anÁlise do efeito da temperatura na resistÊncia … · cefet/rj . dedico este trabalho: À minha...

PROGRAMA FRANCISCO EDUARDO MOURÃO SABOYA DE

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

Dissertação de Mestrado

ANÁLISE DO EFEITO DA TEMPERATURA

NA RESISTÊNCIA DE JUNTAS DE

CISALHAMENTO SIMPLES HÍBRIDAS

METAL/COMPÓSITO

BRUNO DE ANDRADE

JULHO DE 2016

BRUNO DE ANDRADE

ANÁLISE DO EFEITO DA TEMPERATURA NA RESISTÊNCIA DE JUNTAS DE CISALHAMENTO SIMPLES

HÍBRIDAS METAL/COMPÓSITO

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa Francisco Eduardo Mourão Saboya

de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

da UFF como parte dos requisitos para a

obtenção do t ítulo de Mestre em Ciências em

Engenharia Mecânica

Orientadores: Heraldo Silva da Costa Mattos, D.Sc. (PGMEC/UFF)

João Marciano Laredo Reis , Ph.D. (PGMEC/UFF)

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE NITERÓI, 21 DE JULHO DE 2016

ANÁLISE DO EFEITO DA TEMPERATURA NA

RESISTÊNCIA DE JUNTAS DE CISALHAMENTO SIMPLES HÍBRIDAS METAL/COMPÓSITO

Esta Dissertação é parte dos pré-requisitos para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

Área de concentração: Mecânica dos Sólidos

Aprovada em sua forma final pela Banca Examinadora formada pelos professores:

Prof. Heraldo Silva da Costa Mattos (D.Sc.)

Universidade Federal Fluminense

(Orientador)

Prof. João Marciano Laredo Reis (Ph.D.)


(Orientador)

Prof. Luiz Carlos da Silva Nunes (D.Sc.)


Silvio Romero de Barros (D.Sc.)

Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca –

CEFET/RJ

Dedico este trabalho:

À minha família;

Aos meus orientadores;

A todos aqueles que direta ou

indiretamente contribuíram para mais

essa etapa de minha carreira.

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Elaine Maria Paiva de Andrade e José Roberto de Castro Andrade, pelo

suporte e confiança em todos os momentos desta jornada;

Aos meus irmãos Lucas de Andrade e Vitor de Andrade, pelo apoio e amizade que me são

sempre doados;

À Verônica Limoeiro Geraldo, pelo companherismo e por estar sempre ao meu lado me

apoiando em todas as minhas escolhas;

Aos meus orientadores, Heraldo Silva da Costa Mattos e João Marciano Laredo Reis, pela

oportunidade de desenvolvimento deste trabalho e por todo conhecimento passado;

À equipe do LMTA/UFF, pelo fornecimento de materiais, disponibilização de

equipamentos e auxílio prestado;

À CAPES, por ter me concedido a Bolsa de Mestrado que foi de grande ajuda;

A todos os professores, pela contribuição através do aprendizado proporcionado que me

permitiram concluir mais esta etapa de minha carreira acadêmica;

A todos os amigos e aqueles que direta ou indiretamente contribuíram de alguma forma

para o desenvolvimento deste trabalho.

RESUMO

Este trabalho consiste na avaliação do efeito da temperatura na resistência de juntas

de cisalhamento simples, compostas por substratos metal-compósito com geometria

constante. Os ensaios realizados proporcionam análises associadas a um sistema que vem

sendo empregado com frequência na indústria, caracterizado pela utilização de materiais

compósitos poliméricos com adesivos para processos de reparo e reforços de tubulações.

Neste sentido, as análises desenvolvidas estão diretamente associadas ao conhecimento e à

confiabilidade deste tipo de sistema, através da caracterização do comportamento dos

materiais sob diversas condições de temperaturas. Foram avaliados dois conjuntos

independentes de materiais compósitos em ensaios de cisalhamento das juntas coladas: o

primeiro conjunto é composto pelo Synthoglass XT, que consiste em uma bandagem de alta

resistência de fibras de vidro com resina hidroativa de poliuretano, aplicado com o

SynthoSubsea LV, que é um polímero a base de epóxi utilizado como adesivo. Este

conjunto possui uma temperatura máxima de serviço indicada de 90ºC, e com base nesta

informação foram divididos 4 grupos de temperatura de ensaios. O segundo conjunto

analisado é composto pelo material denominado ThermoWrap, que é um compósito

reforçado com fibras de vidro, aplicado com um componente denominado ThermoPoxy

(resina à base de epoxi). A temperatura máxima de operação indicada para este conjunto é

de 150ºC, sendo então definidos 3 grupos de ensaios para as análises deste material. O

substrato metálico utilizado para ambos os conjuntos de ensaios foi o aço 1020. Desta

forma, este estudo tem como objetivos a determinação das tensões média de ruptura dos

grupos de temperatura, para associar tais parâmetros em uma regressão linear que

demonstre a relação entre temperatura e resistência das juntas para cada um dos 2 conjuntos

independentes de materiais. A partir dos gráficos gerados e das análises dos resultados foi

possível observar uma tendência de diminuição da resistência ao cisalhamento das juntas

quando submetidas a incrementos de temperatura para ambos os conjuntos.

Palavras chave: Juntas coladas, Compósito, Temperatura, Resistência ao cisalhamento

ABSTRACT

This work consists on the evaluation of temperature effect on shear strength of single

lap joints, composed by metal-composite substrates with fixed geometry. The tests provide

analysis associated with a system that has been used frequently in industry, characterized

by the use of polymeric composite materials with adhesives to repair processes and pipe

reinforcement. In this sense, the analyses developed in this project are directly related to the

knowledge and reliability of this type of system, through the behavior characterization of

materials under various temperature conditions. Two independent composite materials set

were analysed in shear tests with the lap joints: the first set is composed by Synthoglass

XT, consisting of a high strength bandage of fiberglass with polyurethane water activated

resin applied in conjunction with SynthoSubsea LV, which is an epoxy based polymer used

as the adhesive. This system has a recommended service temperature of 90ºC, and based on

this information, four temperature groups were evaluated in the experiments. The second

set of materials tested was composed by ThermoWrap, which is a fiberglass reinforced

composite material, applied with ThermoPoxy (epoxy resin based polymer). The maximum

service temperature for this set is 150ºC, which provided 3 different temperature groups for

analysis. The metal substrate used for both composite materials set is 1020 steel. Thus, this

study aims to determine the average shear strength for the groups of temperature, to

associate these parameters in a linear regression that demonstrate the temperature and shear

strength relation for each of the 2 independent materials set. From the generated charts and

analysis of results it was observed a tendency of decrease in shear strength of the joints

when subjected to temperature increases.

Keywords: Lap joints, Composite, Temperature, Shear strength

SUMÁRIO

Lista de Figuras ....................................................................................................................... i

Lista de Tabelas ..................................................................................................................... iv

Lista de Símbolos ................................................................................................................... v

Capítulo 1: Introdução ....................................................................................................... 15

1.1. Considerações Iniciais ............................................................................................... 15

1.2. Objetivos do Trabalho ............................................................................................... 17

1.3. Descrição dos Capítulos ............................................................................................. 18

Capítulo 2: Revisão Bibliográfica ..................................................................................... 20

2.1. Considerações Gerais sobre Juntas Coladas .............................................................. 20

2.1.1. Características Gerais e Definições ..................................................................... 20

2.1.2. Tensões em Juntas Simples ................................................................................. 22

2.1.3. Parâmetros de Influência na Resistência de Juntas ............................................. 27

2.1.3.1. Parâmetros Característicos dos Materiais .................................................... 28

2.1.3.2. Parâmetros Geométricos das Juntas ............................................................. 29

2.1.3.3. Fatores Externos de Preparação e Operação ................................................ 31

2.1.4. Modos de Falha de Juntas Coladas ..................................................................... 34

2.2. Materiais Poliméricos e Compósitos ......................................................................... 35

2.2.1. Materiais Poliméricos.......................................................................................... 35

2.2.1.1. Definições, Classificações e Constituintes .................................................. 35

2.2.1.2. Adesivos ...................................................................................................... 38

2.2.1.3. Resina Epóxi ................................................................................................ 39

2.2.2. Materiais Compósitos ......................................................................................... 40

2.2.2.1. Definições, Classificações e Constituintes .................................................. 40

2.2.2.2. Compósitos Reforçados com Fibras ............................................................ 42

2.2.2.3. Matriz Polimérica Reforçada com Fibras de Vidro ..................................... 44

2.2.3. Temperatura de Transição Vítrea ........................................................................ 45

2.3. Sistemas de Reparo em Tubulações ........................................................................... 47

Capítulo 3: Materiais e Métodos ....................................................................................... 50

3.1. Materiais e Fabricação ............................................................................................... 50

3.1.1. Descrição dos Materiais ...................................................................................... 50

3.1.1.1. SynthoSubsea LV ........................................................................................ 51

3.1.1.2. SynthoGlass XT ........................................................................................... 52

3.1.1.3. Thermo-Poxy ............................................................................................... 54

3.1.1.4. ThermoWrap ................................................................................................ 54

3.1.1.5. Substrato Metálico: Aço 1020 ..................................................................... 55

3.1.2. Recursos Necessários para Preparação das Juntas .............................................. 56

3.1.3. Preparação das Juntas .......................................................................................... 57

3.2. Métodos Experimentais ............................................................................................. 59

3.2.1. Recursos Necessários para Ensaios ..................................................................... 59

3.2.2. Parâmetros de Teste ............................................................................................ 59

3.2.3. Ensaios das Juntas ............................................................................................... 60

Capítulo 4: Resultados e Discussões.................................................................................. 62

4.1. Análises Preliminares ................................................................................................. 62

4.2. Resultados Obtidos .................................................................................................... 63

4.2.1. Conjunto 1: SynthoGlass XT .............................................................................. 63

4.2.2. Conjunto 2: ThermoWrap ................................................................................... 66

4.3. Análise dos Dados ...................................................................................................... 68

Capítulo 5: Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros ........................................ 73

Referências Bibliográficas ................................................................................................. 75

Anexos .................................................................................................................................. 80

Anexo 1: Datasheet SynthoGlass XT ............................................................................... 80

Anexo 2: Datasheet SynthoSubsea LV ............................................................................. 83

Anexo 3: Datasheet ThermoWrap .................................................................................... 86

Anexo 4: Datasheet Thermo-Poxy ................................................................................... 88

Anexo 5: Trabalho apresentado na Conferência Luso-Brasileira de Adesão e Adesivos –

CLBA 2016 ...................................................................................................................... 91

i

Lista de Figuras

Figura 1: Aplicações típicas de sistemas de reparos de tubulações ...................................... 16

Figura 2: Tipos de Juntas Coladas ........................................................................................ 21

Figura 3: Junta de Cisalhamento Simples (Single Lap Joint) ............................................... 22

Figura 4: Comparação da distribuição de tensão em juntas simples .................................... 23

Figura 5: Tipos de tensões em juntas coladas ...................................................................... 24

Figura 6: Tensões em juntas simples supondo um comportamento elástico linear .............. 24

Figura 7: Tenões normais e cisalhantes em juntas simples .................................................. 25

Figura 8: Correlação entre resistência ao cisalhamento e razão L/t ..................................... 30

Figura 9: Efeito do comprimento e largura de sobreposição na resistência das juntas ........ 30

Figura 10: Efeito da orientação de carregamento em relação às fibras ................................ 31

Figura 11: Modos de falha de juntas tipo single lap joints ................................................... 34

Figura 12: Curvas tensão x deformação dos termofixos (a); termoplásticos (b); e

elastômeros (c) ...................................................................................................................... 38

Figura 13: Classificação de adesivos quanto à origem ......................................................... 39

Figura 14: Monômero do epóxi ............................................................................................ 39

Figura 15: Fases matriz e dispersa de compósitos e características que influenciam em

propriedades.......................................................................................................................... 41

Figura 16: Classificação de materiais compósitos ................................................................ 41

Figura 17: Exemplo de padrão de deformação de matriz envolvendo uma fibra submetida à

uma carga .............................................................................................................................. 42

Figura 18: Orientação das fibras dispersas na fase matriz.................................................... 43

Figura 19: Comportamento tensão x deformação de compósito reforçado por fibras ......... 44

ii

Figura 20: Exemplos de sistemas de reparos de tubulações ................................................. 47

Figura 21: Sistema de reparo de tubulação com material compósito ................................... 48

Figura 22: Aplicação de reparos de tubulações com ThermoWrap ...................................... 48

Figura 23: Aplicação do adesivo Syntho-Subsea LV em uma tubulação............................. 51

Figura 24: Aplicação da bandagem de SynthoGlass XT ...................................................... 53

Figura 25: Aplicação de reparo com Thermo-Poxy e ThermoWrap em tubulação.............. 54

Figura 26: Preparação das Juntas.......................................................................................... 58

Figura 27: Fluxograma de Planejamento Experimental ....................................................... 60

Figura 28: Máquina de ensaios universal com câmara termostática acoplada e CP

posicionado ........................................................................................................................... 61

Figura 29: Gráfico Força X Deslocamento para Grupo 1 (25ºC) ......................................... 63




Figura 33: Gráfico Força x Deslocamento para Grupo 5 (25ºC) .......................................... 67

Figura 34: Gráfico Força x Deslocamento para Grupo 6 (70ºC) .......................................... 67

