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Quando uma estrutura é submetida a um carregamento, uma série de forças internas surgem e criam tensões normais e de cisalhamento como resposta. Essas tensões determinam os requisitos de resistência que uma estrutura deve apresentar.

A Figura 1 apresenta um painel sandwich com núcleo de espessura c e faces de igual espessura t como os utilizados em estruturas náuticas.  A distribuição das tensões normais em um painel como esse submetido a esforços de flexão pode ser representada das três maneiras apresentadas na Figura 2.

A Figura 2 mostra uma simplificação da distribuição da tensão normal onde é possível ver que as faces suportam a força normal com módulos opostos, indicando que uma delas está sob tração e a outra sob compressão.

A primeira hipótese utilizada para elaborar esse modelo é de que E_c << E_f, o que significa que o módulo de elasticidade E_c do núcleo é muito menor do que o módulo de elasticidade E_f das faces. Quando se trata de tensões normais de tração e compressão, esse fato é realmente verdadeiro para painéis sandwich com núcleos de espuma e faces e laminado sólido. A outra hipótese é de que a espessura t das faces é muito menor que a espessura c do núcleo, se tornando desprezível.

Sendo essas hipóteses verdadeiras, é possível estimar a intensidade da tensão normal máxima de acordo com a expressão:

Onde M é a intensidade do momento fletor que atua na seção transversal e D é a rigidez do painel, que pode ser calculado como indicado nesse post. O módulo de rigidez E_f pode ser estimado por meio da micromecânica.

Agora a Figura 3 ilustra uma representação da tensão de cisalhamento que considera as mesmas hipóteses utilizadas no caso anterior, mostrando que o cisalhamento máximo ocorre no material de núcleo. Na realidade, seu valor máximo é alcançado na altura da linha neutra da seção transversal e pode ser calculado pela expressão:

Onde Q é a intensidade da força cortante e b é a largura do painel, como ilustrado na Figura 1. É interessante observar que, enquanto a tensão normal é máxima nas extremidades do painel, a tensão de cisalhamento atinge seu pico na altura da linha neutra da seção transversal.

O projetista deve dimensionar o material de núcleo para suportar as tensões de cisalhamento e as faces para suportar os esforços normais. As expressões apresentadas aqui são aproximações que podem ser utilizadas como requisitos mínimos de projeto quando associados com uma abordagem de projeto probabilística ou determinística.  A qualidade das informações que podem ser obtidas com base nessas expressões depende da fidelidade das hipóteses adotadas com a realidade e da precisão com que foi possível determinar o carregamento que atua na estrutura.

O post da última semana definiu as tensões axiais e de cisalhamento, além de descrever que a combinação delas forma esforços de flexão em uma estrutura. Essas tensões são a resposta de um corpo rígido a uma carga aplicada durante sua operação e elas definem qual a resistência que o material utilizado para construção de uma estrutura deve ter.

Para calcular a intensidade dessas tensões é necessário antes entender os conceitos teóricos de força cortante e momento fletor. Para isso, considere o exemplo da viga apoiada em dois apoios verticais rígidos de forma que suas extremidades possam rotacionar. Imagine também que existe uma força de intensidade P sendo aplicada no meio do comprimento do seu vão livre, como indicado na Figura 1.

Para que essa viga esteja em equilíbrio, a soma das forças que atuam nos apoios deve ser igual a força P que está sendo aplicada. Então, cada apoio exerce na viga uma força de intensidade P/2 que aponta para cima, como apresentado na Figura 2.

Como resposta à essas forças aplicadas a viga, existe uma série de forças internas e momentos que estão atuando em seu interior e criando tensões, como indicado na Figura 3 que apresenta uma seção de comprimento a.

Como a viga está em equilíbrio estático, a soma das forças que atuam no corpo deve ser igual a zero. Então atuando na seção A-A da viga existe uma força cortante Q de intensidade igual a P/2 e sentido oposto. Como a força de reação que atua no apoio ilustrado na Figura 3 também tende a rotacionar o corpo, a seção A-A ainda conta com um momento fletor de intensidade igual a P.a/2 que resiste à essa rotação.

