Equipamento Utilizado

A máquina utilizada para os ensaios foi a Máquina Universal de Testes MTS 810, da MTS®. A MTS 810 possibilita uma ampla variedade de testes, é possível a realização de ensaios com baixo, médio ou elevados níveis de carregamento, tanto para cargas estáticas como dinâmicas, tração ou compressão. Além disso, possui software específico fornecido pelo fabricante, de fácil configuração, que se ajusta bem aos diferentes tipos de carregamento, é por meio dele que são ativados e controlados as bombas e atuadores hidráulicos. As garras de fixação dos corpos de prova também são acionadas hidraulicamente, de maneira que se pode variar a pressão nas mesmas, utilizando um controlador na base da própria máquina. Possui ainda células de carga, que medem as forças aplicadas aos corpos de prova, com erro inferior a 1%, em uma faixa entre 1 kN a 100 kN (Oliveira, 2008). A imagem do equipamento utilizado é apresentada na Figura 5.1.

(a) Vista frontal do equipamento (b) Dimensões do equipamento

Figura 5.1 - MTS 810 - Material Testing Systems

A Tabela 5.1 apresenta algumas especificações do equipamento. Tabela 5.1 - Especificações do equipamento

Capacidade máxima de força 100 kN

Distância máxima para ensaio - A 1308 mm

Altura de trabalho - B 889 mm

Espaçamento entre as colunas - C 533 mm

Diâmetro da coluna - D 64 mm

Largura da base - E 864 mm

Profundidade da base - F 610 mm

Distância entre a base e a ponta da coluna - G 2718 mm

Figura 5.2 - Desempenho dinâmico da MTS 810

De acordo com a restrição do equipamento e dimensões da placa espera-se nos ensaios experimentais obter deslocamentos de até 40 mm, conforme verificado a partir da Equação (3.10). Com esse deslocamento máximo a maior frequência de trabalho, utilizando a Figura 5.2, é de aproximadamente 1 Hz. Contudo, por questões de controle e segurança e devido as limitações impostas pelos técnicos e professores do Departamento de Engenharia Mecânica, optou-se por realizar os ensaios com frequência de 0,1 Hz, pois esta é a frequência mínima de operação do equipamento.

5.1.2. Preparação do Aparato Experimental

A Figura 5.3 (a) apresenta a configuração do modelo proposto da placa triangular, e a Figura 5.3 (b) do aparato experimental construído. Na configuração inicial do projeto espera-se que a placa tenha uma extremidade engastada e que o carregamento seja aplicado na extremidade livre, que possui as rotações e deslocamentos horizontais restringidos e deslocamento vertical livre. Porém, a MTS 810 possui a limitação de aplicar somente cargas de tração e compressão no eixo vertical. Com isso uma adaptação é realizada no projeto, a fim de que a carga dinâmica possa ser aplicada pelo equipamento. Foi adotado um eixo de simetria em que houve um espelhamento da placa triangular, que pode ser observado na Figura 5.3 (b). E o carregamento é aplicado no centro desse eixo. Dois suportes verticais, que funcionam como apoios, foram acoplados para que ambas as extremidades fiquem engastadas. Além disso, a furação dos apoios foi modificada para se adequar à furação dos suportes verticais.

(a) - Modelo Proposto da Placa Triangular (b) - Representação de eixo de simetria adotado

Figura 5.3 - Representação esquemática do modelo de projeto e do modelo construído

Sendo assim, pelo princípio da superposição dos efeitos, o resultado de cada placa ensaiada corresponde ao comportamento de duas placas originais superpostas, não deixando de ponderar que essa consideração é uma simplificação, tendo em vista que as solicitações fogem do regime elástico.

5.1.3. Fabricação do Aparato Experimental

Para a confecção das placas o material utilizado foi o aço estrutural ASTM A36, que é classificado como um aço carbono de média resistência mecânica. Foi usada uma espessura constante de cinco milímetros para todas as placas, a escolha de tal dimensão para a espessura se deu em função da grande disponibilidade comercial para a sua aquisição.

