dos

protótipos e respectivas anomalias simuladas

Os vazios na bainha foram recriados com um tubo perpendicular oco. Colocou-se um varão de aço no interior, deixando

um espaço vazio de 5 cm até à bainha, como se pode verificar esquematicamente na Figura 3. Já na Figura 4 é possível

observar uma fissura simulada (com uma película plástica fina) e um ninho de britas (utilizando meias de senhora,

presas às armaduras em locais assinalados).

Figura 3 – Representação de vazios na bainha de

pré-esforço

Figura 4 – Simulação de uma fissura no betão (à esquerda) e

simulação de um ninho de britas (à direita)

O equipamento e material para este tipo de ensaios têm a particularidade de serem perigosos para a saúde e o ambiente.

A fonte radioactiva escolhida foi o Cobalto-60, que tem maior energia que o Iridium-192 e o Selenium-75, por exemplo.

A sua meia-vida é também superior (5.27 anos), de modo que não requer um investimento tão periódico. No entanto,

por emitir fotões com maior intensidade, é mais perigosa quando comparada com outras fontes menos radioactivas. A

espessura óptima de betão para ensaios com 60Co situa-se entre 30 cm e 50 cm. Para espessuras maiores, deverá ser

adoptado processamento digital de imagem.

A fonte é devidamente guardada num contentor designado por projector, que por sua vez está instalado num carro de

tracção manual (Figura 5), o qual garante da sua mobilidade. Ao projector está acoplada um tubo-guia pelo qual irá

viajar o Cobalto-60 até chegar ao colimador, em chumbo e com forma cónica (Figura 6), que tem o intuito de evitar a

dispersão da radiação, orientando-a numa direcção definida e conhecida. A outra extremidade do projector está

conectada ao cabo de controlo que, a uma certa distância do projector e através de uma manivela, irá permitir o

accionamento do sistema, isto é, dá início ao movimento da fonte do projector até ao colimador.

A radiação que atravessa a viga é então detectada por um sistema de aquisição, composto por uma placa que regista a

chegada de fotões provenientes da fonte, uma placa de chumbo para aumentar o contraste e um equipamento de

Protótipo 2

Protótipo 1

5 cm



3

digitalização. O sistema de ensaio completo é ilustrado na Figura 7. Por fim, as imagens gamagráficas obtidas poderão

ser analisadas com recursos a programas de imagem, nomeadamente o ImageJ e o Adobe Photoshop CS 6 Extended.

Figura 5 – Projector contendo a fonte Figura 6 – Colimador e dispersão da radiação no betão

Para a realização de qualquer disparo, é ainda necessário calcular o tempo de exposição da viga de betão, ou seja, o

tempo que a fonte se encontra a irradiar fora do projector. Este tempo de exposição irá depender de vários factores,

nomeadamente os seguintes: (i) tipo de placa, (ii) actividade da fonte, (iii) distância fonte-placa e (iv) densidade dos

materiais atravessados pelos fotões. A IAEA [2] fornece a expressão para o cálculo do tempo de exposição,

)100.(.

60...

2

2

expRHMA

HVL

eSFDFF

t (1)

em que,

texp é o tempo de exposição (em minutos);

FF é o factor devido ao tipo de placa;

SFD é a distância (em mm) da fonte à placa;

e é a espessura (em mm) do betão;

HVL é a half value layer, ou seja, a espessura (em mm) do material a avaliar (neste caso o betão) necessária para

reduzir a intensidade da radiação que por ele passa para metade;

A é a actividade da fonte (em Ci);

RHM é o output da fonte, ou seja, a intensidade de radiação da fonte.

A expressão acima referida não é a ideal para o cálculo de espessuras de betão relativamente elevadas (cerca de 50 cm),

constituindo apenas uma forma simplificada de calcular os tempos de exposição. A IAEA [2] desenvolveu uma fórmula

linearizada da função exponencial de Lambeert-Beer (expressão 2), tendo considerado espessuras reduzidas (na ordem

de 7 a 11 cm), que são da mesma ordem grandeza do HVL (4.8 cm) para o Iridium-192.

