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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.

Embarcações do tipo multicascos são construídas a partir de cascos de igual tamanho posicionados paralelamente. A estabilidade da embarcação se dá pela alta razão de aspecto entre o comprimento e a boca e não há a necessidade de adicionar uma quilha como em um veleiro com apenas um casco, embora alguns destes barcos a vela usem bolinas para aumentar a eficiência quando se veleja contra o vento.

Em um veleiro, manter as deformações do casco dentro de um limite máximo de 1% é importante porque qualquer distorção na geometria sob carregamento resultará na redução da tensão de estaiamento, aumentando a deflexão dos estais de proa e de popa, modificando a curvatura do mastro, deformando as velas e reduzindo o equilíbrio, o ângulo de orça e a velocidade.

Em embarcações a motor, as deflexões devem ser analisadas com cuidado também para que não haja redução na eficiência hidrodinâmica da embarcação que pode chegar a navegar em velocidades acima de 50 nós. Deflexões permanentes devem ser evitadas porque podem distorcer a forma do casco e afetar as acomodações internas, sistemas de bordo e até mesmo a instalação e funcionamento de equipamentos.

Para limitar as deflexões, deve-se realizar o dimensionamento estrutural adequado da embarcação. Para isso, é necessário ter conhecimento das cargas que atuam na embarcação durante sua operação, o que já um processo complexo em monocascos. Embarcações multicascos ainda estão submetidas a todo um conjunto especial de esforços.

A estrutura deve resistir a deflexões causadas por grandes tensões globais devido ao movimento transversal pelos flutuadores e pelo movimento de caturro, também chamado de pitch, criado pela passagem da crista de uma onda na proa de um dos flutuadores e outra pela popa do outro casco. Este movimento induz uma torção na estrutura central dos multicascos de difícil quantificação.

O cálculo torsional em barcos do tipo multicasco deve ter consideração especial principalmente em barcos de alta velocidade. Tanto a estrutura transversal de ligação dos cascos como a sua conexão com o costado e o convés devem ser feitas de forma precisa de modo que o fluxo de tensões nesta estrutura seja dissipado em outras partes do casco.

A ligação desta estrutura com os cascos deve ser feita de modo suave através da transferência de esforços para um conjunto de anteparas que irá descarregar posteriormente os esforços transversais para um sistema de reforços longitudinais.

Os materiais com maior razão entre rigidez e peso a disponibilidade dos construtores são os sandwich com núcleo de espuma e faces de alta rigidez construídas a partir de laminados poliméricos com fibras de vidro. Eles representam a opção com maior eficiência e durabilidade, permitindo também uma construção mais rápida e de menor custo.

Embarcações que prezam o alto desempenho, como veleiros de regata, ainda podem optar por núcleos de honeycomb de aramida e faces construídas com prepreg.

A construção de uma embarcação, seja em série ou one-off, passa pelo planejamento do espaço e da aquisição das ferramentas necessárias para fabricação. O post Layout do Estaleiro já mostra que o primeiro requisito para construção de um barco é um espaço coberto capaz de proteger os materiais e ferramentas das intempéries ambientais.

Já o conjunto de ferramentas e acessórios necessários, assim como o tamanho e porte das máquinas, varia com o tamanho da embarcação e o processo de fabricação utilizado, mas qualquer estaleiro deve ter um conjunto básico de ferramentas que representam um investimento muito baixo em relação ao preço de uma embarcação.  

Os primeiros elementos do conjunto básico de ferramentas que ervem para iniciar a construção dos plugs e moldes são trena, esquadro, sutra e prumo, assim como uma boa linha de 30 metros e uma mangueira plástica transparente com 10 a 12 mm de diâmetro para medir o nível. O construtor deve ter duas trenas, uma metálica de 5 metros e uma de fibra sintética de no mínimo 20 metros.

A qualidade e precisão desse grupo de ferramentas é fundamental para a montagem das cavernas e construção da embarcação e seu custo é baixo em relação às facilidades e qualidade que proporcionará ao construtor.