A distribuição da força cortante ao longo do comprimento da viga é apresentada no Gráfico 1. Como a força aplicada na estrutura é pontual, a força cortante que atua nas seções é constante e só muda sua orientação após o ponto de aplicação da força.

No caso de uma estrutura sandwich constituída de duas faces de fibra e um material de núcleo de baixa densidade, a intensidade da força cortante está diretamente relacionada com o módulo de cisalhamento que atua no material de núcleo, enquanto as tensões normais dependem da intensidade do momento fletor e atuam nas faces de fibra. 

No caso ilustrado na Figura 1, a intensidade do momento fletor se distribui de acordo com o ilustrado no Gráfico 2, alcançando um valor máximo no meio da viga, ponto onde a força é aplicada.

Esse exemplo permite ilustrar os conceitos de força cortante e momento fletor e quais os fatores que possuem mais influência nesses esforços internos que posteriormente ajudarão a determinar as tensões.  É possível destacar que o tipo de apoio, a largura L do vão livre e a intensidade e tipo de distribuição da força que atua na viga influenciam o comportamento da força cortante e do momento fletor.

Agora transferindo esses conceitos para embarcações que navegam em um regime hidrodinâmico, a força aplicada à estrutura é proveniente da atuação de pressões no fundo do casco. Essas pressões dependem do estado de mar em que se está navegando além da velocidade da embarcação. Em um processo de análise estrutural, o projetista deve encontrar a distribuição de forças equivalente que causa a mesma deflexão que essas pressões causam na realidade ou algo próximo disso. 

A largura L do vão livre está relacionada com o vão livre entre longarinas, transversais e anteparas, que são características do arranjo estrutural da embarcação que podem ser controladas pelo projetista. Elas são ajustadas para que a embarcação possa suportar as pressões que a navegação espera encontrar durante seu uso.

Todas essas características afetarão a intensidade das tensões normais e de cisalhamento que a estrutura deverá suportar. O post da próxima semana indicará equações matemáticas simplificadas para estimar esses esforços em estruturas sandwich.

O regime de navegação hidrodinâmico aplica pressões no fundo das embarcações que exercem um conjunto complexo de forças nas estruturas, que podem ser construídas em sandwich. Embora seja papel do projetista selecionar os materiais e as dimensões ideais para suportar esses esforços, é importante que o construtor conheça os principais conceitos sobre esse tema

Por essa razão, os próximos posts do blog vão definir os conceitos de tensões normais e de cisalhamento, como acontecem os carregamentos que as causam e mostrar um método matemático simplificado que fornece uma estimativa da magnitude desses esforços.

Antes disso, é importante definir o conceito de tensão que representa a resposta física que um corpo apresenta quando é submetido a uma força.  Medidas em N/m², as tensões podem se classificar como normais ou de cisalhamento.

Uma tensão normal surge quando uma carga é aplicada no eixo axial de um corpo, causando esforços de tração quando essa força o “estica” e compressão quando o contrário acontece.  Em uma estrutura sandwich, a maior parcela desses tipos de tensão é suportada pelas faces de laminado sólido.

Já os núcleos dos materiais sandwich suportam principalmente as tensões de cisalhamento, que surgem em um corpo quando ele é submetido à um par de forças que agem em lados opostos com a mesma magnitude, mas direções opostas.  

Dada a natureza da operação de embarcações, suas estruturas normalmente não estão submetidas a pura e simplesmente tração ou compressão ou cisalhamento. A realidade é que as cargas aplicadas pelo regime de navegação hidrodinâmica criam um regime de flexão, ou seja, uma das faces está submetida à tração, enquanto a outra está submetida à compressão e o núcleo sofre com tensões de cisalhamento.

O post da próxima semana vai ilustrar como as cargas de navegação criam as forças cortantes e momentos fletores que, por sua vez, criam as tensões que atuam nas estruturas sandwich.

Quando se fala sobre resinas poliéster, é muito comum destacar sua resistência química é muito baixa e a torna passível de degradação a partir da hidrólise. Mas o que é hidrólise exatamente e porque as resinas estervinílicas e epoxy não são tão suscetíveis a esse fenômeno.

