Mestrado de Engenharia de EstruturasComportamento de Materiais EstruturaisDECivil

Comportamento de Blocos de Elastmero (Borrachas)

Lus Guerreiro Abril 20031

BORRACHA :

Termo utilizado duma forma corrente para designar um vasto conjunto de materiais que abrange desde produtos naturais at produtos manufacturados. Na sua origem o termo designava somente o produto natural, mas com o aparecimento de produtos sintticos substitutos da borracha natural, esta palavra passou a ser utilizada tambm na designao destes produtos artificiais. Mais correcto ser utilizar a designao elastmero. Material com comportamento semelhante borracha ou seja, baixa fluncia plstica, grande extensibilidade, e capacidade de recuperar rapidamente a forma original aps estar sujeito a grandes deformaes. Os elastmeros so polmeros. Materiais compostos por grandes cadeias moleculares (macromoleculas).

ELASTMERO :

POLMEROS :

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Matrias primas para a produo de Elastmeros

Borracha natural

Latex de borracha natural

Hevea Brasiliensis

Borracha sinttica

Produtos derivados do petrleo Produtos derivados do gs natural

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Matrias primas para borrachas sintticas(derivados do petrleo na maioria dos casos)

Latex de borracha natural Polimerizao Borracha em bruto Mastigao Aditivos: Composio Agente de vulcanizao Acelerador Activador Anti-oxidante Anti-ozonante Aditivos para reforo Aditivos inertes Pigmento Plastificante .

Coagulao

Composto no vulcanizado Moldagem

Vulcanizao

Produo de Elastmeros

ELASTMERO4

VULCANIZAO :

Operao atravs da qual so criadas ligaes entre as macromoleculas de um elastmero. Desta forma o elastmero, que partida se apresenta como uma massa fraca, muito plstica e sem propriedades mecnicas de interesse seja transformado num produto forte, resistente e com boas caractersticas elsticas. A vulcanizao foi descoberta em 1839 por Goodyear, que aplicou esta tcnica borracha natural, utilizando como agente de vulcanizao o enxofre. Esta operao pode ser realizada a quente ou a frio.

borracha vulcanizada

Curvas Fora-Deformao tpicas de borracha vulcanizada e no vulcanizada. (Adaptado de Billmeyer, 1971)

carga lb

borracha no vulcanizada

deformao %

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ADITIVOS PARA Produtos que melhoram as propriedades mecnicas do REFORO : elastmero como a rigidez, a resistncia traco, a resistncia rasgadura ou a resistncia abraso. Sem a utilizao destes aditivos no seria possvel a utilizao de elastmeros em pneus, por exemplo. NEGRO DE FUMO: O negro de fumo (carbon black) o aditivo de reforo mais importante para a maioria dos elastmeros. Outros exemplos so a slica ou silicatos. Embora o negro de fumo melhore as propriedades mecnicas da maioria dos elastmeros, no neoprene no tem efeito especial sobre a resistncia traco. Quantidades crescentes de negro de fumo conduzem a uma melhoria crescente das propriedades at se atingir um mximo. O tipo e a dimenso das partculas do aditivo de reforo so parmetros importantes na obteno das propriedades pretendidas.

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TABELA 1 - Alguns elastmeros comerciais Designao (ASTM)NR IR BR IIR

Designao comumBorracha Natural Isoprene Polybutadiene Butyl

Composio Qumica

Poli-isoprene natural Poli-isoprene sinttico Polybutadiene Copolmero de isobutylene e isoprene Policloroprene

CR

Neoprene

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TABELA 2 - Comparao das propriedades da Borracha e do NeoprenePropriedadeResistncia traco Alongamento Resilincia Envelhecimento natural Resistncia ao ozono Resistncia luz solar Envelhecimento com o calor Estabilidade trmica Comportamento a baixas temperaturas Fluncia Relaxao Permeabilidade ao ar Resistncia a leos lubrificantes