Grampos em “C” e em “T” também são ferramentas essenciais para quem constrói barcos ou peças auxiliares. Tipos básicos de grampo “C” devem ser adquiridos em tamanhos de 4 a 12 polegadas, enquanto os grampos “T” podem chegar até 24 polegadas.

Como sempre existem trabalhos que exigem uma base firme, tornos de bancada em ferro fundido são recomendados, especialmente o de 4 polegadas de largura e abertura de 5 polegadas.

Para corte de painéis, o construtor pode escolher entre serras tico-tico, traçadores com discos de 6 a 8 polegadas, uma serra circular com discos de corte com diâmetro de 8 a 10 polegadas ou serra de fita com 14 polegadas. Hoje em dia muito trabalho é feito através de corte computadorizado com CNC. Embora não seja necessário, o corte em uma máquina desse tipo pode proporcionar rapidez e precisão para a construção e é especialmente indicado para construção das cavernas em caso de construções com moldes abertos.

É necessário também possuir pelo menos uma ferramenta para se fazer furos. A furadeira selecionada deve ter um mandril que suporte brocas de 3/8 polegadas ou até ½ polegada. Elas podem ser elétricas ou com baterias recarregáveis.

O material necessário para laminação vai variar em relação ao método escolhido e os posts dedicados a cada um dos processos de fabricação descrevem a infraestrutura necessária. No entanto, qualquer construtor precisa de um kitde reparos com ferramentas para laminação manual.

Esse kit deve contar com pincéis de trincha de 2 a 4 polegadas e rolos de lã de carneiro ou espuma para impregnação da resina. É importante selecionar materiais compatíveis com as resinas que serão utilizadas. Rolos de espuma, por exemplo, são ideias para utilização de resina epoxy e a cola dos pincéis de trincha não deve se desfazer em contato com a resina poliéster, rica em estireno.

É essencial também ter meios de realizar a catalisação da resina com precisão. No caso da resina poliéster, um dosemekp pode ser utilizado para determinar a quantidade de catalisador adequada. No caso de resina epoxy, uma balança eletrônica pode ser utilizada para medir a quantidade correta de resina e endurecedor.

A mistura da resina com seu catalisador ou endurecedor pode ser feita manualmente, com um misturador polimérico, ou com uma hélice para mistura acoplada em uma máquina de furar. Esse equipamento ainda pode ser utilizado para misturar massas, porém nesse caso a hélice deve ter de 3 a 4 polegadas de diâmetro, enquanto para homogeneização de resinas cerca de 2 polegadas já é o suficiente.

O excesso de resina pode ser retirado com espátulas poliméricas rígidas e o laminado deve ser comprimido com roletes de ferro com 5/8 a 1 ½ polegadas de diâmetro e 10 a 20 cm de comprimento.

Um termômetro infravermelho é uma ferramenta para acompanhar a temperatura da resina durante o processo de cura e controlar o processo. Um higrômetro de bulbo seco ou úmido também pode utilizado para verificar a umidade relativa do ar e monitorar a área de trabalho. Existem hoje versões digitais com boa precisão.

É importante também que os laminadores estejam utilizando equipamentos de segurança adequados. Isso incluem máscaras, óculos de proteção e luvas para o construtor não ter contato com a resina não curada nem inalar os compostos orgânicos voláteis (VOCs). 

Equipamentos para lixamento também são muito convenientes e podem acelerar muito o trabalho. Existe uma grande variedade disponível no mercado, mas uma lixadeira rotativa que trabalha em uma faixa de 6000 a 9000 rpm com discos de 6 polegadas é essencial para quem trabalha com construção em materiais compostos.

Trabalhos de polimento, no entanto, devem ser realizado em velocidades próximas de 2400 rpa com discos de 7 a 9 polegadas. Normalmente esse tipo de trabalho é feito com uma máquina chamada politris.