O post da última semana informou que a formulação das resinas poliéster é feita a partir da reação de um ácido e um álcool que formam ésteres e eliminam água, formando uma pasta que é posteriormente misturada com monômero de estireno que diminui significativamente a viscosidade.

Essa reação possui um equilíbrio dinâmico, o que significa que pode ser revertida. Então, assim como muitos outros elementos na natureza, as moléculas de ésteres são propensas a retornar para o seu estado original e se separar para formar moléculas de álcool e ácido. Essa reação reversa de separação é chamada de hidrólise e um paralelo pode ser traçado com a oxidação dos metais.

Como seu nome sugere, as resinas poliéster são formadas por um conjunto de ésteres que se repetem ao longo de toda a cadeia polimérica e cada uma dessas moléculas é passível de sofrer hidrólise e perder a integridade estrutural quando está em contato com água.

Essa perda de integridade permite que a água permeie o laminado e enfraqueça a ligação da resina com as fibras, causando a delaminação dos dois elementos. É possível também que a adesão entre as faces de laminado e o núcleo de um painel sandwich fique prejudicada ou, pior ainda, o núcleo pode se deteriorar com a água se for de qualquer espécie de madeira ou até de espumas de células abertas. 

As resinas poliéster apresentam a menor resistência química entre as termofixas mais utilizadas porque estão sujeitas ao fenômeno de hidrólise ao longo de toda a sua cadeia. As estervinílicas apresentam as moléculas de éster apenas nas pontas das suas cadeias, o que diminui os pontos de ataques e aumenta sua resistência química. As epoxy são ainda mais resistentes porque sua composição química não conta com moléculas de ésteres.

Apesar de os ésteres ao longo das cadeias das resinas poliéster tornarem sua resistência química um problema quando se trabalha com núcleos de madeira ou espumas de célula aberta, isso não impede seu uso na construção náutica, sobretudo quando se utiliza núcleos de espuma PVC. Em estruturas em contato direto com a água, um recurso muito utilizado é o skin coat laminado com resinas estervinílicas.

É muito comum que posts no blog destaquem que a combinação de resinas poliéster e espumas de PVC são a opção de melhor custo benefício para construção náutica. As células fechadas desse tipo de núcleo contornam o ponto negativo de que as resinas poliéster possuem baixa resistência química e o conjunto entrega excelentes propriedades mecânicas para embarcações que navegam em regime de planeio. Sendo a resina poliéster um elemento tão importante da construção náutica, é necessário explicar como ela é formulada e quais são os principais tipos a disposição do construtor.

As resinas poliéster são formadas a partir de um processo chamado de esterificação, que é a reação química entre um ácido e um álcool que resulta na formação de um éster e uma molécula de água. O resultado dessa reação é uma pasta viscosa que é misturada com um solvente chamado estireno, que torna a resina um líquido e acaba tomando parte na molécula final da matriz polimérica após a cura.

 

O monômero de estireno é um tipo de molécula que possui uma estrutura química chamada benzeno, ou anel aromático. Como indicado na Figura 1, a junção do poliéster insaturado com o monômero pela ação de um catalisador forma o poliéster curado. A posição das cadeias de poliéster em relação ao anel aromático dá origem à diversos tipos de resina poliéster, dentro os quais vale destacar as resinas ortoftálicas e isotftálicas.

As ortoftálicas são muito utilizadas para laminação, mas suas propriedades mecânicas e químicas são bastante pobres porque é muito difícil obter polímeros de alto peso molecular já que suas cadeias são bastante curtas. Na prática, isso significa que esse tipo de resina possui um preço baixo, mas vai permitir que a água ataque suas moléculas e permeie o laminado, causando a delaminação ou separação física da resina com a fibra ou com o material de núcleo.

 

Uma solução com melhores propriedades são as resinas poliéster isoftálicas. Suas móleculas, apresentadas na Figura 3, são mais longas e permitem uma absorção melhor dos impactos e, consequentemente, melhores propriedades mecânicas. Em adição a isso, elas apresentam maior resistência térmica, o que significa um aumento de Tg e diminuição de fenômenos como o print-thru.