Borracha NaturalExcelente Excelente Excelente Boa Fraca Fraca Fraca M Boa Fraca Fraca Fraca M

NeopreneBoa Boa Boa Excelente Excelente Excelente Boa Boa Fraca Fraca Fraca Boa Boa8

Adaptado de Mantell (1958)

Propriedades tpicas dos elastmeros

Grande deformabilidadealguns elastmeros podem atingir deformaes de 1000% sem rotura e recuperar a forma original Baixo Mdulo de Elasticidade permite atingir grandes deformaes mesmo com tenses baixas Grande capacidade de acumular energia a sua grande capacidade de recuperao aps grande deformao permite acumular mais energia do que qualquer outro material

Aumento da rigidez com a descida da temperatura

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Envelhecimentoas propriedades do elastmero alteram-se com o tempo essencialmente devido a fenmenos de oxidao. A correcta escolha da composio do elastmero pode minorar este efeito. Factores que tambm contribuem para o envelhecimento dos elastmeros so: exposio luz solar ou a raios ultra-violeta; exposio a grandes concentraes de ozono (em especial quando sujeitos a tenso); exposio a altas temperaturas; contacto com leos.

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Propriedades mecnicas dos elastmerosOs elastmeros so substncias quase incompressveis que se deformam mais por alterao da forma do que pela variao de volume. O seu coeficiente de Poisson aproximadamente igual a 0.5. A relao tenso-deformao dum bloco de elastmero depende muito da forma do provete utilizado. Se o provete for baixo e com uma grande seco transversal, a sua rigidez ser muito maior do que seria se a relao entre a altura e a seco transversal fosse elevada. A rigidez do bloco depende muito da sua capacidade de deformao lateral.

rea carregada

Factor de Forma = (rea carregada)/(rea livre)

rea livre 11

Propriedades mecnicas dos elastmeros 1- DurezaPara que se possa fazer uma classificao da rigidez dum determinado elastmero, qualquer que seja a forma do bloco em que ele se apresenta, necessrio utilizar outra caracterstica, a dureza. A dureza pode ser medida atravs dum aparelho (durmetro) que mede a fora necessria para fazer uma pequena puno na superfcie do elastmero a classificar. A dureza do elastmero no uma grandeza importante s por si. S tem interesse como um indicador da rigidez do composto, com a vantagem da sua medida no depender da forma do bloco de elastmero.

Relao entre o Mdulo de Distoro (G) e a dureza, vlida para pequenas deformaes. (Adaptado de Harris, 1997)

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2 - Rigidez VerticalA deformao vertical duma lmina de elastmero resulta da soma de duas componentes de deformao de origem distinta. Uma primeira parcela devida deformao da lmina por distoro (Kv( )), enquanto a outra componente resulta da variao de volume da camada de elastmero (Kv(v)). Assumindo que a deformao total a soma das duas componentes de deformao, obtm-se a seguinte expresso para o clculo da rigidez vertical: Kv(g ) Kv(v) Kv = Kv(g ) + Kv(v) G S2 A Kv(g ) = b 2 h el Eb A Kv(v) = h el

(rigidez vertical devida distoro) (rigidez por variao de volume)13

2 - Rigidez Vertical (cont.)G S2 A Kv(g ) = b 2 hel Eb A Kv(v) = hel (rigidez vertical devida distoro) (rigidez por variao de volume)

com, Eb - mdulo de compressibilidade do elastmero (Eb ~ 2000 MPa); G - mdulo de distoro do elastmero (G ~ 0.7 a 2.0 MPa);b2

- coeficiente que depende da forma da seco:b2

(Kelly, 1993) 6 6.73

(CEN/TC 167, 2001) 5 514

bloco com seco circular bloco com seco quadrada

2 - Rigidez Vertical (cont.)