Por fim, um compressor de ar com motor de 1,5 HP e reservatório de 100-200 litros é interessante para realizar trabalhos leves. Eles podem ser utilizados para operações de ferramentas pneumáticas, como furadeiras e lixadeiras, assim como para aplicação de gelcoat e pintura.

A qualidade da colagem dos elementos de estruturas sandwich vem sendo discutida nos últimos posts aqui no blog como um elemento fundamental para a eficiência global desse tipo de construção. De maneira análoga, a fixação de partes estruturais da embarcação é crucial para o sucesso da estrutura.

Os adesivos estruturais são capazes de realizar a união de cascos e conveses, fixação de anteparas e outros elementos estruturais de forma muito mais eficiente que junções mecânicas, porque são capazes de distribuir as tensões desenvolvidas por áreas maiores, o que possibilita a construção de estruturas mais leves e resistentes.

O requisito mecânico mais importante para os adesivos estruturais é a resistência ao cisalhamento. Ao colar dois elementos estruturais, sejam eles de materiais similares ou não, é importante que nem o adesivo nem as interfaces falhem durante a operação. Caso contrário, os elementos estruturais não são capazes de alcançar todo o seu potencial e seus desempenhos são limitados pelo adesivo, que não foi capaz de suportar e transferir as cargas.

Dessa forma, é preciso reconhecer a importância desse elemento para o sucesso da estrutura. Além da resistência ao cisalhamento, o adesivo deve ser flexível, mas não muito elástico, além de possuir baixa contração. Após curado, deve suportar todas as condições ambientais que a embarcação enfrenta, ou seja, deve resistir à umidade e à temperaturas extremas.

Dentre todas as opções disponíveis no mercado, o adesivo epoxy é o que apresenta o melhor desempenho. Todo construtor deve ter em mente que o custo do adesivo representa apenas uma fração dos gastos totais para construção de uma embarcação e a escolha do produto correto tem influência na economia de peso, facilidade de processamento e na segurança estrutural.

Os adesivos à base de sistemas epoxy não só possuem um excelente poder de adesão em diversos materiais como também podem apresentar contração menor que 1%. Isso combinado com sua resistência ao cisalhamento faz com que sejam capazes de preencher facilmente espaços de até 6 mm, formando junções com grande resistência à delaminação.

O sucesso das colagens também está relacionado às condições de realização do processo, que devem respeitar as especificações dos fabricantes. A umidade relativa (UR) do ar não deve ser maior que 80%, mas melhores resultados são alcançados com UR abaixo de 60%. Os materiais a serem colados devem estar livres de umidade e o adesivo deve apresentar boa “molhabilidade” para facilitar a aplicação e penetrar a superfície de colagem.

Os adesivos epoxy cumprem esses requisitos e não liberam água nem qualquer outro produto de condensação que possa aumentar o teor de umidade na linha de colagem durante o processo de cura. Há uma grande variedade de endurecedores que permitem ajustar o tempo de cura do adesivo de alguns minutos até algumas horas, de acordo com a necessidade do construtor. Após a cura, eles possuem resistência ímpar à água e à temperatura.

Essas características tornam os adesivos epoxy ideais para construção náutica. A alta resistência ao cisalhamento, poder de adesão e resistência à umidade e temperatura fazem com que sejam a opção ideal para construtores amadores e profissionais. Os adesivos podem ser encontrados prontos para o uso, mas construtores profissionais podem utilizar cargas para alcançar propriedades específicas.

O livro Manual de Construção de Barcos traz mais informações sobre cargas e outras opções de adesivos estruturais, que representam um avanço importante na construção náutica em materiais compostos.

A eficiência estrutural de um painel sandwich depende do nível de integração entre as duas faces e o material de núcleo. O elemento responsável por esta união é a linha de colagem entre estes três elementos, que garante a integridade global da estrutura.

Posts anteriores do blog descrevem a colagem do núcleo sandwich nos processos de laminação manual e a vácuo e mostram que nesses casos a junta adesiva é composta por uma massa de colagem. Quando se utiliza o processo de infusão a vácuo, no entanto, a junta adesiva é formada por uma quantidade de resina líquida que consolida as faces e o núcleo durante a injeção da matriz.

