Ensaios de resistência do PVC

Os alunos João Vítor Luz Hoeflich e Everson Silvano Braciak, do curso de

Engenharia Mecânica, realizaram alguns testes em tubulações de PVC de

diferentes diâmetros.

João Vítor Luz Hoeflich

Everson Silvano Braciak

O objetivo principal era avaliar a resistência mecânica de dois equipamentos,

engatinhador e andador, desenvolvidos por eles na disciplina de Projeto Final

II. Os ensaios foram realizados em laboratórios do Departamento Acadêmicos

de Mecânica (DAMEC). Abaixo são apresentados os ensaios realizados e as

primeiras conclusões a respeito da resistência do PVC quando sujeito a

diferentes solicitações mecânicas.

Ensaio de Tração

A execução do ensaio de tração, cuja montagem é mostrada na Figura

1, teve dois objetivos:

1- Verificar a tensão limite de escoamento do tubo de PVC soldável.

2- Verificar a resistência da cola comparativamente a do tubo integro.

Figura 1 - Montagem para os testes de Tração.

Corpos de Prova

Para a realização dos testes de tração foram utilizados 12 corpos de

prova com 220 mm de comprimento e 20 mm de diâmetro cada. Essas

dimensões foram adotadas devido as limitações da máquina utilizada para o

ensaio, a qual só possui mordentes para tracionar corpos com no máximo 20

mm de diâmetro.

Dentre os corpos de prova, mostrados nas Figuras 2 e 3, metade deles

eram tubos de PVC inteiriços e os demais corpos por segmentos de tubos

unidos através de uma luva e cola.

Figura 2 - Corpos de prova inteiriços - Ensaio de Tração

Figura 3 - Corpos de prova colados - Ensaio de Tração

A quantidade de tubos inteiros em PVC foi escolhida para que se

pudesse realizar ensaios em duas velocidades de deformação diferentes:

primeiramente três tubos com uma pequena velocidade e os três restantes a

uma relativamente maior. O número de três corpos de prova para cada

velocidade foi adotado por ser estatisticamente a menor quantia que apresenta

resultados significativos.

Para os tubos colados optou-se por realizar os seis ensaios a baixa

velocidade, pois já era previsto que não haveria grande deformação

longitudinal, e uma grande velocidade acabaria distorcendo os resultados.

Além disso, a quantidade maior de ensaios para os mesmos parâmetros

poderia contornar possíveis resultados incoerentes, frutos de falhas durante o

processo de colagem do corpo de prova, por exemplo.

Execução

Para a realização dos ensaios, primeiramente adotou-se a velocidade

de 10 mm/min para o tracionamento dos corpos de prova. Para o teste dos

tubos colados este valor para o parâmetro mostrou-se adequado. Para o tubo

inteiriço, duas velocidades foram utilizadas: 10 mm/s e 50 mm/s.

Além disso, devido a baixa resistência a tração do tubo de PVC em

relação aos metais normalmente testados na máquina de tração, não foi

possível obter os gráficos Tensão x Deformação. Desta forma, conseguiu-se

registrar apenas o valor da força necessária para romper os corpos de prova.

Entretanto, esse fato não prejudica de modo algum a análise que se pretendia

fazer, pois com o valor da força pode-se relacioná-lo com a área dos tubos e

assim chegar-se ao valor da tensão limite de escoamento, que é o parâmetro

que se desejava obter.

Resultados

Com a execução dos testes de tração para os tubos colados, chegou-

se aos resultados apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 - Resultado dos Teste de Tração dos Corpos de Prova colados

Número do Corpo de Prova

1 2 3 4 5 6

Valor da Força 3386 N 1900 N 1274 N 3706 N 3616 N 1680 N

Pode-se notar dois grupos de resultados bem distintos: Um deles com

valores elevados e muitos próximos entre si, cerca de 3500 N e outro com

valores baixo e um pouco dispersos.

Analisando-se cada um dos corpos de prova, chegou-se a conclusão

de que os testes que apresentaram os valores mais baixos para a força no

rompimento foram influenciados por falhas durante o processo de colagem dos

corpos de prova. Conforme pode-se observar na Figura 4.

Figura 4 - Diferença entre as regiões coladas dos corpos de prova. A esquerda, o corpo colado corretamente. A direita, o corpo com pouca superfície de colagem.

