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.

4.2. Equipamentos e Materiais Utilizados no Ensaio

4.2.1. 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

80 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.

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 4.1 - Máquinas da INSTRON Modelo 8501 (Alva, 2008).

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 Máquinade Ensaios INSTRON

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Força (kN)

Fre

quên

cia

(Hz)

Controle INSTRON comoverdrive (corrente >40mA)

Controle INSTRON comoverdrive (corrente <40mA)

Figura 4.2 - Gráfico de desempenho da INSTRON 8501 (Alva, 2008).

4.2.2. 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 1997. 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).

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 4.3 - 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.

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.

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.

4.2.2.1. 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.

85

Figura 4.6 - 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 4.7 - Prato de aço desenvolvido para a fixação do cilindro Hidráulico ao pistão da INSTRON.

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 4.8 - Sistema de fixação do cilindro hidráulico.

4.2.3 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).

87

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).

Figura 4.9 - Tubulação Flexível.

Figura 4.10 - Tubulação rígida.

88

Figura 4.11 - 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).

89

Figura 4.12 - ’’ Loop’’ realizado na tubulação rígida para absorver as vibrações.

4.2.4. 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.

90

4.3. 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.

Figura 4.13 - Desenho esquemático da válvula de alivio.

Figura 4.14 - Foto da válvula de alivio utilizada nos ensaios.

91

4.3.1. 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 4.15 - Ensaio de verificação do manômetro.

92

4.3.2. 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: IP-65 (Opcional IP-68)

• Eletrônica: Micro processada

• Precisão: 0,25% F.E. (repetibilidade, histerese,

linearidade) – “Opcional 0,1% F.E.”

• Sinal de saída: Opcional 0-5 Vcc ou 0-10 Vcc

• Alimentação: 15 a 30Vcc

• Conexão: NPT

• Tipo de Sensor: Piezoresistivo

• Temperatura do invólucro: 55ºC (máx)

• Temperatura máxima do sensor: 85 ºC (opcional até 400 ºC)

• Vedações: Anéis o’ring, borracha nitrílica

• Conector: DIN 43650

Figura 4.16 - Esquema e ilustração do transmissor de pressão com saída em volt utilizado nos ensaios.

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.

4.3.3. 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 4.17. 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.

94

Figura 4.17 - Câmera de vídeo utilizada para a observação dos movimentos produzidos pelo cubo.

4.3.4. 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.

95

Figura 4.18 - O acelerômetro utilizado nos ensaios.

4.3.5. 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 4.19.

Figura 4.19 - Sistema de aquisição de dados utilizado para a compreensão da movimentação do cubo.

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 4.20.

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 4.20 - Sistema de conexão dos transmissores de pressão com saída em volt.

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 4.21 - Sistema de aquisição de dados e de controle da INSTRON 8501.

4.4. 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.

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.

99 4.4.1. 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.

100 12 – 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.