 

Como a diferença do custo dessas duas opções não é muito discrepante e as propriedades são significativamente melhores, as resinas poliéster isoftálicas são muito utilizados para construção náutica. Em combinação com Neo Pentil Glicol, sua resistência química é inclusive boa o suficiente para formulação de gelcoats.

A definição de resistência química em uma resina termofixa, assim como do fenômeno de hidrólise, será feita no post da próxima semana. Para saber mais sobre os diferentes tipos de resina poliéster, é possível consultar o livro Manual de Construção de Barcos.

Os tecidos bidireicionais conseguem preservar o alinhamento e orientação de seus filamentos de maneira muito mais eficiente do que laminados construídos com manta ou com fios picados, apesar de apresentarem propriedades mecânicas inferiores quando comparados com os tecidos multiaxiais.

Embora os tecidos biaxiais tenham ganhado muita popularidade para a fabricação de barcos, os tecidos bidirecionais de alta gramatura (300-400 g/m²) ainda são muito utilizados para construção de barcos de alta performance como kayaks e barcos de competição a vela. Os tecidos de baixa gramatura (150-200 g/m²) são muito utilizados para trabalhos de acabamento superficial, sendo capazes de criar uma camada com maior teor de resina além de proporcionar uma excelente aparência estética para peças que mantém a trama aparente.

Sua construção conta com filamentos de fibra (de vidro, aramida e carbono) tramados nas direções 0° (urdume) e 90° (trama) e a maneira como são tramados influencia o comportamento do tecido durante a laminação e as propriedades mecânicas finais do laminado. A trama plana é a mais comum, com um cabo passando por cima do outro alternadamente como mostra o esquema da Figura 1. Uma variação que também aparece no esquema é a trama basket, que utiliza um par de fios (2×2) para tecer a trama plana.

Esses dois tipos de tecidos bidirecionais são balanceados e se forem bem fabricados, apresentarão uma porosidade baixa (poucos espaços vazios entre os filamentos), o que pode ser uma vantagem quando se deseja fabricar laminados com um teor de fibras mais alto, entretanto esse tipo de trama apresenta baixa conformabilidade, o que torna sua laminação difícil em moldes com geometrias complexas ou dupla curvatura.  

Quando enfrenta esse tipo de situação, o construtor pode recorrer às tramas Twill e Satin, que se acomodam bem em regiões com curvaturas proporcionando tambem um alto teor de fibras. A configuração mais comum de trama Satin, ou sarja, é quando cada cabo cruza de cinco a oito cabos perpendiculares à trama, criando um aspecto cosmético muito interessante para aplicações onde a trama fica aparente.

Já a trama Twill é identificada facilmente pelo padrão diagonal que também é bastante utilizado em aplicações com trama aparente. O tipo mais simples é construído em 2×1, o que significa que a cada dois cabos da trama são atravessados por um cabo do urdume.  Quanto mais cabos forem utilizados na direção do urdume, mais diagonal será a inclinação.  

Por fim, apesar dos tecidos bidirecionais não possuírem a mesma eficiência estrutural que tecidos multiaxiais, continuam sendo boas opções para diversas aplicações. A maneira que seus filamentos estão arranjados configuram sua trama, que tem influência direta em suas características de estabilidade, porosidade, teor de resina e conformabilidade. É possível encontrar mais informações sobre os tecidos bidirecionais no livro Métodos Avançados de Construção em Composites.

Frequentemente os agentes desmoldantes são citados em posts do blog como uma das primeiras etapas da construção das embarcações, então é importante destacar quais são as opções a disposição do construtor e a importância desse elemento que possui profunda influência na qualidade final da peça, na preservação do molde e no tempo de produção.

O agente desmoldante é o primeiro produto a ser aplicado no molde, antes mesmo do gelcoat. Sua função é proteger a superfície do molde e garantir que a estrutura seja facilmente removida com a menor tensão de desmolde possível.

As principais características de desempenho de um agente desmoldante são o tempo de aplicação e o treinamento necessário que os operadores precisam para preparar o molde antes de cada laminação, a quantidade de ciclos de desmoldagem antes de ser necessário reaplicar o produto, a contaminação da peça final e a compatibilidade com todos os materiais do molde e do laminado.