Uma das principais características dos materiais de núcleo sandwich que é muito pouco explorada é o resin uptake, que representa justamente essa quantidade de resina necessária para realizar a ligação das faces com o núcleo. Essa quantidade de resina varia em função da natureza do núcleo, do tamanho das células de sua microestrutura e de sua densidade. Mesmo que muitos materiais tenham célula fechada, existe ainda uma pequena espessura na superfície do material onde existem células abertas devido ao corte que têm seu volume preenchido por resina durante o processo de infusão. Dependendo do tipo de material sandwich e seu processamento, esta quantidade de resina pode ser até ter uma massa maior que a do próprio material sandwich e é muitas vezes esquecida pelos projetistas.

O resin uptake não altera somente o peso final da peça, como também a quantidade de resina necessária para sua fabricação e as propriedades específicas do núcleo. Por essas razões, sua determinação é de primordial importância tanto para o projeto estrutural quanto para o planejamento da fabricação da peça, pois tem impactos diretos no custo e no desempenho das estruturas fabricadas em materiais compostos. O custo da resina absorvida nestas pequenas células abertas pode ser consideravelmente alto e desconsiderado no custeio do processo.

Assim como a maior parte das propriedades dos materiais compostos, a melhor maneira para determinar o resin uptake de um material de núcleo é de forma experimental. O processo começa com o cálculo da massa e das densidades nominais das placas. Esse processo é seguido da infusão das amostras que passam pelo tempo de cura adequado e, após isso, são novamente pesadas.

É importante determinar a densidade nominal dos materiais de núcleo antes da infusão porque a densidade informada pelos fabricantes dos materiais está sujeita a uma variação em função da tolerância dos produtos.

Após a infusão das placas com as mesmas condições de pressão e temperatura, linhas idênticas de resina e vácuo e resina com mesmo valor de viscosidade, é possível determinar o resin uptake simplesmente subtraindo a massa dos núcleos antes e depois do processo de infusão.

Essa informação está presente no Gráfico 2 em g/m² e fica evidente que no caso das espumas quanto maior a densidade do núcleo, menor seu resin uptake. No caso da madeira de balsa esta regra não se aplica. É possível perceber ainda que as espumas de PVC absorvem uma quantidade menor de resina do que as espumas PET e que a madeira balsa. A razão disso é que o PVC possui células bem pequenas e fechadas, enquanto os dois outros núcleos têm células disformes e abertas que permitem que a resina permeie toda a sua estrutura interna e não apenas sua superfície.

O Gráfico 3 mostra como o resin uptake altera a densidade final dos núcleos sandwich, também chamadas de densidades aparentes. Um aumento mais drástico da densidade aparente significa uma diminuição mais significativa nas propriedades específicas do material sandwich e, portanto, uma diminuição da eficiência estrutural.

Por fim, o Gráfico 4 ilustra como o tamanho da célula da microestrutura de espumas PVC influencia a absorção de resina dos núcleos. Quanto maior o tamanho da célula, mais espaço a resina tem para ocupar e, portanto, maior o resin uptake.

Em resumo, as espumas PVC apresentam o menor resin uptake entre as opções de núcleo. Em comparação com as espumas PET, isso acaba aumentando ainda mais sua vantagem em relação às propriedades específicas. Em relação à madeira balsa, mostra que a quantidade de resina necessária para a fabricação do laminado é menor, diminuindo o custo da fabricação. Isso ainda se soma a maior durabilidade da espuma PVC e com a possibilidade do uso de resina poliéster, que possui um custo muito menor em comparação com a resina epoxy que a madeira balsa exige.

As vantagens do uso de estruturas sandwich vêm sendo exploradas aqui no blog ao longo das semanas, sobretudo quando as espumas de PVC são utilizadas como material de núcleo. Entre os benefícios do uso deste material é possível destacar o aumento da eficiência estrutural e as células fechadas que impedem a absorção de água.

