Novos Materiais

A Borracha na Concepo Anti-ssmicaLus Guerreiro

FEUP, 17 de Dezembro de 2003

NDICE

1. 2.2.1 2.2 2.3 2.4

Introduo .......................................................................................................................1 Propriedades mecnicas dos elastmeros ...............................................................4Rigidez Vertical ................................................................................................................7 Rigidez Horizontal.............................................................................................................9 Rigidez Rotao .......................................................................................................... 10 Propriedades Dinmicas dos Elastmeros........................................................................ 10

3.3.1 3.2 3.3 3.4

Isolamento de Base.....................................................................................................12O conceito de Isolamento de Base................................................................................... 12 Principais Vantagens e Inconvenientes ............................................................................ 13 Evoluo dos Sistemas de Isolamento de Base................................................................ 14 Tipos de Sistemas de Isolamento de Base ....................................................................... 17

4. 5. 6.

Anlise Ssmica de Estruturas com Isolamento de Base .....................................20 Exemplos de aplicao de isolamento de base .....................................................23 Bibliografia....................................................................................................................27

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1. IntroduoNa linguagem corrente o termo BORRACHA utilizado para designar um vasto conjunto de materiais que abrange desde produtos naturais at produtos manufacturados. Na sua origem o termo designava somente o produto natural, mas com o aparecimento de produtos sintticos substitutos da borracha natural, esta palavra passou a ser utilizada tambm na designao destes produtos artificiais. Mais correcto, e tambm mais abrangente, ser utilizar a designao ELASTMERO. Define-se como Elastmero um material com comportamento semelhante borracha ou seja, baixa fluncia plstica, grande extensibilidade, e capacidade de recuperar rapidamente a forma original aps estar sujeito a grandes deformaes. Os elastmeros so polmeros, isto , materiais compostos por grandes cadeias moleculares (macro-molculas). A borracha chega Europa trazida por Cristvo Colombo, no regresso da sua viagem s ndias Ocidentais. As bolas de borracha introduzidas em Espanha por volta de 1496 encantaram com a sua capacidade e lstica. Segundo comentrios da poca, no havia no mundo nada que saltasse como as bolas de borracha trazidas das novas ndias. Durante sculos no apareceu nenhuma aplicao importante para este tipo de material. S no sculo XIX, com a descoberta da vulcanizao por Charles Goodyear (1841), se conseguiu conferir borracha propriedades que tornaram possvel a sua aplicao em diversos campos. A vulcanizao a operao atravs da qual so criadas ligaes entre as macro-molculas de um elastmero. D esta forma o elastmero, que partida se apresenta como uma massa fraca, muito plstica e sem propriedades mecnicas de interesse, transformado num produto forte, resistente e com boas caractersticas elsticas. Na descoberta desta tcnica, Goodyear aplicou-a borracha natural, utilizando como agente de vulcanizao o enxofre.

carga, lb

borracha vulcanizada

borracha no vulcanizada

deformao %

Figura 1 Efeito da vulcanizao da borracha (adaptado de Billmeyer, 1971). A inveno do pneu de borracha por John Dunlop, em 1888, veio trazer um grande impulso utilizao da borracha. O aumento da procura deste material levou necessidade de ampliar as zonas de produo da matria prima. At ao final do sculo XIX a borracha s era produzida na Amrica do Sul, zona de onde a planta que produz a borracha ( evea Brasiliensis) originria. No H incio do sculo XX, os britnicos levaram a rvore da borracha para o Ceilo, Singapura e Malsia. A

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operao correu com sucesso e, actualmente, estes pases so produtores de borracha, com especial destaque para a Malsia. A primeira aplicao da borracha como elemento estrutural ocorreu em 1957, quando foram utilizados numa ponte blocos de apoio de borracha reforados com lminas de ao. Esta soluo de apoio foi tornada vulgar e actualmente so inmeros os exemplos de pontes com aparelhos de apoio deste tipo. Na dcada de 1980 surgiu uma novo forma de aplicao para a borracha no campo da engenharia de estruturas, o isolamento de base. Este conceito insere-se num esquema de proteco ssmica das estruturas e ser abordado com maior pormenor nos captulos seguintes. A partir de meados do sculo XX comearam a ser desenvolvidos compostos sintticos com comportamento semelhante borracha natural. Estes compostos so obtidos essencialmente a partir de derivados do petrleo ou do gs natural.

