anlise do dano por impacto de projtil magnum 44 em vidros blindados de 21 mm de … · 2015. 3....

ANÁLISE DO DANO POR IMPACTO DE PROJÉTIL CALIBRE 7,62 mm (308 WINCHESTER) EM VIDROS BLINDADOS PARA VEÍCULOS DE TRANSPORTE

DE VALORES

G.C.P. Branco1; E.G. Basile1; R.G. Morrone1; H.F. Viana1; G. Divino1; H.N. Yoshimura2

Av. Prof. Almeida Prado, 532, São Paulo, SP, 05508-901, [email protected] 1 – Gepco Indústria e Comércio Ltda.

2 – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. – IPT

RESUMO

Neste trabalho investigou-se o comportamento balístico de vidros blindados

utilizados em veículos de transporte de valores. Os parâmetros investigados foram

energia do projétil e seqüência das lâminas de vidro. Foram preparadas amostras

com quatro lâminas de vidro (uma de 5 mm e três de 8 mm) e duas lâminas de

policarbonato (uma de 6 mm e outra de 3 mm). Foram preparadas amostras com

diferentes seqüências de vidro, onde se variou a ordem de posição da lâmina de 5

mm. Os conjuntos foram laminados com filmes de PVB e PU em uma autoclave. Os

laminados (50x50 cm2) foram submetidos ao ensaio balístico utilizando projétil

calibre 7,62 mm (308 Winchester, nível III da norma NIJ 0108.01). As imagens

digitalizadas das amostras ensaiadas foram analisadas em um programa de análise

de imagens para quantificação dos danos (área esbranquiçada e diâmetro da cratera

do vidro), cujos resultados foram correlacionados com os parâmetros estudados.

Palavras-chave: Vidro blindado, compósito laminado, impacto, balística

INTRODUÇÃO

A crescente onda de violência tem aumentado a demanda por estruturas

blindadas para proteção do indivíduo e para transporte de valores. A blindagem, no

entanto, causa um aumento no peso do veículo, o que acarreta, entre outros fatores,

em aumento do consumo de combustível, que tem o agravante de aumentar a

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

1

emissão de poluentes na atmosfera. Esforços têm sido empenhados no sentido de

se diminuir o peso da blindagem por meio do desenvolvimento de materiais e

sistemas de montagem (1-3).

O vidro blindado para automóveis e veículos de transporte de valores consiste

basicamente de um conjunto laminado de lâminas de vidros com uma lâmina ou

mais de policarbonato (PC) no lado interno, em referência ao veículo. Este

compósito combina uma camada externa dura com uma camada interna mais

flexível e tenaz, conjugando sinergisticamente as suas propriedades e obtendo um

desempenho balístico superior ao de seus componentes isolados. De um modo

geral, a face de impacto (primeira lâmina de vidro) têm a função de achatar o projétil

e eliminar a sua conicidade e o seu movimento rotatório, para diminuir a sua

capacidade de perfuração. As lâminas intermediárias de vidro atuam no sentido de

absorver a energia cinética do projétil e diminuir a sua velocidade. A(s) lâmina(s) de

PC atua(m) no sentido de impedir a perfuração do projétil e o lançamento de

perigosos estilhaços de vidro para dentro do veículo. O principal mecanismo de

absorção de energia cinética do projétil pelas lâminas de vidro é a geração de

superfícies de fratura frágil, enquanto pela(s) lâmina(s) de PC é a deformação

plástica. Outro mecanismo importante do compósito pode ser a delaminação entre

as lâminas, que depende das características dos filmes poliméricos adesivos

utilizados para a união das lâminas de vidro e de PC, sendo os mais utilizados o

polivinil butiral (PVB) e o poliuretano (PU) (4).

A compreensão dos mecanismos de dano envolvidos no impacto de projéteis

de armas de fogo em proteções balísticas é fundamental para o avanço no

desenvolvimento de estruturas blindadas mais leves. Este trabalho tem como

objetivo avançar na compreensão do comportamento balístico de vidros blindados

por meio da análise dos danos causados pelo impacto de projétil de arma de fogo.

Os parâmetros investigados foram a energia do projétil, a seqüência de tiros e a

seqüência de montagem das lâminas de vidro.