Figura 35: Gráfico Força x Deslocamento para Grupo 7 (150ºC) ........................................ 68

Figura 36: Gráfico da tensão média de cisalhamento por grupo de temperatura para juntas

com substrato de Synthoglass XT ........................................................................................ 69

Figura 37: Gráfico da tensão média de cisalhamento por grupo de temperatura para juntas

com substrato de ThermoWrap............................................................................................. 70

Figura 38: Relação entre Tensão média de falha (MPa) X Temperatura (ºC) para junta com

substrato de SynthoGlass XT ............................................................................................... 71

iii

Figura 39: Relação entre Tensão média de falha (MPa) X Temperatura (ºC) para junta com

substrato de ThermoWrap .................................................................................................... 71

iv

Lista de Tabelas

Tabela 1: Comportamento e Estruturas de Polímeros .......................................................... 36

Tabela 2: Etapas de aplicação de sistema de reparo de tubulações com SynthoGlass XT ... 49

Tabela 3: Propriedades mecânicas do Syntho-Subsea-LV ................................................... 52

Tabela 4: Informações relativas ao processo de cura do Syntho-Subsea LV ....................... 52

Tabela 5: Propriedades mecânicas do ThermoWrap ............................................................ 55

Tabela 6: Propriedades Mecânicas de Ligas de Aço 1020 ................................................... 56

Tabela 7: Características dimensionais dos substratos metálicos e compósitos das juntas .. 56

Tabela 8: Recursos necessários para preparação das juntas ................................................. 57

Tabela 9: Recursos necessários para realização dos ensaios ................................................ 59

Tabela 10: Parâmetros de teste avaliados para juntas híbridas com substrato de SynthoGlass

XT ......................................................................................................................................... 69

Tabela 11: Parâmetros de teste avaliados para juntas híbridas com substrato de

ThermoWrap ......................................................................................................................... 70

v

Lista de Símbolos

ASTM – American Society for Testing and Materials;

w – Largura de substratos de juntas single lap joints;

ts – Espessura de substratos de juntas single lap joints;

ta – Espessura do adesivo de juntas single lap joints;

L – Comprimento de sobreposição (overlap) de juntas single lap joints;

σz – Tensão normal;

τ – Tensão Cisalhante;

V – Esforço cortante;

Acis – Área sob cisalhamento;

M – Momento fletor;

I – Momento de inércia;

E – Módulo Elástico;

G – Módulo de Cisalhamento;

DGEBA – Diglicidil Éter Bisfenol A;

PVC – Policloreto de Vinila;

PET – Poliester;

PMC – Polymer-Matrix Composites;

GFRP – Glass Fiber-Reinforced Polymer;

NRI – Neptune Research Inc.

ºC – Graus Celsius

ºF – Graus Fahrenheit;

psi – Libra por polegada quadrada;

vi

ksi – Kilolibra por polegada quadrada;

GPa – Giga Pascal;

MPa – Mega Pascal;

mm – Milímetro;

min – Minuto;

CP – Corpo de prova;

Ʃ – Somatório;

n – Número de amostras;

V (x) – Variância;

N – Newtons;

θ – Temperatura.

15

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Considerações Iniciais

A utilização de sistemas de reparos e reforços de tubulações através de processos

que envolvem o uso de materiais compósitos poliméricos e adesivos, sem que se utilize

calor para se obter tais soluções, vem sendo uma prática cada vez mais adotada em

inúmeros campos de aplicações devido aos seus diversos benefícios associados. As

indústrias petroquímica e marítima são alguns exemplos que têm adotado este tipo de

alternativa em diversas aplicações típicas em seus processos e operações.

São exemplos de vantagens deste tipo de solução a possibilidade de aplicações em

condições atípicas para reparos, como no mercado offshore, visto que os recursos são mais

limitados nestes ambientes, por serem locais com atmosfera rica em hidrocarbonetos, onde

é proibida a utilização de equipamentos que produzam calor ou faíscas; sua possibilidade

de utilização como reforço de estruturas e tubulações em geral, através da manutenção e

16

recuperação da integridade estrutural de tais componentes; além da atuação na prevenção

da corrosão, devido às propriedades características dos materiais compósitos. A Figura 1

ilustra exemplos de processos de aplicação de reparos de tubulações desenvolvidos na

indústria.

Figura 1: Aplicações típicas de sistemas de reparos de tubulações

Fonte: Adaptado de (NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS, 2011)

Desta forma, diversos estudos referentes aos materiais empregados para tais

finalidades vêm sendo desenvolvidos, em busca de um melhor conhecimento de parâmetros

mecânicos e comportamentais, sob diferentes condições de operação nas quais esses

materiais podem estar submetidos [1-5].

Em um estudo realizado por Kara [6], foi analisado o efeito do número de camadas

de reparos de material compósito em tubulações que foram submetidas a danos por

impacto, através da realização de ensaios com pressão segundo a norma ASTM D1599-99.

Husic et al. [7] utilizou diferentes tipos de resinas com reforços de fibras de vidro para

avaliar e comparar suas propriedades mecânicas e térmicas, com intuito de estudar uma

alternativa de resina de poliuretano para matriz de materiais compósito. A efetividade da

utilização de materiais compósitos poliméricos com reforços de fibras em reparos de

tubulações submarinas de aço utilizadas na indústria são estudadas e analisadas em

Shamsuddoha [8].

17

Neste projeto foram utilizadas juntas de cisalhamento simples (single lap joint)

híbridas (metal/compósito), para ensaios que avaliam a influência da temperatura na

resistência de tais materiais, especificamente nos casos de substratos metálicos (aço 1020)

com substratos compósitos (SynthoGlass XT e ThermoWrap) e adesivos poliméricos

(SynthoSubsea LV e Thermo-Poxy). Maiores informações referentes a estes componentes,

tais como composição e materiais constituintes e suas propriedades e características

mecânicas serão abordadas com detalhes nos capítulos seguintes.

Os ensaios realizados proporcionam portanto, análises relacionadas a este tipo de

sistema, que vem sendo empregado com frequência nos diversos segmentos da indústria,

estando diretamente associadas ao seu conhecimento e confiabilidade, através da

caracterização do comportamento dos materiais sob as diversas condições de temperaturas.

1.2. Objetivos do Trabalho

Os objetivos do presente trabalho consistem de modo geral em realizar uma

avaliação do efeito da temperatura na resistência de juntas híbridas metal/compósito em

ensaios de cisalhamento, de forma a se analisar sua influência nos resultados obtidos,

observando o comportamento apresentado pelos corpos de prova. Para isso, uma revisão

bibliográfica foi elaborada para um desenvolvimento teórico que aborde assuntos relativos

ao tema proposto, com descrições e definições pertinentes e trabalhos relacionados. Em

seguida uma metodologia experimental é empregada através da realização de ensaios com

intuito de se obter os dados necessários para as análises e discussões dos resultados.

Sendo assim, como objetivos específicos deste projeto, são determinadas a carga

máxima de ensaio e da força de ruptura por área de cisalhamento das juntas coladas para

análises do efeito da temperatura. Também é realizada uma avaliação do modo de falha e

dos deslocamentos observados nas juntas de forma a se comparar e analisar o

comportamento dos corpos de prova para cada faixa de temperatura de ensaio.

Por fim, são utilizados os dados coletados nos ensaios e analisados para avaliações

estatísticas da média da resistência das juntas e do desvio padrão por grupo de temperatura,

para se gerar então uma equação que demonstre a relação da resistência ao cisalhamento

das juntas com variações de temperatura, através de uma regressão linear para cada

18

conjunto independente de ensaio de juntas, com os substratos de material compósito

SynthoGlass XT e ThermoWrap.

1.3. Descrição dos Capítulos

Esta dissertação foi dividida em 5 capítulos, de forma a se apresentar o conteúdo e

as definições relativas ao tema, bem como a metodologia de trabalho adotada para o

desenvolvimento dos ensaios, e as análises e discussões dos resultados obtidos.

No capítulo 1 foram abordados desde aspectos gerais relativos ao tema até uma

introdução específica do objeto de estudo deste trabalho, de forma a apresentar as

considerações iniciais referentes a aspectos como campo de aplicação na atualidade,

vantagens do método associado ao tema desta dissertação, estudos e trabalhos

desenvolvidos nesta área, os objetivos gerais e específicos, e a motivação com a relevância

e justificativa do desenvolvimento deste projeto, fornecendo assim uma visão geral com a

apresentação de sua organização.

O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica realiizada, com o desenvolvimento

mais detalhado referente aos conceitos necessários ao entendimento dos assuntos abordados

no projeto. São descritos portanto os aspectos gerais relativos às juntas coladas, a materiais

compósitos e poliméricos e aos sistemas de reparos em tubulações, com base nas

referências de livros, e trabalhos já desenvolvidos de artigos, teses e dissertações com

temas relacionados.

No capítulo 3 são apresentados os materiais e métodos de trabalho empregados no

desenvolvimento do projeto, com os tópicos principais de “Materiais e Fabricação” e

“Métodos Experimentais”. São detalhados então os materiais utilizados, os recursos

necessários, procedimentos e normas aplicáveis para as etapas de preparação e ensaios das

juntas, os parâmetros de teste monitorados, definidos e avaliados.

No capítulo 4 são realizadas as análises e discussões com base nos resultados

obtidos dos experimentos. São apresentados então os gráficos gerados a partir do

monitoramento dos ensaios, os principais dados aplicáveis para as análises propostas e os

cálculos e avaliações conforme descrição dos objetivos do projeto. Também são feitas

19

análises conceituais referentes aos resultados obtidos, através de comentários e descrições

dos mesmos.

No capítulo 5 são feitas as considerações finais, apresentando assim as conclusões

com base nas análises desenvolvidas ao longo deste trabalho e sugestões para trabalhos

futuros que permitam a continuidade de estudos relacionados aos temas abordados no

projeto.

20

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Considerações Gerais sobre Juntas Coladas

2.1.1 Características Gerais e Definições

A utilização de juntas coladas vem sendo cada vez mais aproveitada em diferentes

campos da indústria e em diversas áreas da pesquisa e desenvolvimento devido às inúmeras

vantagens que esse tipo de sistema oferece. Caracterizadas por sua simplicidade e

eficiência, podem ser citadas como vantagens seu baixo custo de fabricação, resistência a

corrosão para casos de juntas de substratos incompatíveis, melhor eficiência na

transferência de carga e reduzidas concentrações de tensões proporcionadas pelas mesmas

[9].

Existem diversos tipos de juntas coladas, que podem ser utilizadas de acordo com

suas especificidades e finalidades de projeto. Em geral, as juntas são projetadas seguindo

determinados princípios para se obter uma máxima eficiência, dos quais destacam-se quatro

recomendações de princípios básicos: A área colada deve ser tão ampla quanto possível,

respeitando-se as restrições e limitações de geometria e peso; uma máxima porcentagem da

21

área colada deve contribuir para a resistência da junta; o adesivo deve ser tensionado na

direção de sua máxima resistência; e as tensões devem ser minimizadas em direções nas

quais o adesivo possui menor resistência [10]. Para garantir tais requisitos, são realizadas

análises de tensões de acordo com o tipo de junta e material a ser empregado em cada caso

e das solicitações e condições de operação em que elas estarão submetidas, o que permite

uma maior segurança e economia ao se especificar e projetar juntas em aplicações distintas.

A Figura 2 ilustra alguns exemplos de tipos de juntas utilizadas para as mais

diversas aplicações, das quais podem ser citadas como mais usuais, as juntas simples

(single lap joints - c), juntas duplas (double lap joints - h) e juntas chanfradas (scarf joints -

g).

Figura 2: Tipos de Juntas Coladas

Fonte: (ANDREW, 2008)

As juntas do tipo single lap joint são utilizadas em inúmeras aplicações industriais

(principalmente na indústria aeroespacial e de transportes), além de serem adotadas como

espécimes padrão para ensaios com adesivos, sendo este o caso específico no

desenvolvimento deste projeto. Elas são compostas basicamente por dois substratos que são

unidos por uma camada adesiva, conforme pode ser observado na Figura 3 (a):

22

Figura 3: Junta de Cisalhamento Simples (Single Lap Joint)

Fonte: Adaptado de (ASTM D 1002 - 01)

Os principais parâmetros dimensionais relacionados à configuração de uma junta de

cisalhamento simples também estão demonstrados na Figura 3 (a). É possível observar

portanto, a largura dos substratos (w), espessura dos substratos (ts), espessura do adesivo

(ta) e o comprimento de sobreposição ou overlap (L). Estes e outros parâmetros em geral

são especificados por normas de acordo com padronizações definidas a partir de análises

experimentais. A Figura 3 (b) ilustra um exemplo retirado da norma ASTM D1002-01 [11],

onde tais requisitos dimensionais estão descritos.

Em ensaios com adesivos, o foco principal das análises consiste na avaliação do

modo de falha e das tensões presentes durante os experimentos, de forma a se caracterizar o

comportamento dos materiais (da camada adesiva atuando em conjunto com os aderentes) e

a resistência das juntas.

Neste sentido, são observados diferentes tipos de comportamento quando se altera o

material empregado como adesivo e substratos. Sendo assim, diversos estudos tem sido

realizados para diferentes classificações de juntas, que podem ser definidas como juntas

metal-metal, compósito-compósito e ainda metal-compósito (juntas híbridas) [12-15].