Borracha natural

Latex de borracha natural

Hevea Brasiliensis

Borracha sinttica

Produtos derivados do petrleo Produtos derivados do gs natural

Figura 2 Matrias primas para a produo de elastmeros. A produo da borracha natural comea com a recolha do latex. Para recolher este produto realizado um corte na casca das rvores atravs do qual o lquido escorre para uma vasilha. O latex uma disperso de partculas de borracha em gua. Para obter a borracha em bruto necessrio deixar o latex secar e coagular. Aps a fase de coagulao, a massa obtida trabalhada mecanicamente (mastigao) por forma a obter uma pasta uniforme e muito plstica. Neste estgio so adicionados produtos (aditivos) cujo objectivo conferir determinadas caractersticas ao elastmero que se pretende produzir. Esta pasta vertida nos moldes sendo posteriormente vulcanizada. Na produo de elastmeros sintticos, aps a fase de polimerizao que d origem borracha em bruto, todas as fases do processo de produo so semelhantes s descritas para a borracha natural.

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Matrias primas para borrachas sintticas(derivados do petrleo na maioria dos casos)

Polimerizao

Latex de borracha natural

Borracha em bruto Mastigao

Coagulao

Aditivos: Composio Agente de vulcanizao Acelerador Activador Anti-oxidante Anti-ozonante Aditivos para reforo Aditivos inertes Pigmento Plastificante .

Composto no vulcanizado Moldagem

Vulcanizao ELASTMEROFigura 3 Esquema de produo de Elastmeros. Os aditivos so produtos que melhoram as propriedades mecnicas do elastmero como a rigidez, a resistncia traco, a resistncia rasgadura ou a resistncia abraso. Sem a utilizao destes aditivos no seria possvel a utilizao de elastmeros em pneus, por exemplo. O negro de fumo (carbon black) o aditivo de reforo mais importante para a maioria dos elastmeros, contribuindo para o aumento da resistncia abraso e ao rasgamento. Outros exemplos so a slica ou silicatos. Quantidades crescentes de negro de fumo conduzem a uma melhoria crescente das propriedades at se atingir um mximo. O tipo e a dimenso das partculas do aditivo de reforo so parmetros importantes na obteno das propriedades pretendidas.Designao (ASTM)NR IR BR IIR CR

Designao comumBorracha Natural Isoprene Polybutadiene Butyl Neoprene

Composio Qumica

Poli-isoprene natural Poli-isoprene sinttico Polybutadiene Copolmero de isobutylene e isoprene Policloroprene

Figura 4 Alguns elastmeros comerciais. Um dos produtos sintticos mais utilizados em blocos de apoio de pontes o neoprene. Na figura 5 estabelecida uma comparao entre as propriedades da borracha natural e este composto sinttico.

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PropriedadeResistncia traco Alongamento Resilincia Envelhecimento natural Resistncia ao ozono Resistncia luz solar Envelhecimento com o calor Estabilidade trmica Comportamento a baixas temperaturas Fluncia Relaxao Permeabilidade ao ar Resistncia a leos lubrificantes

Borracha NaturalExcelente Excelente Excelente Boa Fraca Fraca Fraca M Boa Fraca Fraca Fraca M

NeopreneBoa Boa Boa Excelente Excelente Excelente Boa Boa Fraca Fraca Fraca Boa Boa

Figura 5 Comparao das propriedades da Borracha e do Neoprene

2. Propriedades mecnicas dos elastmerosA principal caracterstica dos elastmeros a sua grande deformabilidade e elasticidade. Alguns elastmeros podem atingir deformaes de 1000% sem rotura e recuperar a forma original. A sua grande capacidade de recuperao permite acumular mais energia do que qualquer outro material. Apresentam baixo Mdulo de Elasticidade pelo que conseguem atingir grandes deformaes mesmo para um nvel baixo de tenses. O seu coeficiente de Poisson aproximadamente igual a 0.5. Os elastmeros so substncias quase incompressveis que se deformam mais por alterao da forma do que pela variao de volume. A relao tenso-deformao dum bloco de elastmero depende muito da forma do provete utilizado. Se o provete for baixo e com uma grande seco transversal, a sua rigidez ser muito maior do que seria se a relao entre a altura e a seco transversal fosse elevada (ver Figura 6). A rigidez do bloco depende muito da sua capacidade de deformao lateral. Por este motivo um factor determinante na capacidade de deformao de um bloco de elastmero o seu factor de forma, que se define como a relao entre a rea carregada (superfcie perpendicular ao carregamento) e a rea livre (superfcie lateral do bloco) (ver Figura 6).

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rea Carregada (A C)

rea livre (A L) Factor de Forma (S) = A C/ A L

Figura 6 Modo de deformao dos blocos de elastmero. Observando a Figura 7 pode-se avaliar a influncia do factor de forma na rigidez vertical de uma lmina de elastmero. O resultado apresentado est normalizado em relao rigidez de uma lmina com factor de forma igual a 7.5.

