MEMÓRIA DE FORMA

Em função da sua capacidade de amortecimento, que está diretamente associada ao laço de histerese que se observa durante as transformações de fase para um comportamento pseudoelástico, as ligas com memória de forma têm sido utilizadas como elementos em atenuadores de vibração. Além disso, as características dinâmicas do atenuador podem ser ajustadas variando a temperatura e/ou a tensão no elemento, de modo a induzir transformações de fase que vão modificar características de rigidez e de amortecimento da liga.

Usando as características apresentadas acima, Nae et al. (2004) apresentam um protótipo de um atenuador de vibrações adaptativo usando fios de SMA. Este atenuador usa a pseudoelasticidade da liga para suprimir as vibrações de uma viga através do controle da temperatura do fio (Figura 2.9). Foi utilizada uma corrente

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elétrica para o aquecimento e um fluxo de ar para o resfriamento do fio alterando as dimensões do laço de histerese e a rigidez do fio.

Figura 2.9 – Esquema de um atenuador de vibrações usando fios de SMA (NAE et

al., 2004).

Salichs et al. (2001) apresentam um estudo sobre a utilização de ligas de memória de forma como um dispositivo passivo de supressão de vibrações em estruturas de edifícios. Foi construído um protótipo que foi submetido a uma excitação de base e foram usados fios de SMA em diagonal para reforçar a estrutura. Resultados experimentais foram comparados com resultados de um modelo numérico. Foi avaliada, para uma mesma estrutura, a utilização de cabos de aço convencionais e fios de SMA. Os resultados confirmam a capacidade de redução das vibrações da configuração que emprega fios de SMA.

Dolce et al. (2001) analisam o comportamento das SMAs para aplicações sísmicas em componentes submetidos a um carregamento de torção. Barras de NiTi de diferentes composições de liga e de várias dimensões foram submetidas a testes experimentais de torção e simulações numéricas. No carregamento cíclico aplicado nas barras procurou-se reproduzir o carregamento provocado por um abalo sísmico. Os ensaios experimentais demonstraram a potencialidade de se usar barras de SMA submetidas a torção em dispositivos de proteção sísmica.

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Wilde et al. (2000) apresentam um método para a proteção passiva de pontes

contra o risco de terremotos. A proposta é usar isoladores de borracha e dispositivos feitos de SMA entre a plataforma da ponte e suas colunas de sustentação. O laço de histerese da liga é usado para aumentar a capacidade de dissipação de energia do dispositivo.

Janke et al. (2005) e Song et al. (2006) apresentam várias aplicações das ligas com memória de forma no controle passivo, semi-ativo e ativo de estruturas na construção civil. São mostradas aplicações existentes e as novas possibilidades nas áreas de amortecimento e controle de vibrações e na de recuperação estrutural inteligente. Uma aplicação real da liga de SMA na engenharia civil é no amortecimento de vibrações em abalos sísmicos. A liga pode ser usada em um sistema para isolar a energia sísmica que seria transferida do solo para a estrutura, funcionando como um filtro, atenuando os danos na estrutura. Outra possibilidade é usar as SMAs como um mecanismo de dissipação de energia integrado à estrutura, absorvendo a energia sísmica através da propriedade de pseudoelasticidade da liga. Um exemplo da aplicação da liga em dispositivos anti-terremotos é o encontrado na Basílica de São Francisco na Itália (Figura 2.10), onde a cumeeira é ligada à estrutura principal por dispositivos que usam barras de SMA.

23 (a)

(b)

Figura 2.10 – Dispositivo anti-terremoto usado na Basílica de São Francisco de Assis, Itália - (a) foto da Basílica e da instalação do dispositivo e (b) detalhe do

dispositivo (JANKE et al., 2005).

Outro exemplo é o encontrado na recuperação da torre dos sinos da Igreja de San Giorgio, também na Itália (Figura 2.11), que foi danificada pelo terremoto de 15 de Outubro de 1996. Para recuperar a torre e evitar novos danos, barras de aço com dispositivos intermediários de SMA foram adicionadas à estrutura da torre. Estas barras atravessam toda a torre e são ancoradas na sua fundação, reforçando a

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estrutura, aumentando as frequências de seus modos de vibração e limitando a carga, evitando que a estrutura falhe por compressão. Esta torre ficou intacta após um terremoto de magnitude semelhante ao de 1996, ocorrido em 2000.

