M ECANISMOS DE F ALHA EM J UNTAS C OLADAS

De modo geral as juntas coladas, fabricadas em material compósito, são conhecidas por apresentarem alta concentração de tensão nas lâminas do aderente. A tensão cisalhante se deve à força cortante criada na superfície do aderente, enquanto que as tensões de “descolamento” (Peel Stresses) surgem em razão da excentricidade do caminho de transmissão das cargas, o que impede a formação de um mecanismo falha dominado predominantemente por tensões de cisalhamento. O efeito adverso, resultante de tal excentricidade, está diretamente relacionado com a espessura do aderente (ARMSTRONG, BEVAN e COLE II, 2005), e isso propicia modos de falha bem específicos para juntas, tais como:

x Falha nos Aderentes: quando o modo de falha é notado no aderente, conclui- se que a falha ocorreu longe da região de transferência de carga, ou seja, a junta

fora projetada e fabricada de forma adequada. Este é o modo de falha mais desejado, uma vez que apresenta sucesso no dimensionamento dos parâmetros da junta e na fabricação da mesma.

x Falha Interlaminar no Aderente: este modo de falha ocorre quando existem tensões fora do plano forçando as camadas do aderente – compósito – para direção normal ao plano principal de carregamento. Se este modo de falha se faz presente em tensões abaixo dos valores admissíveis para a junta, pode-se concluir que há necessidade de se re-projetar a geometria da região de transferência de carga, com o propósito de reduzir as tensões.

x Falha de Coesão: a falha de coesão ocorre na região de sobreposição dos aderentes, ou seja, na região da camada de adesivo e é caracterizada, principalmente, quando se nota a presença de adesivo em ambas as faces do aderente. A presença de cargas de cisalhamento e/ou de descolamento são responsáveis pelo aparecimento deste modo de falha. Conclui-se com este tipo de falha, que as superfícies foram bem preparadas. Dessa forma, visando melhorar a capacidade de carga da junta, em casos de falha coesiva, ou seja, na camada de adesivo, recomenda-se que outro tipo de adesivo seja aplicado. x Falha de Adesão: este tipo de falha ocorre na interface entre o adesivo e o

aderente, e é comum em superfícies, que não tiveram boa preparação superficial. Adicionalmente, este tipo de falha prevê que a junta terá baixa durabilidade em longo prazo.

A Figura 2-19 apresenta alguns modos de falha presentes nos aderentes e no filme de adesivo para juntas metal-metal ou compósito-compósito. A maior excentricidade da carga aliada ao momento secundário produz elevadas concentrações de tensão nas bordas da união, conforme ilustrado na Figura 2-20 e, discutido anteriormente, no capítulo sobre uniões híbridas coladas.

Figura 2-19 - Mecanismos de Falha Tipicamente Encontrados em Juntas Coladas Sobrepostas (Metal-Metal ou Compósito-Compósito).

(a) (b)

EASAComp – Software comercial aplicado na análise de laminados.; SAJ – Sistema de análise de Juntas (RIBEIRO, 2009); ABAQUS – Software comercial de análise MEF.

Figura 2-20 - Variação da Tensão no adesivo, (a) tensão de “descolamento” e (b) tensão de cisalhamento transversal (RIBEIRO, 2009).

Para o caso específico das uniões híbridas, além dos efeitos induzidos pelo momento secundário, é importante atentar para os efeitos de carregamento advindos de pré-cargas térmicas. Em função desta particularidade, é importante lembrar que o adesivo a ser usado deve minimizar os efeitos indesejados causados pelas cargas térmicas. Estes efeitos podem ser bastante prejudiciais à durabilidade da junta em longo prazo, principalmente, para o caso de estruturas aeronáuticas, as quais devem ser operacionais em intervalos de temperatura bastante amplos. O efeito causado pela variação da temperatura na construção de uma junta híbrida, em razão da variação de temperatura, pode causar deformações indesejáveis entre os aderentes e o adesivo, podendo este ser exposto a sobre cargas desnecessárias (Figura 2-21).

Figura 2-21 - Deformação de uma união híbrida colada em razão da diferença de coeficientes de expansão térmica (ARMSTRONG, BEVAN e COLE II, 2005).

Em função da configuração da junta, diferentes resultados de tensão podem ser obtidos ao longo da região colada (Figura 2-22). Portanto, a escolha pela geometria adequada pode potencializar ou reduzir os efeitos decorrentes dos mecanismos de falha.

Adicionalmente, aderentes compósitos de matriz polimérica são consideravelmente mais sensíveis às tensões de cisalhamento quando comparados com aderentes metálicos. A deformação devido ao cisalhante transversal dos aderentes tem efeito análogo ao aumento da espessura da camada de adesivo. Esse fenômeno resulta na diminuição da resistência da junta às cargas de cisalhamento e tensões normais, comuns nas bordas dos overlaps (região de sobreposição).

