5. Resultados dos Ensaios

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1 5. Resultados dos Ensaios 5.1. Introdução Este capítulo tem como objetivo apresentar o resultado dos testes preliminares, os quais foram fundamentais no desenvolvimento da célula cilíndrica construída, bem como os resultados do comportamento do bloco cúbico quando submetido a variações de pressões hidrodinâmicas. Vale ressaltar que todos os detalhes que neste capítulo se encontram presente são de extrema importância, uma vez que o instrumento criado possui diversas particularidades, o que lhe tornam exclusivo na literatura existente Ensaios com o Acelerômetro Ensaio de transmissão e aquisição dos dados do acelerômetro em repouso O primeiro ensaio de controle de transmissão e aquisição dos dados obtidos pelo acelerômetro foi realizado no laboratório de solos da PUC-Rio com a orientação do professor Luiz Antônio Gusmão. O objetivo principal deste foi à verificação da qualidade do sistema de transmissão e aquisição dos dados de aceleração. É importante salientar a importância deste ensaio como pré-requisito para os testes finais, uma vez que não identificadas às deficiências na recepção e aquisição dos sinais de aceleração nesta fase inicial, o projeto estaria comprometido, resultando em um custo adicional, além do atraso no cronograma do mesmo. Para a realização do teste, inicialmente fixou-se a bucha de nylon sobre uma placa de acrílico com uma cola especial de silicone (vide Figura 5.1 e Figura 5.2). Em

2 102 seguida o acelerômetro foi hermeticamente fechado e então posicionado dentro da bucha de nylon sem água e fechada por uma tampa de PVC, sendo obtidos os PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA resultados referentes à aceleração do aparelho no estado de repouso. (Figura 5.3). Figura Detalhe da vedação realizada entre a placa de acrílico e a bucha de Nylon por intermédio de uma cola de silicone. Figura Bucha de Nylon aberta com o acelerômetro em seu interior. Figura 5.3 Bucha de nylon fechada com acelerômetro em seu interior. No detalhe a esquerda o sistema de aquisição de dados de aceleração

3 103 Para aumentar o grau de dificuldade de transmissão dos dados, o acelerômetro foi hermeticamente fechado e colocado dentro da bucha de nylon que desta vez estava preenchida por água até o topo, sendo então aquisitados os dados de aceleração do aparelho no estado de repouso (vide Figura 5.4). Figura 5.4 acelerômetro hermeticamente fechado imerso em água. Para dificultar ainda mais a transmissão, em seguida foi posicionada a tampa de PVC sob a bucha de nylon, que estava preenchido por água até o topo, sendo obtidos os resultados referentes à aceleração do aparelho no estado de repouso. E por fim, para finalizar os ensaios com o acelerômetro foi inserido dentro de um vasilhame de plástico e submerso dentro da bucha de nylon que estava preenchida de água até o topo, obtendo-se os dados de aceleração. De um modo geral, estando o acelerômetro no estado de repouso, para as diferentes condições descritas anteriormente, o sistema de aquisição apresentou deficiências, sendo verificado que a velocidade de transmissão dos dados apresentava dificuldades na medida em que o grau de dificuldade era acrescentado, ou seja, um obstáculo era inserido (tampa água e vasilhame de plástico).

4 104 Sendo assim, o primeiro ensaio de transmissão e aquisição dos dados do acelerômetro realizado teve como conclusão de que deveriam ser tomadas medidas que viabilizassem melhorias na condição de transmissão dos dados. Logo, foi realizado um novo ensaio com os mesmos procedimentos anteriores, só que desta vez utilizou-se um transceptor Bluetooth. Os novos resultados apresentaram uma melhora expressiva na condição de transmissão dos dados devido à utilização do transceptor. (Figura 5.5). Figura Ensaio de transmissão dos dados do acelerômetro com o uso do transceptor Bluetooth. No detalhe, pode-se perceber a aquisição dos dados por um micro computador Ensaios de calibração dos transmissores de pressão Baseado no principio da piezoresistividade, os transmissores de forma geral utilizam a deformação elástica do material para gerar sinal elétrico, resistivo, indutivo (tensão) ou capacitivo, proporcional a pressão aplicada.

