4. Equipamentos e Métodos

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1 4. Equipamentos e Métodos 4.1. Introdução Após o criterioso dimensionamento da célula cilíndrica e execução da mesma de acordo com os detalhes previstos, partiu-se para o início dos ensaios com o propósito de obter uma melhor compreensão dos mecanismos de movimentação de blocos rochosos à jusante de vertedouros sujeitos a ação de jatos de diferentes intensidades. Sendo o equipamento construído nesta dissertação inovador, além de apresentar inúmeros detalhes, este capítulo tem como intuito principal apresentar inicialmente os diferentes equipamentos utilizados nos ensaios juntamente com o sistema de aquisição de dados desenvolvido. Em seguida é apresentada a metodologia utilizada para execução dos ensaios Equipamentos e Materiais Utilizados no Ensaio INSTRON Modelo 8501 O estudo e análise das movimentações do bloco cúbico apenas se tornaram possível devido às características que apresentam a máquina servo controlada da INSTRON modelo 8501, a qual se encontra no laboratório de Fadiga da PUC - Rio (Figura 4.1). A máquina possui uma servo-válvula MOOG modelo D562 com um sinal de comando de corrente de ±40 ma., e um pistão com capacidade de gerar 100 kn de força, e que pode se deslocar a partir de uma posição central por ±50 mm. A INSTRON também possui um LVDT para medir o deslocamento do pistão, uma célula de carga para medir a força gerada pelo pistão, e um

2 controlador que chega a atingir freqüências da ordem de 50 Hz para um corpo de prova de aço e um carregamento de amplitude de 25 kn. 80 Para medir possíveis deformações em corpos de prova, é utilizado um clip gage. O fluido hidráulico que alimenta a máquina é fornecida por uma bomba hidráulica à uma pressão de 190 bar. Figura Máquinas da INSTRON Modelo 8501 (Alva, 2008).

3 81 A INSTRON é de extrema importância nesta pesquisa, pois ela capaz de controlar a amplitude e freqüência dos ciclos de carregamento, o que na prática é essencial ao desprendimento de um bloco rochoso fraturado de sua fossa. Há uma correlação entre a freqüência máxima (Hz) e a carga máxima (KN) de trabalho da máquina como se pode observar na Figura 4.2. Todavia, após ensaios iniciais, foi determinado que as freqüências dos testes finais iriam variar entre 1Hz e 25 Hz, cuja melhor abordagem é dada no capítulo cinco desta dissertação. Desempenho da Máquina de Ensaios INSTRON F requência (H z) Controle INSTRON com overdrive (corrente > 40mA) Controle INSTRON com overdrive (corrente < 40mA) Força (kn) Figura Gráfico de desempenho da INSTRON 8501 (Alva, 2008) Cilindro Hidráulico O cilindro utilizado neste trabalho para gerar pressões hidrodinâmicas foi desenvolvido na dissertação de mestrado da aluna Sueli Aparecida Ferreira no ano de Anteriormente, este havia sido construído para ensaios triaxiais de pressões até 70 MPa com instrumentação interna. Este teve suas medidas preservadas (250 mm de diâmetro externo e 390 mm de altura) e pesa cerca de 100 Kg (Figura 4.3).

4 82 Segundo Sueli (1997), o cilindro é composto de corpo, base e tampa. Estas peças foram confeccionadas em aço de baixa liga 4340 temperado e revenido, atingindo uma resistência ao escoamento Sy após o tratamento térmico cerca de 1215 MPa. Figura A célula triaxial projetada por Sueli (1997). O relativo bom estado do equipamento, aliado as boas propriedades mecânicas, tornou o cilindro hidráulico próprio para o desenvolvimento de condições de pressão e freqüências desejáveis. Sendo necessário apenas serem feitas algumas modificações, tais como: os selos especiais para altas vedações da interface tampa-atuador (Figura 4.4), assim como o êmbolo cilíndrico ou atuador, que apresentava imperfeições em sua geometria, além de excessiva oxidação.

