Preparação dos Ensaios

A preparação dos ensaios foi realizada de modo a que o procedimento experimental retratasse da forma mais realista possível os esforços a que a placa de núcleo está sujeita durante o seu funcionamento. Desta forma, foi possível determinar a resistência do componente em relação ao tipo de cargas a que este, normalmente, se encontra submetido.

De modo a economizar recursos, os provetes fabricados para os ensaios experimentais não reproduzem na íntegra as placas de núcleo utilizadas na construção do transformador. Contudo, as simplificações adotadas não põem em causa a importância dos resultados experimentais. Uma apresentação detalhada do componente em estudo pode ser encontrada no Capítulo 2, Figura 2.10, desta forma as explicações apresentadas neste capítulo assumem que existe um entendimento, por parte do leitor, sobre a placa de núcleo. Uma das principais simplificações adotada para os ensaios consistiu em fabricar apenas a metade superior da placa devido à simetria que esta apresenta. Na Figura 5.1, é possível visualizar um primeiro esboço dos provetes utilizados, com as respetivas cotas nominais e os constituintes da mesma.

Devido a restrições impostas pelo equipamento utilizado para a realização dos ensaios experimentais, foi necessário ajustar o comprimento dos provetes. Assim, como a distância mínima entre amarras permitida pela máquina é de 450 mm, o comprimento dos provetes fabricados foi de 500 mm, como se pode verificar na Figura 5.1.

Relativamente à colocação do taco na placa de núcleo, esta reflete o posicionamento utilizado no protótipo em desenvolvimento.

Figura 5.1- Provete de ensaio

Dimensionamento da Secção Transversal da Placa de Núcleo

Tal como foi determinado no Capítulo 4, a carga máxima que a placa de núcleo está sujeita é de 16 toneladas. Na Figura 5.2, apresenta-se o local de atuação da carga transmitida pela

travessa à placa de núcleo, Rx, bem como o local da reação existente na extremidade oposta.

Desta forma, mostram-se os esforços que atuam na placa de núcleo quando esta está integrada na estrutura de acoplamento do transformador.

Figura 5.2- Trabalho da placa de núcleo

Chapa (secção

transversal) Taco

Capítulo 5| Estudo da placa de núcleo Através da análise da Figura 5.2, é possível constatar que a secção transversal da placa de núcleo está sujeita a um esforço axial de tração. Existe também o momento fletor na placa de núcleo, como é possível verificar na Figura 5.3. No entanto, o braço que provoca o momento fletor, irá variar ao longo dos ensaios devido a deformação dos provetes, o que diminui a magnitude do momento criado. Assim sendo, a tensão provocada pelo momento fletor não foi considerada para o dimensionamento dos provetes.

Figura 5.3- Momento fletor ao longo do ensaio

Nesse contexto, para o dimensionamento da secção transversal da placa de núcleo utilizou-se a seguinte equação.

𝜎 =𝑃

𝐴 < 𝜎𝑎𝑑 ( 5.1 )

No entanto, para o dimensionamento dos provetes, foi tido em consideração o seguinte pressuposto:

 As cotas nominais da placa de núcleo devem refletir a geometria da placa utilizada no

protótipo em desenvolvimento. O desenho técnico da placa de núcleo do protótipo em desenvolvimento pode ser consultado no Anexo III.

Tendo em conta que a secção transversal da placa de núcleo apresenta uma espessura de 6 mm e uma largura de 100 mm, e considerando uma carga de 16 toneladas, as tensões instaladas podem ser calculadas da seguinte forma.

𝜎 =16 × 1000 × 9,8 6 × 100 = 261 MPa ( 5.2 ) 𝑅_𝑥 𝑙_𝑥 𝑀𝑓 = 𝑅𝑥× 𝑙𝑥 𝑅_𝑥

O aço S275 apresenta uma tensão de cedência de 275 MPa, valor esse superior à tensão presente na placa de núcleo, quando esta se encontra sujeita a uma carga de 16 toneladas.

Dimensionamento do Taco da Placa de Núcleo

O dimensionamento do taco da placa de núcleo também deve cumprir o pressuposto apresentado na secção anterior, referentes às dimensões do componente.

O taco do protótipo apresenta uma espessura de 12 mm e uma largura de 75mm. Recorrendo novamente à equação (5.1), é possível determinar as tensões normais de tração presentes no taco devido aos esforços apresentados na Figura 5.2. Considerando uma carga de 16 toneladas e as dimensões referidas, as tensões são de, aproximadamente, 174 MPa, sendo, por isso, inferiores às tensões presentes na secção transversal da placa.

Como a ligação entre o taco e a estrutura da placa de núcleo é realizada através do processo de soldadura, é recomendável que o material base dos componentes a ligar seja o mesmo. Por isso optou-se por utilizar o aço S275 no fabrico dos tacos.

Dimensionamento da Ligação Soldada

Nos ensaios experimentais, o principal objetivo passou por analisar a resistência dos cordões de soldadura que ligam taco à placa de núcleo.