5 105 No intuito de correlacionar os valores de tensão (Volts) em valores de pressão (MPa), além de garantir uma melhor qualidade nas medições, foi realizado um ensaio de calibração dos transmissores de pressão no laboratório da PUC - Rio. A balança de pressão, também denominada balança de peso morto consiste em aplicar um peso conhecido através de uma alavanca que está anexa a uma balança, e realizar a leitura da voltagem correspondente a partir de um voltímetro digital (Figura 5.6). Figura Ensaio de calibração dos transmissores de pressão. Os valores de tensão encontrados para as respectivas pressões aplicadas apresentaram uma relação linear, como se pode observar nas Figuras 5.7 e 5.8 abaixo referentes à calibração do transmissor de pressão 01 e 02 respectivamente.

6 Volts x kgf /cm² ( Transmissor 01 ) y = 7,2753x + 0,0612 kgf/cm² z Volts Figura Gráfico de calibração do transmissor 01. kgf/cm² Volts x kgf /cm² ( Transmissor 02 ) z y = 6,0941x - 0, Volts Figura Gráfico de calibração do transmissor 02.

7 Ensaios com a INSTRON Ensaios de Freqüência da INSRON O primeiro ensaio de freqüência foi realizado com o propósito de determinar as freqüências de trabalho da INSTRON Para isso, foi fixado o cilindro hidráulico (completo por água) sobre o pistão da máquina, sendo em seguida realizados diferentes deslocamentos com o pistão, optando-se por não utilizar o êmbolo cilindro (Figura 5.9). Os ensaios foram realizados com freqüências entre 1 a 30 Hz, e revelaram que a máquina teve um bom desempenho dentro deste intervalo de freqüência e deslocamento do pistão de 5 mm. O resultado do ensaio está ligado com o peso do cilindro Hidráulico 110 Kgf. O segundo ensaio de freqüência foi realizado com o êmbolo inserido no cilindro hidráulico, e manteve-se os deslocamento do pistão (5mm), sendo acrescidas as freqüências gradativamente (Figura 5.10). Os ensaios revelaram que para um deslocamento do êmbolo de 4 mm, a freqüência pode ser acrescida, chegando a atingir 25 hertz. Para valores de freqüência e deslocamento do êmbolo acima deste valor, a máquina apresentou trepidações e ruídos.

8 PUC-Rio - Certificação Digital Nº /CA 108 Figura 5.9: Ensaio de frequência sem o êmbolo. Figura Ensaio de freqüência com o êmbolo Ensaio de deslocamento do Pistão O objetivo do ensaio consistiu em determinar as pressões atingidas a partir da penetração do êmbolo no cilindro hidráulico. Para a realização do teste preencheu-se o cilindro hidráulico de água até seu topo, e após procedimentos que tinham como o intuito a eliminação do ar remanente no cilindro, foi realizada gradativamente a penetração do êmbolo, sendo registrados os valores de pressão referentes ao deslocamento do mesmo por intermédio de um transmissor de pressão e um manômetro (Figura 5.11).

9 109 Figura Ensaio de deslocamento do êmbolo. Vale ressaltar que devido à penetração ter sido acrescentada gradativamente, o teste se caracteriza como estático. As leituras de tensão foram registradas por um voltímetro (Volts), podendo estes valores serem convertidos conseqüentemente para pressões (MPa), a partir da equação da curva de calibração do transmissor de pressão visto anteriormente (Figura 5.7 e 5.8). O resultado do ensaio demonstrou que há inicialmente uma relação não linear entre o deslocamento do pistão e a pressão gerada. Os possíveis motivos estão associados a presença de bolhas de ar no interior do cilindro. Todavia, após esta fase, a tendência do gráfico é apresentar uma relação linear, sendo alcançado o valor de 2,04 MPa para um deslocamento do êmbolo de 6,72 mm no cilindro hidráulico (vide Figura 5.12).

10 110 Com este resultado, os testes finais puderam ser controlados a partir da penetração do êmbolo no cilindro hidráulico. 2 1,8 1,6 Desloc. êmbolo x Pressão Pressão (Mpa) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Deslocamento (mm) Figura Relação inicial não linear entre o deslocamento do êmbolo e a pressão gerada Ensaio de deslocamento do pistão com mangueira flexível O objetivo do ensaio foi determinar as pressões atingidas a partir da penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, além também de conhecer as possíveis perdas de pressão na mangueira de alta pressão. Para a realização deste, preencheu-se o cilindro hidráulico de água até seu topo, e após procedimentos que tinham como o intuito a eliminação do ar remanente no sistema, foi realizada gradativamente a penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, sendo registrados os valores de pressão referentes ao deslocamento do êmbolo por intermédio de dois transmissores de pressão. Um transmissor de pressão estava localizado na base do cilindro hidráulico e outro na ponta da mangueira flexível (Figura 5.13). Vale ressaltar que devido à penetração ter sido acrescentada gradativamente, o teste se caracteriza como estático.