Esse processo é totalmente computadorizado, com elevada precisão, podendo garantir que as peças sejam fabricadas no seu formato original reduzindo imperfeições geométricas. Além disso, esse processo de corte não causa fadiga, microfissura ou aquecimento nos materiais, preservando suas propriedades físico-químicas.

Na Figura 5.4 (a) estão representadas as dimensões da placa triangular adaptada e na Figura 5.4 (b) apresenta-se a placa fabricada de acordo com os procedimentos previamente descritos.

(a) Dimensões da placa ensaiada (b) Placa adataptada do tipo Triangular

Figura 5.4 - Placa do tipo Triangular adaptada ao sistema de ensaio

5.1.4. Preparação do Experimento

A seguir é descrito o procedimento detalhado de fixação do corpo de prova a ser ensaiado na MTS 810, a obtenção dos dados experimentais e a interface do software:

Foram fixados dois suportes verticais na base do mecanismo de atuação de forma que o Corpo de Prova (CP) pudesse ser preso no topo destes (Figura 5.5);

Figura 5.5 - MTS 810 com fixação dos suportes verticais

A fixação do CP no suporte foi realizada com a utilização de 10 parafusos e quatro chapas, sendo cinco parafusos e duas chapas de cada lado, colocadas em ambas as extremidades do modelo. Tal configuração foi adotada para que se garantisse o engastamento do CP nos pontos de fixação (Figura 5.6);

Figura 5.6 - Fixação do corpo de prova nos suportes verticais

Na parte central do CP, Figura 5.6, onde fica o atuador, foram utilizados mais dois parafusos com arruelas e porcas sextavadas e duas chapas para garantir a distribuição uniforme do carregamento sobre o CP;

A aplicação da carga dinâmica é garantida através de um parafuso central sem cabeça. Esse parafuso está conectado por uma garra que realiza deslocamentos verticais (Figura 5.7).

Figura 5.7 - Detalhe do parafuso central sem cabeça fixando o corpo de prova a garra do atuador

Ao serem instaladas no suporte, as placas ficam engastadas em ambos os extremos, impedidas assim as rotações. Observa-se que a placa triangular se deforma com curvatura simples apresentando assim escoamento ao longo de toda sua altura. Os

detalhes da deformação simples e do engastamento da placa nos suportes são apresentados na Figura 5.8.

Figura 5.8 - Deformação da placa triangular em curvatura simples e engastamento da placa nos suportes

Para a realização dos ensaios, todo o sistema hidráulico da MTS 810 é conectado a um computador que possui um software específico para o gerenciamento dos carregamentos aplicados e para a apresentação dos deslocamentos obtidos. Os detalhes do sistema de ensaio e aquisição de dados são apresentados na Figura 5.9.

Figura 5.9 - Sistema de ensaio e aquisição de dados

Os deslocamentos das placas submetidas ao ensaio são coletados pela própria MTS 810 que possui um sensor LVDT (Linear Variable Differential Transformer) responsável pela obtenção desses dados.

O software Station Manager, fornecido pelo fabricante da MTS 810, é responsável pelo gerenciamento dos carregamentos e obtenção dos resultados. Bem como pelo controle da atuação das bombas hidráulicas encarregadas pela aplicação das forças de atuação. Com base em um arquivo de configuração específica (*.cfg), podem ser criados conjuntos de parâmetros para testes ou grupos de testes de acordo com a necessidade do ensaio. Uma vez realizado o ensaio, os dados podem ser facilmente exportados para arquivos com extensões diversas. O ambiente de trabalho do software é apresentado na Figura 5.10.

Figura 5.10 - Tela principal do software Station Mananger da MTS 810

A Figura 5.10 apresenta o controle da força e frequência de excitação, o formato do carregamento, bem como dos dispositivos de segurança. Maiores detalhes quanto ao funcionamento do software podem ser encontrados no site do fabricante (MTS Systems, 2016).

5.2. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

5.2.1. Carregamento Triangular Crescente

Inicialmente um corpo de prova foi ensaiado com carregamentos lineares incrementais até o limite de 4,0 kN, adotando-se uma razão de 5 kN por minuto como taxa de carregamento. A Figura 5.11 apresenta a evolução dos deslocamentos submetida a uma força triangular com amplitudes crescentes.

