Mês: julho 2021

Materiais compostos são ortotrópicos, o que significa que possuem propriedades mecânicas diferentes quando as cargas são aplicadas em diferentes direções, diferente dos materiais isotrópicos, como metais ou até mesmo um laminado de manta, que apresentam valores de rigidez e resistência independentes da direção do carregamento.  

Essas propriedades direcionais, apesar de exigirem uma maior compreensão de como o material funcionam e cálculos estruturais mais complexos, são uma grande vantagem dos materiais compostos. A ortotropia permite ao projetista maximizar as propriedades do laminado em uma direção particular para absorver as tensões, sem precisar adicionar peso em outras direções que não necessitam de tanta rigidez ou resistência.

É por esse motivo que nas fichas de dados técnicos de fibras de alta performance trazem informações sobre as propriedades mecânicas em função das orientações das fibras. Isso permite ao projetista utilizar essas propriedades a seu favor durante o desenvolvimento da estrutura.

A direção das fibras é dada em um ângulo θ que varia em relação à direção longitudinal do laminado, como mostra a Figura 1 abaixo. Uma camada de tecido unidirecional será muito mais rígida e resistente na direção principal do que elas será na direção x e y.

Existem alguns pontos chaves na estrutura de barcos onde o uso da ortotropia pode aumentar a rigidez e melhorar o sistema construtivo com a vantagem de ainda reduzir o peso e reduzir o custo da laminação. Estes locais são as colagens secundárias que a maioria dos barcos está exposta, como no caso da colagem de anteparas com costados e de reforçadores longitudinais e transversais no fundo do casco.

Tradicionalmente estes locais eram laminados com um misto de woven rovings e mantas de fibra de vidro. As mantas são um tipo de material que exibe uma resistência muito baixa e no caso dos woven rovings, além de terem uma baixa estabilidade dimensional devido à sua trama muito frouxa, ainda têm fios na direção paralela ao esforço de colagem que não contribuem nada na resistência de colagem. A única direção que resiste durante esta colagem é o filamento da trama que está a 90º de direção.

Atualmente, estas partes de um barco são coladas com tecidos biaxiais nas direções de [±45], o que possibilita que as duas direções do laminado trabalhem para fixar a antepara além de permitir uma perfeita acomodação do laminado em uma posição onde as superfícies fazem um ângulo fechado. Outra vantagem também é que os tecidos mutidirecionais podem ser cortados em fitas de modo a reduzir a área de colagem e reduzir o peso.

Levando-se em conta que um barco tem uma série de locais e uma grande área sujeita a laminação secundária, é possível imaginar o tremendo ganho de peso que uma embarcação pode ter com o uso perfeito da direcionalidade dos tecidos.

O uso de tecidos triaxiais também é muito importante na construção de estruturas internas. Ao contrário da construção utilizando tecidos do tipo woven roving nas direções de [0/90] os tecidos triaxiais construídos nas direções de [0/±45] podem proporcionar o balanço correto de propriedades mecânicas estruturais para as vigas das transversais e longitudinais de um barco. Nestas peças as direções preferenciais são [±45] para as almas das vigas e [0] para os flanges. Nestes casos, os tecidos triaxiais devem ter um balanço de 50% de fibras nas direções oblíquas de [±45] e o restante dos 50% na direção de [0]. Estas estruturas devem ser coladas e laminadas ao casco com tecidos nas direções de [±45].

Encontrar as tensões e deformações de estruturas submetidas a determinadas cargas é uma importante atividade de engenharia. Essa tarefa já apresenta suas complicações quando as estruturas são construídas com materiais isotrópicos, onde todas as propriedades dos materiais não variam com a direção, e com geometrias simples. Agora quando se trata de um barco construído com painéis sandwich onde as faces são construídas em laminado sólido e o núcleo é de espuma, o processo se torna um pouco mais difícil.

Além disto, os esforços na estrutura de um barco, seja a vela ou a motor, são extremamente complexos e variam constantemente de intensidade e direção. Embora o método dos elementos finitos não ofereça uma solução precisa, ele fornece uma boa aproximação dos valores de tensão e deformação em cada parte da estrutura possibilitando ao projetista ou construtor otimizar a quantidade de materiais além da direção dos reforços.

O princípio das estruturas sandwich é que os esforços de tração e compressão são suportados pelas faces enquanto o material de núcleo suporta os esforços de cisalhamento. A maneira mais eficiente de estudar como um painel desse tipo se comporta com diferentes condições de contorno e diferentes condições de carga é por meio do método de elementos finitos, um procedimento numérico que divide as partes da estrutura em pequenos elementos de comportamento conhecido. A análise dos valores de tensão e deformação da estrutura é feita através da solução de uma equação matricial que segue o principio da Lei de Hooke, que diz que as tensões são proporcionais às deformações.