11 111 Figura Teste de Pressão com mangueira de alta pressão As leituras de pressão foram registras da mesma forma que o ensaio anterior, podendo os valores serem convertido também para MPa, através das equações das curvas de calibração dos transmissores. A partir de um deslocamento de 28 mm, foi alcançando a pressão de 1,98 MPa no transmissor 01, que estava localizado na base do cilindro, enquanto que o transmissor de pressão 02, que estava localizado na ponta da mangueira alcançou 1,91 MPa. Com isso, se pode concluir que o pistão teve que se deslocar muito mais para atingir um valor próximo ao alcançado no ensaio anterior (sem a mangueira). Além da uma perda de pressão de 0,07 MPa, existente na mangueira flexível de aproximadamente 4 metros. Tal fato impossibilitou a utilização da mangueira para os testes, uma vez que o deslocamento necessário para alcançar uma pressão próxima de 2 MPa foi elevada, o que dificulta o rendimento da máquina para altas freqüências (Figura 5.14).

12 112 2 Desloc. êmbolo x Pressão 1,8 1,6 1,4 P r e ssã o (M P a ) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Deslocamento êmbolo (mm) Figura Relação não linear entre deslocamento do êmbolo Transmissor 1 Tansmissor Ensaio de deslocamento do pistão com tubulação rígida O objetivo do ensaio foi determinar as pressões atingidas a partir da penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, além também de conhecer as possíveis perdas de pressão na tubulação rígida de aço (Figura 5.15).

13 113 Figura Ensaio de pressão com tubulação rígida. Após o preenchimento do cilindro hidráulico com água, e procedimentos para a eliminação do ar remanente no sistema, foi realizada a penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, sendo registrados os valores de pressão referentes ao deslocamento do êmbolo por intermédio de um transmissor de pressão localizado na extremidade da tubulação. Devido à penetração ter sido acrescentada gradativamente, o teste se caracteriza como estático. A Figura 5.16 abaixo, refere-se a penetração do êmbolo, e o comportamento da curva traduz inicialmente uma relação não linear, devido deformações iniciais da tubulação de aço, e posteriormente uma relação linear entre a pressão e o deslocamento do êmbolo.

14 114 Desloc. êmbolo x Pressão 2 1,8 1,6 1,4 Pressão (MPa) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Deslocamento (mm) Figura Ensaio de deslocamento do pistão com tubulação rígida. No detalhe a relação linear entre deslocamento do êmbolo e a pressão Testes Finais Teste com o Bloco cúbico A proposta do teste como dito no final do capítulo anterior foi avaliar o comportamento da amostra cúbica quando submetida a pressurização hidrodinâmica da célula cilíndrica por intermédio da penetração do êmbolo no cilindro hidráulico de aço. Após a eliminação do ar remanente no sistema, foi realizada a gradativa penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, de formar a acumular uma pressão no interior da célula através de uma válvula de retenção. Em seguida, o sistema era preenchido novamente por água, de forma proporcional ao deslocamento originado para o acúmulo de pressão gerado. Para se entender os mecanismos de movimentação do bloco, os ensaios foram realizados de tal forma que a intensidade e a frequência das pressões para interior da célula variassem em cada ensaio, sendo os dados de pressões medidos através de dois

15 115 transmissores de pressão, na base da célula (transmissor 02) e na tampa da célula (transmissor 01), como mostra os resultados das Figuras 5,17, 5.18 e Frequência: 1Hz Amplitude de pressão: 1,12 Mpa Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

16 116 Frequência: 2 Hz Amplitude de pressão: 1,12 MPa Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 2 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

17 117 Frequência: 5 Hz Amplitude de pressão: 0,22 Mpa. Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 5 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