Desta maneira optou-se por considerar para cálculos e análises apenas

os resultados do grupo com valores mais elevados e menos disperso. Além

disso, também ficou evidente a necessidade do cuidado e precisão que

devemos ter durante a colagem.

Fazendo-se a média dos três valores obtidos, temos:

Para chegar-se ao valor da tensão do material, precisa-se da área da

seção transversal sobre o efeito da carga:

Onde D refere-se aos diâmetros externo e interno do tubo. Logo:

Finalmente

Para os tubos inteiriços foram encontrados os seguintes

resultados:

Tabela 2 - Resultado dos Teste de Tração dos Corpos de Prova inteiriços

V=10 mm/s V=50 mm/s

Número do Corpo de Prova

1 2 3 4 5 6

Valor da Força 4185 N 4018 N 4209 N 4440 N 4570 N 4402 N

Com os dados obtidos, faz-se o mesmo procedimento

empregado para tratamento dos resultados do teste com o tubo

colado. Desta forma, chegamos aos seguintes valores:

Análise

De posse dos resultados obtidos, a conclusão que se chegou foi a de

que o tubo de PVC pode ser utilizado sem problemas para o produto em

questão, pois para romper um componente de 20 mm de diâmetro seria

necessário uma força em torno de 4000 N, equivalente ao peso de 6 ou 7

pessoas adultas, algo muito superior aos esforços que o equipamento

desenvolvido terá que suportar durante seu funcionamento.

Além disso, outra conclusão muito importante foi com relação ao uso

da cola para unir os tubos e conexões. Verificou-se que a perda relativa de

resistência mecânica é cerca de 20% em termos de tensão de escoamento.

Esse dado comprova que, para a aplicação em questão, a utilização da cola

não compromete a segurança do produto.

Uma observação importante feita com a realização destes ensaios foi

em relação ao procedimento de colagem. Foi possível verificar a importância

de se executar o procedimento de colagem com cuidado e precisão, sob pena

de reduzir bruscamente a resistência da união colada.

Ensaio de Impacto

A necessidade de realização de ensaios de impacto surgiu ao se

avaliar o risco de a quebra do dispositivo por um acidente, como a queda de

um objeto sobre ele, traria ao usuário e a quem estivesse próximo a ele. Os

estilhaços resultantes da quebra poderiam causar graves acidentes, pois são

pontiagudos e afiados.

Desta forma, surgiu a ideia da utilização espuma de poliuretano

injetável, aplicada no interior dos tubos. O intuito desta prática seria de que, no

caso de quebra do dispositivo, os estilhaços e fragmentos ficariam aderidos a

espuma, reduzindo ao máximo o risco de acidentes.

Para validação da ideia, fizeram-se testes de impacto, comparando-se

corpos de prova com e sem a espuma de poliuretano.

Corpos de Prova

Foram confeccionados seis corpos de prova para os ensaios de

impacto, todos com 25 mm de diâmetro e 60 mm de comprimento. Metade das

amostras foi preenchida com a espuma de poliuretano, e as restantes foram

mantidas in natura (Figura 5).

Figura 5 - Corpos de prova - Ensaio de Impacto

Execução

Não foi adotado nenhuma modalidade (Charpy ou Izod) para a

realização dos testes. Ao invés disso, foi utilizada uma metodologia específica

para o projeto em estudo. Essa decisão foi tomada, pois o interesse na

realização deste teste esta na comparação entre as amostras com e sem

poliuretano, e não na energia da fratura em si.

Para a execução dos ensaios, o pêndulo foi liberado do repouso em 3

alturas diferentes, correspondendo aos ângulos de 30°, 45° e 60° do braço do

pêndulo com a vertical, conforme apresentado na Figura 6.

Resultados

Os resultados obtidos com a realização são qualitativos. Na Figura 7, 8

e 9 é possível ver os corpos de prova após os ensaios.

Figura 6 - Posições de liberação do martelo no ensaio de impacto.

Figura 7 - Corpos de Prova para lançamento a 30°. A esquerda o corpo com o Poliuretano e a direita o corpo in natura.

Figura 8 - Corpos de Prova para lançamento a 45°. A esquerda o corpo com o Poliuretano e a direita o corpo in natura.