METODOLOGIA

A preparação das amostras de vidro blindado envolveu a utilização de lâminas

de vidro plano de 5 e 8 mm de espessura (Cebrace vidro Float), placas de

policarbonato (PC) de 3 e 6 mm de espessura (GE Lexan) e filmes de polivinil butiral

(PVB) e de poliuretano (PU) de 0,38 mm de espessura. Foram preparadas amostras



2

com montagem de quatro lâminas de vidro e duas placas de PC na face oposta à

direção de impacto do projétil, sendo que entre as lâminas de vidro foi utilizado um

filme de PVB e entre o vidro e o PC e entre as lâminas de PC um filme de PU. Os

conjuntos foram montados manualmente, colocados dentro de bolsas de vácuo e

submetidos a ciclo de vácuo, pressão e temperatura em uma autoclave. Os

laminados foram preparados com área de 50 x 50 cm2.

As amostras foram submetidas ao ensaio balístico com base na norma

americana NIJ 0108.01 (1985) (5), utilizando como sistema de disparo uma estativa

fixa com mira laser. A amostra foi fixada em um suporte metálico com vão de ~40 x

40 cm2 com os apoios revestidos de borracha e posicionada frontal e

perpendicularmente à estativa, a uma distância de 15 m. A velocidade do projétil foi

determinada em todos os tiros por meio de um cronógrafo (Crony F-1), com distância

entre sensores de 0,305 m, posicionada à frente e a 2,0 m da estativa. A cada

disparo, montava-se a bala com uma determinada massa de pólvora (CBC ref. 102),

pesada em uma balança digital semi-analítica (Gehaka BG 200), que era inserida

em um estojo com espoleta e fechada com um projétil calibre 7,62mm (308

Winchester); na seqüência este conjunto era calibrado em um dispositivo apropriado.

O comprimento do cartucho fechado (bala) foi de cerca de 51 mm. Os disparos

foram realizados dentro de um túnel balístico com sistema de segurança para

acionamento.

A primeira série de estudo envolveu laminados com um vidro de 5 mm na face

de impacto, seguido de três vidros de 8 mm de espessura, uma placa de PC de 6

mm e uma placa de PC de 3 mm (amostra 5888-63). Nesta série verificou-se o efeito

da energia cinética (E = mv2/2) do projétil na evolução do dano da estrutura

blindada, variando-se a velocidade v do projétil. A massa m de cada projétil também

foi medida por meio da balança digital semi-analítica (a massa média do projétil foi

de (9,6 ± 0,2) g, próxima ao valor nominal especificado de 9,7 g (5)). Em cada

amostra foi realizado um disparo no seu centro.

Na segunda série foram preparadas amostras similares às da primeira série,

mas variando-se a posição do vidro de 5 mm na seqüência de lâminas de vidro.

Foram preparadas as amostras 5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63. Realizou-se

o ensaio balístico tipo III da NIJ 0108.01 (1985) (5), onde foram disparados cinco tiros

em cada laminado, sendo que as posições de impacto dos quatro primeiros



3

formavam um quadrado de lado 200 mm centrado na amostra e o último tiro foi dado

no centro desta figura.

Após cada disparo, registrou-se com uma câmara digital as imagens frontal e

de trás da amostra. As imagens digitalizadas ou copiadas foram analisadas em um

analisador de imagens (Leica QWin) para quantificação dos danos. Nas amostras da

primeira série os padrões de trinca gerados por cada uma das lâminas de vidro

foram copiados separadamente em folhas de acetato. Em cada padrão de fratura

foram traçados círculos com raios de 10, 15 e 20 cm centrados na posição de

impacto e contadas o número de trincas radiais e a quantidade bifurcação (ou

ramificação) destas trincas. As amostras da primeira série foram seccionadas ao

meio em uma cortadeira com disco diamantado para análise do seu perfil.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A espessura média dos vidros blindados preparados foi de (39,2 ± 0,2) mm e a

massa média de (20,72 ± 0,06) kg. Uma característica importante de blindagens

balísticas é a densidade superficial (areal density), razão entre a massa e a área do

laminado, que possibilita comparar blindagens com diferentes materiais e

montagens. A densidade superficial média dos vidros blindados preparados foi de

(82,9 ± 0,3) kg/m2.

A Fig. 1 apresenta os resultados de velocidade e de energia cinética do projétil

calibre 7,62 mm (308 Winchester) em função da massa de pólvora utilizada.

v = 265x + 119

Ec = 158x2 + 990x - 511

0

200

400

600

800

1000

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Massa de pólvora (g)

Velo

cida

de (m

/s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

Ener

gia

ciné

tica

(J)

VelocidadeEnergia cinética

Fig. 1 – Velocidade e energia cinética do projétil calibre 7,62 mm (308 Winchester)

em função da massa de pólvora.