Algumas hipóteses devem ser levadas em consideração para utilizar o método de elementos finitos para prever o comportamento de estruturas sandwich, sendo que a primeira é que as tensões perpendiculares ao plano do painel são negligenciáveis tanto no núcleo quanto nas faces. A segunda é que o módulo de elasticidade do núcleo é tão baixo que a rigidez à flexão é fornecida apenas pelas faces. Além disso, os deslocamentos deve ser pequenos, fazendo com que a teoria de flexão seja válida. Por fim, as faces devem ter baixa espessura quando compradas ao núcleo, o que significa que a rigidez à flexão local pode ser ignorada e que c = d, como visto na Figura 1.

A Figura 1 também apresenta duas maneiras de se modelar painéissandwich. A primeira é utilizando elementos sólidos tanto as faces quanto no núcleo e a segunda é modelar as faces com elementos de casca e o núcleo com elementos sólidos. Em sua forma mais simples, elementos sólidos apresentam 8 nós, enquanto elementos de casca apresentam 4.

Ao se utilizar apenas elementos sólidos, as faces e o núcleo terão suas espessuras reais. O problema dessa abordagem é que elementos sólidos apresentam melhores resultados quando são cúbicos, o que obriga o usuário a subdividir o problema em muitas partes, aumentando o número de nós do modelo e, por consequência, o número de graus de liberdade. Dependendo do que se está modelando, o uso dessa abordagem tornará o tempo de processamento inaceitável.

Para diminuir o número de graus de liberdade, o modelo pode ser construído utilizando elementos de casca para representar as faces e sólidos para representar o núcleo. Os nós dos elementos de casca que representam as faces devem estar afastados por uma distância igual a (c+d)/2. Isso é compatível com a hipótese de que a espessura das faces é muito menor do que a espessura do núcleo, mas causa uma diminuição na rigidez ao cisalhamento do núcleo por conta do aumento de sua espessura em (d-c)/2. Para corrigir isso, deve-se compensar o valor do módulo de cisalhamento da seguinte forma:

Onde G_c é o módulo de cisalhamento original do núcleo. A rigidez à tensão, por sua vez, aumentará com o aumento da espessura e portanto deve ser corrigida da seguinte forma:

Onde E_c é o módulo de tração original do núcleo. Na realidade, o módulo de elasticidade do núcleo possui uma influência muito pequena na deflexão de uma estrutura sandwich.

Com as propriedades do núcleo corrigidas, as propriedades mecânicas das faces podem ser calculadas por meio da micromecânica ou por testes mecânicos de um laminado fabricado sob as mesmas condições do painel que se deseja simular. Definindo as condições de contorno das faces e a carga no painel, pode-se utilizar o método de elementos finitos para analisar uma estrutura sandwich.

Qualquer estrutura submetida a um determinado esforço desenvolve uma tensão e se deforma como resposta. As propriedades mecânicas do material utilizado e a geometria da estrutura são as variáveis que determinam a magnitude desses fenômenos.

O módulo de elasticidade é a propriedade mecânica capaz de medir a rigidez de um material ou, em outras palavras, a sua resistência ao alongamento. No uso de materiais compostos, deve-se atentar que os módulos de tensão e compressão são diferentes e ainda variam em função da direção de aplicação da carga, o que é muito eficiente do ponto de vista estrutural.

Ao se projetar uma embarcação, deve-se garantir as rigidezes global e local. A pressão da água atuando no fundo causa deformações nas linhas suaves do casco em todos os momentos que ele passe por uma onda. A rigidez local dos painéis submetidos a esses esforços depende de suas dimensões, do espaçamento entre apoios, da espessura e do módulo de flexão do material.

Deflexões excessivas causam uma série de efeitos adversos, incluindo rachaduras no gelcoat ou na pintura externa, o que pode causar o início da delaminação dos painéis e comprometimento da estrutura. Em casos mais extremos, é possível encontrar relatos de proprietários reclamando de peças do interior se soltando, rangendo e saindo do lugar. Vibração e ruído também podem ser transmitidos pela flexão excessiva da estrutura.

Em geral, uma regra aceita pela maioria dos projetistas é de que as deformações não devem ultrapassar 0,5% ou 1,0%. Para alcançar esses níveis, é necessário aumentar a rigidez do laminado. Aumentar significativamente a espessura utilizando laminado sólido não é a melhor forma de fazer isso, apesar de ser muito praticado em conjunto com a adição de cavernamento rígido de reforços internos. 

O uso de estruturas sandwich, no entanto, é capaz de construir cascos rígidos mais leves, com maior resistência ao impacto causado pela passagem das ondas ou até mesmo pela pressão hidrodinâmica do regime de planeio, além de oferecerem isolamento termo-acústico.