Figura 2-22 - Distribuição da Tensão de Cisalhamento em diferentes configurações de Juntas Sobrepostas Coladas: (1) Sem Chanfro; (2) Chanfrada com espessura finita; (3) Chanfrada com espessura tendendo a zero.

(ARMSTRONG, BEVAN e COLE II, 2005)

Deve-se ressaltar que no caso das juntas tipo sobreposta simples fabricadas em material compósito, a falha por flexão dos aderentes pode ocorrer devido ao alto momento gerado na borda da região de sobreposição, e se caracterizam por serem frágeis. Em se tratando de aderentes metálicos, as falhas por flexão se tornam tipicamente falhas por escoamento devido à formação de uma rótula plástica na região crítica.

A sequência de empilhamento proposto para o laminado também tem papel fundamental no comportamento mecânico da junta como um todo. Por exemplo, no caso de compósitos unidirecionais, as lâminas orientadas a 90º, empilhadas adjacentes ao filme de resina, que une os aderentes, por suportarem reduzidos níveis de carregamento na direção transversal às fibras, atuam como um “incremento” da espessura do aderente, reduzindo o pico da tensão no filme, uma vez que elevam a ductilidade da junta. Por outro lado, as lâminas orientadas a 0º proporcionam juntas mais rígidas e, consequentemente, maiores tensões nas regiões críticas da união. Ainda que teoricamente, as lâminas orientadas a 90º proporcionam resultados mais eficazes, na prática, observa-se que estas lâminas tendem a enfraquecer a junta, uma vez que o laminado inserido no filme da matriz passa a ser abordado como um defeito.

A ductilidade no adesivo é um fator importante na tentativa de minimizar os efeitos adversos causados pelas tensões no mesmo. Isto se justifica, pois o dimensionamento da junta é realizado levando em consideração a necessidade de manter as tensões do filme adesivo dentro do regime elástico, a fim de evitar que o mesmo trabalhe no limite de sua capacidade. A ductilidade se relaciona com a tensão cisalhante, reduzindo seus efeitos, de forma que quanto menor a ductilidade do adesivo, maior a resistência da junta ao cisalhamento. No entanto, se a junta é mais rígida, maior será a tendência de se obter uma junção frágil. A redução do efeito de rotação, pela fabricação de uma junta com adesivo mais rígido produz um efeito desejável, no sentido de aumentar a resistência da mesma. No entanto, ao mesmo tempo em que se torna mais resistente, a junta se torna menos susceptível a apresentar sinais de falha antes de entrar em colapso.

Alguns pesquisadores, na busca por obter melhores resultados de junção, propuseram o uso de uniões com o emprego de dois tipos de adesivos. Sendo empregados, adesivos mais dúcteis (DP-8005) na extremidade da sobreposição, e mais rígidos (AV-138/HV998) no centro da sobreposição, conforme proposto na Figura 2-23 (DA SILVA e LOPES, 2009). Adesivos de característica intermediária, entre dúcteis e frágeis, também foram usados (Araldite 2013 e o 2021), mas de forma que somente um deles fosse empregado. Como resultado deste experimento, Da Silva e Lopes (2009) concluíram que o comportamento mais dúctil nas regiões críticas da junta, onde há presença de cargas mais elevadas de cisalhamento transversal e tensão de “descolamento”, proporciona aumento da resistência geral da junta.

Figura 2-23 - Proposta de construção de uma união colada com uso de adesivos dúcteis e frágeis; (DA SILVA e LOPES, 2009).

Cabe ainda ressaltar que a temperatura, a umidade e os efeitos de porosidade na camada de adesivo também podem influenciar os resultados de ductilidade, ou seja, geralmente há perda de ductilidade e, consequentemente, redução da capacidade da junta.

2.2.

M

I

E

Com o objetivo de aumentar a “carga paga” (pay load), bem como o tempo disponível de uma aeronave para operação sob condições de uso seguro, diferentes fabricantes veem desenvolvendo o uso de estruturas em material compósito como sendo uma das alternativas mais viáveis para atender as exigências de mercado dos próximos anos. Ainda assim, é razoavelmente complicado garantir a segurança de voo de uma aeronave, principalmente quando se opta, por usar em larga escala, um tipo de material que não apresenta sinais visíveis de degradação. Com o propósito de contribuir para a solução deste problema, a indústria e o meio acadêmico investem concomitantemente em pesquisa e desenvolvimento de métodos para determinar danos, principalmente aqueles não visíveis a olho nu. Sendo que a estes sistemas de monitoramento para detecção de falhas designa-se: “Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural” ou, simplesmente, SHM (Structural Health Monitoring).