4

Observou-se relação linear entre a velocidade do projétil e a massa de pólvora

e, em conseqüência, relação parabólica da energia cinética. Na segunda série, a

velocidade do projétil foi mantida constante em (840 ± 20) m/s, próximo da faixa

especificada para o ensaio balístico tipo III da NIJ 0108.01 (1985) (5) de

(838 ± 15) m/s. A energia cinética média do projétil desta série foi de

(3,4 ± 0,2)x103 J.

1a Série: Efeito da energia cinética (velocidade) do projétil calibre 7,62 mm

A Fig. 2 apresenta imagens da região próxima ao ponto de impacto, onde

ocorreu intenso dano, ilustrando os diversos defeitos observados. As trincas cônicas

se formam a partir da região de impacto e são aproximadamente concêntricas ao

eixo de impacto, sendo que a base maior destas trincas define a área

esbranquiçada. Esta área é parte opaca e parte translúcida em decorrência do

espalhamento de luz causado pela região intensamente danificada do vidro. Nesta

região observam-se muitas trincas radiais, laterais, circunferenciais e cônicas. O

encontro destas trincas formam pedaços de vidro soltos, que se destacam

facilmente na primeira lâmina de vidro na região próxima à posição de impacto.

(a) frontal (b) verso (c) seção transversal

Fig. 2 – Imagens da região próxima ao ponto de impacto da amostra 5888-63

submetida à velocidade do projétil de 906 m/s (3903 J). CR - cratera, AE - área

esbranquiçada, PC – plug cônico, TR - trinca radial, TL - trinca lateral, TCi -

trinca circunferencial e TC - trinca cônica.

Na menor velocidade (348 m/s, 568 J), o dano causado pelo impacto do projétil

foi superficial, causando uma marca na posição de impacto e a formação de duas

trincas radiais na primeira lâmina de vidro (5 mm de espessura). Na velocidade de

463 m/s (1052 J), o dano ficou restrito nas duas primeiras lâminas de vidro, onde se



5

observou trincas radiais, laterais, circunferenciais e cônicas. Observou-se também

cominuição parcial e lascamento da primeira lâmina de vidro na região próxima ao

impacto. Com o aumento da velocidade do projétil, a área e a profundidade do dano

se intensificaram e as quantidades das trincas aumentaram. A partir da velocidade

de 529 m/s (1305 J), o dano foi observado nas quatro lâminas de vidro. Até a

velocidade de 657 m/s (2117 J) não se observou perfuração da primeira lâmina de

vidro (Fig. 3a), que se iniciou a partir de 740 m/s (2544 J) (Fig. 3b), com a formação

da cratera (Fig. 2a). Exceto na menor velocidade, o impacto do projétil causou a

formação do plug cônico (ou conoid (6)) em cada lâmina de vidro danificada, com o

seu centro alinhado ao eixo de impacto. Este plug cônico tem geometria de domo

com superfície esférica constituído de partículas de vidro com formato colunar

aderidas ao filme de PVB voltado para o lado do impacto (4). Em velocidade

suficientemente alta, o plug cônico é cominuído no impacto. Na Fig. 2c, observa-se

que os plugs cônicos das duas primeiras lâminas de vidro foram cominuídos,

restando os plugs das duas últimas lâminas de vidro. A formação do plug cônico

também é observada em materiais cerâmicos e decorre de tensão de tração similar

ao dano por contato de Hertz (7). Note que a região cominuída ao redor dos plugs

forma um perfil de cone com a base menor sendo a cratera e a base maior a área

esbranquiçada (Fig. 2c).

(a) (b)

Fig. 3 – Imagens da amostra 5888-63 submetida às velocidades do projétil de (a)

586 m/s (1681 J) e (b) 740 m/s (2544 J).

As trincas circunferenciais, que ficaram restritas à região delimitada pela área

esbranquiçada, e as trincas radiais foram perpendiculares à superfície do vidro. A



6

formação de trincas radiais na região fora da área esbranquiçada indica que estas

se propagaram mais rapidamente (e provavelmente se formaram antes) do que as

trincas circunferenciais (observou-se também que as trincas circunferenciais eram

descontínuas na interseção com as trincas radiais). Na Fig. 3a, observam-se trincas

com padrão aproximadamente circulares concêntricas à posição de impacto,

defletidas ou bifurcadas a partir de trincas radiais, fora da área esbranquiçada, e que

aparentam serem “largas” em decorrência de estarem inclinada em relação ao plano

do vidro. Estas trincas têm sido denominadas de wing cracks, com inclinação de 45o

em relação à superfície do vidro, e aparentam ser uma forma de trinca de

cisalhamento resultante da reação com as ondas de tensão refletidas nas bordas

das lâminas de vidro (8). As wing cracks foram observadas principalmente na

segunda lâmina de vidro das amostras ensaiadas com velocidades de 529 a 657 m/s

(1305 a 2117 J), que correspondem às amostras que sofreram danos nas quatro

lâminas de vidro sem a perfuração da primeira lâmina.