A deformao vertical de um conjunto de lminas de elastmero pode ser calculada a partir da rigidez vertical de cada uma das camadas Kvi: Kv=

1 1 Kvi

(rigidez vertical de um conjunto de camadas)

Se as camadas forem todas iguais, a expresso anterior pode ser simplificada tomando a seguinte forma: Kvi Kv= n sendo n o nmero de camadas.

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2 - Rigidez Vertical (cont.)Influncia do Factor de Forma (S) na rigidez duma camada de elastmero3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 2 4 6 8 10

Influncia da deformao lateral na rigidez duma camada de elastmero1.4E+07 1.2E+07 sem def. lateral com def. lateral

(x Rigidez vertical para S=7.5)

Rigidez vertical

Rigidez vertical

1.0E+07 8.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 0.0E+00 2 4 6 8 10

Factor de Forma (S)

Factor de Forma (S)

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2 - Rigidez Vertical (cont.)

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2 - Rigidez Vertical (cont.)

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3 - Rigidez HorizontalNo caso de blocos de elastmero cintado, o valor da rigidez do conjunto pode ser calculado a partir do valor do mdulo de distoro (G) do elastmero que o constitui. Como o bloco constitudo pela justaposio de camadas de elastmero, a deformao horizontal do conjunto o somatrio das deformaes individuais de cada camada. Por seu lado, a deformao de cada camada, devido sua pequena espessura, essencialmente por corte. Desta forma a relao entre a rigidez do bloco e o mdulo de distoro obedece seguinte expresso: GA Kh = h el G - mdulo de distoro; A - rea em planta do bloco; hel - altura total em elastmero (somatrio das espessuras das vrias camadas).19

3 - Rigidez Horizontal (cont.)Se a carga vertical sobre o bloco for prxima da carga crtica (Ncr), ento a rigidez horizontal do bloco deve ser calculada atravs da seguinte expresso:

N2 hel GA Kh = h 1 - G A h N T E el

em que, G A hel hT N NE

- mdulo de distoro; - rea em planta do bloco; - altura total de elastmero (somatrio das vrias camadas); - altura total do bloco; - carga vertical sobre o bloco; - carga vertical de Euler.20

3 - Rigidez Horizontal (cont.)A carga vertical de Euler pode ser calculada atravs da seguinte expresso: NE = b 1 sendo, S - factor de forma da seco, obtido pela relao entre a rea carregada e a rea livre de carga do bloco, considerando somente a altura total de elastmero: bloco com seco circular de dimetro bloco com seco rectangular (a x b) I - momento de inrcia da seco. t - espessura duma camada de elastmero.b1 f f

G p2

S2 I hT hel

S=4t ab S = 2 (a + b) t

-

- coeficiente definido em funo da forma do bloco: b1 = 2 bloco com seco circular b 1 = 2.214 bloco com seco quadrada 21

4 - Rigidez RotaoRigidez rotao a relao entre momentos e rotaes em torno de um eixo horizontal, paralelo a uma das faces no caso de blocos rectangulares, ou em qualquer direco para os blocos de seco circular. Esta rigidez pode ser calculada atravs das seguintes expresses: G a5 b Kq = n t3 b 3 G f6 p Kq = n t3 5 1 2 sendo, nb3

(seco rectangular)

(seco circular)

a,b

- nmero de camadas de elastmero; - constante definida em funo da relao (b/a) (ver Quadro); - dimenses em planta dos blocos de seco rectangular (b referese direco paralela ao eixo em torno do qual se considera a rotao).22

4 - Rigidez Rotao (cont.)

Quadro - Valores da varivel 3 (CEN, 1993). a/b 0.50 0.75 1.00 1.20 1.25 1.30 1.40 1.503

a/b 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.50 10.0

3

137.0 100.0 86.2 80.4 79.3 78.4 76.7 75.3

74.1 73.1 72.2 71.5 70.8 68.3 61.9 60.0

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Propriedades dinmicas dos elastmeros 1- Influncia da frequncia no valor de GOs elastmeros no so perfeitamente elsticos, apresentam algum amortecimento interno e a rigidez tem tendncia a aumentar quando a frequncia de deformao aumenta. Esta ltima caracterstica s aparente para frequncias de deformao muito superiores s que ocorrem em aparelhos de apoio de estruturas.

