Antes de definir qual modelo de célula de carga foi selecionado, é preciso fazer algumas consi- derações.
Apesar do intenso trabalho de busca, o aluno não encontrou nenhuma célula de carga com seis graus que satisfizesse as condições do ensaio.
Figura 6.3: Planilha desenvolvida para seleção da célula de carga
Algumas das células de carga selecionadas poderiam ser utilizadas no início do en- saio, para valores ainda reduzidos de Vr. Outras, por outro lado, têm seu uso restrito a valores
elevados de Vr, visto que suas incertezas seriam maiores que os valores medidos no início do
ensaio.
Deve-se levar em consideração o seguinte fato. Durante o ensaio de VIV a velocidade do canal varia cerca de 10 vezes, iniciando com um valor próximo a 0, 04m/s e chegando a valores da ordem de 0, 4m/s. Com essa variação, espera-se que as forças de sustentação e arrasto variem da ordem de 100 vezes. Como a incerteza de uma célula de carga é da ordem de 1a 1, 5% do seu fundo de escala, o sensor “ideal” deveria ter seu fundo de escala muito próximo ao valor máximo das forças no escoamento, ou seja, para um cilindro de 50mm de diâmetro externo algo entre 6 e 8Newtons.
Encontrar células de carga com fundos de escala específicos não é uma tarefa simples. Considerando que este problema tivesse sido superado e uma célula de carga com um fundo de escala ideal fosse encontrada, ainda haveria problemas na medição. Como foi dito, a incerteza desses equipamentos é da ordem de 1% do fundo de escala, desta forma, no início do ensaio a incerteza seria da mesma ordem de grandeza que as forças a serem medidas. Dizer que uma força vale 0, 5 ± 0, 6. não tem muito sentido.
Atacando o problema por outro lado, pode-se pensar em utilizar uma célula de carga com fundo de escala menor que o necessário. Isso faria com que a incerteza também fosse menor e, portanto, seria possível medir as forças no início do ensaio com baixa incerteza rela- tiva. O problema desta alternativa seria o final do ensaio, para valores elevados de Vr, quando
Tabela 6.1: Compilação do intervalo de Vrusado em alguns trabalhos
Referência Trabalho Vrmin Vrmax
Jauvtis e Williamson (2003)
Vortex-induced Vibrations of a cylinder with two degrees
of freedom 2 11
Khalak e Williamson (1996)
Dynamics of a hydroelastic cylinder with very low mass
and damping 1 16
Govardhan e Williamson (2000)
Modes of vortex formation and frequency response of a
freely vibration cylinder 3 12
Williamson e Govardhan (2004) Vortex-induced Vibrations 1 17
Fujarra et al. (2001) Vortex-induced Vibrations ofa flexible cantiliever 1 17 Hover, Tvedt e Triantafyllou (2001) a cylinder with tripping wiresVortex-induced Vibrations of 2 12 Flemming e Williamson (2005) Vortex-induced Vibrations ofa pivoted cylinder 3 21
as forças atingem o fundo de escala. Caso a velocidade do canal não atinja valores elevados o ensaio também não atingirá elevados valores de Vr. Caso o ensaio seja programado para os
limites convencionais de Vrentão o sensor deixará de operar na sua região linear e, novamente,
os valores medido perderão sua valia.
Numa situação extrema, caso as forças no cilindro sejam maiores que o valor de over- load do sensor, este pode ser danificado seriamente. Na verdade, as forças não precisam atingir este valor, visto que ele indica os valores máximos instantâneos que o equipamento suporta. Manter sua operação durante prolongado intervalo de tempo numa região posterior ao fundo de escala pode, também, danificá-lo.
Outro problema relacionado à seleção de algumas das células de carga é o fato delas possuírem seis eixos. Por um lado essa característica permitiria medir as forças através do momento. Por outro, o momento máximo se mostra o fator limitante do ensaio. Pode-se pensar na medição pelo momento como um amplificador das forças. Como as células são projetadas para receberem as forças próximas a elas, o momento máximo é da ordem de 10 vezes o fundo
Forças elevadas, seguindo o mesmo princípio, também seriam “amplificadas” e ultrapassariam o overload do momento.