Em todas as amostras ensaiadas, não se observou deformação plástica das

placas de PC (Fig. 2c). A máxima velocidade que se alcançou nesta série (906 m/s,

3903 J) correspondeu à carga máxima de pólvora que se conseguiu colocar no

estojo do cartucho. A Fig. 4 apresenta os resultados de área esbranquiçada e área

da cratera em função da energia do projétil.

0

100

200

300

400

500

0 1000 2000 3000 4000 5000

Energia cinética (J)

Área

esb

ranq

uiça

da (c

m²)

0

5

10

15

20

25

30

Área

da

crat

era

(cm

²)

Área esbranquiçadaÁrea da cratera

PC CR

Fig. 4 – Resultados de área esbranquiçada e área da cratera (CR) da amostra 5888-

63 em função da energia cinética do projétil. (Na faixa indicada com PC, é

apresentada a área do plug cônico da primeira lâmina de vidro.)

Observou-se que a área esbranquiçada inicialmente aumentou rapidamente

com o aumento da energia cinética até um valor máximo em 3287 J (841 m/s) e



7

acima deste valor apresentou tendência de saturação (Fig. 4). Entre as energias de

1305 e 2117 J (529 e 657 m/s), a área do plug cônico apresentou ligeira tendência

de aumento com o aumento da energia cinética. A partir de 2544 J (740 m/s)

observou-se que a área da cratera aumentou rapidamente com o aumento da

energia cinética. A continuidade dos resultados nas faixas de área do plug cônico e

da cratera (Fig. 4) sugere que o plug cônico é precursor de formação da cratera.

A Fig. 5 apresenta os padrões de trinca de cada um das quatro lâminas de

vidro da amostra 5888-63 submetida a diferentes velocidades de impacto do projétil.

1o vidro (5 mm) 2o vidro (8 mm) 3o vidro (8 mm) 4o vidro (8 mm)

(a) 529 m/s – 1305 J

(b) 740 m/s – 2544 J

(c) 906 m/s – 3903 J Fig. 5 – Padrões de trincas das quatro lâminas de vidro da amostra 5888-63

submetida a diferentes velocidades de impacto do projétil. O 1o vidro é a face

de impacto. (Não foi possível copiar as trincas próximas da região de impacto

principalmente nos 3os e 4os vidros devido ao intenso dano nesta região.)



8

Observaram-se basicamente dois tipos de padrões de trincas nas amostras

que apresentaram danos nos quatro vidros. Na faixa de velocidade de 529 a 657 m/s

(1305 a 2117 J), que corresponde às amostras que não apresentaram perfuração da

primeira lâmina de vidro, a quantidade de trincas radiais aumentou gradativamente

do primeiro vidro (face de impacto) ao quarto vidro (Fig. 5a). A partir da velocidade

de 740 m/s (2544 J), que corresponde ao início da formação da cratera,

praticamente não houve diferenças das quantidades de trincas entre as quatro

lâminas de vidro (Fig. 5b). As quantidades de trincas radiais total (soma dos quatro

vidros) na circunferência de raio de 15 cm e de bifurcações/ramificações

aumentaram rapidamente com o aumento da energia cinética do projétil (Fig. 6). A

partir da velocidade de 841 m/s (3287 J) observou-se deflexão da parte das trincas

radiais e a formação de trincas circunferenciais entre as trincas radiais, fora da

região esbranquiçada (Fig. 5c). Algumas trincas defletidas eram ligeiramente

inclinadas, mas a maioria era perpendicular à superfície do vidro. As trincas

circunferenciais também eram perpendiculares à superfície. Estas trincas não

parecem ser de mesma natureza que as wing cracks, e parecem ter sido formadas

em decorrência da deflexão do vidro, quando o laminado é impactado com elevada

energia cinética do projétil (4). A presença de trincas radiais defletidas e não

defletidas indica que estas trincas podem ter diferentes velocidades de propagação

ou que passaram em tempos diferentes no momento da deflexão.

020406080

100120140160

0 1000 2000 3000 4000 5000

Energia do projétil (J)

No. R

amifi

caçõ

es

(a) (b)

0

100

200

300

400

500

0 1000 2000 3000 4000 5000

Energia do projétil (J)

No. T

rinca

s Ra

diai

s

Fig. 6 – Quantidades de trincas radiais, que cruzaram o círculo de raio 15 cm, e de

ramificações destas trincas, na seção circular entre os raios de 10 e 20 cm, da

amostra 5888-63 em função da energia cinética do projétil.



