Desenvolvimento da prensa

No capítulo de Revisão de Literatura foram listados diferentes métodos de aplicação de pressão no concreto fresco: com o uso de macaco hidráulico, prensa de rosca ou fuso e prensa universal de ensaio. Para as características deste Programa Experimental, bem como questões operacionais e de logística, as prensas universais foram descartadas.

O uso de macaco hidráulico é interessante e preciso. Todavia, foi prevista uma cura sob pressão de até 23 horas, o que poderia aquecer o fluido do dispositivo e provocar perdas por vazamento e atrito, induzindo instabilidades na carga aplicada. Além disso, durante a pressurização ocorre uma perda de volume. Sendo assim, seria necessário desenvolver um sistema com aparador que evitasse a redução da pressão, mantendo-a constante durante todo o período de cura. Dada a sua complexidade, esta proposta foi descartada.

Outra possibilidade seria a aplicação de peso morto utilizando vigas metálicas disponíveis no Laboratório de Experimentação em Estruturas (LEE/ECV/UFSC), que possuem massa entre 93 kg e 125 kg. O impasse esteve no sistema do Pórtico do Laboratório e o ajuste do fuso para controlar a descida da viga (Figura 4-1). De acordo com registros do Grupo de Pesquisa em Experimentação em Estruturas (GRUPEX ECV/UFSC), durante ensaios no pórtico foram registradas alterações de carga da ordem de 100 kg, o que pode gerar erros de difícil controle e correção no procedimento experimental desta tese.

Figura 4-1 - Pórtico do Laboratório de Experimentação em Estruturas.

Cogitou-se adquirir uma prensa do tipo Bishop utilizada para determinação de propriedades de adensamento do solo (Figura 4-2). Para um conjunto composto pela prensa com carregamento traseiro, célula de adensamento, jogo de peso total de 50 kg, um extensômetro de 10 mm e uma mesa de aço, seria necessário um investimento de R$24.400,00 (SOLOTEST, 2015), sem contabilizar os custos para adaptação ao programa experimental proposto. Uma vez que existem limitações financeiras para este trabalho, esta opção também foi descartada. Figura 4-2 - Prensa de adensamento do tipo Bishop.

Após reunião com Engenheiros do Laboratório de Metrologia e Automatização (Labmetro/EMC/UFSC), constatou-se a possibilidade de desenvolver uma prensa parecida à Bishop, com um sistema de alavanca e aplicação de carga em paralelo ou em série. No sistema em paralelo (Figura 4-3a), a carga total do sistema, necessária para aplicação da pressão, é multiplicada pelo número de corpos de prova a serem compactados. No sistema em série (Figura 4-3b), ocorre a transferência

de pressão que permite trabalhar com a mesma carga, independentemente da quantidade de corpos de prova, sendo este o sistema escolhido.

Portanto, foi desenvolvido um molde com pistão, que transfere a carga e atua como base e topo das formas (Figura 4-3c). Ademais, foi projetado com um fim de curso, para garantir que ao final do processo, o corpo de prova tenha uma altura, no mínimo, igual a 47 mm.

Figura 4-3 - Ilustração do sistema de aplicação de carga. (a) Em paralelo. (b) Em série. (c) Encaixe do pistão.

(a)

(b) (c)

De acordo com o desenvolvimento da Equação 4-2, a carga aplicada pela prensa em moldes com diâmetro de 5 cm seria superior a 2 t. Visando reduzir este valor e garantir a estabilidade da prensa, o projeto baseou-se em três princípios mecânicos: redução da seção transversal, vantagem mecânica com braço de alavanca, polia, cabo e ponto fixo.

A redução da seção transversal de 5 cm para 2 cm permitiu uma redução da força necessária para a pressão de 10 MPa de 19,6 kN para 3,1 kN, o que significou uma diminuição da massa de 2.001,5 kg para 320,2 kg.

O braço de alavanca, cuja ilustração e diagrama de esforços foi apresentada na Figura 4-4, foi concebida como uma barra articulada com três pontos: 0, 1 e 2. Respectivamente, os pontos de apoio do pivô, de aplicação de força nos corpos de prova e da colocação dos pesos. Para as dimensões especificadas11_{, o fator de multiplicação da carga, calculado a} partir da verificação do equilíbrio do momento no ponto 0, resultou em uma vantagem de 2,25 (Equação 4-3).

∑ 𝑀0 = 0 Equação 4-3

11 _{As dimensões da prensa ficaram limitadas a uma ocupação máxima de 1,5 m}2_. Ao final do projeto, construiu-se um equipamento que ocupou uma área de 1,15 x 0,44 m2_{. Foi instalada no Laboratório de Materiais de Construção Civil} (LMCC/ECV/UFSC)

𝐹1. 400 − 𝐹2. 890 = 0 ∴ 𝐹1 = 2,25 𝐹2

Portanto, desconsiderando o peso próprio da alavanca e o atrito entre os elementos, uma massa de 10 kg aplicada no ponto 2 correspondeu a 22,5 kg, ou 0,7 MPa de pressão sobre os corpos de prova. Para 10 MPa foi necessária uma massa de 142,3 kg.

A carga foi reduzida pela metade ancorando-se o cabo que traciona as massas em um ponto fixo na estrutura, em um sistema par de transferência. Isto é: ao invés de 142,3 kg, para a mesma pressão de 10 MPa foram necessários apenas 71,2 kg. Foram previstas duas polias apenas para mudar o sentido de tração do cabo.

Figura 4-4 – Sistemas mecânicos de máquinas simples: Braço de alavanca, polia/ cabo e ponto fixo.

Para garantir a estabilidade e direção do deslocamento imposto pelo peso durante o processo, foram previstas guias lineares, rolamentos de esferas, placas de apoio (① inferior, ② superior) e base móvel (③),

ilustrados na Figura 4-5, para as posições do braço de alavanca em estágio inicial e final da compactação.

Figura 4-5 - Posição da estrutura de compactação em estágio inicial e final da compactação.

As guias foram construídas com eixos (retificados e cromados) e rolamentos lineares (com atrito desprezível). Para o suporte e alinhamento das guias e dos moldes dos corpos de prova, foram usinadas placas de apoio inferior, superior e a base móvel.

Tanto a placa superior quanto a base móvel foram responsáveis por distribuir a pressão uniformemente sobre o topo do molde. Como foi esquematizado na Figura 4-6, durante o carregamento desenvolve-se uma trajetória em arco que varia o ponto de aplicação da força. Este atinge a máxima deflexão quando na posição horizontal. Para compensar a excentricidade e coincidir o eixo da aplicação da pressão com o eixo dos moldes, foram inseridas roldanas, que deslizam sobre a base superior.

Figura 4-6 - Trajetória em arco do braço de alavanca em diferentes estágios de compactação e o uso da roldana.

Por fim, foi acrescentada uma catraca para auxiliar o levantamento do peso. Para compensar irregularidades do piso e absorver eventuais vibrações, foram inseridos seis pés niveladores do tipo “vibrastop”.

Toda a estrutura foi construída com tubos galvanizados retangulares. A união se deu por aparafusamento e solda manual com eletrodo revestido. Inicialmente, a junta entre os elementos foi ponteada (Figura 4-7a), para ao final executar o cordão (Figura 4-7b). Para limpar resíduos e proteger as juntas, utilizou-se thinner (Figura 4-7c). A estrutura concluída pode ser conferida na Figura 4-8.

Figura 4-7 - Construção da prensa. (a) Ponteamento das juntas. (b) Execução do cordão. (c) Limpeza e proteção da solda.

Figura 4-8 – Estrutura da prensa concluída.