5 83 Figura 4.4 Selos antigos de vedação.na esquerda da figura, pode-se observar os antigos selos usados na vedação. Como se pode perceber estes se encontravam bastantes gastos, o que compromete o trabalho de vedação. Figura 4.5 Êmbolos novos e antigos do cilindro hidráulico. Como se pode observar a figura direita apresenta o êmbolo antigo com muitas oxidações, já figura a esquerda apresenta o novo êmbolo.

6 84 A pressão hidrodinâmica é gerada a partir do deslocamento do pistão da INSTRON, movimentando desta forma o cilindro hidráulico verticalmente, e conseqüentemente produzindo a penetração do êmbolo no mesmo que está fixo a parte superior. O deslocamento necessário do pistão, para que se possa gerar uma determinada pressão foi determinada analiticamente por formulas de física, conseqüentemente sendo gerado um gráfico (Deslocamento do êmbolo x Pressão) o qual pode ser analisado no ultimo capítulo deste trabalho. Para a utilização da célula triaxial além da modificação do êmbolo e de selos, utilizou-se os dois orifícios existentes em sua base. Sendo, um destes utilizado para medição de pressão através de um manômetro, e o outro orifício foi utilizado para a saída de pressão. Há também um orifício existente na tampa do cilindro, o qual foi utilizado para purgar o sistema a partir de uma válvula de retenção, que está acoplada a um reservatório improvisado Sistema de Fixação do Cilindro Hidráulico Devido o caráter dinâmico dos ensaios, foi preciso desenvolver um sistema de fixação, de forma que o cilindro pudesse estar fixo ao pistão da INSTRON durante as movimentações verticais produzidas nos ensaios, evitando assim eventuais acidentes além de colocar em risco a integridade da máquina. Sendo assim, primeiramente, foram confeccionados parafusos de rosca dupla (Figura 4.6), para a fixação do êmbolo e cilindro hidráulico na máquina servo controlada.

7 85 Figura Parafusos de rosca dupla utilizados nos ensaios. Em seguida, foi desenvolvido um prato de aço, (Figura 4.7), que apresenta um rebaixo de 20 mm e um diâmetro externo de 252 mm, que está fixo ao pistão da INSTRON através dos parafusos de rosca dupla confeccionados. O rebaixo produzido tem o objetivo de limitar as movimentações horizontais do cilindro hidráulico. Figura Prato de aço desenvolvido para a fixação do cilindro Hidráulico ao pistão da INSTRON.

8 86 Com o objetivo de limitar as movimentações verticais, foram inseridas quatro hastes de aço nas bordas do prato, estas atravessam duas barras de aço que por sua vez estão fixas a parte superior do cilindro hidráulico através anilhas e parafusos como se pode melhor observar na Figura 4.8. Figura Sistema de fixação do cilindro hidráulico Tubulações e Conexões de Altas Pressões Foram utilizados dois tipos de tubulação para os ensaios. Primeiramente utilizou-se uma mangueira flexível para altas pressões até 15 MPa (Figura 4.9) mas devido suas propriedades elásticas (comprovada nos ensaios), ou seja, sua capacidade de absorve as pressões e conseqüentemente se deformar, optou-se por trabalhar com uma tubulação rígida de aço capaz de suporta pressões interna de até 7 MPa (Figura 4.10).

9 87 Figura Tubulação Flexível. Figura Tubulação rígida. A tubulação de aço apresentou-se menos deformável quando submetida a pressões, logo, os deslocamentos gerados para produzir uma pressão equivalentemente alcançada pela tubulação flexível diminuíram. Um fator importante que também deve ser levado em conta, relacionado à utilização da tubulação de aço, se deve ao fato de que quanto menores fossem os deslocamentos do pistão, menores seriam os problemas relacionados à vedação das conexões. Além disso, a INSTRON possui maior capacidade em gerar altas freqüências a partir de pequenos deslocamentos, o que também é relevante ao estudo. Outra alternativa utilizada para o ganho de pressão e freqüência dos ensaios, se deve a utilização de uma válvula de retenção na tampa da célula cilíndrica. Este acessório tem a função de confinar ou conter uma pressão inicial desejável no interior da célula. Com isso é possível preencher novamente o cilindro hidráulico de água, iniciando o teste com uma pressão superior a zero (Figura 4.11).