Figura 9 - Corpos de Prova para lançamento a 60°. A esquerda o corpo com o Poliuretano e a direita o corpo in natura.

Análise

Analisando os resultados obtidos, foi possível ver claramente o efeito

da espuma de poliuretano no sentido de reduzir a formação de estilhaços e

superfícies. Para o lançamento a 60°, que é a situação mais crítica, observou-

se que a ação do polímero existe também no sentido de amortecer o impacto

do golpe, diminuindo inclusive a deformação do corpo de prova.

Ensaio de Preenchimento

Como os ensaios de impacto demonstraram a eficácia dessa espuma e

decidiu-se utilizá-la no projeto em estudo, uma questão levantada foi sobre a

sua aplicação, principalmente em relação ao preenchimento dos tubos mais

longos.

Por isso, julgou-se necessário executar um ensaio em relação ao

preenchimento dos tubos de poliuretano.

Corpos de Prova

Para executar este teste, foram confeccionados 3 corpos de prova com

20 mm de diâmetro e 50 cm de comprimento.

Execução

Os tubos foram preenchidos com a espuma de poliuretano, tomando-se

o cuidado de manter a válvula de injeção acionada até que a espuma atingisse

a outra extremidade do corpo de prova.

Em seguida, esperou-se cerca de 30 minutos, até que se constatasse

que a espuma já estava completamente solidificada.

Por fim, os corpos de prova foram cortados em segmentos de 10 cm

cada, para se verificar se todas as regiões do tubo foram completamente

preenchidas.

Resultados e Análise

Verificando-se os segmentos dos corpos de prova, mostrados na

Figura 10, observou-se que todos os segmentos apresentavam-se

completamente preenchidos pelo polímero.

Figura 10 - Segmentos completamente preenchidos pelo PVC

Teste de flexão

O equipamento que realizou o teste foi montado na versão com elevação

ajustável e na versão com elevação fixa. Portanto, o componente que sofrerá o

carregamento de flexão pode ser um componente confeccionado a partir de

uma tubulação DN40 ou uma tubulação DN50. Sendo assim, corpos de prova

de tubulação DN40 e de tubulação DN50 foram submetidos a teste.

Foram ensaiados três corpos de prova de cada diâmetro a uma

velocidade 10mm/min na maquina de ensaios universal Emic do laboratório de

materiais da UTFPR. Os dados de carga foram medidos pela célula de carga

Trd 28 da maquina e armazenados em um computador através do programa

Tesc versão 3.04.

Para que fosse possível a realização desse teste, foi necessária a

confecção de um suporte para os corpos de prova. Essa necessidade surgiu

devido ao fato que o aplicador da carga apresenta um mecanismo com mola

que se ajusta a superfície do corpo de prova.

Em se tratando de um corpo de prova cilíndrico, o aplicador da carga

poderia ficar posicionado de maneira inadequada, fazendo com que no

momento em se fosse aplicada a carga, o tubo deslizasse sobre o suporte

padrão da maquina e escapasse da maquina com violência, podendo inclusive

oferecer perigo aos operadores da maquina.

Os corpos de prova para os ensaios de flexão foram confeccionados com

280mm de comprimento. O vão de sustentação do corpo de prova foi de

180mm. Aplicou-se a carga no corpo de prova em seu centro, como se pode

verificar na Figura 11.

Figura 11- Ensaio de flexão

Resultados do Teste

Para os testes de flexão de tubulação DN50 flexionadas a uma velocidade

de 10mm/min, obteve-se os seguintes resultados:

Corpo de Prova 1: 2998,8N;

Corpo de Prova 2: 2802,8N;

Corpo de Prova 3: 2792,7N.

Para os testes de flexão de tubulação DN40 flexionados a uma velocidade

de 10mm/min, obteve-se os seguintes resultados:

Corpo de Prova 1: 1605,6N;

Corpo de Prova 2: 1752,7N;

Corpo de Prova 3: 1763,2,N.

Para o calculo da resistência dos componentes do equipamento que

receberão essa natureza de carga, realizou-se o seguinte raciocínio:

-o material apresenta uma resistência homogênea;

-o momento de inércia é o mesmo se analisado o corpo de prova e

componente com o mesmo diâmetro nominal;

-a distância perpendicular ao centro do eixo neutro é o mesmo se

analisado o corpo de prova e componente com o mesmo diâmetro nominal.