A placa de núcleo que atualmente é fabricada e utilizada na estrutura de acoplamento do transformador em estudo apresenta algumas dificuldades no que diz respeito à sua montagem. Esses problemas devem-se essencialmente, ao processo de soldadura entre o taco e a estrutura principal da placa de núcleo, pois a superfície inferior do taco quando em contacto com a travessa não garante a planeza desejada.

Neste contexto, foram considerados dois modelos para o estudo da resistência da ligação soldada entre o taco e placa. O primeiro representa na íntegra os cordões de soldadura utilizados na placa de núcleo do protótipo, por isso denominado por Série Pa (provete antigo). O segundo modelo foi desenvolvido no âmbito deste trabalho e visa providenciar uma alternativa ao modelo utilizado, este é denominado por Série Pn (provete novo).

Dimensionamento do Cordão de Soldadura da Série Pa

Na primeira série, é utilizada uma soldadura em todo o perímetro do taco. No fabrico deste componente, é necessário proceder à preparação manual da junta onde se irá acoplar o cordão de soldadura.

O dimensionamento de cordões de soldadura efetuado na Efacec, é realizado com coeficiente de segurança de 3, de acordo com os valores de rutura apresentados na Tabela 3.3. Na Tabela

Capítulo 5| Estudo da placa de núcleo 5.1, é apresentado o dimensionamento para um cordão de espessura de 6 mm tendo em conta os pressupostos referidos.

Tabela 5.1- Cordão de soldadura realizada na Série Pa e resistência

Tipo de solda Cordão lateral Cordão frontal

Resistência lateral (kg/cm) Resistência frontal (kg/cm) 𝑎𝑡 = 2𝑎 𝑎𝑡 = 100 𝑚𝑚 𝑏𝑡 = 2𝑏 𝑏𝑡 = 150 𝑚𝑚 564 kg/cm 743 kg/cm

A equação que se segue apresenta a carga suportada pelos cordões de soldadura para a placa de núcleo da Série Pa.

𝐹_𝑃𝑛 = 𝑎_𝑡× 564 + 𝑏_𝑡× 743 = 16,78 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 ( 5.3 )

Na Figura 5.4, está representado o pormenor do processo de soldadura utilizado no taco da Série Pa.

Figura 5.4- Série Pa (Pormenor do cordão de soldadura)

Dimensionamento do Cordão de Soldadura da Série Pn

Na série Pn, o principal objetivo é a supressão do cordão de soldadura inferior de forma a garantir a planeza na montagem da placa com a travessa. Por outro lado, os cordões de soldadura utilizados neste modelo devem garantir os pressupostos acima mencionados.

Assim, para compensar a resistência perdida pela supressão do cordão de soldadura inferior, optou-se por fazer um rasgo na secção transversal da placa de núcleo, onde foi colocado um cordão de soldadura adicional ao longo do seu perímetro, como se pode visualizar na Figura 5.5.

No que diz respeito aos cordões de soldadura realizados no exterior do taco, utilizou-se uma espessura de 4 mm. Na Tabela 5.2, são apresentadas as características dos cordões laterais e do cordão frontal efetuados.

Tabela 5.2- Cordão de Soldadura realizado ao longo do taco na Série Pn e resistência

Tipo de solda Cordão lateral Cordão frontal

Resistência lateral (kg/cm) Resistência frontal (kg/cm) 𝑎′𝑡 = 2𝑎 𝑎′𝑡 = 100 𝑚𝑚 𝑏′𝑡 = 𝑏 𝑏′𝑡 = 75 𝑚𝑚 379 kg/cm 495 kg/cm

Através dos valores apresentados na Tabela 5.2, a resistência do cordão de soldadura ao longo do taco pode ser quantificada pela seguinte equação.

𝐹_𝑃𝑎1= 𝑎′

𝑡× 379 + 𝑏′𝑡× 495 = 11,292 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 ( 5.4 )

Relativamente ao processo de soldadura realizado no rasgo da chapa, este teria restrições inerentes às dimensões da placa de núcleo, uma vez que esta apresenta uma espessura de 6 mm. Posto isto, a espessura do cordão de soldadura realizado no rasgo é de 3 mm. Na Tabela 5.3, são apresentados os cordões de soldadura presentes no rasgo.

Tabela 5.3- Cordão de Soldadura realizado no rasgo da chapa da Série Pn e resistência

Tipo de solda Cordão lateral Cordão frontal

Resistência lateral (kg/cm) Resistência frontal (kg/cm) 𝑎′′𝑡 = 2𝑎 𝑎′′𝑡 = 70 𝑚𝑚 𝑏′′𝑡 = 2𝑏 𝑏′′𝑡 = 110 𝑚𝑚 288 kg/cm 372 kg/cm

Analogamente aos cordões de soldadura anteriores, a resistência do cordão de soldadura existente no rasgo pode ser determinada por.

𝐹_𝑃𝑎2= 𝑎′_′

Capítulo 5| Estudo da placa de núcleo Para calcular a resistência total da ligação do taco com placa de núcleo, basta somar a resistência do cordão existente na parte exterior do taco com a resistência do cordão no interior do rasgo. Assim, é possível obter a força resistente à rutura da ligação utilizada na série Pn.