Influncia da frequncia no Mdulo de Distoro (G) do elastmero. (Adaptado de Kelly, 1993)24

2 - Influncia do nvel de deformao no valor de G1.20 1.10 1.00

n

(MPa) 4.60 5.60 7.40

G (MPa)

0.90 0.80 0.70 0.60 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00

Distoro (% )

Para valores de distoro inferiores a 100% verifica-se uma diminuio do valor de G com a distoro. Esta diminuio mais acentuada para valores de distoro inferiores a 50%. Para grandes valores de distoro (> a 300%) volta a registar-se um aumento da rigidez.

3 - Influncia do esforo normal no valor de GA influncia do esforo normal no valor de G desprezvel25

Bloco de Elastmero Cintado

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Bloco de Elastmero Cintado (Corte)

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Montagem para ensaio de blocos de elastmero

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Ensaio de bloco de elastmero (Pormenor)

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Bloco de Elastmero Cintado (Pormenor)

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Bloco de Elastmero Cintado (Pormenor)

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Pr Norma EuropeiaMxima distoro:

CEN/TC 167 N 185 (Maio 2001)

t,d = c,d + q,d + ,d c,d distoro devido s cargas de compresso q,d distoro devido aos movimentos horizontais ,d distoro devido rotao t,d c,d t,d

H

Fz

a

vx

60% < 25% < 15% 60 5 > 17 N/mm2 > 450% < 15% < 15% 1 0.2 N/mm2

Caractersticas de Qualidade: Dureza shore Resistncia traco Alongamento na rotura Deformao residual sobre compresso: a 70C (durante 24 horas) a 22C (durante 28 dias) Mdulo de elasticidade transversal (G) para 0.2 < tg b < 0.9

Outras Caractersticas que o neoprene deve verificar: no apresentar fissuras quando submetidos a ensaios de resistncia ao ozono respeitar a condies especificadas nas normas DIN 53512 (resilincia), DIN 53515 (propagao de rasgaduras) e DIN 53508 (envelhecimento 39 acelerado em estufa)

Resultado de Ensaio de Termogravimetria

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POT BEARINGS

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Blocos de apoio em borracha de Alto Amortecimento (HDRB)

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Mistura menos rgida (Soft Compound)

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Mistura normal (Normal Compound)

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Mistura mais rgida (Hard Compound)

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BibliografiaBillmeyer, F. W.: Textbook of Polymer Science, John Wiley & Sons, Inc., 1971. Hall, C.: Polymer Materials - An Introduction for Technologists and Scientists, Macmillan Education, 2nd Edition, 1989. Mantell, C. L. (editor):Engineering Materials Handbook, McGraw-Hill Book Company, 1st Edition, 1958. Kelly, J.:Earthquake-Resistant Design with Rubber, Springer-Verlag, 1st Edition, 1993. Naeim, F. and Kelly, J.:Design of Seismic Isolated Structures, John Wiley & Sons, Inc., 1st Edition,1999. Guerreiro, L.:Isolamento Ssmico de Edifcios, Tese de Doutoramento, IST, 1996. Guerreiro, L. e Azevedo, J.:Ensaio de Caracterizao de Aparelhos de Apoio para as Obras de Arte do IP6: Viaduto sobre a Ribeira de Rio de Moinhos e Ponte sobre o Rio Zzere, Relatrio ICIST EP 37/95, 1995. CEN/TC 167/WG: European Standard on Structural Bearings, 1993. CEN/TC 167/WG: European Standard on Structural Bearings, 2001.46