No entanto, a construção das estruturas sandwich possui particularidades. Com o uso de vácuo em processos como o de infusão, é possível consolidar toda a estrutura, as duas faces e o núcleo sandwich, de uma vez. Quando o construtor utiliza dos processos de laminação manual e por vacuum bagging, a melhor estratégia é realizar a consolidação por etapas.

Em ambos os casos, o processo começa com a laminação e cura da face externa que, se necessário, deve passar por um processo de lixamento e limpeza. Para aumentar a produtividade do processo é essencial que as espumas sejam pré-cortadas antes da aplicação do adesivo de colagem.

O adesivo de colagem pode ser a base de resina poliéster ou resina epoxy combinadas com um agente tixotrópico, que pode ser uma mistura de sílica e microesferas. É importante observar que a resina epoxy pode ser utilizada em qualquer ocasião, mas a resina poliéster só pode ser utilizada se a resina de laminação também for de poliéster.

No processo de colagem manual, a placa deve ter corte GS para regiões com curvaturas acentuadas e corte DC para regiões planas. O adesivo de colagem deve ser aplicado em quantidade suficiente para preencher todos os espaços vazios e depois da colocação da espuma, ela deve ser compactada como um rolo vibrador até que seja possível ver massa de colagem na face oposta da espuma.

Garantir que não há espaços vazios fornece uma adesão de boa qualidade e não deixa espaços para entrada de água e umidade, que pode causar delaminações e comprometer a estrutura do laminado. Além disso, deve-se evitar espaços vazios como um todo no laminado, pois diminuem a qualidade estrutural da peça ao criar concentradores de tensão que podem propagar defeitos.

No processo de colagem manual utilizando o compactador pneumático o adesivo deve ser aplicado apenas na região em que a espuma está sendo colada. No caso da colagem a vácuo a espessura do filme adesivo deve ter entre 1 e 2 mm e ser deve ser aplicado em toda a superfície que se deseja realizar a colagem. Uma espátula dentada ou calibrada pode ser utilizada para garantir que a espessura do adesivo seja homogênea.

É importante que o tempo de cura do adesivo seja suficiente para sua aplicação, posicionamento das placas e posterior aplicação do vácuo. Como a utilização de vácuo ajuda a conformar a espuma, em regiões com curvaturas suaves é possível utilizar placas planas apenas com cortes e perfurações para permitir a passagem do ar entre as duas faces. Placas GS ainda devem ser utilizadas em regiões com curvaturas mais acentuadas.

Depois do posicionamento das espumas, ainda é necessário colocar uma camada de peel ply, um filme perfurado e breather antes de cobrir tudo com a bolsa de vácuo, que deve ter uma área 20% maior que a área de colagem para garantir uma boa acomodação. Tacky tape deve ser utilizada para selar a bolsa completamente antes da aplicação do vácuo, garantindo que não haja vazamentos. A pressão de colagem deve ficar entre 0.6 e 0.8 atm.  Após a cura completa do adesivo é possível retirar os materiais de vácuo que devem sair com facilidade pelo uso do peel ply.

E dessa forma é possível realizar a consolidação do núcleo utilizando processo de laminação manual ou a vácuo. A peça estará então pronta para a laminação da face externa. Para melhorar a ancoragem da face seguinte, assim como feito com a laminação dos reparos, sugere-se a utilização de tecidos combinados ou uma camada de manta entre o núcleo e próximo tecido.

A construção de embarcações utilizando estruturas sandwich apresenta uma série de vantagens. Os núcleos de espuma utilizados atualmente aumentam a eficiência e durabilidade da estrutura, além de reduzirem drasticamente o peso enquanto aumentam a rigidez das embarcações.

Diferente dos laminados sólidos, os materiais sandwich normalmente são capazes de absorver impactos e choques mecânicos e transferir a energia de deformação para face oposta, fazendo com que sejam frequentes as situações onde apenas um dos lados da estrutura seja afetada e necessite algum tipo de reparo.