10 88 Figura Válvula de retenção utilizada para confinar pressões iniciais. Com o propósito de eliminar as vibrações resultantes das movimentações verticais do cilindro hidráulico, foram realizadas curvas na tubulação ( loops ). A eficiência do método pode ser comprovada durante os ensaios, garantindo assim que os resultados da aceleração do cubo não fossem influenciados pela movimentação do cilindro (Figura 4.12).

11 89 Figura Loop realizado na tubulação rígida para absorver as vibrações Válvula de alivio de pressão As válvulas de alívio de pressão são utilizadas para proteger equipamentos e instalações industriais contra altas pressões de ar, água, vapor, gases, fluidos viscosos e produtos químicos em geral. As válvulas encontram ampla aplicação nas indústrias químicas, petroquímicas, geração e distribuição de vapor, em sistemas de aquecimento e resfriamento entre outros. Devido às altas pressões geradas nos ensaios serem relativamente altas, há enormes riscos à segurança dos equipamentos e do operador. Logo, optou-se que os ensaios deveriam ser realizados com a válvula de alivio. A válvula de alivio utilizada nos ensaios, modelo HC73N, e fabricante Asca, é ideal p ara o uso industrial, e trabalha com fluidos (água) e foi calibrada para uma pressão de 20 Bar ou 2 MPa. O melhor entendimento da válvula pode ser observado a partir da Figura 4.13 e Figura 4.14 abaixo.

12 90 Figura Desenho esquemático da válvula de alivio. Figura Foto da válvula de alivio utilizada nos ensaios Instrumentação Usada Durante os ensaios e testes realizados, mediram-se as pressões e acelerações do cubo a partir de instrumentos, que associados ou não a um sistema de aquisição de dados desenvolvido permitiram a obtenção de dados importantes ao estudo do fenômeno erosivo. A melhor abordagem sobre a instrumentação utilizada é dada nas subseções abaixo.

13 Manômetro A fim de proporcionar um monitoramento mais eficiente do comportamento da pressão, instalou-se um manômetro na base da célula cilíndrica. Sendo assim, é possível obter a pressão que é gerada pela penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, bem como as perdas que ocorrem nas tubulações, conexões e na célula cilíndrica. A precisão do manômetro foi comprovada após um teste de confinamento do cilindro hidráulico. Onde este foi posicionado em um dos orifícios da base da célula, e em outro orifício se posicionou um transmissor de pressão (Figura 4.15). Desta forma, o manômetro fornecia uma boa indicação da pressão e o transdutor, de alta resolução, fornecia leituras que permitiam a avaliação precisa do comportamento da pressão confinante. Figura Ensaio de verificação do manômetro.

14 Transmissor de Pressão com Saída em Volt Os transmissores de pressão utilizados nos ensaios são do mesmo modelo (RTP 420- MR) e fabricante (Rucken), e ambos trabalham na faixa de pressão entre 0 à 60 Bar, Figura 4.16 e são ideais para uso industrial com alta concentração de fluidos, além de outras características tais como: Tabela 3 Características físicas do transmissor. Invólucro: Aço inox AISI 304 Grau de Proteção: Eletrônica: Precisão: Sinal de saída: Alimentação: Conexão: Tipo de Sensor: Temperatura do invólucro: Temperatura máxima do sensor: Vedações: IP-65 (Opcional IP-68) Micro processada 0,25% F.E. (repetibilidade, histerese, linearidade) Opcional 0,1% F.E. Opcional 0-5 Vcc ou 0-10 Vcc 15 a 30Vcc NPT Piezoresistivo 55ºC (máx) Conector: DIN ºC (opcional até 400 ºC) Anéis o ring, borracha nitrílica Figura Esquema e ilustração do transmissor de pressão com saída em volt utilizado nos ensaios.