Figura 2.11 – Dispositivo anti-terremoto usado torre dos sinos da Igreja de San Giorgio, Itália (JANKE et al., 2005).

Outro estudo da aplicação de fios de SMA na recuperação e no aumento da capacidade de resistência a abalos sísmicos em torres (Figura 2.12) foi apresentado por Alsaleh et al. (2011). Neste artigo foi desenvolvida uma série de experimentos para se estudar os efeitos dos fios de SMA sobre o comportamento dinâmico em um modelo em escala reduzida do Minarete Qusun, construção do século XIV, localizado na cidade do Cairo no Egito. O modelo foi testado em várias condições de carregamento antes a após a adição dos fios de SMA, demonstrando a potencialidade do uso de cabos de SMA nestas aplicações.

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(a) (b)

Figura 2.12 – Estudo sobre aplicação de SMA na recuperação de Minaretes: (a) Características geométricas do Minarete Qusun e (b) Modelo experimental (ALSALEH

et al., 2011).

Zuo & Li (2009) mostram estudos sobre a utilização de ligas de memória de forma como amortecedores de vibração em cabos de sustentação da plataforma de pontes submetidos a vibração livre e forçada. Foram realizados testes experimentais e simulações numéricas comprovando a redução da amplitude de aceleração no cabo induzida pelo movimento da plataforma.

Um estudo numérico sobre a aplicação de amortecedores de vibração usando ligas com memória de forma em cabos de pontes estaiadas é apresentado por Mekki & Auricchio (2011). Neste estudo é avaliada a eficácia dos amortecedores de SMA em controlar o deslocamento nos cabos da ponte e é apresentado um estudo comparativo entre um amortecedor de SMA e um ADV tradicional.

Suzuki & Kagawa (2010) demonstraram a viabilidade de se usar atuadores constituídos de molas lineares e de fios de SMA no controle de vibrações em vigas em balanço (Figura 2.13).

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(a) (b)

Figura 2.13 – Controle vibrações de vigas em balanço usando SMA: (a) esquema do experimento e (b) aparato experimental (SUZUKI & KAGAWA, 2010).

Sohn et al.(2010) desenvolveram um sistema de controle de vigas flexíveis usando atuadores de fios de SMA. As características do fio de SMA são obtidas experimentalmente e incorporadas à equação de controle do sistema, sendo realizados experimentos e simulações para validar o modelo.

Zhang & Zhu (2008) apresentam uma simulação numérica para um sistema de controle de abalos sísmicos nas estruturas de aço de edifícios de três andares usando fios de SMA como amortecedores de vibrações. Os resultados encontrados demonstraram a capacidade de uma estrutura de aço de três andares de resistir a um terremoto sem a necessidade de reparo. A Figura 2.14 apresenta um detalhe das ligações dos fios de SMA e um quadro da estrutura do edifício.

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(a) (b)

Figura 2.14 – Sistema de controle de abalos sísmicos: (a) Detalhe das ligações dos fios de SMA e (b) um quadro da estrutura do edifício (ZHANG & ZHU, 2008).

Cardone et al. (2011) apresentam um estudo numérico de um dispositivo anti terremoto feito de fios de SMA que poderá ser usado no retrofit de pontes típicas das rodovias italianas. Os resultados numéricos encontrados indicaram a eficiência do dispositivo analisado.

Uma análise sobre a eficácia na utilização de SMA e borracha laminada em sistemas de proteção sísmica em pontes é apresentada por Ozbulut & Hurlebaus (2010, 2011). O sistema de isolamento usado (Figura 2.15) consiste de rolamento de borracha laminada, que proporciona alta flexibilidade lateral e alta capacidade de carga vertical, e um dispositivo confeccionado com fios de SMA, que acrescenta

capacidade de dissipação de energia ao sistema. A liga utilizada é de NiTi com As de

-10 °C e Af de 5 °C. Este trabalho apresenta ensaios de fios de SMA (Figura 2.16), no

qual é analisado o comportamento do laço de histerese. Para uma mesma deformação e frequência, o laço de histerese se reduz com o aumento da temperatura e, para uma mesma temperatura e deformação, ocorre redução do laço de histerese com o aumento da frequência, indicando que a capacidade de dissipação da liga depende da deformação, temperatura e frequência do carregamento.