𝐹_𝑃𝑎 = 6,108 + 11,292 = 17,4 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 ( 5.6 )

Como se pode verificar, na Figura 5.5, na superfície inferior do taco realizou-se uma soldadura TIG de modo a proceder à fusão dos dois materiais base. Este cordão é de extrema importância, pois garante que não ocorre a inclusão de contaminantes metálicos durante o processo de decapagem.

Figura 5.5- Série Pn (Pormenor dos cordões de soldadura)

Amarra para o apoio dos provetes

Quando se encontra integrada na estrutura de acoplamento, a placa de núcleo está apoiada na travessa, isto é, os esforços a que esta se encontra sujeita resultam das forças geradas no contacto entre os dois componentes. Nesse sentido, e para que no ensaio experimental a peça seja solicitada da mesma forma, foi necessário desenvolver uma amarra que represente fielmente o apoio dos tacos na travessa.

Durante o projeto deste componente, uma das principais preocupações consistiu em garantir uma elevada rigidez, para que, durante os ensaios, este não sofresse deformações excessivas. Para isso, foram introduzidos reforços de modo a contrariar a flexão do sistema, como se pode ver na Figura 5.6 onde se representa o modelo 3D do componente.

Tendo em conta que o rasgo realizado neste componente tem como principal função o apoio dos tacos do provete, é necessário que a chapa tenha 12 mm de espessura. Quanto às dimensões do rasgo, estas devem ser superiores às dimensões dos tacos para que a montagem das peças decorra sem problemas durante a atividade experimental.

Para a realização dos ensaios, foram utlizados dois componentes distintos, sendo que a principal diferença residia no tamanho do rasgo efetuado. Visto que, na série Pn, a peça não possui uma junta maquinada nos cordões laterais, aumentando a largura do taco e, consequentemente, o tamanho do rasgo também.

Ligação entre o Provete e a Amarra de Apoio

Para a correta realização dos ensaios, foi necessário levar a cabo o fabrico de um componente capaz de garantir a ligação dos provetes com a peça de apoio apresentada na secção anterior. Caso a ligação entre os componentes fosse realizada apenas pelo contacto entre as duas superfícies, estas iriam deslizar entre si pois o atrito gerado não é suficiente para contrariar as cargas aplicadas no ensaio. Na Figura 5.7 é possível visualizar de uma forma exagerada o fenómeno descrito.

Figura 5.7- Deslizamento entre o provete e o componente de apoio Reforços

Rasgo para o provete Local de aperto das amarras

para o ensaio

Capítulo 5| Estudo da placa de núcleo Para solucionar o problema mencionado, fabricou-se uma chapa com dois furos roscados M10 que se encontra representada na Figura 5.8. Os provetes utilizados nos ensaios experimentais são dotados de orifícios semelhantes para proceder à ligação.

Figura 5.8- Chapa de ligação entre provete e componente de apoio

Máquina de Ensaios

Para a realização dos ensaios experimentais, foi utilizada a máquina servo-hidráulica DARTEC modelo M1000 L2-1 representada na Figura 5.9, cuja capacidade de carga máxima é de 60 toneladas. Para ultrapassar o domínio elástico do material, foi necessário aplicar uma carga de, aproximadamente, 16 toneladas, ou seja, as características da máquina garantiam que a rutura dos provetes era alcançada.

Os ensaios experimentais realizados no âmbito deste trabalho apresentam uma maior complexidade em comparação com um simples ensaio de tração, uma vez que neste se pretendia obter os valores de rutura dos cordões de soldadura para as duas séries de placas de núcleo anteriormente apresentadas. Assim, deveria garantir-se que a rutura do componente acontecia no local dos cordões de soldadura.

Figura 5.9- Equipamento de ensaios DARTEC modelo M1000 L2-1

Os parâmetros de velocidade adotados para estes ensaios foram 0,01 mm/s até atingir uma carga de 16 toneladas, passando, de seguida, para a uma velocidade de 0,2 mm/s.

Aquisição dos Dados de Ensaio

A aquisição de dados referentes aos ensaios experimentais realizados foi feita através do

software BridgeLab cuja interface gráfica se encontra representada na Figura 5.10. Este software permitiu o registo da carga aplicada pela máquina em função do seu deslocamento.

Figura 5.10- Software BridgeLab

Esquema dos Ensaios Experimentais

Para que os ensaios experimentais sejam realizados corretamente, os componentes devem ser devidamente montados, evitando a propagação de erros nos resultados finais. A Figura 5.11 mostra uma vista lateral do provete em corte, juntamente com as amarras da máquina de tração, bem como os componentes mencionados nas secções anteriores.

No que diz respeito ao posicionamento do provete e o componente de apoio, foi adicionada uma chapa de reforço com a mesma espessura de forma a garantir que os componentes estariam alinhados segundo um eixo vertical, denominado por Eixo Y na Figura 5.11. Este pormenor de montagem visa assegurar que as cargas aplicadas são apenas axiais.

Capítulo 5| Estudo da placa de núcleo Os desenhos técnicos dos vários componentes fabricados para os ensaios experimentais podem ser consultados no Anexo III.