2.1.2 Tensões em Juntas de Cisalhamento Simples

Juntas coladas são projetadas com o intuito de minimizar concentrações de tensão

através de uma distribuição de carregamento por área, causada pela atuação da camada

23

adesiva em conjunto com os substratos, ao contrário do que se observa em juntas unidas

mecanicamente por parafusos ou rebites, onde ocorrem maiores concentrações de tensão

em áreas pontuais dos elementos. A Figura 4 ilustra uma representação da distribuição de

tensões em juntas de cisalhamento simples para comparação nos casos da utilização de

rebites e adesivos para união dos aderentes.

Figura 4: Comparação da distribuição de tensão em juntas simples

Fonte: (CARBAS, 2008)

Inúmeros trabalhos tem sido desenvolvidos com intuito de avaliar as tensões e os

modos de falha em juntas de cisalhamento simples, de forma a se analisar modelos

matemáticos e gráficos que representem o comportamento de tais elementos sob diferentes

condições de operação, para se estudar efeitos de imersão em ambientes com água,

temperaturas variadas, vida em fatiga, tratamentos superficiais, dentre outros [16-18].

A Figura 5 ilustra diferentes tipos de tensão sob as quais as juntas simples coladas

podem estar submetidas, de acordo com as diversas condições de solicitação nas quais

podem estar expostas, representando portanto tensões de compressão, tração, cisalhamento,

descascamento e clivagem. Várias combinações destes diferentes tipos de tensão podem ser

encontradas em aplicações com juntas coladas.

24

Figura 5: Tipos de tensões em juntas coladas


Existem diversos estudos relacionados à modelagem matemática do comportamento

de juntas coladas do tipo single lap joints, através de métodos analíticos e numéricos, que

utilizam diferentes técnicas, como por exemplo a de análise por elementos finitos. Em

geral, as hipóteses que são adotadas no desenvolvimento de estudos sobre o tema tendem a

considerar estados planos de tensões e deformações. Outra consideração usualmente

adotada consiste na suposição de comportamento elástico linear para as análises das tensões

de cisalhamento e de descascamento. A Figura 6 ilustra uma representação esquemática

para este caso, onde é possível observar os pontos críticos de máxima tensões nas regiões

próximas às extremidades do adesivo.

Figura 6: Tensões em juntas simples supondo um comportamento elástico linear

Fonte: (SILVA, 2007)

25

Li et al. [19] realizou análises não lineares bi-dimensionais (2D) por elementos

finitos da distribuição de tensões e deformações ao longo da espessura de adesivo de juntas

de cisalhamento simples de material compósito, demonstrando que a máxima tensão de

cisalhamento ocorre nas regiões próximas às extremidades externas dos aderentes, o que

sugere uma maior probabilidade de início de falha coesiva nos cantos.

As tensões presentes em juntas simples, quando estas se encontram submetidas à

um carregamento “N” na direção “x”, estão representadas na Figura 7 (a). Pode ser

verificado portanto, que existe uma distribuição de tensão normal “σz”, que é causada

devido à um momento secundário que é gerado a partir da aplicação das cargas excêntricas

Nxx (Figura 7 - b). Além disso, também estão presentes as tensões de cisalhamento “τzx”

atuando no plano “xz”, que são decorrentes do esforço cortante “Nxx”.

Figura 7: Tenões normais e cisalhantes em juntas simples

Fonte: Adaptado de (RIBEIRO, 2009)

As relações básicas que representam estas tensões podem ser descritas com base nos

conceitos de resistência dos materiais, através das equações (1) e (2), onde “τ” é a tensão de

cisalhamento, “V” é o esforço cortante, “Acis” é a área sob cisalhamento (ou seja, a área de

sobreposição colada), “σ” a tensão normal associada ao momento, “M” o momento gerado,

“I” o momento de inércia da área e “d” a altura da área colada (no caso, o comprimento de

sobreposição da junta) [14].

τ = (V / Acis) (1)

σ = (Md / 2I) (2)

26

É importante ressaltar que a maioria dos modelos utilizados para análises de tensões

em juntas simples adotam a elasticidade linear, na qual ocorreriam tensões infinitas nas

extremidades das juntas, constatando-se que os resultados obtidos via modelagem são

superestimados, visto que tal fenômeno não ocorre na prática. Sendo assim, apesar da

determinação exata da resistência de juntas com longos overlaps, adesivos frágeis, e

substratos elásticos ser de difícil previsão, uma análise linear fornece uma previsão que

pode ser considerada segura.

Desta forma, para análises lineares elásticas (caracterizadas por adesivos de fratura

frágil e substratos de alta resistência), podem ser citados os seguintes modelos clássicos

[20]:

Volkersen;

Goland e Reissner;

Bigwood and Crocombe;

Frostig.

Para adesivos de natureza frágil em casos nos quais o momento fletor não seja

significativo, o modelo de Volkersen pode ser considerado como um dos que apresenta

melhores resultados segundo da Silva et al (2009). Para casos de maior complexidade,

ainda podem ser verificados modelos que consideram a não linearidade do adesivo, em

análises que envolvem adesivos de comportamento dúctil e substratos de alta resistência, de

forma a se considerar a influência do momento fletor gerado:

Hart-Smith;

Bigwood and Crocombe;

Adams e Mallick.

Além destes, existem casos de ainda maior complexidade, em que se considera uma

análise não linear completa, característica de adesivos dúcteis e substratos de resistência

mediana, dos quais podem ser citados os seguintes modelos:

27

Wang;

Adams.

Podem ser citadas no entanto algumas limitações às quais os modelos clássicos

enumerados estão susceptíveis, como a não consideração das variações de tensões ao longo

da espessura da camada adesiva, incluindo tensões de interface, que possuem alta

relevância em casos de fraturas próximas à interface de colagem; além do fato de ignorar o

cisalhamento através da espessura dos substratos.

Conclui-se portanto, que juntas adesivas do tipo single lap joint, submetidas a

carregamentos trativos em seus substratos, apresentam em geral duas componentes de

tensões usualmente avaliadas: uma tensão cisalhante no plano (in-plane shear stress), e

uma tensão normal transversa, também chamada de tensão de descascamento, que é

decorrente do momento secundário gerado devido à excentricidade na aplicação da carga.

Existem diferentes abordagens feitas baseadas em análises de tensões que

desenvolvem critérios e metodologias variadas para dimensionamento de juntas coladas

[14]. Considerando a diversidade de possibilidades de propostas de soluções, e as várias

hipóteses adotadas para soluções de diferentes modelos retratando diferentes condições, é

possível concluir que o campo de análises de tensões em juntas permanece como uma área

com grande potencial de estudo [21-22].

2.1.3 Parâmetros de Influência na Resistência de Juntas

São diversos os fatores que afetam a resistência mecânica durante a fabricação e no

período de operação das juntas de cisalhamento simples. Basicamente, podem ser

classificados 3 grupamentos principais, relativos a fatores associados aos parâmetros

característicos dos materiais (propriedades e composição dos aderentes e adesivo), aos

parâmetros geométricos das juntas (configurações e características dimensionais) e fatores

externos (condições ambientais de preparação e operação). Vale ressaltar que também

existem diversos fatores que geralmente são negligenciados em análises de distribuições de

tensões em juntas coladas, mas que podem exercer significativa influência, como efeitos

28

dos filetes nas extremidades de colagem, tensões residuais térmicas, comportamento

inelástico do material adesivo, dentre outros [23-24].

2.1.3.1 Parâmetros Característicos dos Materiais

Em relação aos parâmetros característicos dos materiais podem ser citados como

principais fatores, a própria composição química dos componentes a serem utilizados

(resinas epóxi ou de poliuretano como adesivos por exemplo, e material compósito ou

metálico como substratos), os módulos elástico (E) e de cisalhamento (G) do adesivo e

limites de resistência dos aderentes. Adesivos epóxi em geral possuem alta resistência

mecânica e à temperatura, enquanto adesivos poliuretanos apresentam boa flexibilidade à

baixas temperaturas e resistência à fadiga [16].

Conforme verificado por Li et al. [19], adesivos que possuem maior rigidez

(maiores módulos elásticos), apresentam maiores tensões de descascamento. Sendo assim,

adesivos que apresentam características ligeiramente mais rígidas proporcionam

deformações consideravelmente menores na camada adesiva, apesar das tensões máximas

de cisalhamento e descascamento não demonstrarem tanta sensibilidade quanto ao módulo

elástico (E). Em relação à influência do módulo de cisalhamento (G) do adesivo nas tensões

de cisalhamento, pode ser observado que quanto maior o módulo de cisalhamento maiores

as tensões identificadas [14].

Além disso, também é mencionada a influência que o módulo elástico dos

substratos exerce na distribuição de tensões das juntas. Desta forma, quando se utilizam

diferentes tipos de substratos para confecção de uma junta, as tensões de cisalhamento

variam de acordo com a razão dos Módulos de Young referentes aos respectivos

componentes envolvidos, constatando-se que as máximas tensões de cisalhamento ocorrem

na extremidade da região de colagem mais próxima ao substrato com maior módulo.

Portanto, em relação aos efeitos exercidos pelos parâmetros dos substratos, pode-se afirmar

que quanto mais rígidos os aderentes utilizados, maior será a resistência da junta e mais

uniforme será a distribuição de tensão.

29

2.1.3.2 Parâmetros Geométricos das Juntas

Para a influência dos parâmetros geométricos das juntas em sua resistência,

destacam-se a espessura da camada adesiva e dos substratos, o comprimento e a largura da

região de colagem (overlap), a razão (L/ts) de comprimento de overlap por espessura do

substrato, a angulação das faces na extremidade de colagem e o tipo de configuração de

junta colada a ser utilizada

Pandey et al. [21] em seu trabalho sobre análise não linear de juntas de

cisalhamento por elementos finitos, considerando a viscoplasticidade em adesivos,

verificou que picos de tensão decrescem com aumento da espessura da camada adesiva. Em

outro estudo sobre a influência da espessura da camada adesiva em juntas, Silva [25]

verificou que quanto mais fina for a camada adesiva, maior será a tensão cisalhante, de

forma que elevadas concentrações de tensões nas extremidades do overlap podem ser

reduzidas com o aumento da espessura dos adesivos. A especificação da espessura de

colagem depende no entanto, de diversos outros fatores, estando também associada às

propriedades do adesivo a ser utilizado como a viscosidade, molhabilidade e composição

química geral, sendo necessário portanto a realização de maiores análises e considerações

neste sentido.

Já em relação à espessura dos substratos, segundo Pandey [21], picos de tensão

cisalhante tendem a diminuir conforme a espessura do substrato superior aumenta, levando

à reduções de concentração de tensão nas extremidades do overlap. Sendo assim, chapas

mais espessas tendem a promover uma maior uniformidade na distribuição de tensões. A

razão entre o comprimento de sobreposição e a espessura do substrato (L/t) é geralmente

utilizada em gráficos para correlações com variáveis que possuem relevância na resistência

das juntas, como carregamento ou tensão, conforme pode ser observado na Figura 8. A

razão t/L também pode ser utilizada, sendo em geral denominada fator da junta [10].

30

Figura 8: Correlação entre resistência ao cisalhamento e razão L/t


Segundo Landrock (1985), dimensões especificadas para largura de sobreposição

das juntas possuem efeitos mais significativos em sua resistência do que as dimensões

referentes ao comprimento de sobreposição, conforme pode ser observado na Figura 9 [10].

Isso seria justificado pelo fato das porções adjacentes às áreas centrais das juntas estarem

submetidas comparativamente à menores níveis de tensão. Sendo assim, para se aumentar a

eficiência de juntas através da alteração de sua geometria, aumentos de largura de

sobreposição seriam mais aconselháveis em relação ao comprimento de sobreposição. O

gráfico apresentado demonstra uma tendência de aumento contínuo e linear da resistência

de juntas conforme ocorrem incrementos da largura de overlap, mantendo-se um

comprimento de sobreposição constante. O mesmo não pode ser observado para o aumento

do comprimento à uma largura constante, onde verifica-se uma tendência de estabilização

da resistência a partir de determinado ponto.

Figura 9: Efeito do comprimento e largura de sobreposição na resistência das juntas


31

Em relação aos efeitos causados por variações de angulação das faces na

extremidade de colagem associadas à direção de carregamento aplicado, observa-se que a

resistência das juntas tendem a diminuir conforme o ângulo entre a direção de aplicação do

carregamento e a orientação das fibras aumenta, levando à uma melhor eficiência em

configurações nas quais as fibras se encontram alinhadas (0º) em relação ao carregamento

aplicado, com uma resistência mínima em carregamentos aplicados à 90º, conforme pode

ser observado na Figura 10 [26].

Figura 10: Efeito da orientação de carregamento em relação às fibras

Fonte: (ASKELAND, 2008)

2.1.3.3 Fatores Externos de Preparação e Operação

Por fim, como exemplos de fatores externos que afetam a resistência de juntas de

cisalhamento simples podem ser citados o tempo de cura do processo de colagem,

tratamento superficial realizado na preparação, a temperatura de operação e o tipo de

solicitação à que as juntas estão expostas (através da influência da vida em fadiga dos

componentes por exemplo).

As superfícies dos substratos possuem um importante papel nos processos de

colagem de juntas, sendo um dos fatores mais relevantes para sua qualidade e eficiência.