Figura 7 – Representação esquemática de um ensaio gamagráfico (adaptado de [3])

Colimador

Placa de aquisição

Tubo-guia

Unidade de

controlo

Unidade de armazenamento

da fonte



4

Pela Lei de Lambeert-Beer, a relação entre a intensidade de fotões incidentes e transmitidos é dada por,

xeII .0 . (2)

em que,

I é a intensidade de fotões transmitidos;

I0 é a intensidade de fotões incidentes;

µ é o coeficiente de atenuação do material;

x é a espessura do material.

O coeficiente de atenuação linear (µ) é a fracção real de fotões que interagem por unidade de espessura atravessada do

material. Para uma fonte de 1.17 a 1.33 MeV de energia, o coeficiente para o betão é 0.134, sendo de 0.421 para o aço e

para de 0.060 para o ar. Recorrendo ao tempo de exposição normalizado para uma fonte de 20 Ci e material irradiado

com 50 cm de espessura, a empresa Thasa desenvolveu uma expressão para calcular os tempos de exposição. O tempo

(em minutos) é dado pela expressão,

2

expexp50

.06,1.

20'.3,1

SFD

Att (3)

em que,

t’exp é o valor (em minutos) do tempo de exposição normalizado, obtido pela fórmula logarítmica (4) para películas

convencionais tipo Agfa D7;

A é a classe de intensidade (em Ci) correspondente ao material, neste caso o 60Co;

SFD é a distância (em cm) da fonte à placa de aquisição.

Na expressão anterior, o factor 1.3 é devido à aplicação do filtro de chumbo utilizado para optimizar o contraste. Os

valores 20 (em Ci) e 50 (em cm) são referentes à fonte e material com espessura normalizados. O factor 1.06 representa

um acréscimo de 6% na espessura do material irradiado, para ter conta factores tais como a espessura da placa de

aquisição. O tempo de exposição normalizado (em minutos) pode ser então obtido através da seguinte expressão,

texp

' = 0,12550,05807.1,06.r.d (4)

em que,

ρ é a densidade do betão (g/cm3);

SFD é a espessura de betão (em cm) da entre a fonte e o detalhe.

O valor 0.05807 cm2/g refere-se ao coeficiente µ/ρ e foi calculado tendo por base os valores fornecidos pelo National

Institute of Science and Technology. O valor 0.1255 é uma constante experimental ajustada pela empresa Thasa.

Foram realizados oito ensaios, em que se utilizaram três tipos de sistemas de aquisição de imagem. O primeiro sistema,

baseado em resultados transmitidos via wireless para um computador, permitiu a análise dos resultados no local e em

tempo real. O segundo, terceiro e quarto testes foram realizados utilizando placas de aquisição de alta resolução, cujos

resultados tiveram de ser revelados em laboratório. Os quatro testes seguintes foram conduzidos com placas de

aquisição semelhantes, mas com menor resolução. As características de cada teste estão descritas na Tabela 1 e a

respectiva localização ilustrada na Figura 8.

Figura 8 – Localização das gamagrafias nos protótipos

Protótipo 1 Protótipo 2

2

3

4

5

6

7

8

Ninho de britas Vazio no betão Fissura no betão Bainha de pré-esforço



5

Tabela 1 – Características dos testes conduzidos no programa experimental

Nº

ensaio Placa de aquisição

Nº

Protótipo Anomalia

Posição

fonte (cm)

Centro da

posição placa

de aquisição

(cm)

SFD (cm)

Tempo de

exposição (min)

Calculado Usado

1 RayzorX Pro DDA

1 Vazio na bainha

de pré-esforço

(20, 70, 0) (20, 67, 50) 50 32 3

2 XL Blue Carestream

Industrex (50 µm) (20, 70, 0) (20, 67, 50) 50 32 32

3 FLEX HR Carestream

Industrex (50 µm)