As opções disponíveis no mercado se dividem primeiramente em agentes internos e externos. Agentes internos funcionam com a dissolução de produtos como ésteres de ácidos graxos, estearatos metálicos e ceras nas resinas termofixas. A teoria é que esses produtos migram para a superfície do molde durante a cura da resina, criando um filme de separação entre a peça laminada e o molde, garantindo a desmoldagem e economizando muito tempo ao remover a etapa de aplicação do release agent.

Porém, na prática ainda não existem agentes desmoldantes internos que tenham eficiência o suficiente para que os agentes externos sejam eliminados e, por essa razão, ainda não são muito populares especialmente na indústria náutica, que trabalha principalmente com três tipos de desmoldantes externos: ceras, PVA e semi-permanentes.  

Ceras de carnaúba são opção de melhor custo-benefício a disposição dos construtores e possuem fácil aplicação, apesar de consumir algum tempo. Depois da limpeza do molde, a cera deve ser aplicada com movimentos circulares e depois polida. Para moldes novos, essa etapa deve se repetir entre 5 e 10 vezes e depois a cada desmoldagem. Inevitavelmente, resíduos de cera ficarão aderidos ao laminado e uma etapa de limpeza é necessária antes de continuar a fabricação da embarcação.

O desmoldante PVA é um líquido a base de álcool polivinílico de baixa viscosidade. Depois de sua fácil aplicação, álcool e água evaporam deixando apenas um filme uniforme resistente a solventes e ao estireno que adere completamente à peça após o desmolde. A dissolução desse filme deve acontecer por meio da lavagem da peça com água antes de continuar os demais processos de construção.

Esses dois sistemas desmoldante são chamados de camadas de sacrifício, já que criam uma barreira física entre o molde e o laminado. Isso faz com que seja necessário um processo de limpeza das peças e/ou do molde, além da reaplicação do produto a cada processo de laminação, criando duas etapas que aumentam o tempo de produção. Uma maneira de reduzir esses pontos negativos é a utilizados de sistemas semi-permanentes, que podem suportar múltiplas desmoldagens.

É importante deixar claro que o desmoldante líquido é apenas uma das partes que compõe um sistema semi-permanente, que começa com a limpeza do molde e segue com a aplicação de uma solução primer e de um selante para então ser possível aplicar o desmoldante. Seu princípio de funcionamento é a criação de um filme inerte e durável quimicamente ligado à superfície do molde, garantindo múltiplas desmoldagens e evitando a contaminação do laminado.

Em geral, os construtores náuticos trabalham com agentes desmoldantes externos e as ceras de carnaúba são a opção de melhor custo-benefício em curto prazo, especialmente em projetos one-off. Fabricantes de embarcações seriadas podem recorrer às soluções semi-permanentes que, apesar de apresentarem um custo mais elevado e necessitarem de maior treinamento dos colaboradores, oferecem uma grande economia de tempo de aplicação e processamento da peça após o desmolde, maximizando a produtividade.

O gelcoat é um elemento importante não só na construção de embarcações, mas também na fabricação de peças que utilizam materiais compostos e precisa de um primoroso acabamento e alta resistência ao meio ambiente. Além de ter conhecimento sobre as sensíveis etapas de aplicação é importante que o construtor saiba quais os elementos que compõe a formulação de um gelcoat para que saiba o que procurar quando precisar adquirir o produto.

Gelcoats são formulados a partir de resinas termofixas combinadas com uma série de cargas minerais. Naturalmente, sua cura é promovida pelo endurecedor ou catalisador da resina utilizada. Apesar de diversas opções formuladas a partir de resinas epoxy estarem disponíveis, a construção de barcos utiliza quase exclusivamente gelcoats à base de resinas poliéster, que aderem bem aos laminados típicos utilizados nesse tipo de estrutura, além de apresentarem o melhor custo benefício.

Porém, nem todas as resinas poliéster são adequadas para essa aplicação. Como o gelcoat é a camada mais externa de um laminado, ele também é o elemento estrutural que mais tem contato com as condições extremas do meio ambiente e precisa ter alta resistência química para evitar que o fenômeno de osmose permita a entrada de água no laminado estrutural, que com o tempo pode afetar a estrutura do casco. Para esta finalidade as formulações de gelcoat na industria náutica utilizam quase que em sua totalidade as resinas isoftálicas.