15 93 Em geral, muitos transmissores são comercializados a partir de uma calibração requerida pelo fabricante. Entretanto, os utilizados pela pesquisa passaram por uma calibração no laboratório de pressão e temperatura da PUC Rio. Com isto, foi possível conhecer a voltagem equivalente a um determinado peso através da curva (Volts versus kgf/cm²), permitindo que os dados de pressão pudessem ser lidos com a utilização de voltímetros digitais. Os transmissores de pressão com saída em volt foram posicionados na tampa da célula (transmissor de pressão 01) e no fundo da base da mesma (transmissor de pressão 02). Ambos estão interligados com um sistema de aquisição de dados Câmera de Vídeo Como dito anteriormente a base da célula incorpora uma lente de acrílico, que permitir a observação dos deslocamentos do cubo através da câmera de vídeo ilustrada na Figura A câmera possui inúmeras características, entre algumas pode- se citar: A capacidade de capturar imagens e vídeos. Os vídeos e as imagens podem ser transferidos para o computador por um micro card ou por um cabo USB. Apresenta um cabo flexível com boa iluminação (adequada para a utilização em ambientes de pouca luz) Possui uma tela de vídeo removível, a qual pode estar a 10 metros de distância da câmera.

16 94 Figura Câmera de vídeo utilizada para a observação dos movimentos produzidos pelo cubo Acelerômetro A segunda lei de Newton resume que a força aplicada em um determinado corpo é o produto da massa do corpo pela sua aceleração. Partindo deste principio se baseiam a construções acelerômetros. Um acelerômetro nada mais é que um instrumento capaz de medir a aceleração sobre objetos. Ao invés de posicionar diversos dinamômetros (instrumento para medir a força) em lugares diferentes do objeto, um único acelerômetro é capaz de calcular qualquer força exercida sobre ele. O acelerômetro utilizado nos ensaios modelo WiTill V3 (Figura 4.18), permite enviar os dados de aceleração obtidos para um computador via Bluetooth. O mesmo passou por testes de leituras visando seu comportamento quando submetido a deslocamentos cíclicos, e os resultados foram satisfatórios. Um melhor entendimento deste é dado no capitulo cinco desta dissertação.

17 95 Figura O acelerômetro utilizado nos ensaios Sistemas de aquisição de dados (SAD) Há dois tipos de sistema de aquisição de dados utilizados na pesquisa. Ambos estão relacionados ao bloco cúbico, sendo que um se refere às medições de pressões, e o outro trata do conhecimento das acelerações. Os dados de aceleração do cubo são transmitidos via Bluetooth a um micro computador, o qual possui um programa que traduz as leituras dos eixos principais (x, y e z) e de outros dados tais como a bateria (B) e rotação (R) como se pode observar pela Figura Figura Sistema de aquisição de dados utilizado para a compreensão da movimentação do cubo.

18 96 As pressões que agem na célula cilíndrica são obtidas a partir de um novo SAD que permite a leitura de até oito sensores de pressão, cujo sistema de conexão dos transmissores pode ser visualizado na Figura O software desenvolvido permite quatro opções para os parâmetros de amostragem, cada uma delas caracterizada por uma taxa de amostragem (50, 100, 200 ou 500 Amostras/segundo) e pelo correspondente intervalo de tempo visualizado em tela (20, 10, 5 ou 2 segundos). Os dados são então enviados a uma planilha de Excel, sendo representado na primeira coluna à hora, minuto e segundo de cada ensaio, e as demais colunas contém os dados dos canais selecionados em VOLTS. Figura Sistema de conexão dos transmissores de pressão com saída em volt.