Se esse for o caso, o processo é muito similar ao reparo de um laminado sólido, começando pela preparação da superfície, fabricação dos chanfros com proporção 12:1 em relação a espessura e a sequência de laminação utilizando tecidos biaxiais combinados em conjunto com sistemas a base de resina epoxy.

Quando também for necessário substituir o núcleo, a escolha deve ser sempre por uma densidade igual ou maior que a original. Não é necessário chanfrar o material sandwich, a não ser que ele possua uma resistência diferente do restante do casco. Se esse for o caso, o chanfro deve ter uma proporção mínima de 4:1. A nova peça de espuma deve ser colada ao reparo usando uma massa compatível com o restante da estrutura.

Além de danos por colisão, embarcações que utilizam compensado naval estão sujeitas ao apodrecimento da madeira pela entrada de água no laminado. Se isso acontecer, recomenda-se a madeira também seja substituída por espumas PVC, que possuem células fechadas que não absorvem água e umidade. Muitos barcos construídos no passado com madeira de balsa ou compensado naval amargam nos dias de hoje um apodrecimento generalizado da estrutura tanto do casco quanto do convés. Anteparas estruturais também são alvo de apodrecimento devido a umidade do ambiente marinho. Pequenas passagens por furos na instalação de ferragens no convés ou registros de saída e entrada de água no casco são candidatos a disseminarem a passagem de água para a estrutura de madeira, que em pouco tempo vai ser completamente saturada e entrar em colapso.  O processo de apodrecimento é lento, mas irreversível e quando constatado não há como reverter o colapso da estrutura a não ser substituindo por completo a madeira.

A densidade da espuma utilizada na substituição do núcleo depende da região do casco que está sendo reparada. Isso porque diferentes regiões estão sujeitas a diferentes cargas e portanto precisam de resistências diferentes. Como regra geral, quanto maior a densidade, melhores são as propriedades mecânicas da espuma. Quanto à espessura, o ideal é manter a mesma do núcleo original para que não se criem descontinuidades no casco.

Se ocorrer um dano grave que faça com que seja necessário realizar o reparo das duas faces mais a substituição do núcleo, o primeiro passo do reparo é a remoção das partes danificadas, como mostra a figura, tipicamente removendo uma porção extra de 12,5 mm de núcleo.

A superfície deve ser limpa para garantir que esteja livre de resíduos antes do lixamento e fabricação do chanfro, que deve permanecer com comprimento de proporção de 12:1 em relação à espessura das faces.

Um molde temporário de MDF ou compensado deve então ser posicionado, junto com uma estrutura que dará suporte à colagem do núcleo. Um tecido desmoldante, o peel ply, deve ser posicionado entre a peça e o molde para que seja possível realizar facilmente a remoção no momento adequado. Para colagem do núcleo, pode ser utilizado um adesivo a base de resina epoxy com agente tixotrópico de sílica ou uma massa de colagem a base de resina poliéster com microesferas.

Após a cura do adesivo, é possível realizar a laminação das camadas de reparo da primeira face. Ela deve ser executada da mesma maneira que reparos em laminado sólido, inclusive utilizando uma manta em contato com o núcleo para ancorar os reforços. As camadas devem se sobrepor em escala para acompanhar a inclinação do chanfro.

Depois da cura da face externa, o molde pode ser retirado com o auxílio do peel ply. O último passo é a laminação do reparo na face interna, seguindo os mesmos passos anteriores. A superfície deve ser preparada com chanfro novamente de proporção 12:1 e o mesmo número de camadas estruturais devem ser laminadas.

Mais informações sobre o processos de reparo podem ser encontradas no livro Manual de Construção de Barcos, uma fonte rica e ilustrada que descreve o passo-a-passo de todos esses procedimentos.

