Influência do tipo de lei coesiva na resistência das juntas

A forma da lei coesiva apresenta grande influência na previsão de resistência de juntas adesivas e, dependendo da ductilidade do adesivo em causa, diferentes leis coesivas podem ser a mais adequada. Neste capítulo descreve-se com algum detalhe um trabalho em que a influência da lei coesiva é estudada para um adesivo frágil e outro dúctil.

Sendo assim, no trabalho de Campilho et al. (2013) estudou-se o efeito da utilização de leis coesivas triangulares, trapezoidais e exponenciais na previsão da resistência à tração de juntas adesivas com aderentes de carbono-epóxido e um adesivo frágil (Araldite^® AV138) e outro dúctil (Araldite^® 2015), e com valores de LO entre 10 e 80 mm. A Figura 13 detalha as diferentes leis coesivas para os adesivos Araldite^® 2015 e AV138 em tração (a) e em corte (b).

a) b)

Figura 13 – Leis coesivas em tração (a) e corte (b) para ambos os adesivos

A Figura 14 apresentada o desvio percentual entre os valores experimentais e numéricos por MEF para o Araldite® 2015 (normalizados pelos respetivos valores de tensão máxima (Pmáx) experimentais). Os resultados mostram que as previsões pela lei trapezoidal são as que mais se aproxima dos dados experimentais. Os erros percentuais entre os dados experimentais e o MEF são bastante reduzidos, com um máximo de 1,9% para LO=80 mm. Estes resultados são coerentes com trabalhos anteriores realizados com este tipo de adesivo (com alguma ductilidade). 0 10 20 30 40 50 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 tn [M P a ] _n[mm]

Triangular Exponential Trapezoidal

0 10 20 30 40 50 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 tn [M P a ] _n[mm]

Triangular Exponential Trapezoidal 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 AV138 2015 0 10 20 30 40 50 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ts [M P a ] _s[mm]

Triangular Exponential Trapezoidal

0 10 20 30 40 50 0 0,2 0,4 0,6 0,8 ts [M P a ] _s[mm]

Triangular Exponential Trapezoidal 0 0.05 0.1 0.15 0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 AV138

A lei triangular subestimou o valor de Pmáx, com uma tendência clara para discrepâncias maiores com maiores valores de LO (variação percentual ()=-2,2% para LO=10 mm, crescendo de forma sustentada para valores maiores de LO; =-5,5% para LO=80 mm). Esta tendência foi justificada pelas distribuições de tensões (nomeadamente as tensões de corte) para JSS. De facto, para pequenos valores de LO, a distribuição praticamente uniforme das tensões de corte entre as extremidades faz com que a forma da lei MDC seja praticamente irrelevante porque, no momento em que Pmáx é atingido, o adesivo encontra-se carregado de forma praticante uniforme em toda a sua extensão. Nas análises de MEF, isto corresponde a um cenário em que os níveis de tensão de todos os elementos coesivos estão na proximidade de tn,s⁰ em toda a camada de adesivo, o que faz com que a forma da lei coesiva não seja muito relevante. Para valores maiores de LO, os gradientes de tensão na camada de adesivo aumentam e os desvios relativamente aos dados experimentais também aumentam. Apesar das variações observadas para os resultados experimentais, a lei triangular ainda consegue prever Pmáx com uma precisão aceitável, o que é relevante na medida em que a lei coesiva triangular é a de mais fácil utilização em termos de implementação, tempo de cálculo, definição dos parâmetros coesivos e disponibilidade nos códigos comerciais de MEF. A lei coesiva exponencial apresentou resultados díspares para o intervalo considerado de valores de LO. Para valores pequenos de LO, Pmáx foi sobrestimado numericamente ( máximo de 27,9% para LO=10 mm). Os valores de  diminuem com o aumento de LO e aproximam-se dos valores experimentais para LO=50 mm. A partir deste ponto, registaram-se previsões por defeito de Pmáx (até um máximo de =-6,8% para LO=80 mm).

Figura 14 – Desvio percentual entre os valores experimentais e numéricos de Pmáx para o Araldite^®

-20 -10 0 10 20 30 10 20 30 40 50 60 70 80  [% ] LO[mm]

Figura 15 – Desvio percentual entre os valores experimentais e numéricos de Pmáx para o Araldite^® AV138.

a) b)

Figura 16 – Degradação da rigidez para as juntas com LO=80 mm e com o Araldite® AV138 (a) e Araldite^® 2015 (b) quando Pmáx é atingido (lei trapezoidal).

A Figura 15 apresenta uma comparação idêntica para o Aradite^® AV138 adesiva. Pode ser desde já observada uma grande diferença no que se refere à ordem de grandeza de  uma vez que, para o Araldite^® AV138, o desvio máximo é próximo de 3%, em comparação com os cerca de 30% para o Araldite^® 2015. Por outro lado, os resultados de todas as três leis coesivas seguem a mesma tendência para toda a gama de valores de LO. Isto está relacionado com a fragilidade do Araldite^® AV138, especialmente quando comparada com a grande ductilidade do Araldite^® 2015, o que pode ser observado na Figura 13 pela diferença dos valores de n,s^f. De facto, a lei coesiva ao corte do Araldite® 2015 apresenta um valor de deslocamento de rotura ao corte na ponta da fenda (s^f) superior em mais que uma ordem de grandeza relativamente ao Araldite^® AV138. Como resultado desta diferença, a forma das leis coesivas do Araldite® AV138 é muito menos influente porque a zona em amaciamento é insignificante relativamente à do Araldite® 2015. Isto pode ser observado na Figura 16,

-10 -5 0 5 10 10 20 30 40 50 60 70 80  [% ] LO[mm]

que compara as juntas com LO=80 mm coladas com o Araldite^® AV138 (a) e Araldite^® 2015 (b) quando se atinge Pmáx (lei coesiva trapezoidal). O parâmetro stiffness degradation (SDEG) corresponde à degradação da rigidez ao corte, e com SDEG=0 correspondente à ausência de dano e SDEG=1 a indicar a rotura completa. Uma vez que a região de influência das leis coesivas para o Araldite^® AV138 está restrita a uma pequena porção da sobreposição, quaisquer diferenças na forma das leis coesivas tem um efeito reduzido. Isto também justifica a mesma tendência entre as três leis coesivas, embora se observe uma pequena redução de  entre as três formas com o aumento de LO, com variações pouco significativas para os valores maiores de LO. Esta variação é justificada pelos aumentos dos gradientes de tensão na ligação adesiva, tanto em corte como em arrancamento, o que reduz ainda mais o comprimento de adesivo em amaciamento, onde as diferenças entre as três leis coesivas ocorrem. Em condições de rotura frágil, todas as leis coesivas se revelaram assim adequadas para a previsão da resistências das juntas, embora os melhores resultados (especialmente para valores reduzidos de LO) tenham sido obtidos com a lei triangular (valor máximo de  de -1,9% para LO=10 mm). Comparando com estes resultados e com os experimentais, as previsões pela lei trapezoidal apresentaram valores ligeiramente inferiores (máximo -2,9% para LO=10 mm). Os resultados da leis exponencial apresentam uma redução ainda mais acentuada (máximo -3,2% para LO =10 mm), embora seguindo a mesma tendência.

Concluiu-se assim que a lei coesiva tem uma influência significativa na previsão de resistência para as juntas com adesivos dúcteis (como é o caso do Araldite^® 2015), caso em que uma lei trapezoidal é mais adequada. Para a adesivos frágeis (como é o caso do Araldite^® AV138), a lei triangular é mais adequada embora a diferença entre as três leis estuda seja muito reduzida.