O uso seletivo de fibras de alto módulo em determinados locais também é uma forma de aperfeiçoar as propriedades do laminado de forma eficiente. Por exemplo, áreas como a linha de centro na direção longitudinal do casco, transversalmente na área de fixação dos estais laterais, no local de fixação da quilha com o casco e ao redor dos locais de cargas concentradas no convés podem ser bastante beneficiadas pelo uso de fibras sintéticas como as de carbono, principalmente em projetos que prezem pelo alto desempenho.

Ao aumentar a rigidez de uma determinada região, no entanto, o projetista deve tomar cuidado para evitar que o problema seja transferido a outras áreas e cause um aumento abrupto de tensões. O mesmo cuidado deve ter tomado com o uso de estruturas sandwich, que devem apresentar transições suaves e chanfros de 5:1 em caso de mudança de espessura ou até mesmo de densidade.

De forma ideal, é uma boa prática dimensionar toda a estrutura para que ela tenha o mesmo nível de flexibilidade, o que proporcionará um fluxo de tensões constantes e suaves através de todo o barco. Esse processo envolve uma complicada teoria e é preciso bastante experiência prática para que o projetista seja capaz de compreender todos os esforços aos quais uma embarcação é submetida.

Em um barco a vela, por exemplo, o esforço de compressão do mastro pressiona o fundo do barco, enquanto brandais tracionam os lados e os estais de proa e popa tracionam e comprimem o casco longitudinalmente. Além disso, a passagem por ondas impõe deformações sobre a estrutura do casco, da mesma forma que o momento restaurador imposto pela quilha produz cargas de alta intensidade concentradas na região do fundo. O sucesso de uma embarcação desse tipo, portanto, depende não só da rigidez local dos painéis, como da resistência global do conjunto casco e convés.

As propriedades específicas dos materiais compostos são uma de suas grandes vantagens em relação aos demais materiais de engenharia. No entanto, estimar o peso de uma estrutura não é tão simples como multiplicar o volume e a densidade.

Estimar a densidade e a massa do laminado final é uma etapa importante do projeto e até mesmo do processo de seleção de materiais e, na teoria, é um processo bem simples que tem até suporte em equações da micromecânica, baseadas nas propriedades dos constituintes.

Considerando um laminado sólido, é possível estimar a densidade do composto a partir da média ponderada das densidades das fibras e da matriz, como mostra a expressão abaixo:

Os elemento ponderadores são as frações volumétricas de fibra e resina, que não são fáceis de serem medidas na prática, mas podem ser estimadas a partir do teor de fibra como mostra o post Fração em Peso e Volume de um Laminado.

Como visto nesse post, é muito comum que se utilize os teores em peso de fibras para realizar o planejamento da produção. A quantidade de resina dependerá do tipo de processo utilizado, como mostra o gráfico da Figura 1.

Figura 1. Teor de fibra em função do método construtivo

É possível perceber que em métodos que utilizam vácuo, o peso de fibra representa uma porcentagem maior do peso total do laminado. No caso da infusão a vácuo, por exemplo, esse valor chega a 60%, enquanto o spray-up é capaz de alcançar apenas cerca de 25%.

Mas tomando como exemplo um laminado sólido de duas camadas de tecido EBX400 fabricado por laminação manual, as duas camadas de tecido totalizarão 800 g/m², o que representa 40% do peso final do laminado segundo dados da Figura 1. O restante é composto com resina, que deverá ser estimada em 1200 g/m², formando um laminado de 2 kg/m².

Esse cálculo aproximado não leva em conta parcelas que na prática da construção são bastante significativas, como os overlaps. Se a peça construída possuir largura maior que 1270 mm, é recomendado que o construtor sobreponha ao menos uma faixa de 50 mm de tecido para garantir a integridade da estrutura. É comum que essa sobreposição chegue em até 200 mm em muitos estaleiros e represente uma parcela considerável do peso em fibra, o que consequentemente aumenta a quantidade de resina necessária para impregnação completa.

Nas construções sanduíches, ainda há mais algumas parcelas a se considerar. O peso do núcleo é a mais óbvia e dificilmente é negligenciada, mas a junta adesiva também deve entrar na estimativa. No método de infusão a vácuo, quem faz esse papel é uma quantidade de resina líquida que permeia a superfície dos materiais de núcleo ligando-o com as faces, como pode ser visto no post sobre resin uptake.

Em construções sandwich que utilizam os métodos de vacum bagging ou laminação manual, uma massa de adesivo é utilizada em uma das faces, como visto no post Colagem de Materiais Sandwich. O peso dessa massa deve ser computado, assim como a resina absorvida pelo núcleo na face oposta.