Materiais compostos oferecem o melhor desempenho estrutural para construção de embarcações, além de apresentarem alta durabilidade no ambiente hostil de operação. No entanto, quando submetidos a impactos, os composites não são capazes de absorver a energia e distribuí-la de forma eficiente ao longo da estrutura, o que os torna sujeitos a danos pontuais.

Esses danos podem ser catastróficos, em grades áreas, em pequenos pontos ou apenas cosméticos. Se os danos não forem catastróficos, é fácil e rápido realizar reparos seguindo algumas instruções simples. No post dessa semana serão descritos os procedimentos para reparo de laminados sólidos, enquanto a próxima semana será dedicada às estruturas sandwich.

Se os danos forem cosméticos, é possível realizar o reparo facilmente com a aplicação de massas poliéster ou epoxy com cargas ou aditivos. Um detalhe importante nesse tipo de situação é a necessidade do uso de uma resina compatível com a estrutura original para que ela possa refletir as deformações e tensões que a nova estrutura será submetida.

No caso de reparos em pequenas regiões, é preciso realizar um tap test para verificar a extensão do problema. O tap test é basicamente um teste feito com um pequeno martelo de cabeça redonda para determinar as diferenças de ruído na estrutura e verificar a presença de delaminações no interior do laminado e assim poder mapear a extensão do reparo.  Feito isso, deve ser feita a limpeza da superfície com acetona ou outro solvente para garantir que todas as impurezas serão removidas. É importante permitir um tempo para que todo solvente evapore e não haja resíduos sobre a área que será relaminada.  Todas as partes soltas devem ser cortadas antes do início do lixamento, onde um chanfro em “V” deve ser feito em volta de todo o local.

A sua angulação do chanfro é determinada em função da espessura da peça, sendo geralmente de 12:1 em laminados de até 6 mm. Este valor aumenta progressivamente para 15:1 em espessuras maiores que 12 mm, podendo chegar a 20:1 em áreas críticas sujeitas a grandes pressões. Isto significa que em um laminado solido de 12mm vai ser necessário um chanfro que tenha uma aresta para laminação secundaria de 180mm.  

Após o lixamento, a superfície deve passar por uma limpeza novamente. Nesse ponto, os procedimentos de reparo são um pouco diferentes em situações em que o construtor tem acesso a um ou aos dois lados do reparo.

Quando houver acesso por dois lados, o molde será temporário e pode ser construído em uma chapa de compensado ou MDF para que possa se curvar a geometria da embarcação, se necessário. A fixação pode ser feita com fitas ou com parafusos nas arestas e sua superfície deve ser preparada com desmoldante, para possibilitar a remoção depois que o reparo for finalizado.

Antes de iniciar a laminação, os tecidos devem ser pré-cortados e a resina deve ser catalisada. Os tecidos devem ser combinados ou intercalados com manta, em quantidade suficiente para o reparo ser nivelado com a superfície. Tecidos biaxiais com orientação de [±45] são boas opções pela facilidade de moldagem, mas se o plano de laminação for conhecido, é ideal utilizar a mesma sequência do laminado estrutural ou ao menos combinar os tecidos para o reparo apresentar a mesma rigidez do restante do barco.

A resina mais recomendada para reparos estruturais é a epoxy por possuir a melhor capacidade de adesão em qualquer superfície. Algumas resinas epoxy, especialmente aquelas curadas com poliamidas, tem baixa resistência mecânica extremamente baixa embora tenham um baixo custo. As melhores opções de resina epoxy são aquelas curadas com aminas e que tem uma proporção de mistura de 3:1 (300gr de resina para 100gr de endurecedor).

Com os tecidos pré-cortados e o molde em sua posição preparado com desmoldante, é possível começar a laminação com uma camada de manta sobre a área a ser reparada. Esta camada tem a finalidade de garantir que o reparo estrutural fique devidamente ancorado. Os tecidos estruturais então devem ser laminados em escala, ou seja, se o chanfro for de 120 mm e foram necessárias quatro camadas de tecido biaxial, cada camada deve sobrepor a anterior em 30 mm.

