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.

5.2. Ensaios com o Acelerômetro

5.2.1. 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

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

resultados referentes à aceleração do aparelho no estado de repouso. (Figura 5.3).

Figura 5.1 - Detalhe da vedação realizada entre a placa de acrílico e a bucha de Nylon por intermédio de uma cola de silicone.

Figura 5.2 - 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

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).

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).

Figura 5.4 – acelerômetro hermeticamente fechado imerso em água.

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 5.5 - 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. .

5.3. Ensaios de calibração dos transmissores de pr essão

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.

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 5.6 - 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.

106

Volts x kgf /cm²( Transmissor 01 )

y = 7,2753x + 0,0612

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5 6

Volts

kgf/c

m²

z

Figura 5.7 - Gráfico de calibração do transmissor 01.

Volts x kgf /cm²( Transmissor 02 )

y = 6,0941x - 0,2613

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6

Volts

kgf/c

m²

z

Figura 5.8 - Gráfico de calibração do transmissor 02.

107

5.4. Ensaios com a INSTRON

5.4.1. Ensaios de Freqüência da INSRON

O primeiro ensaio de freqüência foi realizado com o propósito de determinar

as freqüências de trabalho da INSTRON 5800. 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.

108

5.4.2. 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).

Figura 5.10 - Ensaio de freqüência com o êmbolo.

Figura 5.9: Ensaio de frequência sem o êmbolo.

109

Figura 5.11 - 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).

110

Com este resultado, os testes finais puderam ser controlados a partir da

penetração do êmbolo no cilindro hidráulico.

Desloc. êmbolo x Pressão

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Deslocamento (mm)

Pre

ssã

o (M

pa)

Figura 5.12 - Relação inicial não linear entre o deslocamento do êmbolo e a pressão

gerada.

5.4.3 Ensaio de deslocamento do pistão com mangueir a 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.

111

Figura 5.13 - 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).

112

Desloc. êmbolo x Pressão

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 5 10 15 20 25

Deslocamento êmbolo (mm)

Pre

ssã

o (M

Pa

)

Transmi ssor 1Tansmissor 2

Figura 5.14 - Relação não linear entre deslocamento do êmbolo

5.4.4. Ensaio de deslocamento do pistão com tubulaç ão 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).

113

Figura 5.15 - 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.

114

Desloc. êmbolo x Pressão

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 5 10 15 20Deslocamento (mm)

Pre

ssão

(M

Pa)

Figura 5.16 - Ensaio de deslocamento do pistão com tubulação rígida. No detalhe a relação linear entre deslocamento do êmbolo e a pressão.

5.5. Testes Finais

5.5.1. 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

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 5.19.

� Frequência: 1Hz

� Amplitude de pressão: 1,12 Mpa

Figura 5.17 - Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

116

� Frequência: 2 Hz

� Amplitude de pressão: 1,12 MPa

Figura 5.18 - Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 2 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

117

� Frequência: 5 Hz

� Amplitude de pressão: 0,22 Mpa.

Figura 5.19 - Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 5 Hz e amplitude de pressão de 1,12 MPa.

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 .

5.5.2. 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.

119

Figura 5.20 - 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.

120

Figura 5.21 - 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

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.

5.5.3. 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.

122

� Frequência: 1 Hz

�

� Frequência: 1Hz

� Amplitude de pressão: 0,67 Mpa.

Figura 5.22 - Gráficos de pressão e aceleração para frequência de 1 Hz e amplitude de pressão de 0,67 MPa.

123

Figura 5.23 - 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.

124

Figura 5.24 - 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.

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).