19 97 Além dos dois SAD utilizados para aquisição de pressões e acelerações, os ensaios contam ainda com a presença um computador que possui o sistema de controle da INSTRON (Figura 4.21). Figura Sistema de aquisição de dados e de controle da INSTRON O Teste A proposta do ensaio consiste na pressurização hidrodinâmica da célula cilíndrica por intermédio da penetração do êmbolo ou atuador em um cilindro hidráulico de aço. O cilindro hidráulico é fixado ao atuador da máquina da INSTRON e o êmbolo na parte superior da máquina. A partir das movimentações verticais do pistão da INSTRON o êmbolo penetra no cilindro hidráulico que está completo por água. Este deslocamento gera uma pressão que é conduzida por uma tubulação de alta pressão para o interior da célula construída. Para se entender os mecanismos de movimentação do bloco, os ensaios foram realizados de tal forma que a intensidade e a freqüência das pressões para interior da célula variassem em cada ensaio, analisando assim sucintamente o comportamento do bloco cúbico.

20 98 Figura 4.22 Foto geral do ensaio. Para os testes finais, além da condição normal do cubo, ou seja, o mesmo estando posicionado na cavidade sem que houvesse nada embaixo do mesmo, foram realizados também testes que aumentaram a protrusão do bloco em relação a superfície interna da base. O comportamento do bloco cúbico imposto a estas situações pode ser mais bem entendido nos últimos capítulos deste trabalho.

21 Metodologia do Ensaio Devido à diversidade dos detalhes existentes no projeto, os ensaios se tornaram um tanto cuidadosos e demorados. Em conseqüência disso, o procedimento geral do ensaio necessitou ser elaborado após a execução de ensaios preliminares, que tinham como o intuito facilitar a montagem do ensaio, diminuir o tempo de execução deste e verificar o bom funcionamento dos dispositivos e acessórios que compõe o equipamento. O procedimento do ensaio consiste em: 1 Anexar o prato cilíndrico de aço ao pistão da INSTRON, por intermédio de um parafuso de rosca dupla. 2 Posicionar o cilindro hidráulico sobre o prato cilíndrico, através de um guincho. 3 Prender o cilíndrico sobre o pistão da máquina através do sistema de fixação. 4 Elevar o travessão da INSTRON até certa altura, de forma que o êmbolo possa ser fixado. 5 Introduzir o acelerômetro ao interior do cubo, e posicioná-lo de forma que ele não possa estar solto, o que geraria um erro nos dados de aceleração. 6 Fechar a tampa do cubo com os parafusos do mesmo, e inserir o cubo na cavidade da célula com sua marcação voltada para a lente de acrílico. 7 Anexar os transmissores de pressão com saída em VOLTS na tampa (transmissor 01) e na base da célula (transmissor 02), bem como o manômetro ao cilindro 8 Conectar a célula desenvolvida com o cilindro hidráulico através da tubulação rígida, válvula de alivio de pressão e conexões. 9 Preencher o sistema de água. 10 Fechar e apertar a tampa da célula com as hastes de aço, anilhas e parafusos. 11 Introduzir o êmbolo no cilindro hidráulico cerca de 7cm ( espessura da tampa), e garantir a inexistência de ar no sistema.

22 O sistema é fechado, sendo então gerado um deslocamento proporcional a pressão que se deseja iniciar o ensaio. 13 Depois de atingida a pressão almejada, é acionada a válvula de retenção de pressão, a qual acumula uma pressão confinante no interior da célula. 14 Retira-se o êmbolo do cilindro hidráulico, preenchendo novamente o mesmo com água. 15 Libera-se a válvula de retenção, e a partir de uma pressão inicial é gerado deslocamento do êmbolo para as pressões e freqüências desejadas para cada teste. 16 A amplitude das pressões, assim com os dados de aceleração do bloco cúbico são aquisitados.