Desta forma, a realização de tratamentos superficiais antes de se realizar a aplicação dos

32

adesivos são altamente recomendadas para se atingir uma máxima resistência mecânica.

Davis e Bond et al. [27] investigaram fatores que afetam a durabilidade de juntas,

verificando que a limpeza da superfície não é o único requisito para uma colagem eficiente,

havendo a necessidade de se realizar tratamentos que aumentem a rugosidade e otimizem

propriedades da camada superficial dos aderentes, garantindo assim as condições

necessárias para o aumento da resistência e durabilidade das juntas.

Os tratamentos superficiais tem como objetivo portanto a melhoria das

características associadas à molhabilidade e resistência superficial das juntas, visto que

visam a adequação da rugosidade para a aplicação de interesse e melhorias de propriedades

das camadas superficiais, além da remoção de partículas soltas contaminantes, oriundas de

corrosão, pintura e outras impurezas, aumentando assim significativamente a adesão entre

os substratos e adesivo.

A influência da rugosidade na resistência das juntas ocorre pelo fato de se

aumentarem as ligações de interface, promovendo assim uma melhoria do fenômeno da

molhabilidade entre substrato e adesivo, através de um maior grau de ancoramento

observado. Dentre os principais tipos de tratamentos superficiais e processos relacionados

destacam-se o jateamento abrasivo, limpeza por solvente, lixamento, tratamento a plasma e

a laser [16].

Todo material polimérico também é degradado de alguma forma através da

exposição à altas temperaturas pela alteração em suas propriedades físicas. Para que um

adesivo suporte a exposição à altas temperaturas, ele deve possuir um alto ponto de fusão.

Conforme a temperatura de serviço se aproxima da temperatura de transição vítrea do

adesivo, o material tende a escoar resultando em deformações e degradações que afetam a

resistência das juntas.

Korta et all. [2] realizou estudos experimentais e numéricos para avaliar efeitos de

ciclos de humidade e temperatura em diferentes tipos de materiais (compósito, alumínio e

aço) em juntas coladas com diferentes adesivos epóxi. Os resultados obtidos revelaram que

mesmo cargas moderadas destes ciclos podem causar o descolamento das juntas. Os

estudos baseados nos resultados experimentais e em análises por elementos finitos

simulando as mesmas condições ambientais demonstraram que o coeficiente de expansão

térmico é um fator crucial na performance de juntas feitas com diferentes materiais. Um

33

número considerável de juntas apresentaram falhas quando submetidas a ciclos de

envelhecimento térmico acelerado mesmo antes de serem submetidas a carregamentos

mecânicos. Desta forma, foi demonstrado que carregamentos de humidade-temperatura

podem influenciar negativamente nos tipos de juntas avaliadas, promovendo assim quedas

consideráveis de resistência.

Um estudo sobre a influência da temperatura no comportamento de adesivo epóxi

DGEBA foi realizado por Reis [4], de forma a se conduzir ensaios em faixas de 25ºC até

130ºC. Foi observado que a temperatura exerceu uma grande influência no comportamento

do adesivo, de forma que sua rigidez e máxima resistência diminuiram face à aumentos de

temperatura, indicando efeitos significativos no módulo de elasticidade do material.

Ferreira et all. [17]

estudou o comportamento de juntas coladas de material

compósito sob fadiga, de forma a se analisar seus efeitos em diferentes casos de orientação

da camada adesiva, do comprimento da junta e imersão em água sob diferentes

temperaturas. Foi observado que a vida em fadiga sob exposição à água é condicionada

principalmente pela temperatura da água e em menor grau pela exposição no tempo. Para

as análises de orientação das fibras em relação à direção de carregamento, foi verificado

que a resistência das juntas aumenta de acordo com a proporção de fibras a 0º, de forma

que a maior resistência verificada foi justamente para as juntas que apresentavam todas as

fibras orientadas nesta condição. Em relação à variação da temperatura, foram observadas

perdas de até 30% da resistência das juntas em diferentes períodos para 20ºC e 40ºC, e uma

degradação adesiva ainda mais significativa para a temperatura de 70ºC. As juntas também

se mostraram altamente susceptíveis à fluência para as faixas de tensão utilizadas nos testes

à temperatura ambiente.

Portanto, é possível concluir que existem diversas condições ambientais sob as

quais juntas coladas em geral podem estar submetidas durante sua vida em serviço, que

estão diretamente associadas à sua performance, longevidade e eficiência em operação. A

temperatura e humidade podem ser citados como alguns dos principais fatores externos que

influenciam nas propriedades mecânicas e consequentemente ne resistência das juntas,

podendo ser determinantes em falhas em casos de exposição em determinadas condições.

34

2.1.4 Modos de falha de juntas coladas:

Os modos de falha que podem ocorrer em juntas coladas são determinadas

basicamente pela qualidade na adesão em cada interface substrato/adesivo, pela geometria

da junta em questão e pelo carregamento aplicado. De acordo com a norma ASTM D5573

[28], existem 7 modos de falha caracteísticos de juntas. Todos estes estão representados na

Figura 11, onde podem ser identificados: (a) falha adesiva, (b) falha coesiva, (c) falha

coesiva por fina camada, (d) falha por rompimento da fibra, (e) falha por leve rompimento

da fibra, (f) falha por quebra do substrato e (g) falha mista.

Figura 11: Modos de falha de juntas tipo single lap joints

Fonte: Adaptado de (BANEA, 2008)

A falha adesiva é caracterizada pela ruptura da junta colada de forma que a

separação é observada na interface entre o adesivo e o substrato, não havendo qualquer

evidência de que ocorreu qualquer tipo de transferência de material entre as superfícies

destes componentes. Já na falha coesiva, a separação entre os substratos ocorre pelo

rompimento e fragmentação do próprio adesivo. A falha coesiva por fina camada é similar

à falha coesiva, exceto pelo fato de que ela ocorre muito próxima à interface entre o

substrato e o adesivo, como o próprio nome sugere. A falha por rompimento da fibra ocorre

35

exclusivamente no substrato, caracterizado pela exposição das fibras nas superfícies

rompidas. A falha por leve rompimento da fibra, como o próprio nome sugere, ocorre no

substrato, em região próxima à superfície, de forma que uma fina camada do substrato pode

ser vista no adesivo. A falha por quebra ocorre através do rompimento do substrato em uma

região externa à área colada da junta. Por fim, a falha mista é caracterizada por qualquer

combinação entre dois ou mais dos modos de falha descritos.

A observação do modo de falha da junta ensaiada é de suma importância para

possibilitar uma análise completa e coerente dos resultados experimentais para os diversos

tipos de ensaios e estudos que podem ser desenvolvidos neste tema, sendo geralmente um

tópico presente como requisito de análise de resultados em diversas normas.

2.2. Materiais Poliméricos e Compósitos

2.2.1. Materiais Poliméricos

Materiais poliméricos em geral são sintetizados a partir de moléculas orgânicas,

constituindo um grupo de componentes muito utilizados nos dias atuais como plásticos,

borrachas e materiais fibrosos. Apesar de existirem polímeros que ocorrem naturalmente

(derivados de plantas e animais, como o algodão, a lã, o couro e a seda), desde o fim da

Segunda Guerra Mundial diversas aplicações que utilizavam metais ou madeiras foram

otimizadas através da substituição por polímeros sintéticos, que em muitos casos podem ser

produzidos a custos mais baixos. Nesta seção serão abordados os principais conceitos

referentes às definições, classificações, propriedades e características deste tipo de material,

que vem sendo cada vez mais aproveitado nos mais diversos campos. Os conceitos

descritos nesta seção também são aplicados ao grupamento específico de “materiais

compósitos com matriz polimérica”, que será detalhado mais adiante.

2.2.1.1. Definições, Classificações e Constituintes

Polímeros podem ser definidos como um material resultante de várias unidades

repetitivas interligadas, constituindo assim cadeias de macromoléculas. Em sua maioria,

essas moléculas se encontram na forma de cadeias longas e flexíveis, cujo esqueleto

36

principal consiste em uma série de átomos de carbono. Sendo assim, as longas moléculas

que se repetem sucessivamente ao longo da cadeia são denominadas “meros”, dando

origem a palavra “polímeros”, ou seja, muitos meros [29].

Eles podem ser classificados de inúmeras maneiras, baseado no processo como as

moléculas são sintetizadas, por sua estrutura molecular (linear ou ramificada), família

química ou comportamento termo-mecânico por exemplo. A classificação associada ao

comportamento do material em geral é a mais utilizada, onde podem ser verificadas três

categorias principais: termoplásticos, termofixos (termorígidos) e elastômeros. A Tabela 1

apresenta as principais caracteísticas da estrutura geral destes componentes e exemplos

deste tipo de classificação:

Tabela 1: Comportamento e Estruturas de Polímeros

Comportamento Estrutura Geral Exemplo

Termoplástico Cadeias lineares flexíveis Polietileno

Termofixo

(termorígido) Rede tridimensional rígida (cadeias lineares ou ramificadas) Poliuretanos

Elastômero Termoplásticos ou termofixos ligeiramente retículados Borracha

natural

Os termoplásticos são polímeros relativamente moles e dúcteis, cujas propriedades

variam com a temperatura, sendo constituídos de cadeiais lineares, apresentando em alguns

casos ramificações. Possuem cadeias emaranhadas, o que permite que o material apresente

boa integridade física, apesar de possuirem facilidade para deformar-se plasticamente,

especialmente à altas temperaturas. Eles amolecem quando são aquecidos, e tornam-se

rígidos quando são resfriados, em processos que são reversíveis e que podem ser repetidos,

ao contrário do que se observa nos termofixos. Além disso, os termoplásticos possuem

maior tenacidade à fratura e resistência ao impacto. Como exemplos de grupos funcionais

podem ser citados o polietileno, policloreto de vinila (PVC), poliamida (náilon), poliéster

(PET) e o policarbonato.

37

Polímeros termofixos possuem boa resistência mecânica, rigidez e dureza,

apresentando em contrapartida baixa resistência ao impacto e baixa ductilidade. Em ensaios

de tração, eles apresentam um comportamento semelhante ao das cerâmicas ou de metais

frágeis. Além disso, os polímeros termofixos possuem uma alta temperatura de transição

vítrea, de forma que tornam-se permanentemente duros quando submetidos a aplicação de

calor, não amolecendo com um aquecimento subsequente. Podem ser citados como

principais grupos funcionais os fenólicos, as aminas, poliésteres, epóxis, uretanos e o

silicone [26].

Os elastômeros são polímeros que apresentam grandes deformações elástica, que

podem superar 200% quando determinada tensão é aplicada, podendo ter origem natural ou

sintética. Exemplos de componentes pertencentes a esse grupo que podem ser citados são

os pneus de automóveis, anéis de vedação, mangueiras, isolamento para fios elétricos e tiras

de borrachas.

Considerando o comportamento apresentado por polímeros de uma forma geral,

verifica-se que para deformações relativamente pequenas à baixas temperaturas, o

comportamento mecânico pode ser elástico, em conformidade com a Lei de Hooke. Já para

temperaturas mais altas prevalece o comportamento viscoso, caracterizado por uma

deformação não instantânea, ou seja, em resposta à aplicação de uma tensão a deformação é

dependente do tempo, não sendo completamente recuperada após liberação da solicitação.

Em temperaturas intermediárias, geralmente observa-se um comportamento viscoelástico,

onde a imposição de uma tensão resulta em uma deformação inicial elástica seguida por

uma deformação viscosa, em que a taxa de deformação determina deformações elástica ou

viscosa. Por fim, conforme mencionado anteriormente, cada grupamento de polímeros

apresenta uma tendência mais acentuada para os diversos tipos de comportamento

observados, de forma que variações de temperatura exerçam uma influência de acordo com

as descrições apresentadas.

A Figura 12 apresenta o gráfico tensão x deformação que descreve o

comportamento dos 3 principais grupamentos de polímeros. Conforme pode ser observado,

os materiais termorígidos apresentam baixas deformações, mesmo quando submetidos à

altas tensões, caracterizando um comportamento frágil. Já os termoplásticos demonstram

maior ductilidade, com elevadas deformações percentuais. Por fim, os elastômeros também

38

apresentam ductilidade, com deformações ainda maiores face à menores tensões,

comportamento característico das borrachas.

Figura 12: Curvas tensão x deformação dos termofixos (a); termoplásticos (b); e elastômeros (c)

2.2.1.2. Adesivos

Os adesivos são polímeros utilizados com a finalidade de unir materiais como

metais, cerâmicas, compósitos, outros polímeros ou combinações destes. Eles possuem

inúmeras aplicações, das quais podem ser citadas os adesivos estruturais utilizados por

exemplo nas indústrias automotiva, aeroespacial, de eletrodomésticos, eletrônica,

equipamentos esportivos [26], além da indústria de óleo e gás em reparos e reforços de

tubulações, cuja utilização e desenvolvimento vem sendo bastante explorado. Podem ser

citados também diversos tipos de classificações, como grupos de adesivos quimicamente

reativos, adesivos de evaporação ou difusão, adesivos a quente, adesivos sensíveis à

pressão e adesivos condutores. Exemplos de adesivos quimicamente reativos incluem

componentes como o poliuretano, epóxi e o silicone, podendo ser constituido por sistema

de 1 componente (onde a resina polimérica é curada por exposição ao calor ou umidade),

ou de 2 componentes (como os epóxis, em que a cura ocorre a partir da mistura e reação

entre duas resinas). Outro tipo de classificação muito usual para os adesivos se refere à sua

39

origem, se foram produzidos por recursos naturais ou sintetizados a partir de

hidrocarbonetos básicos, conforme ilustrado na Figura 13:

Figura 13: Classificação de adesivos quanto à origem

2.2.1.3. Resina Epóxi

As resinas epóxi são termorígidos de alto desempenho, utilizados em diversas

aplicações, como por exemplo em adesivos estruturais, partes rígidas de componentes

elétricos, placas de circuitos e matrizes para materiais compósitos com reforços de fibras

para o setor aeroespacial. Possuem alto módulo de elasticidade, baixa viscosidade e bom

comportamento à temperaturas elevadas (150ºC), sendo constituido por ao menos 2 grupos

epóxi terminais por molécula, apresentando-se como um anél com 3 membros, conforme

ilustrado pela Figura 14.