Para estimar a quantidade de resina necessária para fabricação de um laminado ainda é necessário levar em conta as perdas inerentes a cada um dos métodos produtivos. Na laminação manual, porções de resina sobrarão em baldes e tambores, além de quantidades que ficarão impregnadas em rolos e inevitavelmente se espalharão pelo chão do estaleiro.

Nos métodos que utilizam vácuo, uma quantidade de resina permanecerá nas mangueiras. Dependendo do tamanho da peça, essas quantidades serão bastante relevantes e possuir quantidade suficiente de resina no momento da laminação é fundamental para o sucesso da construção.

Em suma, para se estimar o peso de um laminado é necessário levar em conta o peso de fibra, lembrando de incluir os overlaps. O peso da resina necessária para impregnar os reforços vai depender do método de laminação utilizado, assim como a absorção de resina do material de núcleo e o material de núcleo em si. Quando for necessário, é essencial considerar o peso da massa de colagem e é fundamental considerar a resina que será perdida devido à natureza do método de construção.

Além dessas parcelas, a construção de cascos em fibra de vidro deve ainda levar em conta o peso do gelcoat e das camadas de manta que compões o skin coat, que pode alcançar algo entre 600 e 900 g/m² em fibra de vidro.

Todo construtor sabe que apesar dos materiais compostos apresentarem uma resistência à degradação pela umidade infinitamente superior aos materiais orgânicos, como a madeira, os laminados de fibra de vidro não são totalmente impermeáveis e o contato com a água os tornam sujeitos à degradação por hidrólise.  Este fenômeno é basicamente a quebra das moléculas de resina pela ação da água e resulta na formação de bolhas com o passar do tempo.

O tamanho dessas bolhas varia desde uma cabeça de alfinete até uma bola de pingue-pongue e sua concentração também varia em função da região do casco, sendo que a região do fundo é sempre a mais afetada. O problema que começa de uma forma estética se torna estrutural com o passar do tempo conforme as camadas de fibra do casco são progressivamente atacadas. Este ataque químico pela ação da hidrólise pode diminuir a resistência do laminado em até 30%.

A resina poliéster apresenta uma série de vantagens que justificam seu uso na construção náutica, que vão desde a facilidade de manuseio até seu custo. No entanto, sua estrutura química rica em radicais éster favorece o processo de hidrólise, que consiste na quebra das ligações das moléculas da resina pela ação da água e resulta na formação de bolhas.

Para evitar a ocorrência desse tipo de fenômeno, é importante utilizar produtos certificados para construção náutica, que são preparados para o contato com o ambiente marinho durante a vida da embarcação. Uma boa opção são as resinas estervinílicas que possuem radicais éster somente nas extremidades de suas cadeias moleculares.

Um experimento colocou laminados náuticos com superfícies protegidas por gelcoat isoftálico em uma caixa com faces expostas à água a uma temperatura de 65°C de modo a simular a aceleração do processo de hidrólise sobre a face do laminado. Laminados construídos com resina poliéster ortoftálica apresentaram bolhas após 50 dias, enquanto os que utilizaram poliéster isoftálica levaram 75 dias para isso. Em comparação, os construídos com resina estervinílica não apresentaram esse tipo de defeito mesmo após 750 dias. Considera-se que 40 dias nessas condições equivalem a aproximadamente 1 ano de vida de uma embarcação dentro da água.

Uma solução fácil e barata para contornar o problema de hidrolise é realizar a laminação de duas ou três camadas externas iniciais de manta com 300 g/m² com resina estervinílica. Em uma lancha de 40 pés isso equivale a um custo adicional de U$250 dólares, o que é realmente desprezível em relação ao custo total da embarcação, aumentando a durabilidade do produto e a satisfação do cliente.

Em cascos que já apresentam bolhas, o reparo deve ser realizado com a aplicação de um revestimento de resina epoxy. Ao tirar o barco d’água, toda a superfície do gelcoat danificado deve ser removida com uma lixadeira com extremo cuidado para não danificar as camadas de fibra de vidro. O casco deve então ser lavado com água doce e são necessárias algumas semanas para a secagem total do laminado.

O sucesso do reparo depende do grau de secagem do casco e um medidor de umidade pode ser utilizado para verificar se os níveis estão dentro de limites aceitáveis. O período de espera pode variar entre duas a oito semanas, podendo alcançar mais de quatro meses em casos críticos onde grande parte do laminado foi afetado. Quando o laminado estiver pronto para o reparo, deve-se aplicar duas ou três camadas com aproximadamente 500 g/m² de resina epoxy sem solvente e com propriedades adequadas para cura de filmes finos.

O intervalo entre as demãos deve ser rigorosamente respeitado e após a impermeabilização do casco, deve-se realizar o lixamento da superfície e a aplicadas de duas demãos de primer seguido da tinta anti-incrustante.