O reparo em regiões de grandes espessuras deve ser feito em etapas, não ultrapassando 4 mm por vez. Isso garante que não haja pontos de alta concentração de exotermia (calor), o que poderia prejudicar a cura ou as propriedades do laminado ao redor do reparo. Após a laminação das camadas de tecido, o construtor pode utilizar uma camada de peel ply para preparar a superfície para os processos de acabamento.

Depois da cura, é possível retirar o molde do lado interno e iniciar o reparo nessa região. O processo de lixamento deve ocorrer após a limpeza da superfície, mas o chanfro pode ter apenas metade da proporção anterior e são necessárias apenas 30% das camadas externas.

Se não houver acesso pelos dois lados, é importante que o molde não seja preparado com desmoldante, porque ele não será retirado após o fim do reparo. Portanto, deve ser fabricado com material compatível com a resina de reparo.

Grandes reparos devem ter a preocupação com manter a fidelidade da geometria original. Idealmente, o molde em que o barco foi construído deve ser utilizado para construção das novas superfícies, mas o bordo oposto do casco pode ser utilizado também ou, se não for possível, moldes temporários podem ser construídos em espumas PVC.

Os procedimentos para reparos em laminados sandwich serão explorados próxima semana, mas é possível encontrar mais detalhes sobre isso e sobre reparos em laminados sólidos no livro Manual de Construção de Barcos.

A mobília não faz parte dos elementos primários que garantem a segurança estrutural de embarcações, mas é um dos fatores que adiciona peso e esforços desnecessários ao casco e pode se beneficiar com uma construção mais eficiente utilizando materiais compostos.

As placas de compensado naval que são tradicionalmente utilizadas têm um peso médio de 15 kg/m² e não são a opção mais eficiente disponível para o construtor. Além de ser um material pesado hoje em dia, tem um custo consideravelmente alto se as placas forem de qualidade e resistirem bem ao ambiente marinho. Uma alternativa para construção de mobiliário são painéis sandwich com núcleo de espuma PVC.

A versatilidade das espumas permite o uso de placas sólidas GSP ou com cortes do tipo DCI. Nas placas sólidas, as faces de fibra de vidro podem ser coladas utilizando vacuum bagging, enquanto as placas DCI podem ser utilizadas para fabricação dos eficientes painéis k-lite,também utilizados no método Power Flex para a construção de cascos, conveses e anteparas estruturais.

Mobiliários leves e forrações podem ser construídos com espumas de espessuras entre 6 e 10 mm, enquanto peças maiores e pisos levam espumas entre 10 e 15 mm. As faces não precisam ter mais que 1 mm de espessura, o que pode ser alcançado utilizando um tecido de ado de 800 g/m². O resultado é que um painel sanduíche com núcleo de PVC tem o peso final igual a 1/5 das placas de madeira de compensado naval, além de apresentarem uma facilidade de processamento muito maior.

Barcos de regata, que priorizam o desempenho em relação ao custo, podem utilizar faces construídas com tecidos de 400 a 600 g/m² ou recorrer aos núcleos honeycomb. Nesse caso, o núcleo de polipropileno deixa a desejar por apresentar propriedades específicas inferiores as das espumas de PVC e exigir o uso de resina epoxy, que encarece e complica o processo de construção. Já os honeycombs de Nomex^® são uma opção interessante pela possibilidade de produzir painéis de 1 kg/m² quando as faces são construídas com tecido de fibra de carbono de 200 g/m².  

É possível fabricar esses painéis por meio do processo de laminação a vácuo com resina epoxy ou ainda utilizando tecidos de prepreg. Apesar do alto custo relacionado a essa estratégia, algumas toneladas são eliminadas em um barco de 80-100 pés.

A redução de peso da mobília por meio do uso de materiais compostos pode trazer uma série de benefícios para embarcações de recreio e regata. A começar pela economia de combustível ou aumento da capacidade de carga e até mesmo melhora na estabilidade da embarcação a partir da eliminação de pesos nos conveses superiores.