Figura 14: Monômero do epóxi

Fonte: (SOUZA, 2012)

40

O adesivo utilizado na confecção das juntas ensaiadas neste projeto é um polímero

pertencente a esta classe de resina epóxi, e maiores informações sobre este componente

serão abordadas mais adiante no Capítulo 3.

2.2.2. Materiais Compósitos

O constante avanço da tecnologia proporciona inúmeros benefícios para a sociedade

e em diversos campos da indústria, de forma a propiciar continuamente a inovação em

diferentes tipos de aplicações. Desta forma, muitas das tecnologias modernas exigem

materiais com propriedades incomuns, que não podem ser atendidas por materiais

convencionais como as ligas metálicas, cerâmicas e materiais poliméricos. Exemplos de

indústrias que se inserem neste caso são a indústria aeroespacial, de transportes,

subaquática, de óleo e gás dentre várias outras. Sendo assim, a necessidade de obtenção de

materiais que resultem de combinações de propriedades e características oriundas de

múltiplos componentes levou ao estudo e desenvolvimento de novos materiais,

denominados compósitos. Portanto, embora o termo compósito esteja associado com

tecnologias avançadas, a ocorrência de sua origem pode ser verificada há milhares de anos,

em madeiras, ossos e tecidos musculares, que são chamados de compósitos naturais.

2.2.2.1. Definições, Classificações e Constituintes

De uma maneira geral, pode-se considerar um compósito como sendo qualquer

material multifásico, formado a partir de dois ou mais materiais distintos, que exiba uma

proporção significativa das propriedades das fases que o constituem, de tal modo que é

obtida uma melhor combinação de propriedades. Os compósitos são usualmente criados

para se melhorar determinadas características mecânicas como rigidez, tenacidade,

resistência em condições ambientes e altas temperaturas [29].

Basicamente, estes materiais são compostos por duas fases, denominadas de matriz

(aglomerante) e fase dispersa (reforço), sendo as propriedades do compósito função das

propriedades de cada fase, das quantidades relativas e da geometria da fase dispersa (forma,

tamanho, distribuição e orientação). Uma representação das fases e das características que

41

podem influenciar nas propriedades do material compósito estão ilustradas na Figura 15. É

possível observar portanto variações de (a) concentração, (b) tamanho, (c) forma, (d)

distribuição, (e) orientação.

Figura 15: Fases matriz e dispersa de compósitos e características que influenciam em propriedades

Fonte: (CALLISTER, 1999)

Para uma melhor organização quanto aos diferentes grupos de materiais compósitos

existentes, ainda podem ser realizadas classificações, conforme a representação

esquemática apresentada na Figura 16. São realizadas 3 divisões principais (reforçados por

partículas, reforçado por fibras e compósitos estruturais), nas quais denomina-se partículas

como sendo a fase dispersa com dimensões aproximadamente iguais em todas as direções e

fibras como sendo a fase dispersa com grande razão entre seu comprimento e diâmetro. A

classificação de compósito estrutural é caracterizada por combinações de materiais

compósito e homogêneos. Neste trabalho serão abordados os conceitos, definições e

características referentes aos compósitos reforçados por fibras.

Figura 16: Classificação de materiais compósitos


42

2.2.2.2. Compósitos reforçados com fibras

Em geral, a utilização de fibras para reforços de materiais compósitos está associada

aos objetivos de melhorias de parâmteros como resistência ou rigidez em relação ao seu

peso, ou seja, a razão entre o limite de resistência à tração pela densidade relativa; e o

módulo de elasticidade pela densidade relativa. No entanto, as caracterísitcas mecânicas de

um material compósito não dependem apenas das propriedades da fibra, estando também

relacionadas ao modo pelo qual uma carga aplicada é transmitida para as fibras através da

fase matriz. Um exemplo de padrão de deformação da fase matriz através da aplicação de

uma carga de tração ocorrendo na fibra está demonstrada na Figura 17. Este fato permite

concluir que existe um certo comprimento crítico das fibras para que ocorra efetivamente

aumento de resistência e enrijecimento do material.

Figura 17: Exemplo de padrão de deformação de matriz envolvendo uma fibra submetida à uma carga


Sendo assim, a subclassificação “contínuo” de compósitos reforçados por fibras é

designada para casos em que o comprimento da fibra utilizada como reforço é muito

superior ao valor do comprimento crítico, o que proporciona melhorias significativas na

resistência do material. Já para casos em que o comprimento é menor do que o crítico, a

denominação apresentada é “descontínuo”, havendo uma transferência de tensão menor

entre a matriz e a fibra. As propriedades do material também são altamente influenciadas

pelo arranjo ou orientação das fibras umas em relação às outras, sendo possível verificar

casos de alinhamento paralelo ao eixo longitudinal das fibras em uma única direção (mais

43

eficiente) ou alinhamento aleatório. A Figura 18 ilustra uma representação de casos de

fibras contínuas alinhadas (a), descontínuas alinhadas (b) e descontínuas aleatórias (c):

Figura 18: Orientação das fibras dispersas na fase matriz


As propriedades de um material compósito que possui suas fibras alinhadas são

altamente anisotrópicas, ou seja, elas dependem da direção na qual são medidas.

Considerando o comportamento tensão-deformação no caso de aplicação de uma carga na

direção longitudinal de alinhamento das fibras, supostamente frágeis, com a fase matriz

razoavelmente dúctil, verifica-se que o material irá exibir uma resposta de tensão uniaxial.

Desta forma, é possível analisar o gráfico representado na Figura 19, que ilustra o

comportamento padrão de tensão-deformação deste material, onde é possível identificar a

influência do reforço das fibras na rigidez do compósito. Também verifica-se que na região

inicial correspondente ao estágio I, tanto a fibra quanto a matriz se deformam elasticamente

de forma linear, enquanto no estágio II a matriz escoa se deformando plasticamente,

conforme as fibras continuam a se deformar elasticamente devido ao seu maior limite de

resistência. Por fim, deve-se observar que a falha identificada do compósito não é

catastrófica, visto que nem todas as fibras falham ao mesmo tempo e que após a falha das

fibras a matriz ainda continua preservada.

44

Figura 19: Comportamento tensão x deformação de compósito reforçado por fibras


Basicamente, a fase matriz de materiais compósitos é constituída a partir de metais,

polímeros ou cerâmicas, com maior aplicação para os metais e polímeros devido à sua

maior ductilidade, que é uma característica mais desejável para tal constituinte. Suas

funções se resumem em promover ligações entre as fibras, atuando como meio pelo qual

uma tensão aplicada externamente é trasmitida e distribuida para as fibras (apenas uma

baixa proporção da carga é suportada pela matriz); além de proteger as fibras contra danos

superficiais, prevenindo defeitos de superfícies que resultem em propagações de trincas que

podem levar à falhas em baixas tensões. Desta forma, embora algumas fibras individuais

possam vir a falhar, este comportamento não será catastrófico, visto que somente será

refletido no material compósito quando ocorrer um acúmulo de um grande número de

falhas de fibras.

2.2.2.3 Compósitos poliméricos reforçados com fibras de vidro

Materiais compósitos com matriz polimérica, também denominados PMC

(Polymer-Matrix Composites), são constituidos por uma resina polimérica como fase matriz

e fibras como reforço, sendo muito utilizados na atualidade devido à suas propriedades à

45

temperatura ambiente, baixo custo e facilidade de fabricação. Uma classificação específica

que pode ser citada é a de compósitos poliméricos reforçados com fibras de vidro (GFRP –

Glass Fiber-Reinforced Polymer), que vem sendo empregado com frequência na indústria

de óleo e gás em reforços de tubulações. Outros exemplos de aplicações familiares que

podem ser citados são em carcaças de meio de transporte automotivos e marítimos,

tubulações de plástico, recipientes de armazenamento dentre outros.

A utilização de vidros como reforço de materiais compósitos vem se popularizando

devido à sua facilidade de ser estirado na forma de fibras de alta resistência a partir do

estado fundido, resultando por fim em um material compósito com resistência específica

muito alta, além de possuir uma inércia química que o torna útil para aplicações em meio a

uma variedade de ambientes corrosivos quando associados com diferentes polímeros.

Apesar de apresentarem resistência elevada, pode ser citado como limitação deste tipo de

material compósito o fato de não apresentarem alta rigidez, restringindo sua aplicabilidade

em certos casos como em membros de componentes estruturais em pontes e aviões por

exemplo. Outra limitação à que materiais poliméricos com fibras de vidro estão sujeitos é a

temperatura de serviço, em geral inferior à 200ºC, visto que em altas temperaturas a

maioria dos polímeros começa a escoar ou se deteriorar. Estas temperaturas podem no

entanto ser estendidas até aproximadamente 300ºC através da utilização de sílica fundida de

alta pureza e determinados polímeros como as resinas poliamidas [29].

O comportamento sob tração de materiais compósitos poliméricos com resina de

poliuretano reforçada com fibras de vidro em diferentes taxas de deformação foi analisado

por Reis [3]. Este tipo de material compósito apresenta comportamento viscoelástico, com

módulo de elasticidade e limite de resistência altamente dependentes da taxa de

deformação. Os resultados mostraram que o módulo de elasticidade e limite de resistência

aumentam de forma diretamente proporcional com a taxa de deformação.

2.2.3 Temperatura de Transição Vítrea

Um parâmetro de grande importância para definições de limites de temperatura de

serviço e aplicações de materiais poliméricos e compósitos de matriz polimérica é a

temperatura de transição vítrea, que ocorre em polímeros amorfos ou que não sejam

46

cristalizáveis. O fenômeno da transição vítrea ocorre a partir do resfriamento de um líquido

fundido, produzindo sólidos rígidos que ainda retêm a estrutura molecular desordenada

característica do estado líquido, o que permite considera-los líquidos congelados ou sólidos

amorfos. No caso de polímeros semicristalinos, as regiões cristalinas experimentam um

processo de fusão a partir da temperatura de fusão (ou cristalização para o processo

inverso), enquanto as áreas não-cristalinas passam pela transição vítrea. Para as regiões dos

polímeros com resfriamento através da temperatura de fusão ocorre a formação de núcleos,

onde moléculas embaraçadas e aleatórias se tornam ordenadas e alinhadas na forma de

camadas [29].

Sendo assim, no resfriamento através da transição vítrea ocorre uma transformação

gradual de um líquido, passando por um estado que apresenta características elásticas

semelhantes à uma borracha até tornar-se um sólido rígido, de forma que a temperatura na

qual o polímero experimenta a transição do estado intermediário próximo ao de uma

borracha para o estado rígido, é a chamada temperatura de transição vítrea. De forma

análoga, o material passa pelo processo inverso quando submetido a um aquecimento a

partir de uma temperatura inferior em um estado sólido rígido. Todas essas variações

também proporcionam alterações em outras propriedades dos materiais, como em sua

rigidez, capacidade calorífica e no coeficiente de expansão térmica.

Portanto, é possível concluir que em baixas temperaturas, todos os polímeros

amorfos e semicrsistalinos são duros e rígidos, pertencendo à um estado vítreo, e que

através do aquecimento em determinada faixa de temperatura os polímeros tornam-se mais

macios, mais facilmente deformáveis e mais dúcteis. Em relação às características

moleculares, verifica-se que quanto maior o peso molecular do material, maior será sua

temperatura de transição vítrea [30].

Existem inúmeros estudos relacionados à juntas adesivas que demonstram sua

queda de resistência quando submetidas à aumentos e decréscimos de temperatura, sendo a

temperatura de transição vítrea um dos parâmetros mais importantes neste sentido. É com

base neste parâmetro que as faixas de condições de temperatura de serviço são

estabelecidas para as diversas aplicações dos materiais [4].

47

2.3. Sistemas de Reparos de Tubulações

Atualmente, as avaliações referentes à integridade estrutural de tubulações e dutos

utilizados no transporte de petróleo e seus derivados visando a extensão de sua vida útil,

vem sendo objeto de estudo de grande interesse, devido ao crescente número de falhas

operacionais que podem ocasionar acidentes e contaminações e que resultam em grandes

perdas nos diversos segmentos industriais. Existem inúmeras formas de se realizar

procedimentos de reparos e reforços em tubulações que apresentem defeitos por corrosão

ou desgaste, como por exemplo através da troca dos trechos danificados (soldados), por

esmerilhamento, enchimento com solda, luvas de reforços, bandagens de materiais

compósitos e com abraçadeiras mecânicas com parafusos ou pino centralizador [31]. A

Figura 20 ilustra alguns dos exemplos citados, de uma luva tipo B (a), abraçadeira

mecânica com parafusos (b) e abraçadeira mecânica com pino centralizador (c). Luvas tipo

B consistem em duas metades de um cilindro com curvaturas apropriadas, que são soldadas

ao tubo a ser reparado com intuito de conter sua pressão de operação, sendo fabricadas e

testadas de acordo com a norma API-RP 1107 [32].