(20, 70, -58) (20, 67, 50) 108 146 146

4 2 (158, 70, 9) (158, 70, 50) 41 6.5 6.5

5

Fujifilm IP Cassette

Type CC (200 µm)

1 Ninho de britas (20, 13, 0) (21, 17, 50) 50 32 32

6

2

Vazio na bainha

de pré-esforço (145, 33, 0) (150, 33, 0) 50 32 35

7 Vazio no betão (150, 12, 0) (150, 17, 0) 50 32 40

8 Fissura no betão (226, 16, 0) (226, 17, 50) 50 32 35

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O primeiro ensaio teve como objectivo identificar um vazio na bainha de pré-esforço. Dado que a fonte estava

encostada à superfície de betão e a placa de aquisição estava na outra face da viga (cuja espessura era 50 cm), então a

constante SFD correspondeu a 50 cm. Usando as expressões (3) e (4) e sabendo que A foi de 27.2 Ci e ρ de 2.3 g/cm3,

então o tempo de exposição calculado foi 32.2 minutos. No entanto, o tempo de exposição máximo permitido pelo

equipamento era de apenas 3 min. Assim, e embora este sistema permitisse a recolha e análise dos dados em tempo real

e in situ, os resultados produzidos foram de baixa qualidade, provavelmente devido a esta limitação.

No segundo ensaio utilizou-se outro equipamento com placas de fósforo de alta resolução (50 µm), geralmente

utilizadas na inspecção de soldaduras. Com este ensaio pretendeu-se identificar um vazio na bainha de pré-esforço,

objectivo que não foi alcançado, como se observa na gamagrafia (no formato digital DICOM) da Figura 9. É possível,

no entanto, distinguir os varões de armadura, assinalados com as cores azul, roxo e verde, que representam picos no

perfil de cinzentos. Este corresponde à distribuição dos valores de cinzento ao longo de uma determinada linha (no caso

da Figura 9, a linha a vermelho) da gamagrafia. Valores elevados de cinzento correspondem a cores claras, significando

que mais fotões foram absorvidos pelo material (maior coeficiente de atenuação médio do material) e, como tal, menos

chegaram à placa de detecção. Valores elevados de cinzento estão então associados a elevados valores de densidade. Foi

ainda possível confirmar o efeito de penumbra, representado pela forma côncava (representada com um arco laranja),

significando que a imagem fica mais escura à medida que se aproxima do centro. A penumbra geométrica consiste em

sombras nas extremidades da gamagrafia ou em regiões com alterações de geometria. Este efeito normalmente diminui

quando a distância da fonte à placa (SFD) aumenta e quando a distância do objecto à placa diminui.

No terceiro ensaio, a constante SFD foi aumentada para 108 cm e, como consequência, o tempo de exposição estimado

foi de 146 min. Os resultados obtidos (Figura 10) revelam uma qualidade inferior relativamente à do ensaio anterior. É

de realçar que a área rectangular é claramente visível devido ao facto de a placa de chumbo ter uma dimensão inferior à

placa de aquisição. Aumentar a distância entre a fonte e a placa não significou uma melhoria na qualidade da

gamagrafia. De facto, para além do aumento da duração do ensaio, o aumento do valor SFD, posicionando a fonte

afastada da viga, produziu mais radiação para o ambiente exterior, uma vez que o efeito de escudo conferido pela viga

de betão já não estava presente. Deste modo, os fotões ter-se-ão dispersado em mais direcções.