É necessário observar que as resinas isoftálicas ainda apresentam o problema de baixa capacidade de alongamento o que significa que, se os paineis da embarcação tiverem deformacoes excessivas, o gelcoat podera apresentar rachaduras em sua superficie ao longo do tempo.

Uma solução é preparar uma mistura (blend) com resinas flexíveis, mas a consequência desta ação é justamente aumentar a absorção de água e facilitar o processo de formação de bolhas. É necessário encontrar um equilíbrio e a melhor solução é uma mistura de resina isoftálica com NPG (neo-pentil-glicol).

Posts anteriores indicaram que a aplicação do gelcoat pode ser realizada pela pintura a rolo ou por spray, destacando que a última opção é melhor e mais popular e utilizada por construtores profissionais. Os requisitos de viscosidade desses dois métodos variam drasticamente, portanto a formulação do produto também vai variar e o construtor deve buscar opções adequadas para o seu mecanismo de aplicação.

Outra questão importante na formulação do gelcoat é o balanço de cargas utilizado, que controla a viscosidade, tixotropia, as propriedades mecânicas, a contração, entre outras características.

A tixotropia é ajustada utilizando cerca de 2% ou 3% de cargas minerais formuladas a base de sílica. A contração de resinas poliéster pode alcançar até 8% e, se o gelcoat não for bem formulado, pode causar print-thru não apenas na desmoldagem da peça, como ao longo do seu ciclo de vida. Especialmente quando combinados com corantes de cores escuras que absorvem mais calor. Nestes casos é comum que as impressões das fibras apareçam no casco após alguns meses ou anos.

Para proteger o acabamento da ação dos raios ultravioletas, inclusive, é possível incluir filtros que evitam o amarelamento da superficie, conservando o aspecto original da peça.

Por mais que seja possível elaborar um gelcoat em um estaleiro da mesma forma que se formula uma massa de acabamento, a qualidade e uniformidade das opções disponíveis do mercado são incomparáveis. O construtor pode encontrar uma solução para cada uma das suas necessidades e deve conhecer os elementos do produto apenas para fazer a melhor escolha possível.

O principal requisito de qualquer projeto construído a partir de qualquer tipo de material é a capacidade de suportar determinada carga sem falhar e garantindo a integridade e segurança de seus usuários.

O processo de projetar estruturas e determinar as cargas atuantes sobre elas carrega simplificações e incertezas por natureza. Existem algumas maneiras de garantir a segurança da estrutura mesmo com essas incertezas e a mais tradicional delas é um modelo chamado de determinístico, que faz uso de fatores de segurança.

O fator de segurança, utilizado na Força Aérea dos Estados Unidos desde de a década de 1930, é um número que multiplica as cargas de projeto ou tensões máximas que um material deve suportar, dessa forma fazendo com que a estrutura seja superdimensionada e suporte condições não previstas em projeto.

Essa abordagem funciona muito bem para materiais isotrópicos que possuem comportamento bem determinado e modos de falha previsíveis, como é o caso dos metais. O comportamento de materiais compostos é mais disperso e os modos de falha são muito mais complexos, o que pode fazer com que os fatores de segurança diminuam a eficiência de uma estrutura sem de fato garantir a sua segurança.

O Gráfico 1 compara a resistência à tração de um material metálico e de um composite. Diversas amostras foram testadas para que fosse possível delinear o comportamento desses materiais nesse formato e fica claro que a resistência à tração de um material metálico varia muito menos do que a de um composite. 

Com esse comportamento disperso, utilizar fatores de segurança pode não garantir a segurança da estrutura, então uma abordagem probabilística de projeto é muito mais eficiente.

A teoria de probabilidade foi concebida em meados do século XVII, quando o físico, matemático e inventor Blaise Pascal foi desafiado a resolver uma charada: como seria possível igualar as chances de vitória de um jogo de sorte inacabado se um dos jogadores já estava liderando a disputa?