Figura 20: Exemplos de sistemas de reparos de tubulações

Sistemas de reparos à base de materiais poliméricos são uma solução que vem

sendo desenvolvida para aplicações que envolvam reparos de danos por corrosão, sendo

constituidos em geral por um material compósito (1) envolvendo um duto metálico (2)

como uma luva, sendo unido pela utilização de adesivos (3), conforme pode ser observado

na Figura 21. Dentre as principais vantagens que podem ser citadas para este tipo de

solução, destaca-se a ausência de aporte de calor no processo, o que implica na manutenção

da microestrutura dos aderentes de forma inalterada, além de proporcionar a viabilidade de

48

aplicações em ambientes offshore; baixo custo de processo, visto que os equipamentos

necessários são muito menos sofisticados e envolvem procedimentos mais simples quando

comparados às alternativas existentes, e por último o fato de ser uma solução prática que

pode ser empregada em diversas geometrias, proporcionando grande flexibilidade para

campos de aplicações distintos.

Figura 21: Sistema de reparo de tubulação com material compósito

Fonte: (SAMPAIO, 2009)

Um exemplo de material compósito reforçado utilizado na aplicação de reparos de

tubulações, voltados para ambientes à altas temperaturas é o ThermoWrap, que foi

analisado neste projeto em ensaios com temperaturas variadas. A Figura 22 ilustra um

processo de aplicação deste tipo de solução:

Figura 22: Aplicação de reparos de tubulações com ThermoWrap

Outro exemplo deste tipo de sistema com bandagens de alta resistência de materiais

compósitos reforçados é o sistema de reparo com SynthoGlass XT, cujo material também

foi objeto de estudo deste projeto. O processo para aplicação desta solução pode ser

resumida em 7 etapas básicas, conforme observado na Tabela 2 [33]:

49

Tabela 2: Etapas de aplicação de sistema de reparo de tubulações com SynthoGlass XT

Etapa Descrição Foto

1

Identificação e medição do tamanho do

defeito, e delimitação do comprimento do

reparo utilizando seu centro como ponto

médio do comprimento total.

2 Tratamento superficial em toda a área na

qual será aplicado o sistema de reparo.

3

Mistura e aplicação de componentes,

parte A e parte B do material, para

preenchimento de imperfeições, mossas e

vazios, de forma a garantir a configuração

da tubulação no formato cilíndrico.

4

Mistura e aplicação dos componentes,

parte A e parte B, do adesivo em toda a

região delimitada, validando ao final do

processo se a espessura está dentro da

faixa recomendada.

5

Umedecer a bandagem de SynthoGlass

XT com água e iniciar sua aplicação a

partir de uma das extremidades

delimitadas até a outra, retornando até

que se atinja a espessura/número de

camadas necessária.

6

Aplicação de filme de compressão, a

partir da região externa do reparo até o

final da região reparada para maior

firmeza durante processo de cura.

7

Aguardar processo de cura final de

acordo com recomendações de tempo do

material utilizado.

50

CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Materiais e Fabricação

3.1.1 Descrição dos Materiais

Para confecção das juntas de cisalhamento simples híbridas foram utilizados como

substrato metálico chapas de aço 1020 para todas as juntas. Como subtrato compósito do

primeiro conjunto de ensaios foi utilizado o componente denominado SynthoGlass XT e

como adesivo o SynthoSubsea LV. O outro material compósito analisado foi o

ThermoWrap, utilizado com o adesivo Thermo-Poxy. O conjunto de compoentes

SynthoGlass XT/SynthoSubsea LV e ThermoWrap/Thermo-Poxy consistem em um

sistema de reparo e reforços de tubulações que vem sendo amplamente utilizado na

indústria, sendo uma alternativa cada vez mais explorada e desenvolvida na atualidade. A

seguir serão detalhados as principais características de cada componente, além dos recursos

necessários para o processo de preparação das juntas e do próprio procedimento adotado na

etapa de confecção dos corpos de prova que foram ensaiados neste trabalho.

51

3.1.1.1 Syntho-Subsea LV

O adesivo utilizado na confecção das juntas híbridas do primeiro conjunto de

ensaios foi o Syntho-Subsea LV, fornecido pela empresa Neptune Research Inc. (NRI),

sendo o resultado da mistura de 2 componentes, uma resina epóxi polimérica líquida (parte

A) e um endurecedor (parte B). A resina mencionada possui como base em sua

composição o polímero epóxi, sendo constituído também pelos componentes P-

Tertbutylphenyl glycidil ether e Poly(Terephthaloylchloride) P-Phenylenediamine em

menores proporções. Já o endurecedor utilizado é basicamente composto por álcool

benzílico e polímero com benzenamina [34-35]. Sua coloração esverdeada é resultado da

mistura entre a resina branca e o agente de cura verde. A Figura 23 ilustra um exemplo de

processo de aplicação deste produto em uma tubulação, como etapa anterior à aplicação da

bandagem de reparo SynthoGlass XT.

Figura 23: Aplicação do adesivo Syntho-Subsea LV em uma tubulação

Este adesivo possui período de cura total estimado em 24 horas, podendo ser

utilizado também em ambientes submersos em água. Possui uma faixa de espessura

recomendada em geral de 30-60 mil e uma razão de mistura de 1:1 em volume para parte A

e parte B. Como limitações de temperatura de aplicação em ambiente seco é recomendada

uma faixa de 10ºC até 135ºC, e em ambientes molhados entre 10ºC até 71ºC. Suas

principais propriedades mecânicas e informações relativas ao processo de cura estão

descritas na Tabela 3 e Tabela 4 [36]:

52

Tabela 3: Propriedades mecânicas do Syntho-Subsea-LV

Fonte: (NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS)

Teste Método Resultado

Resistência à tração ASTM D3039 6.000 psi (413,68 bar)

Resistência à compressão ASTM D695 7.380 psi (508,83 bar)

Resistência à flexão ASTM D790 4.550 psi (313,71 bar)

Módulo de flexão ASTM D790 142.188 psi (9803,51 bar)

Resistência ao Cisalhamento ASTM D3163 1.782 psi (122,86 bar)

Resistência à abrasão CS17 34,0 mg/1.000 ciclos

Tabela 4: Informações relativas ao processo de cura do Syntho-Subsea LV


Temperatura Tempo de Cura

50ºF (10ºC) 24 horas




3.1.1.2 SynthoGlass XT

Este componente é um material compósito fabricado pela empresa Neptune

Research Inc. (NRI), constituído de uma resina hidroativa de poliuretano reforçada com

fibras de vidro, desenvolvido em conformidade com as diversas normas aplicáveis para

soluções de reforços não-metálicos. É utilizado como uma bandagem de alta resistência

53

para reparos e reforços internos e externos de estruturas ou tubulações afetadas com danos

por corrosão. Podem ser citadas como aplicações típicas seu uso na restauração de

integridade estrutural de tubulações, em linhas de transmissão e distribuição de água, gases,

petróleo e produtos químicos, em risers na indústria de óleo e gás, em contorno de soldas,

flanges e elementos de conexões de dutos. Oferecem ainda como benefícios o fato de serem

aplicáveis em superfícies úmidas e até mesmo submersas em água, não havendo uma

necesssidade de aquecimento pós-cura, além da possibilidade de utilização em qualquer

geometria [37].

Para uma máxima eficiência em operação, sua aplicação requer um tratamento

superficial prévio no local onde será aplicado, de forma a promover contato íntimo entre o

material compósito e a parede da tubulação em conjunto com o adesivo utilizado. A

preparação da superfície deve incluir uma limpeza adequada com solvente e um tratamento

que proporcione uma rugosidade mínima de 25-75 microns. Além disso, o SynthoGlass XT

possui uma temperatura máxima de serviço de 90ºC (194ºF).

A Figura 24 ilustra um processo de aplicação da bandagem de SynthoGlass XT.

Basicamente são realizadas as etapas preliminares de limpeza e preparação de superfície na

região de interesse, para em seguida realizar a mistura e aplicação do adesivo a ser

empregado, e só então iniciar o processo de aplicação da bandagem [37]. A resina

polimérica constituinte é ativada por água (inclusive água do mar), endurecendo enquanto

ocorre o processo de cura, produzindo um material compósito termofixo. O endurecimento

da resina produz assim uma luva de material reforçado responsável por reter a pressão nas

diversas aplicações a que se destina, possuindo uma maior resistência na direção

circunferencial da tubulação reparada [38].

Figura 24: Aplicação da bandagem de SynthoGlass XT

54

3.1.1.3 Thermo-Poxy

O adesivo utilizado na confecção do segundo conjunto de juntas híbridas foi o

Thermo-Poxy, também fornecido pela própria NRI, sendo o resultado da mistura dos

componentes de base epoxy (parte A) e endurecedor (parte B). A “parte A” é constituída

basicamente de uma resina novolac epoxy fenol (20-60%), e um produto da reação do

bisfenol A (10-15%) – maiores informações podem ser consultadas no Datasheet em anexo,

assim como a composição do endurecedor (parte B). Sua coloração final após a mistura dos

componentes é amarelada, sendo este também o produto utilizado em conjunto com o

ThermoWrap para saturação da bandagem de fibras de vidro durante aplicação na região de

reparo (diferentemente do SynthoSubsea LV, onde a aplicação é realizada com água para

reação com a resina). A Figura 25 ilustra o processo de aplicação do reparo em uma

tubulação com os componentes mencionados:

Figura 25: Aplicação de reparo com Thermo-Poxy e ThermoWrap em tubulação

3.1.1.4 ThermoWrap

O substrato compósito do segundo conjunto de juntas avaliadas é constituido pelo

ThermoWrap, uma bandagem de fibras de vidro que é saturada no componente Thermo-

Poxy, para aplicações que envolvem ambientes em altas temperaturas. O tempo de cura

55

aproximado após aplicação do componente é de 18 horas, com indicação de temperatura

máxima de serviço de 149ºC. A Tabela 5 apresenta as propriedades mecânicas deste

componente, e maiores informações podem ser consultadas no datasheet em anexo:

Tabela 5: Propriedades mecânicas do ThermoWrap


Teste Método Temperatura Resultado

Resistência à tração ASTM D3039

23ºC 101.500 psi

149ºC 70.650 psi

Módulo de tração ASTM D3039

23ºC 4.480 ksi

149ºC 3.570 ksi

Resistência à flexão ASTM D790 23ºC 121.700 psi

Módulo de flexão ASTM D790 23ºC 4.180 ksi

Dureza, Shore D ASTM D2240 23ºC 90

Resistência ao cisalhamento ASTM D5379 23ºC 13.055 psi

Módulo de cisalhamento ASTM D5379 23ºC 629 ksi

3.1.1.5 Substrato Metálico: Aço 1020

Os substratos metálicos utilizados foram fabricados com aço 1020, sendo fornecidos

conforme as especificações e requisitos dimensionais descritos na norma ASTM D1002

[11]. As propriedades mecânicas deste material são apresentadas na Tabela 6.

56

Tabela 6: Propriedades Mecânicas de Ligas de Aço 1020

Peso Específico

(Densidade)

[lb/pol3]

Módulo de

Elasticidade - E

(GPa)

Limite de

Escoamento

(MPa [ksi])

Limite de

Resistência

(MPa [ksi])

Alongamento

percentual

0,283 207 210 [30] 380 [55] 25

As características dimensionais dos substratos metálicos e compósitos são

apresentados na Tabela 7, e foram estabelecidas com base na norma ASTM D1002 [11]. A

espessura do adesivo possui o valor de 1,2 mm sendo estabelecida conforme recomendação

contida no datasheet do material [36], que indica uma faixa recomendada de 30-60 mil

(0,76 – 1,52mm). Por questões de viabilidade de fabricação e ensaio, a espessura do

substrato compósito utilizada foi de 5mm, o que corresponde à 15 camadas do material

compósito .

Tabela 7: Características dimensionais dos substratos metálicos e compósitos das juntas

Juntas de

Cisalhamento

Híbridas

Espessura

[mm]

Coprimento

[mm]

Largura

[mm]

Comprimento

de sobreposição

(overlap) [mm]

Área de

cisalhamento

[mm2]

Substrato Metálico

Aço 1020 4,5 100

25 12,5 312,5 Substrato

Compósito

SynthoGlass XT

5 140

3.1.2. Recursos Necessários para Preparação das Juntas

Os principais recursos necessários que foram utilizados para preparação das juntas

de cisalhamento simples estão descritos na Tabela 8, juntamente com as respectivas

funções para as quais se destinam:

57

Tabela 8: Recursos necessários para preparação das juntas

Recurso Necessário Função

Gabinete de jateamento Tratamento superficial dos substratos

metálicos.

Acetona Limpeza dos componentes.

Base Gabarito Dispositivo para posicionamento e

montagem das juntas

Cera desmoldante Auxílio no processo de desmoldagem das

juntas da base gabarito.