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 2 4 6 8 10

(x Rigidez vertical para S=7.5)

Rigidez vertical

Factor de Forma (S)Figura 7 Influncia do Factor de Forma na rigidez duma lmina de elastmero. Como a rigidez de um bloco de elastmero depende da sua forma no possvel utilizar esta propriedade para classificar estes compostos independentemente da forma do provete. Assim, para que se possa fazer uma classificao das caractersticas elsticas dum determinado elastmero, qualquer que seja a forma do bloco em que ele se apresenta, necessrio utilizar outra caracterstica, a dureza. A dureza pode ser medida a travs dum aparelho (durmetro) que mede a fora necessria para fazer uma pequena puno na superfcie do elastmero a classificar.

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A dureza do elastmero no uma grandeza importante s por si. S tem interesse como um indicador da rigidez do composto, com a vantagem da sua medida no depender da forma do bloco de elastmero.

Figura 8 Relao entre o Mdulo de Distoro (G) e a dureza, vlida para pequenas deformaes (Adaptado de Harris, 1997). Dois dos grandes problemas dos elastmeros so o envelhecimento e o aumento da rigidez com a descida da temperatura. Quando a temperatura baixa os elastmeros ficam com a sua capacidade de deformao limitada. Este comportamento pode ser particularmente gravoso quando os elastmeros so aplicados em blocos de apoio de pontes em regies muito frias. So essencialmente fenmenos de oxidao que conduzem alterao das propriedades do elastmero com o tempo. Outros factores que tambm contribuem significativamente para o envelhecimento dos elastmeros so: a exposio luz solar ou a raios ultra-violeta; a exposio a grandes concentraes de ozono (em especial quando sujeitos a tenso); a exposio a altas temperaturas; o contacto com leos. A correcta escolha da composio dos elastmeros e a utilizao de esquemas especiais de proteco dos blocos pode minorar os fenmenos de envelhecimento.

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2.1 Rigidez VerticalA deformao vertical duma lmina de elastmero resulta da soma de duas componentes de deformao de origem distinta. Uma primeira parcela devida d eformao da lmina por distoro (K v ()), enquanto a outra componente resulta da variao de volume da camada de elastmero (K v ()). Assumindo que a deformao total a soma das duas componentes de deformao, obtmse a seguinte expresso para o clculo da rigidez vertical:

Kv = G S2 A Kv () = 2 hel Kv () =com, Eb G S hel A 2

Kv () Kv () Kv () + K v ()

(rigidez vertical devido distoro)

Eb A hel

(rigidez por variao de volume)

mdulo de compressibilidade do elastmero (E b ~2000MPa); mdulo de distoro do elastmero (G ~0.4 a 2.0 MPa); factor de forma; espessura da camada de elastmero; seco transversal da camada de elastmero; coeficiente que depende da forma da seco (ver Quadro 1). Quadro 1 Valores do coeficiente 2. 2 bloco com seco circular bloco com seco quadrada (Kelly, 1993) 6 6.73 (CEN/TC 167, 2001) 5 5

A deformao vertical de um conjunto de lminas de elastmero pode ser calculada a partir da rigidez vertical de cada uma das camadas que constituem o bloco:

Kv =

1 1 (Kv )i

(rigidez vertical de um conjunto de camadas)

(K v )i rigidez vertical de cada uma das camadas que constituem o bloco de elastmero Se as camadas forem todas de igual espessura, a expresso anterior pode ser simplificada tomando a seguinte forma:

Kv =

(Kv )i n

n nmero de camadas de elastmero que compem o bloco. As expresses apresentadas atrs so vlidas se as camadas de elastmero s estiverem impedidas de se deformar lateralmente nas suas superfcies superior e inferior. A componente de deformao

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devido distoro s possvel se no houver qualquer restrio deformao lateral da camada ao longo da sua espessura. O mecanismo de deformao que desta forma ocorre est esquematizado na Figura 9. Como se pode observar, neste modo de deformao s as superfcies de topo se encontram impedidas de expandir lateralmente devido presena das chapas de ao de reforo. Este constrangimento introduz tenses nas chapas de ao tal como est indicado na referida figura. de realar o papel das chapas de ao de reforo no aumento da rigidez vertical dos blocos. A presena das chapas permite considerar o bloco de apoio como uma sobreposio de camadas de menor espessura (logo com maior factor de forma), aumentando desta forma a rigidez global do bloco.

Figura 9 Modo de deformao vertical de bloco de elastmero reforado com chapas de ao. Se a deformao lateral da camada de elastmero for impedida, tal como acontece nos aparelhos de apoio do tipo pote, ento s a componente de deformao por variao de volume pode ocorrer o que conduz a valores muito superiores de rigidez.

1.4E+07 1.2E+07 sem def. lateral com def. lateral

Rigidez vertical

1.0E+07 8.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 0.0E+00 2 4 6 8 10

Factor de Forma (S)Figura 10 Influncia da deformao lateral na rigidez duma camada de elastmero.