Em colaboração com seu amigo advogado e matemático Pierre de Fermat, Pascal descobriu a teoria da probabilidade e pela primeira vez na história uma pessoa poderia tomar decisões futuras com base em números de acontecimentos passados. Pelos próximos cem anos, matemáticos como Gauss e Bernoulli refinaram essa teoria e a tornaram um poderoso instrumento que hoje é base do projeto probabilístico de materiais compostos.

A ideia da abordagem probabilística é mapear todos os acontecimentos de um projeto em forma de uma curva de probabilidade e determinar uma probabilidade de falha aceitável. O Gráfico 2 exemplifica esse conceito, mostrando a resistência à tração de um laminado definida pela curva à direita e as cargas do projeto definida pela curva à esquerda. A probabilidade de falha é representada pela interseção entre as duas curvas, destacada em azul.

O processo de determinação dessas curvas características utiliza uma combinação de teoria e muitos ensaios mecânicos. A determinação de uma probabilidade de falha aceitável depende do tipo de projeto e, muitas vezes, é especificada em normas de sociedades classificadoras.

Esse tipo de estratégia é capaz de garantir a segurança de uma estrutura diminuindo sua probabilidade de falha a níveis aceitáveis para determinada aplicação. Isso é realizado levando em consideração os mecanismos de falha e funcionamento mecânico mais complexos dos materiais compostos, evitando que eles percam sua eficiência estrutural ao utilizar fatores de incerteza que foram concebidos para materiais isotrópicos.

O post da última semana explicou as etapas da construção de plugs e modelos, destacando o quanto o processo de acabamento é importante para qualidade dos moldes e das peças finais construídas a partir dessas estruturas. A verdade é que essa etapa é de extrema importância em qualquer peça laminada e dedicar a devida atenção para essa fase evita múltiplas horas de retrabalho que além de prejudicarem consideravelmente o ritmo de produção, aumentam o custo final das peças.

O gelcoat é a primeira camada de material aplicada ao molde depois da cera desmoldante, ou seja, é o primeiro passo na construção do laminado e apesar de não contribuir estruturalmente, além do acabamento possui a função de fornecer resistência química à embarcação. É um produto à base de resina poliéster combinada com uma série de cargas minerais para que seja possível alcançar as propriedades adequadas, incluindo viscosidade, tixotropia, coloração e resistência química.

A aplicação do gelcoat é um processo muito sensível que exige um bom aplicador, material de qualidade e equipamentos adequados submetidos periodicamente às atividades contidas no plano de manutenção. Existem muitos detalhes envolvidos nesta etapa para que seja possível garantir o melhor resultado possível.

O primeiro ponto importante é a formulação, que será detalhada em um post no futuro. De qualquer forma, o que o construtor deve ter em mente é que dificilmente conseguirá a uniformidade e a qualidade desejada formulando por si próprio o gelcoat, principalmente sem nenhuma experiência prévia. Existem excelentes opções no mercado para construção de embarcações, assim como linhas exclusivas para plugs, modelos e moldes que atenderão bem as necessidades de qualquer estaleiro.

A pistola utilizada para a aplicação do material também tem detalhes que devem ser observados cuidadosamente. Apesar de ser possível aplicar o gelcoat com pincéis e rolos de pintura, a qualidade do resultado final não tem comparação com a aplicação utilizando uma pistola ligada à uma rede de ar comprimido com bico de 4 mm. Pistolas de calibres menores não permitem a passagem de líquidos com a viscosidade do gelcoat, prejudicando sua deposição na peça.

Existem alguns modelos de pistola, incluindo as que conseguem gerenciar a mistura do gelcoat com o catalisador MEKP durante a aplicação, semelhante à lógica utilizada no processo de spray-up. Outra opção são as pistolas de caneco invertido onde o gelcoat já entra no recipiente catalisado e é aplicado dessa maneira.

É importante também utilizar a quantidade adequada de catalisador indicada pelo fabricante, entre 1% e 2% em peso. Quantidades menores podem não fornecer a energia necessária para completar a cura e quantidades maiores podem criar pontos de alta temperatura e causar defeitos na superfície da pintura.