Recipiente 200 ml Recipiente para mistura dos componentes

parte A e parte B do adesivo.

Batentes Responsáveis pela garantia da espessura do

adesivo durante confecção na base gabarito.

Sargentos e barras fixadoras Compressão e fixação dos componentes

durante processo de cura das juntas.

Esmeril Retoque dos contornos da área colada com

adesivo

3.1.3. Preparação das Juntas

Em posse dos recursos necessários à preparação das juntas que foram listados

anteriormente, além dos materiais dos substratos metálicos, compósitos e componentes do

adesivo, a primeira etapa de preparação das juntas passa a ser o tratamento superficial do

aço, de forma a se obter uma rugosidade adequada que possibilite uma boa aderência entre

o adesivo e os aderentes. Todos os componentes envolvidos na preparação são então

devidamente limpos e desengordurados com acetona para que não ocorra nenhuma

contaminação que possa influenciar nos resultados.

Aplica-se então a cera desmoldante na base gabarito de montagem das juntas, para

em seguida iniciar o posicionamento dos componentes na mesma, que utilizada em

58

conjunto com os batentes, tornam-se responsáveis pela garantia dos requisitos

dimensionais estabelecidos. A base gabarito é constituida de pinos que definem a posição

de montagem de cada componente, e os batentes garantem a espessura final do adesivo.

Desta forma, após o posicionamento do primeiro substrato e dos batentes na base gabarito,

é realizada a mistura dos componentes, parte A e parte B do adesivo, seguida pela sua

aplicação e posicionamento do segundo substrato para colagem. Por fim, são utilizadas

barras fixadoras e sargentos para garantir a fixação dos componentes durante o processo de

cura das juntas preparadas, que tem duração de 24 horas. Após a cura, as juntas são

desmoldadas, retocadas nos contornos da área de aplicação do adesivo de forma a se retirar

os excessos utilizando um esmeril, para então serem posteriormente ensaiadas.

A Figura 26 ilustra a atuação dos batentes para garantia da espessura do adesivo e o

posicionamento dos componentes na base gabarito e uma junta já preparada para ensaio.

Figura 26: Preparação das Juntas

59

3.2. Métodos Experimentais

3.2.1. Recursos Necessários para Ensaios

Os principais recursos necessários à realização dos experimentos desenvolvidos

para as avaliações propostas neste projeto estão listados na Tabela 9, assim como as

respectivas funções a que se destinam:

Tabela 9: Recursos necessários para realização dos ensaios

Recurso Necessário Função

Câmara termostática Condicionamento da temperatura de ensaio

desejada para realização dos experimentos.

Máquina de ensaios universal Shimadzu

AGX-100

Equipamento responsável pelo

desenvolvimento dos ensaios das juntas.

Sistema de aquisição de dados Sistema para coleta dos dados analisados e

processados dos ensaios realizados.

3.2.2. Parâmetros de Teste

Para o primeiro conjunto de ensaios com juntas de substrato compósito de

SynthoGlass XT, foram divididos 4 grupos de temperatura, de forma a se englobar

diferentes faixas desde a temperatura ambiente até a máxima temperatura de operação

indicada para o sistema. Sendo assim, foram determinados grupos de 25°C, 50°C, 70°C e

90°C, para um total de 20 juntas (resultando em 5 corpos de prova ensaiados por grupo de

temperatura). Já para o conjunto de ensaios com substrato compósito de ThermoWrap,

foram realizados ensaios nas temperaturas de 25ºC, 70ºC e 150ºC, que corresponde à

temperatura máxima de operação indicada para este sistema de reparos. A Figura 27 ilustra

o planejamento experimental englobando todos os ensaios realizados para os dois conjuntos

de juntas híbridas avaliadas:

60

Figura 27: Fluxograma de Planejamento Experimental

Os parâmetros de interesse monitorados são o carregamento e deslocamentos, de

forma a se gerar gráficos que demonstrem a tendência do comportamento dos materiais nos

diferentes grupos de temperatura. A velocidade de aplicação do carregamento foi definida

conforme especificado na norma ASTM D1002 [11], no valor de 1.3 mm/min. Através dos

dados coletados referentes aos deslocamentos e carregamentos observados, é possível

realizar as análises associadas às tensões de falha dos CPs e consequente resistência das

juntas nas diferentes condições de ensaio. Outros parâmetros observados ao final dos

ensaios que também são previstos na norma [11] são o modo de falha das juntas, quanto à

falha adesiva ou coesiva. Os resultados obtidos a partir dos ensaios, bem como as análises

que foram realizadas com base nos dados coletados são detalhados no Capítulo 4.

3.2.3. Ensaios das Juntas

As principais etapas de realização dos ensaios experimentais consistem basicamente

em uma preparação inicial de setup de teste (posicionamento da junta a ser ensaiada na

61

máquina de ensaios universal, ajuste da temperatura de ensaio na câmara termostática e da

velocidade de aplicação de carregamento conforme recomendações da norma, dentre

demais ajustes preliminares). Em seguida é realizado o aquecimento dos corpos de prova na

câmara termostática até a temperatura de interesse, de forma que, após se atingir a

temperatura especificada, a mesma é mantida por 4 minutos para equalização da

temperatura no corpo de prova. A partir de então inicia-se o ensaio com a aplicação do

carregamento de cisalhamento na junta, de forma a se monitorar os parâmetros de interesse

através do sistema de aquisição de dados presente no Laboratório de Ensaios em Dutos

(LED-UFF), para posterior análises e discussões de resultados. A Figura 28 ilustra a

máquina de ensaios universal utilizada com um corpo de prova posicionado:

Figura 28: Máquina de ensaios universal com câmara termostática acoplada e CP posicionado

62

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos experimentalmente, além de

ser feita uma análise conceitual com base nos dados coletados, desenvolvendo em seguida

uma regressão linear que representa o comportamento das juntas conforme as condições

descritas na metodologia apresentada no capítulo anterior, utilizando alguns conceitos

básicos de análises estatística para uma melhor abordagem, interpretação e apresentação

dos resultados.

4.1. Análises Preliminares

Para o desenvolvimento das análises realizadas neste projeto, inicialmente foram

determinadas as tensões máximas de ruptura de cada corpo de prova (τmáx) pertencente a

cada grupo de temperatura, de forma a se estabelecer uma média de tensão de ruptura por

grupo de temperatura (τméd), avaliando também o desvio padrão amostral associado (D.P.).

As equações utilizadas para tais análises estão descritas em (3), (4) e (5), onde n = número

de amostras ensaiadas por grupo de temperatura; Acisalh = Comprimento de sobreposição X

Largura do Substrato (COverlap x Lsubstrato).

63

τmáx = (Fmáx / A cisalh) (3)

τméd = Ʃ τmáx / n (4)

D.P. = √V(x) = √ [ Ʃ (τ - τméd)2 / (n-1) ] (5)

4.2. Resultados Obtidos

4.2.1. Conjunto 1: SynthoGlass XT

A Figura 29 ilustra o comportamento obtido para o primeiro grupo de ensaios de

juntas com substrato de SynthoGlass, na temperatura de 25ºC, através de um gráfico de

força por deslocamento, onde foram ensaiados um total de 5 corpos de prova. A média

verificada para os valores de força de ruptura foi de 2382,39 N com um desvio padrão de

+/- 363,69 N. Sendo assim, a tensão associada à resistência média ao cisalhamento das

juntas foi de 7,62 MPa com desvio padrão de +/- 1,16MPa, representando 15,2% de erro

associado. Em relação aos deslocamentos observados, verifica-se que a predominância de 4

corpos de prova foi de deslocamentos na faixa de 1 – 1,2mm, com 1 corpo de prova

falhando com 0,8mm. As falhas observadas nos corpos de prova foram falhas adesivas.

Figura 29: Gráfico Força X Deslocamento para Grupo 1 (25ºC)

64

Para o grupo de 50ºC foi verificada uma maior dispersão dos resultados no que se

refere aos deslocamentos observados no momento da falha, conforme pode ser verificado

na Figura 30. Esta dispersão pode representar um sintoma do efeito da temperatura nos

ensaios, de forma a promover uma maior variabilidade quanto à deslocamentos observados

nos ensaios. Observa-se no entanto, que esta verificação não descaracteriza as análises

desenvolvidas para o comportamento das juntas, visto que a resistência observada das

amostras se manteve com valores próximos e representativos. A média de força de ruptura

verificada para este grupo de ensaios foi de 1959,86 N, com desvio padrão de +/- 266,45 N.

A média de resistência ao cisalhamento verificada foi de 6,27 MPa, com desvio padrão de

0,85MPa, o que representa um erro associado de 13,6%, sendo um valor inferior ao grupo

1, apesar da dispersão quanto aos deslocamentos já mencionada. Neste sentido, verifica-se

falhas de 2 corpos de prova na faixa de 0,5mm, outros 2 corpos de prova na faixa de 0,9mm

e 1 corpo de prova próximo a 1,2mm. O modo de falha observado nos CPs foram falhas

adesivas, sendo verificada uma queda de 17,7% na resistência média das juntas, quando

comparados aos resultados obtidos para o primeiro grupo de ensaios.


A tendência de uma maior dispersão nos resultados observados para os

deslocamentos no terceiro grupo de testes, na temperatura de 70ºC, foi mantida de forma a

se verificar a falha de 3 corpos de prova sob baixos carregamentos aplicados e com baixos

65

deslocamentos, com 2 CPs apresentando um elongamento superior, com falhas também sob

baixos carregamentos. Em termos de valores, foi verificado um carregamento médio de

887,96 N para falha das juntas, com 207,45 N de desvio padrão, representando uma tensão

de falha igual a 2,84 MPa com 0,66 MPa de desvio padrão. É possível verificar portanto um

leve aumento no erro associado, que corresponde à 23,3% . Houve também a manutenção

da tendência de queda da resistência das juntas, que ocorreu de maneira mais acentuada

para este 3º grupo de ensaios, representando uma queda de 54,7% em relação ao 2º grupo.


O último grupo de ensaios, realizados na temperatura de 90ºC, apresentou menores

dispersões quanto aos deslocamentos quando comparados às temperaturas intermediárias de

50ºC e 70ºC, demonstrando ainda a tendência de diminuição dos carregamentos na

ocorrência da falha dos CPs. Desta forma, foram verificados uma média de carregamento

para falha igual a 532,62 N, com desvio padrão de 150,54 N, representando uma tensão de

ruptura média das juntas de 1,70 MPa, com desvio padrão de 0,48 MPa, que equivale a um

erro associado de 28,2%. Observa-se que a tendência de aumento do erro ocorre em função

da diminuição da resistência das juntas, estando também relacionado com fatores como a

faixa de leitura e precisão de equipamentos no processo de monitoramento dos testes. Por

66

fim, verifica-se que as falhas ocorreram predominantemente na faixa entre 0,2mm e 0,3mm,

de forma adesiva. A queda final observada de resistência média das juntas, do grupo 3 para

o grupo 4, foi de 40%.


Sendo assim, as análises referentes aos gráficos gerados que representam o

comportamento das juntas de cisalhamento simples com substrato compósito de

SynthoGlass XT demonstram uma tendência de diminuição da resistência das juntas face à

incrementos de temperaturas.

4.2.2. Conjunto 2: ThermoWrap

A Figura 33 ilustra o comportamento apresentado pelos corpos de prova do primeiro

grupo de ensaios das juntas com substrato compósito de Thermowrap, na temperatura de

25ºC. A tensão média de ruptura avaliada foi de 17,48 MPa com um desvio padrão de 2,96

MPa, o que corresponde à uma força média de 5463,91 N com desvio padrão de 927,12 N.

É possível verificar que as falhas dos CPs ocorreram na faixa de deslocamentos entre

1,4mm e 2,5mm.

67

Figura 33: Gráfico Força x Deslocamento para Grupo 5 (25ºC)

Os resultados obtidos para o segundo grupo de ensaios com ThermoWrap, na

temperatura de 70ºC, está apresentado na Figura 34. A tensão média avaliada foi de 2,97

MPa com um desvio padrão de 0,54 MPa, o que corresponde à uma força média de 926,98

N com desvio padrão de 170,17 N. Os deslocamentos observados no momento da falha

estão na faixa entre 0,4 a 0,6 mm.


68

Por fim, o último grupo de ensaios está representado no gráfico ilustrado na Figura

35. É possível observar uma queda significativa na resistência das juntas nas condições de

temperatura mais alta (150ºC), de forma que a tensão média verificada foi de 1,72 MPa,

com desvio padrão de 0,09 MPa, representando uma força média de ruptura de 536,92 N

com 28,54 N de desvio padrão. Os deslocamentos observados no momento das falhas

também são inferiores aos grupos anteriores, ocorrendo na faixa entre 0,2mm e 0,3mm.