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Figura 2.15 – Modelo usado para analisar capacidade de uma ponte a resistir a abalos sísmicos usando SMA (OZBULUT & HURLEBAUS, 2011).

Figura 2.16 – Curva tensão/deformação em fios de SMA para várias condições de carregamento (OZBULUT & HURLEBAUS, 2011).

He et al. (2007a, b) apresentam um estudo teórico e experimental de um sistema de controle de vibrações em um mancal de rolamento usando SMA. Este mancal é composto por um suporte com molas helicoidais de SMA, e utiliza o princípio de um absorvedor dinâmico de vibrações para reduzir as vibrações no mancal de rolamento na faixa de ressonância do sistema. A mudança na faixa de operação do absorvedor é realizada com mudanças na temperatura das molas de SMA (rigidez). Esta alteração na temperatura é obtida através da aplicação de uma corrente elétrica nas barras do mancal de SMA. A Figura 2.17 apresenta um esquema geral do aparato experimental

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utilizado e um detalhe do mancal de rolamentos usando molas de compressão helicoidais de SMA.

(a) (b)

Figura 2.17 - sistema de controle de vibrações em um mancal de rolamento usando SMA: (a) esquema geral aparato usado no experimento e (b) detalhe do

mancal de rolamentos usando molas helicoidais de SMA (HE et al., 2007).

Olmi et al. (2007) desenvolveram para fins educacionais um equipamento para demonstrar técnicas de controle de vibrações utilizando materiais inteligentes (Figura 2.18). O equipamento consiste de uma plataforma com um motor em sua parte superior com massa desbalanceada. Fios de SMA e um amortecedor de fluido magneto-reológico são usados, respectivamente, para controlar a rigidez e o coeficiente de amortecimento da estrutura do equipamento. Um sensor piezocerâmico é usado para inferir as vibrações na estrutura. O sistema pode ser controlado automaticamente através de um computador ou se pode usar um controle manual de forma que o usuário possa ajustar a rigidez e o amortecimento da estrutura. O sistema apresenta conexões de rede, permitindo desse modo, o uso remoto do equipamento.

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(a) (b)

Figura 2.18 – Equipamento de controle de vibrações para fins didáticos e de pesquisa utilizando materiais inteligentes: (a) esquema e (b) foto do equipamento

(ELAHINIA et al., 2005).

Satélites e veículos lançadores suportam grandes vibrações e cargas de choque de elevada magnitude e alta frequência (pyroshocks) durante as fases do voo e do lançamento, podendo afetar o funcionamento dos componentes eletrônicos do veículo de lançamento ou no satélite, de modo a provocar uma falha catastrófica durante o voo. Youn et al. (2010, 2011) projetaram e testaram um isolador usando uma malha pseudoelástica feita de fios de SMA para atenuar as vibrações e as cargas de choque transmitidas aos componentes eletrônicos (Figura 2.19). Os testes realizados mostraram que o efeito pseudoelástico dos fios de SMA absorve energia, atenuando as vibrações e as ondas de choque para todas as faixas de frequência, confirmando sua ampla aplicabilidade e sem apresentar degradação da sua capacidade de atenuação. O isolador de vibrações usando malha de SMA apresentou resultados superiores aos isoladores convencionais fabricados com elastômeros.

31 (a)

(b)

Figura 2.19 – Isolador de vibrações usando uma malha de fios de SMA: (a) detalhes da malha e (b) esquema de montagem (YOUN et al., 2011).

Birman (2008) e Birnan & Rusnack (2011) apresentam um método de controle de vibrações em placas finas usando fios de SMA. O método consiste de fios de SMA com pré-tensão, posicionados na parte inferior da placa. São apresentados exemplos mostrando redução significativa da amplitude de vibração na placa para ampla faixa de frequências.