Para avaliar a qualidade dos dados obtidos através de placas de alta resolução, foi criado um histograma (Figura 10),

que representa o número de pixéis para determinado valor de cinzento. Verifica-se que muitos valores de cinzento não

têm qualquer pixel associado. Isto resulta numa imagem que não aproveita as potencialidades da placa FLEX HR e

comprova a existência de ruído. Significa que muitos dos pixéis da imagem não foram preenchidos, o que pode ser

devido ao insuficiente número de fotões que irradiaram a placa ou ao excesso de resolução da placa de fósforo. Quanto

maior a resolução da placa, mais pixéis terá e mais fotões serão precisos para cobrir todos os pixéis (ao contrário de

uma com resolução menor em que os mesmos fotões conseguem preencher todos os pixéis).



6

Figura 9 – Perfil de níveis de cinzento relativo ao segundo ensaio

Utilizando as mesmas placas de alta resolução, no quarto ensaio a fonte foi colocada dentro da viga de betão. O SFD foi

reduzido para 41 min, o que fez reduzir o tempo de exposição significativamente para 6.5 min. Os resultados foram

relativamente melhores, mas dentro da área confinada da placa de chumbo (Figura 11).

Figura 10 - Histograma de cinzentos para gamagrafia

do ensaio 3

Figura 11 - Perfil de níveis de cinzento obtido no quarto ensaio

Tendo-se percebido que a utilização de placas de alta resolução poderia não ser a melhor solução, o quinto ensaio,

realizado com o objectivo de identificar um vazio no betão, foi conduzido com placas de menor resolução (200 µm). O

SFD foi de 50 cm e o tempo de exposição de 32 min. Numa primeira fase, a gamagrafia obtida foi convertida do

formato DICOM para o formato PNG por este permitir o recurso a um software de edição de imagem mais avançado

(Adobe Photoshop CS 6 Extended). Analisando a Figura 12, embora o número de valores de cinzento tenha sido

reduzido após a conversão, aparentemente, o histograma alterou-se para uma distribuição aproximadamente normal,

resultando numa imagem com melhor contraste. Na Figura 13 é possível confirmar a existência de um vazio, assim

como dos varões de armadura. Traçando histogramas correspondentes a diferentes perfis da gamagrafia e verificando

que estes eram consistentes entre si, o método foi validado.

Uma das características da gamagrafia é a apresentação de uma imagem a preto e branco. A existência de uma escala de

cinzentos (grayscale) pode camuflar alguns aspectos da gamagrafia que poderiam ser úteis na sua análise. Como tal,

Val

or

de

cin

zen

to

Distância (cm) 0 6 12 18 24 30 36 42

Nº

de

pix

éis

Valor de cinzento

950 1100 1250 1374

0 25 50 75

Distância (cm)

Val

or

de

cinze

nto



7

decidiu testar-se a transformação do mapa de cinzentos num gradiente de cores (gradient map). Utilizou-se o esquema

de cores primárias vermelho, verde e azul (esquema RGB – red, green, blue) e o esquema RYB – red, yellow, blue. Na

técnica da termografia por infravermelhos, este último é o gradiente que as câmaras termográficas utilizam para

converter a escala de cinzentos. Os resultados apresentados são muito claros relativamente à existência do defeito

simulado, o que confirma o bom desempenho destes IPs (do inglês Image Plates). Com o recurso a métodos

computacionais do programa de edição ImageJ, nomeadamente o comando Interactive 3D Surface Plot reconstrui-se o

modelo 3D recorrendo à gamagrafia original (Figura 14). Pela sua análise, confirma-se o defeito assinalado

anteriormente. O ninho de agregados assume uma cor alaranjada, indicativa da sua reduzida densidade, o que é

contrário àquilo que seria inicialmente previsto uma vez que as britas têm maior densidade que a mistura ligante. A

razão pode estar relacionada com a possível existência de ar aprisionado.