4.3. Análise dos Dados

A Tabela 10 e Tabela 11 apresentam os dados dos parâmetros de testes avaliados a

partir da realização dos experimentos para cada grupo de temperatura dos 2 conjuntos de

juntas híbridas ensaiadas, o que permite verificar, juntamente com o gráfico apresentado na

Figura 36 e Figura 37, a tendência de diminuição da resistência das juntas de acordo com os

incrementos de temperatura. Também é informado o percentual de queda absoluto da

resistência das juntas para cada grupo de ensaio tomando como base a resistência média do

primeiro grupo de temperatura de cada conjunto:

69

Tabela 10: Parâmetros de teste avaliados para juntas híbridas com substrato de SynthoGlass XT

Parâmetros de teste analisados das juntas híbridas com substrato de SynthoGlass XT

Temperatura

(°C)

Tensão Média

(MPa)

Desvio Padrão

(MPa)

Percentual de queda absoluto

(%)

25 7,6236 1,1638 -

50 6,2716 0,8526 17,7

70 2,8415 0,6638 62,7

90 1,7044 0,4817 77,6

Figura 36: Gráfico da tensão média de cisalhamento por grupo de temperatura para juntas com

substrato de Synthoglass XT

70

Tabela 11: Parâmetros de teste avaliados para juntas híbridas com substrato de ThermoWrap

Parâmetros de teste analisados das juntas híbridas com substrato de ThermoWrap

Temperatura

(°C)

Tensão Média

(MPa) Desvio Padrão (MPa)

Percentual de queda

absoluto (%)

25 17,48 2,96 -

70 2,97 1,70 83,03%

150 1,72 0,09 90,17%

Figura 37: Gráfico da tensão média de cisalhamento por grupo de temperatura para juntas com

substrato de ThermoWrap

Em posse desses dados, é possível então gerar uma linha de tendência que

represente a relação entre a tensão de cisalhamento média de falha (MPa) e a temperatura

(ºC), de forma a possibilitar a estimativa de resistência das juntas de cisalhamento simples

híbridas metal/compósito para cada conjunto através de regressões lineares representadas

pelas equações (6) e (7), que se encontram ilustradas nos gráficos τ (MPa) x T (ºC)

apresentados na Figura 38 e Figura 39:

71

Figura 38: Relação entre Tensão média de falha (MPa) X Temperatura (ºC) para junta com substrato

de SynthoGlass XT

τméd = - 0,0979*θ + 10,36 (6)

Figura 39: Relação entre Tensão média de falha (MPa) X Temperatura (ºC) para junta com substrato

de ThermoWrap

τméd = - 0,1133*θ + 16,639 (7)

72

Analisando os gráficos anteriores, é possível concluir que a regressão realizada para

se representar a relação entre temperatura e resistência das juntas híbridas com substrato

compósito de SynthoGlass XT se mostrou bem representativo, através de uma curva de

tendência linear que se aproxima com boa precisão dos resultados coletados

experimentalmente, com o coeficiente de determinação “R2” igual a 0,9487, o que indica a

qualidade da regressão. O mesmo não foi observado para a regressão gerada com base nos

dados coletados dos ensaios com o ThermoWrap, visto que a curva de tendência linear

apresenta valores distantes em relação aos obtidos experimentalmente, principalmente na

faixa intermediária de temperatura de 70ºC. Tal fato pode ser verificado pelo menor

coeficiente de determinação “R2”, igual a 0,6694, e explicado pelo menor número de

amostras analisadas em intervalos maiores entre grupos de temperatura, o que justificaria

portanto a realização de mais experimentos com intervalos menores entre os grupos e com

mais amostras para uma melhoria da representatividade da regressão linear.

73

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA

TRABALHOS FUTUROS

A partir das análises dos dados coletados nos ensaios de cisalhamento das juntas

híbridas metal/compósito do tipo single lap joint sob diferentes condições de temperatura,

foi possível observar a influência que a mesma exerce em relação aos parâmetros

monitorados de força aplicada, sendo possível então avaliar a relação entre a temperatura e

a resistência dos corpos de prova para dois conjuntos de testes. O primeiro conjunto,

constituído por juntas com substrato compósito de SynthoGlass XT divididos em 4 grupos

de temperatura (25ºC, 50ºC, 70ºC, 90ºC), em um total de 20 amostras analisadas, obteve

resultados bem significativos quando aplicados em uma regressão linear representando a

relação da temperatura com a resistência das juntas. O mesmo não foi observado no

segundo conjunto, constituído por juntas com substrato compósito de ThermoWrap

divididos em 3 grupos de temperatura (25ºC, 70ºC e 150ºC), em um total de 12 amostras,

que apresentou maiores variações entre a regressão e os dados experimentais.

74

Foi verificado que conforme se aumenta a temperatura, as cargas monitoradas

tendem a diminuir, o que reflete portanto em menores tensões de ruptura, diminuindo assim

a resistência mecânica das juntas. Além disso, foi observada em alguns casos uma certa

dispersão em relação aos valores de deslocamento monitorados, principalmente nas faixas

intermediárias de temperaturas dos ensaios com SynthoGlass XT, fato este que não

descaracterizou a regressão verificada para relação entre tensão de cisalhamento e

temperatura, visto que a resistência das amostras foram mantidas dentro de uma faixa

aceitável com baixa variabilidade de resultados.

Como sugestões para trabalhos futuros, podem ser citadas mais avaliações em

intervalos menores de grupos de temperaturas para juntas com substrato compósito de

ThermoWrap, para obtenção de mais dados que possibilitem a avaliação de uma regressão

mais significativa que represente a relação entre temperatura e resistência das juntas.

Também podem ser realizadas análises referentes aos demais fatores que influenciam na

resistência das juntas de cisalhamento simples para estes e outros materiais compósitos em

conjunto com substrato metálico. Alguns destes fatores que podem ser citados são a vida

em fadiga, largura de substratos, efeitos decorrentes de ambiente corrosivo e do fator tempo

(envelhecimento), preparação superficial, espessura do adesivo, dentre outros.

Além disso, uma avaliação mais detalhada referente aos modelos clássicos de

análises de tensões em juntas mencionados no capítulo 2 da revisão bibliográfica também

pode ser considerada e relacionada com os respectivos casos em que estes sejam aplicáveis

junto aos ensaios. Desta forma, também seria possível aplicar mais conceitos referentes à

análises estatísticas e planejamento de experimentos, de modo a se considerar avaliações de

efeitos de interação entre mais fatores de entrada, possibilitando uma análise estatística

mais robusta para os dados coletados.

75

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] D.F.S.SALDANHA. Mechanical characterization of a high elongation and high

toughness epoxy adhesive. International Journal of Adhesion & Adhesives, Porto,

v. 47, p. 91-98, August 2013.

[2] KORTA, J. Experimental and numerical study on the effect of humidity-

temperature cycling on structural multi-material adhesive joints. Composites

Part B, Krakow, v. 79, p. 621-630, May 2015.

[3] REIS, J. M. L. Tensile behaviour of glass fibre reinforced polyurethane at

different strain rates. Materials and Design, Niterói, v. 49, p. 192-196, February

2013.

[4] REIS, J. M. L. Influence of temperature on the behavior of DGEBA (bisphenol

A diglycidyl ether) epoxy adhesive. International Journal of Adhesion &

Adhesives, Niterói, v. 58, p. 88-92, January 2015.

[5] AMORIN, F. D. C. Influência da Temperatura no Comportamento Mecânico

do Polímero DGEBA (Diglicidil Éter Bisfenol A). Universidade Federal

Fluminense - UFF. Niterói, p. 56. 2015.

[6] KARA, M. Repairing impact damaged fiber reinforced composite pipes by

external wrapping with composite patches. Composite Structures, Konya, v. 123,

p. 1-8, December 2014.

[7] HUSIC, S. Thermal and mechanical properties of glass reinforced soy-based

polyurethane composites. Composites Science and Technology , Zagreb, v. 65, p.

19-25, September 2004.

[8] SHAMSUDDOHA, M. Effectiveness of using fibre-reinforced polymer

composites for underwater steel. Composite Structures, Queensland, v. 100, p. 40-

54, January 2013.

76

[9] VAIDYA, U. K. Experimental–numerical studies of transverse impact response

of adhesively bonded lap joints in composite structures. International Journal of

Adhesion & Adhesives, Birmingham, v. 26, p. 184-198, July 2005.

[10] ANDREW, W. Adhesives Technology Handbook. 2nd Edition. ed. New York:

William Andrew Inc, 2008.

[11] ASTM D 1002 - 01. Standard Test Method for Apparent Shear Strength of

Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading

(Metal-to-Metal).

[12] NETO, S. V. Estudo de Junções Aeronáuticas Híbridas (Metal-Compósito)

Unidas Mecanicamente. Universidade de São Paulo. São Carlos, p. 177. 2010.

[13] RIBEIRO, M. L. Programa para Análise de Juntas Coladas:

Compósito/Compósito e Metal/Compósito. Universidade de São Paulo. São

Carlos, p. 163. 2009.

[14] SILVA, A. H. M. D. F. T. D. Proposta de um Critério de Resistência para

Juntas Metálicas Coladas. Universidade Federal Fluminense. Niterói, p. 85. 2007.

[15] CARBAS, R. J. C. Estudo paramétrico de juntas adesivas pelo método de

Taguchi. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - FEUP. Porto, p. 97.

2008.

[16] BANEA, M. D. Adhesively bonded joints in composite materials: an overview.

Materials: Design and Applications, Porto, v. Proc. IMechE Vol. 223 Part L, p. 18,

September 2008.

[17] FERREIRA, J. A. M. Fatigue behaviour of composite adhesive lap joints.

Composites Science and Technology, Coimbra, v. 62, p. 1373-1379, April 2002.

77

[18] OSANAI, K. R. Efeito da Temperatura e da Geometria na Resistência de

Juntas Coladas Submetidas ao Cisalhamento. Universidade Federal Fluminense -

UFF. Niterói, p. 78. 2011.

[19] LI, G. Nonlinear finite element analysis of stress and strain distributions across

the adhesive thickness in composite single-lap joints. Composite Structures,

Fredericton, v. 46, p. 395-403, December 1999.

[20] SILVA, A. H. M. D. F. T. D. Critério de Falhas para Juntas Coladas

Submetidas a Carregamentos Complexos. Universidade Federal Fluminense -

UFF. Niterói, p. 236. 2010.

[21] PANDEY, P. C. Nonlinear analysis of adhesively bonded lap joints. Computers

& Structures, Bangalore, v. 70, p. 387-413, August 1998.

[22] SILVA, L. F. M. D. Analytical models of adhesively bonded joints—Part I:

Literature survey. International Journal of Adhesion & Adhesives, Porto, v. 29, p.

319-330, July 2008.

[23] ALBAT, A. M. A direct linear-elastic analysis of double symmetric bonded

joints and reinforcements. Composites Science and Technology, Vancouver, v.

59, p. 1127-1137, May 1999.

[24] BOGDANOVICH, A. E. Three-dimensional finite element analysis of double-

lap composite adhesive bonded joint using submodeling approach. Composites

Part B: Engineering, Ypsilanti, v. 30, p. 537-551, November 1999.

[25] SILVA, L. F. M. D. Analytical models of adhesively bonded joints—Part II:

Comparative study. International Journal of Adhesion & Adhesives, Porto, v. 29,

p. 331-341, August 2008.

[26] ASKELAND, D. R. Ciência e Engenharia dos Materiais. 1st Ed. 2008.

78

[27] DAVIS, M. Principles and practices of adhesive bonded structural joints and

repairs. International Journal of Adhesion and Adhesives, Queensland, v. 19, p. 91-

105, June 1999.

[28] ASTM D5573 – 99. Standard Practice for Classifying Failure Modes in Fiber-

Reinforced-Plastic (FRP) Joints.

[29] WILLIAM D. CALLISTER, J. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma

Introdução. 5th. ed. Salt Lake City: LTC, 1999.

[30] SOUZA, J. P. B. D. Análise Térmica de Polímero DGEBA (Diglicidil Éter de

Bisfenol A) e sua Relação na Resistência de Juntas Coladas. Universidade

Federal Fluminense - UFF. Niterói, p. 108. 2012.

[31] SAMPAIO, R. F. Análise da Influência do Fechamento em Dutos Elasto-

Plásticos Reforçados com Materiais Compósitos de Matriz Polimérica.

Universidade Federal Fluminense - UFF. Niterói, p. 90. 2006.

[32] SAMPAIO, R. F. Desenvolvimento de uma Metodologia de Reparo de Defeitos

Transpassantes em Dutos Metálicos com Adesivos Epoxi. Universidade Federal

Fluminense. Niterói, p. 105. 2009.

[33] NRI Innovative Composite Solutions. Disponivel em:

<http://www.neptuneresearch.com/product/syntho-glass-xt/videos>. Acesso em:

04 Abril 2016.

[34] NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS. SynthoSubsea LV: Part A -

Safety Data Sheet.

[35] NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS. SynthoSubsea LV: Part B -

Safety Data Sheet.

[36] NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS. SynthoSubsea LV: Epoxy

Primer System - Technical DataSheet.

79

[37] NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS. SynthoGlass XT - Fiberglass

Composite System - Technical Datasheet.

[38] NRI - INNOVATIVE COMPOSITE SOLUTIONS. SynthoGlass XT - Installation

Guide - Rev 7. Florida, 2011.

80

ANEXOS

ANEXO 1: DATASHEET SYNTHOGLASS XT

83

ANEXO 2: DATASHEET SYNTHOSUBSEA LV

86

ANEXO 3: DATASHEET THERMOWRAP

88

ANEXO 4: DATASHEET THERMO-POXY

91

ANEXO 5: TRABALHO APRESENTADO NA

CONFERÊNCIA LUSO-BRASILEIRA DE

ADESÃO E ADESIVOS – CLBA 2016

anÁlise do efeito da temperatura na resistÊncia … · cefet/rj . dedico este trabalho: À minha...

Documents