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2.2 Rigidez HorizontalNo caso de blocos de elastmero cintado, o valor da rigidez do conjunto pode ser calculado a partir do valor do mdulo de distoro (G). Como cada bloco constitudo pela justaposio de camadas de elastmero, a deformao horizontal do conjunto o somatrio das deformaes individuais de cada camada. Por seu lado, a deformao de cada camada, devido sua pequena espessura, essencialmente por corte. Desta forma a relao entre a rigidez do bloco e o mdulo de distoro obedece seguinte expresso:

Kv =

GA hel

com, G mdulo de distoro do elastmero (G ~0.4 a 2.0 MPa); hel espessura da camada de elastmero; A seco transversal da camada de elastmero; A expresso atrs indicada para o clculo da rigidez horizontal, e que aquela que normalmente utilizada na maioria dos casos, poder necessitar duma correco se a carga vertical sobre o bloco for muito elevada. A razo desta correco prende-se com o facto de os blocos estarem sujeitos a fenmenos de instabilidade lateral, semelhantes aos de uma coluna vertical, embora dominados pela baixa rigidez ao corte do conjunto. Segundo Kelly (Kelly, 1993), se a carga vertical sobre o bloco for prxima da carga crtica (Ncr), ento a rigidez horizontal do bloco deve ser calculada atravs da seguinte expresso:

Kh =em que, G A hel hT N NE

GA N2 hel 1 hel G A hT NE

mdulo de distoro; rea em planta do bloco; altura total de elastmero (somatrio das espessuras das vrias camadas); altura total do bloco; carga vertical sobre o bloco; carga vertical de Euler.

A carga vertical de Euler pode ser calculada atravs da seguinte expresso (Kelly, 1993a):

NE = 1 2sendo, S I t 1

G S2 I hT hel

factor de forma da seco; momento de inrcia da seco; espessura duma camada de elastmero; coeficiente definido em funo da forma do bloco: bloco com seco circular - 1 = 2 bloco com seco quadrada - 1 = 2.214

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2.3 Rigidez RotaoA rigidez rotao a relao entre momentos e rotaes em torno de um eixo horizontal, paralelo a uma das faces no caso de blocos rectangulares, ou em qualquer direco para os blocos de seco circular. Esta rigidez pode ser calculada atravs das seguintes expresses:

K =

G a5 b n t3 3 G 6 n t3 512

(seco rectangular)

K =sendo,

(seco circular)

n nmero de camadas de elastmero; 3 constante definida em funo da relao (b/a) (ver Quadro 2); a,b dimenses em planta dos blocos de seco rectangular (b refere-se direco paralela ao eixo em torno do qual se considera a rotao). Quadro 2 Valores do coeficiente 3 (CEN/TC 167, 2001). a/b 0.50 0.75 1.00 1.20 1.25 1.30 1.40 1.50 3 137.0 100.0 86.2 80.4 79.3 78.4 76.7 75.3 a/b 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.50 10.0 3 74.1 73.1 72.2 71.5 70.8 68.3 61.9 60.0

2.4 Propriedades Dinmicas dos ElastmerosUm dos problemas que se coloca na utilizao de elastmeros em blocos de apoio sujeitos a aces dinmicas a influncia da frequncia da vibrao nas propriedades dinmicas destes. De a cordo com a informao existente h alguma influncia da frequncia de vibrao no valor da rigidez dos blocos, apresentando esta a tendncia para aumentar quando a frequncia aumenta. Felizmente este efeito s aparente para frequncias de deformao muito superiores s que ocorrem normalmente em aparelhos de apoio de estruturas. Outro fenmeno a ter em considerao a influncia da deformao no valor do Mdulo de Distoro (G). Verifica-se uma diminuio do valor de G com o aumento da distoro, sendo esta diminuio muito acentuada para valores de distoro inferiores a 50%. Alguns compostos voltam a registar um aumento da rigidez para valores de distoro muito elevados (>300%). De acordo com a informao actualmente disponvel a influncia do esforo normal no valor do Mdulo de Distoro (G) desprezvel. De um modo geral os blocos de elastmero apresentam baixo amortecimento ( 5%); Capacidade de restituio posio inicial.

Actualmente existem diversas propostas de solues de isolamento de base. A maioria delas contm elementos de borracha ou outro elastmero. De seguida so apresentados os sistemas de isolamento mais divulgados na actualidade.

i) Blocos de Borracha de Alto Amortecimento HDRB (High Damping Rubber Bearing)Estes aparelhos de apoio tm o aspecto de um normal aparelho de apoio de pontes e neoprene m reforado com chapas de ao. A diferena reside na composio da borracha que, atravs da utilizao de aditivos, consegue altos valores de amortecimento (10%