Figura 5.11 - Carregamento triangular crescente com histórico de deslocamentos

A aplicação de carregamentos crescentes incrementais foi feita de forma manual, sendo assim ao término de cada ciclo de carregamento foi iniciado manualmente um novo ciclo a partir do anterior, pois o software Station Manager usado para o controle dos carregamentos não contempla o módulo que automatiza a aplicação desses carregamentos.

Após a aplicação do carregamento, foi obtido o histórico de deslocamentos, dessa forma foi feito o laço de histerese, como pode ser visualizado na Figura 5.12.

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 TEMPO (s) FORÇA (kN) DESLOCAMENTO (mm)

Figura 5.12 - Gráfico força versus deslocamento referente ao carregamento triangular crescente

Nota-se um laço de histerese bem desenvolvido, com ciclos completos, mostrando a eficiência do dispositivo triangular que devido à deformação plástica ocorre a dissipação de energia. Observa-se que os deslocamentos máximos estão na faixa de 18 mm para uma força de aproximadamente de 4 kN. Observa-se também que os deslocamentos são crescentes de acordo que há um aumento nas amplitudes de forçamento. Devido a aplicação de uma carga crescente o laço de histerese apresenta amplitudes de deslocamentos cada vez maiores depois de cada ciclo completo.

5.2.2. Carregamento Harmônico Crescente

Em seguida, o experimento foi realizado com carregamentos periódicos na forma senoidal variando as amplitudes até o limite de 2,0 kN. As variáveis controladas foram as amplitudes das forças aplicadas e a frequência de excitação. Foi adotada uma frequência de 0,1 Hz e a cada dois ciclos foi acrescentado na amplitude 0,5 kN. O

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 F O R Ç A ( k N ) DESLOCAMENTO (mm)

GRÁFICO FORÇA VERSUS DESLOCAMENTO

Figura 5.13 - Carregamento harmônico crescente com histórico de deslocamentos

O gráfico força por deslocamento (Figura 5.14) apresenta o laço de histerese, de acordo com a aplicação do carregamento. As amplitudes máximas de carregamento estão na faixa de 2 kN, com essas amplitudes apresentam-se deslocamentos máximos de aproximadamente 4 mm. Apresentam-se ainda ciclos completos de histerese que estão diretamente relacionados com a dissipação de energia, mostrando uma eficiência do dissipador. Nota-se que os deslocamentos apresentados pelo carregamento são maiores a cada ciclo devido a um carregamento crescente.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 TEMPO (s) FORÇA (kN) DESLOCAMENTO (mm)

Figura 5.14 - Gráfico força versus deslocamento referente ao carregamento harmônico crescente

5.2.3. Carregamento Harmônico Constante

Finalmente foram analisados corpos de prova submetidos a um carregamento harmônico senoidal constante. Foi adotada uma amplitude constante de carga de 3,0 kN e uma frequência de 0,1 Hz. O gráfico relativo à evolução dos deslocamentos a partir da aplicação do carregamento é exibido na Figura 5.15.

-2 -1 0 1 2 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 F O R Ç A ( k N ) DESLOCAMENTO (mm)

GRÁFICO FORÇA VERSUS DESLOCAMENTO

Figura 5.15 - Carregamento harmônico constante com histórico de deslocamentos

Igualmente, o laço de histerese foi feito com base nos dados de aplicação de força e verificação de deslocamentos, como é exposto na Figura 5.16.

Figura 5.16 - Gráfico força versus deslocamento referente ao carregamento harmônico constante

Observa-se um laço de histerese estável e bem definido comprovando a eficiência do dispositivo triangular na dissipação de energia. De acordo com o desenvolvimento do carregamento, os deslocamentos apresentam uma curva quase fechada, diferente dos ciclos apresentados, anteriormente, nos dois carregamentos crescentes. Para as

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250 300 TEMPO (s) FORÇA (kN) DESLOCAMENTO (mm) -3 -2 -1 0 1 2 3 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 F O R Ç A ( k N ) DESLOCAMENTO (mm)

GRÁFICO FORÇA VERSUS DESLOCAMENTO

amplitudes de força de aproximadamente 2,5 kN os deslocamentos máximos ficaram em torno de 7 mm.