Portanto, ao igualar as equações de cálculo da tensão de flexão do corpo

de prova com o do componente do equipamento, tem-se que:

δf1= δf2

M1.C1/I1= M1.C1/I1

Levando-se em conta as observações citadas anteriormente, a equação

se resume a:

M1=M2.

Portando:

F1.d1= F2.d2

No equipamento que não apresenta ajuste de elevação, as peças DN50

que sofrerão carga de flexão apresentam um comprimento de 350mm entre

apoios. Portanto d2 = 175mm.

Utilizando o menor valor obtido no teste de flexão, de 2792,7N, calcula-se

a força máxima que o componente pode suportar:

2792,7. 90.10ˉ³=F2.175.10ˉ³

F2= 1436,2N

Para o equipamento sem regulagem de elevação, as peças que sofrem

com a mesma natureza de carga são de 390mm entre apoios. Portanto

d2=195mm.

Seguindo o mesmo raciocínio, tem-se que:

F2= 741,0 N

Assim como no teste de tração, os corpos de prova mostraram que o PVC

utilizado para a confecção da linha de água fria apresenta uma grande

ductilidade. Os corpos de prova apresentaram se deformaram plasticamente e

mantiveram a força de aplicação em um valor estabilizado até o fim de curso da

máquina. Esse comportamento é visto no corpo de prova visto na Figura 12 e

no gráfico presente na Figura 13 gerado no teste em que se relaciona a força e

deformação.

Figura 12 – Comportamento Dúctil Corpo de Prova Teste Flexão

Figura 13 – Gráfico Mostrando Comportamento Dúctil

Teste de Compressão em Conjunto Ajustável

Procedimento de teste

Os corpos de prova para os ensaios de compressão foram

confeccionados de maneira a simular o mecanismo que proporciona o ajuste

na elevação. Portanto, utilizou-se uma luva, uma redução DN50 X DN40 e um

tubo DN 40 de 100 de comprimento que foi fixado através da utilização de um

pino ¼” .

Figura 14 – Ensaio de Compressão

Foram ensaiados três corpos de prova (Figura 14) a uma velocidade

10mm/s na maquina de ensaios universal Emic do laboratório de materiais da

UTFPR. Os dados de carga foram medidos pela célula de carga Trd 28 da

maquina e armazenados em um computador através do programa Tesc versão

3.04.

Resultado do Teste

Antes de se realizar o teste de compressão do conjunto ajustável,

supunha-se que o elemento que primeiramente apresentaria falha seria o tubo

de PVC. Acreditava-se que o tubo PVC romperia fragilmente, podendo

inclusive resultar em diversos fragmentos que poderiam significar possibilidade

de cortes e machucados a criança.

Entretanto, o resultado obtido não foi o esperado. O conjunto testado

demonstrou ser um conjunto com alta capacidade de absorção de energia, não

resultando em um rompimento frágil assim como se esperava.

O teste prosseguiu até o fim do curso da maquina sem que o corpo de

prova rompesse. Cada elemento do conjunto absorveu energia de uma

maneira. Como se vê na Figura 15, o pino flexionou, o tubo de PVC DN40

absorveu energia de duas maneiras principais e a cola que une a redução

DN50 X DN40 a luva se rompeu.

Figura 15 – Absorção de Energia Pelo Corpo de Prova 1

A primeira maneira em que o tubo de PVC absorveu energia, e com

resultado mais relevante, foi ao “rasgar” sua parede sem romper fragilmente. A

segunda maneira foi se deformando, mudando sua forma de um tubo cilíndrico

para um tubo ovalizado.

O comportamento do tubo “rasgar’, visto na Figura 16, portanto, não pode

ser prevista e dimensionada. Assim, a resistência a uma carga de compressão

aplicada ao conjunto ajustável deve ser analisada a partir de sua resistência

resultante de todos os efeitos somados como citados anteriormente.

Figura 16 - Absorção de Energia Pelo Corpo de Prova 2

As forças máximas obtidas para esse teste foram:

Corpo de Prova 1: 3592N;

Corpo de Prova 2: 4067N;

Corpo de Prova 3: 3785N;