Figura 12 – Comparação de histogramas: o da esquerda é

relativo à gamagrafia em formato DICOM e o da direita é

relativo à gamagrafia em formato PNG

Figura 13 – Perfil de níveis de cinzento relativo ao

ensaio 5

O sexto teste foi conduzido com o propósito de identificar um vazio simulado em bainhas de pré-esforço. O tempo de

exposição foi aumentado em 35 min para verificar se este aumento traria alguma melhoria nos resultados. Após a

manipulação da gamagrafia para aumentar o seu contraste, o cabo de pré-esforço e respectivos cordões tornaram-se

facilmente distinguíveis (Figura 15). É possível constatar uma forma tubular, que representa o vazio simulado conforme

o esquema da Figura 3 apresentada anteriormente. Na Figura 15 é possível ainda observar gamagrafia transformada no

esquema RYB. Esta gamagrafia demonstra resultados interessantes, nomeadamente a possível existência de deficiências

na betonagem à volta da bainha (assinalado a verde).

No sétimo teste tentou-se localizar um vazio simulado no betão. Esta anomalia consiste em ar aprisionado dentro da

matriz de betão e, como o ar tem um coeficiente de atenuação inferior, deveria produzir uma cor diferente nas

gamagrafias a cores, facto que efectivamente se verificou (Figura 16). Na Figura 17 é possível observar com maior

detalhe a existência do vazio.

No oitavo ensaio, o equipamento não revelou a sensibilidade suficiente para distinguir a fina lâmina de plástico a simular

uma fissura no betão. Como uma fissura tem sempre pouca espessura e o ar tem baixo coeficiente de atenuação (tal como o

plástico), a anomalia aparece invisível ao detector, pelo que este método não provou ser fiável na sua identificação.

Valor de cinzento

Nº

de

pix

éis

Nº

de

pix

éis

Valor de cinzento

Varões Vazio



8

Figura 14 – Modelo 3D a cores do

ensaio 5

Figura 15 – Gamagrafias do sexto ensaio, original (esquerda) e em cores

RYB (direita)

Figura 16 – Gamagrafia a cores do sétimo ensaio: RGB (esquerda) e RYB

(direita)

Figura 17 – Modelo 3D a cores do sétimo

ensaio

4. CONCLUSÕES

O estudo experimental apresentado neste artigo analisou o potencial de aplicação da técnica da gamagrafia em vigas de

betão pré-esforçado. Os resultados obtidos mostraram que esta técnica não destrutiva permite distinguir o aspecto

heterogéneo do betão e detectar a presença de armadura ordinária e de bainhas de pré-esforço. Relativamente às

anomalias simuladas, a técnica da gamagrafia foi capaz de distinguir ninhos de britas e vazios no betão. Para além

disso, foi possível identificar vazios nas bainhas de pré-esforço, o que demonstra o potencial de aplicação da técnica em

estruturas pré-esforçadas. Por outro lado, a técnica mostrou-se incapaz de identificar a fissuração.

5. AGRADECIMENTOS

O autores agradecem o apoio da Agência da Inovação, que financiou o projecto REABET (QREN 06/SI/2010),

desenvolvido pela empresa Teixeira Duarte, com a colaboração do Instituto Superior Técnico e do Laboratório Nacional

de Engenharia Civil. Os autores agradecem também a assistência científica e técnica da empresa Medical Consult.

6. REFERÊNCIAS

[1] Soares, D. M.; Estudo da técnica da gamagrafia na inspecção de estruturas de betão armado pré-esforçado.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil. Instituto Superior Técnico, 2014.

[2] International Atomic Energy Agency; Guidebook on non-destructive testing of concrete structures. Training

Courses Series No. 17; Vienna; 2002;

[3] Mariscotti, M. A. J.; Jalinoos, F.; Frigerio, T.; Ruffolo, M. & Thieberger, P.; Gamma-ray inspection for void and

corrosion assessment; Safety and utility of the technology make it appropriate for field application. Concrete

International; Vol. 31; No. 11; pp. 48-53; November 2009.

Ninho

Varões

y

x

Vazio na bainha

Bainha de pré-esforço

y

x

Varões

Vazio no betão

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