9

2a Série: Efeito da seqüência de montagem das lâminas de vidro

Nesta série, a posição da lâmina de vidro de 5 mm foi variada no conjunto

laminado e o ensaio foi realizado na velocidade constante de (840 ± 20) m/s com

cinco tiros. Todas as amostras ensaiadas (5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63)

passaram no ensaio balístico nível III da NIJ 0108.01 (5), pois nenhuma apresentou

perfuração e nem mesmo deformação das placas de PC. A Fig. 7 apresenta a

seqüência de tiros na amostra 8588-63. Também não se observou diferenças

significativas de desempenho entre estas amostras (Fig. 11), resultado diferente do

trabalho anterior (4), onde se observou influência da seqüência de vidros no

desempenho balístico de nível III-A.

Fig. 10 – Seqüência de tiros da amostra 8588-63.

0

300

600

900

1200

1500

1800

1 2 3 4 5

Sequência de tiro

Área

esb

ranq

uiça

da

acum

ulad

a (c

m2 )

0

3

6

9

12

15

18

1 2 3 4 5

Sequência de tiro

Área

da

crat

era

(cm

2 )

5888-638588-638858-638885-63

(a) (b)

Fig. 11 – Área da cratera individual (a) e área esbranquiçada acumulada (b) das

amostras com diferentes seqüências de lâminas de vidro.



10

CONCLUSÕES

Nas condições deste trabalho, observou-se que :

1) Na série de variação de energia cinética Ec do projétil calibre 7,62 mm (308

Winchester), onde se variou a velocidade de 348 a 906 m/s (568 a 3903 J), na

montagem do vidro blindado 5888-63:

dano no PC (área esbranquiçada) iniciou em ~1000 J e aumentou rapidamente

com a Ec até um máximo a ~3000 J.

A formação da cratera nas lâminas de vidro foi observada a partir de ~1300 J. A

área da cratera aumentou rapidamente a partir de ~2000 J.

Não se observou penetração (deformação plástica) do PC.

A quantidade de trinca radial e suas ramificações aumentaram rapidamente com

a energia cinética do projétil.

2) Na série com diferentes seqüências de lâminas de vidro, nas montagens do vidro

blindado 5888-63, 8588-63, 8858-63 e 8885-63:

Não se observou diferenças significativas de desempenho balístico, segundo

nível III da NIJ, quando se variou a posição do vidro de 5 mm.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a G.R. Siqueira, A.A. Siqueira, E.E. Cunha e G. Gomes pelo

auxílio na análise de imagens.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. C.A. Smith, Patente US 5.567.529, 1996.

2. H. Charrue, F. Rifqi, R. Crepet, C. Guillement, Patente US 5.773.148, 1998.

3. J.R. Manheim, Patente US 4.879.183, 1989.

4. G.C.P. Branco, E.G. Basile, R.G. Morrone, H.F. Viana, A.V.D. Cardoso, F.B.

Furtado, H.N. Yoshimura, Anais do 47° Congresso Brasileiro de Cerâmica, São

Paulo, SP, junho de 2003, ref. 13-01, p. 2003.

5. NIJ 0108.01 (1985), Ballistic Resistant Protective Materials.

6. V.D. Frechette, C.F. Cline, Ceramic Bulletin 49, 11 (1970) 994.

7. D. Sherman, D.G. Brandon, J. Mater. Res. 12, 5 (1997) 1335.

8. R.C. Bradt, M.E. Barkey, S.E. Jones, M.E. Stevenson, The Glass Researcher, 11,

2 (2002) 20.



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ANALYSIS OF 44 MAGNUM PROJECTILE IMPACT DAMAGE ON THE

BULLETPROOF GLASS WITH 21 mm THICKNESS

ABSTRACT

In this work, the ballistic behavior of bulletproof glasses used in armored vehicle was

investigated. The parameters investigated were the kinetic energy of projectile and

the sequence of glass laminae. Samples with four glass laminae (one of 5 mm and

three of 8 mm) and two PC laminae (one of 6 mm and another of 3 mm) were

prepared. Samples with different glass sequence, varying the position of the 5 mm

lamina, were prepared. The assembles were laminated with PVB and PU films in an

autoclave. The prepared laminates (50x50cm²) were subjected to a ballistic test

using the 7.62 mm projectile (308 Winchester, level III of NIJ 0108.01 standard). The

digitized images of tested samples were analyzed with an appropriated software to

evaluate their damage. The results were correlated to the parameters investigated.

Key-words: Bulletproof glass, laminated composite, impact, ballistic



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