18 118 Os resultados acima demonstram que o bloco não obteve acelerações para as frequências de 1, 2 e 5 Hz com amplitudes e frequências variadas. Os possíveis motivos estão atrelados ao peso do bloco, cujas pressões e frequências não são suficientes para gerar forças de elevação do bloco, e principalmente à simetria do fundo do bloco e da superfície da cavidade onde se encaixa o mesmo, o que torna a espécime em equilíbrio. Vale ressaltar que o equipamento desenvolvido trabalhou bem para as baixas pressões e frequências até 5 Hz Teste com placa Retangular Uma vez que o teste anterior não registrou a ocorrência de movimentos com o bloco cúbico, foi fixada uma placa retangular de policarbonato de aproximadamente 4 mm, em uma das extremidades do alvéolo da célula cilíndrica, de forma a criar forças ascendentes de pressão no fundo da espécime. Foram então realizados os procedimentos de eliminação do ar remanente no sistema, e a gradativa a penetração do êmbolo no cilindro hidráulico, de formar que fosse acumulada uma pressão no interior da célula através de uma válvula de retenção. Em seguida, o sistema era preenchido novamente por água, de forma proporcional ao deslocamento originado para o acúmulo de pressão gerado. Por fim foram aplicados diferentes deslocamentos com o pistão, obtendo-se os respectivos valores de pressão (por intermédio de dois transmissores de pressão, sendo o transmissor 02 localizado na base do cilindro hidráulico e transmissor 01 na tampa) e acelerações, cujos resultados mais representativos podem ser observados nas Figuras 5.20, 5.21, a seguir. Frequência: 1 Hz Amplitude de pressão: 0,76 Mpa.

19 119 Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 0,76 MPa. Frequência: 5 Hz Amplitude de pressão: 0,23 Mpa.

20 120 Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 5 Hz amplitude de pressão de 0,22 MPa. De modo geral foi observado durante os ensaios que a tendência das pressões é de não manter uma linearidade, ou seja, as amplitudes de pressão não se mantem

21 121 constante ao longo do tempo devido a pressão confinada inicial no interior da célula. Este efeito fica mais visível para frequências maiores que 5 Hz. Outro fato observado nos outros ensaios se dá ao fato de que com o aumento da frequência (acima de 5 Hz), as amplitudes de pressões aplicadas pela INSTRON diferem das aquisitadas, tendendo a diminuir. O gráfico de aceleração para 1 Hz de frequência ao longo do tempo demostra que o primeiro impulso forte desloca ligeiramente o bloco dentro do alvéolo, ou seja, o comportamento do bloco depende dos picos pressões induzidas pela INSTRON. O comportamento das acelerações para a frequência de 5 Hz, demonstrou que apesar das amplitudes de pressões serem de 0,22 MPa, o bloco possui uma maior movimentação, 1,061 (g), em decorrência das forças verticais turbulentas geradas que é função das pressões de flutuação turbulenta devido ao aumento da frequência Teste com placa e Parafuso O objetivo do teste consistiu em entender o mecanismo de movimentação do bloco quando submetido a diferentes pressões e frequências. Para isso foi fixada uma placa retangular policarbonato com parafusos nas extremidades. A altura da placa com o parafuso foi de aproximadamente 5 mm, e esta placa esteve fixa em uma das extremidades da cavidade da célula. O intuito principal foi de aumentar as forças ascendentes de pressão no fundo do espécime e consequentemente o movimento do bloco. Este teste baseou-se na mesma metodologia adotada para o teste anteriormente visto, tendo também os mesmos métodos de aquisição dos dados de pressão e aceleração, bem como a variação de amplitudes de pressões e frequências. Abaixo estão os resultados mais representativos, assim como uma conclusão sobre os mesmos (Figura 5.22, 5.23, 5.24 ) Frequência: 1Hz Amplitude de pressão: 1,10 Mpa.

22 122 Figura Frequência: Gráficos 1 Hz de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 0,67 MPa. Frequência: 1Hz Amplitude de pressão: 0,67 Mpa.

23 123 Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 0,67 MPa. Frequência: 5 Hz Amplitude de pressão: 0,25 MPa.

24 124 Figura Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 5 Hz e amplitude de pressão de 0,2 MPa. Assim como o teste anterior, em geral foi observado que a tendência das pressões foi de não manter uma linearidade devido a pressão confinante no interior da célula. Este efeito também fica mais visível para frequências maiores que 5 Hz.

25 125 Sendo que também para frequências maiores que 5 Hz, as amplitudes de pressões aplicadas pela INSTRON diferem das aquisitadas, tendendo a diminuir. Para os gráficos de aceleração, para 1 Hz de frequência ao longo do tempo, os mesmos retratam que a aceleração está relacionada aos picos pressões induzidas pela INSTRON, destacando ligeiramente o bloco dentro do alvéolo. O comportamento das acelerações para a frequência de 5 Hz, demonstrou que apesar das amplitudes de pressões serem de 0,25 MPa, o bloco possui uma maior movimentação em decorrência das forças verticais turbulentas geradas que é função das pressões de flutuação turbulenta devido o aumento da frequência. Para o gráfico de 5 Hz, aplicou-se a mesma amplitude de pressão de 0,25 MPa, e o bloco registrou um maior pico de aceleração de aproximadamente 1,063 (g).