Apesar de não haver encontrado um equipamento com seis eixos que atenda as ne- cessidades do ensaio, o aluno não pode afirmar que ele não exista. Na verdade, a conclusão do aluno é que apenas uma célula de carga com seis eixos não é o equipamento ideal para os ensaios a serem realizados.
Foi visto anteriormente, que usar um sensor de seis graus seria a solução mais simples para a medição das forças. Como este não pode ser encontrado, outras técnicas de medição foram estudadas.
Uma das soluções seria particionar a medição das forças em dois ou mais ensaios. Para velocidades reduzidas baixas uma célula de carga específica seria utilizada. A partir de determinado valor de Vr o ensaio seria interrompido, a célula de carga substituída e então o
ensaio prosseguiria.
O problema desta alternativa é que cada sensor possui uma massa específica. Trocar o equipamento no meio do ensaio provocaria uma variação na massa da base e, portanto no m∗. Ainda que massas extras fossem anexadas a base quando esta estivesse operando com a célula de carga mais leve, de tal forma a anular o problema da variação de massa, nada garante que ao interromper o ensaio as mesmas condições estariam presentes na segunda etapa, dada a condição de histerese do fenômeno.
Outra solução seria medir as forças com células de carga convencionais, de apenas um grau. Estas células são, além de mais simples e muito mais baratas que as de seis graus, mais resistentes e oferecem menos incerteza. A grande dificuldade no emprego destes sensores é, como já foi dito anteriormente, que sua medição não será direta, visto que deveriam ser montadas no encaixe das molas.
Dentre as células de carga de seis graus estudadas, aquela que mais se aproxima do ideal é a Gamma 32, da ATI. Este sensor, considerando uma base elástica cuja freqüência natural em ar é de 0, 68Hz e cilindro de diâmetro externo de 50mm poderia operar entre os limites de Vrde 2, 5 a 10, 5, medindo o momento.
Uma última observação sobre a seleção da célula de carga citada acima é que o valor usado para a incerteza, cerca de 1% do fundo de escala, como indicado pelo fabricante, é uma situação limite. Segundo o catálogo do sensor, a incerteza não ultrapassa esse valor. Em condi-
ções ideais, espera-se que seu valor seja inferior ao indicado. Tal “melhora” na medição não foi considerada no modelo porque não é possível estimar qual será a incerteza do sensor nas condições do ensaio.
Não seria uma atitude prudente “acreditar” que o sensor mediria as forças hidrodinâ- micas de maneira precisa, ainda que o modelo não previsse isso. O procedimento ideal seria calibrar a célula de carga. Desta forma seria possível determinar o grau de incerteza do equipa- mento nas condições do ensaio e, com este resultado julgar se ele seria, ou não, adequado.
Considerando o elevado custo desses sensores, da ordem de dezenas de milhares de reais, não seria interessante dar um palpite não completamente fundamentado.
Abandonando a busca pelas células de carga com seis eixos, o aluno focou na busca de células de carga simples. Como dito anteriormente elas são mais baratas, porém fornecem resultados indiretos. Para validar os ensaios realizados com tais equipamentos é necessário fazer ensaios mais simples de tal forma a desenvolver bem o modelo dinâmico que permitirá o emprego dessas células.
Retomando sua busca por sensores o aluno encontrou o modelo PME1 do fabricante KNWaagen Balanças. Tal sensor possui baixo valor de fundo de escala, 1kgf ∼= 10N . Os demais dados técnicos deste sensor se assemelham aos já citados anteriormente. Sua grande vantagem, por outro lado, é seu baixo custo. Enquanto os sensores de seis eixos estudados custavam na ordem de dezenas de milhares de reais, este modelo valia R$85, 00. Este valor permite que um teste seja feito. Como objetiva-se medir forças em duas direções, dois sensores PME1 foram adquiridos pelo laboratório NDF.
A figura 6.4 apresenta a célula de carga e a montagem responsável pelo seu emprego como medidora de força da base elástica.