O aplicador deve ter destreza e experiência o suficiente para conseguir alcançar a espessura de 0,6 mm com uma variação de dois décimos de milímetro, o que equivale a aproximadamente 0,8 a 1,0 kg/m² de gelcoat depois da aplicação das múltiplas camadas do produto. Espessuras maiores do que as mencionadas podem causar o surgimento de defeitos de enrugamento, que deverão ser reparados e repintados antes do polimento.

Inclusive, lixar e polir o gelcoat é uma atividade bastante trabalhosa. Para facilitar esse processo, a primeira camada de gelcoat deve ser misturado com uma solução de estireno com parafina. A parafina é um hidrocarboneto que não possui afinidade com a resina poliéster e, portanto, não se mistura quimicamente com o gelcoat. Após a aplicação, ela tende a migrar para superfície do laminado e formar uma pequena película que evita a oxidação do gelcoat, favorece sua cura e facilita muito o processo de lixamento e acabamento. Portanto, seu uso é indispensável e economiza horas de trabalho em acabamento.

A solução parafinada de estireno contém um teor de parafina que varia entre 12 e 15% e pode ser adquirida já pronta para uso. Os fabricantes de gelcoat normalmente possuem instruções sobre a quantidade de solução a ser misturada, mas esse valor fica em torno dos 5%.

Esses são alguns dos detalhes relacionados à aplicação de gelcoat em modelos e plugs, mas que podem ser adotados também para aplicação e acabamento do gelcoat em moldes e peças finais. Mais detalhes sobre esse processo podem ser encontrados no livro Manual de Construção de Barcos.

Após adquirir o projeto de uma embarcação, o construtor tem algumas questões a analisar antes de iniciar o processo de fabricação. Se ele não for utilizar métodos como Power Flex ou Strip Planking em espuma PVC, a primeira dessas questões será a escolha entre a construção de um plug, modelo ou molde temporário.

Modelos e plugs são conceitos muito similares em aspectos práticos, mas que possuem uma diferença em suas dimensões e servem dois tipos de propósitos. Os plugs são utilizados para construção de projetos one-off, ou de poucas unidades, e possuem as dimensões moldadas das embarcações, ou seja, as dimensões finais descontadas da espessura da estrutura.

Já um modelo possui as dimensões finais da estrutura e representa uma etapa intermediária que permite a construção de uma forma, ou molde fêmea, que por sua vez é utilizada para construção de embarcações em série. Apesar da diferença conceitual entre o plug e o modelo, a maneira de construí-los é bastante semelhante e começa com a montagem do picadeiro e posicionamento das balizas.

Atualmente, a maneira mais eficiente de construir as balizas é a partir do corte de chapas de compensado ou MDF em CNC, extraídas do modelo tridimensional do casco. Dessa forma é possível reproduzir fielmente a geometria desejada e em um intervalo de tempo muito menor do que seria necessário para riscar as chapas de compensado manualmente.

Com as balizas posicionadas, qualquer material pode ser utilizado para construção dos plugs e modelos, mas a madeira é a opção mais popular. O construtor deve ter em mente que essas estruturas devem ser preparadas para ter o peso de um molde ou de uma embarcação sobre elas e, portanto, devem ser bastante robustas.

Longitudinalmente, são então posicionados sarrafos de madeira simulando virotes de tamanho real, utilizando técnicas como a de strip-planking ou cold-molded. No caso de algumas grandes lanchas, se utiliza até mesmo compensado naval ou a combinação das três técnicas.

É importante que tanto o plug quanto o modelo continuem por alguns centímetros além da borda livre da embarcação para que o molde ou embarcação possam ser construídos com uma espessura constante até o fim. Uma boa prática é marcar uma linha ou flange para que seja possível retirar o laminado adicional com facilidade quando as peças forem retiradas do molde.

Depois de recobrir toda a superfície do plug ou modelo, é necessário cobrir toda a estrutura com uma massa de acabamento. Esta etapa é fundamental para a qualidade final e qualquer imperfeição nessa superfície acarretará em múltiplas horas de retrabalho, sobretudo se forem reproduzidos em um molde para fabricação de embarcações em série.

Depois da aplicação da massa e lixamento para alcançar a carenagem desejada, o próximo passo é aplicar as demãos de gelcoat ou tintas do tipo PU ou epoxy. Esse processo é bastante sensível para o sucesso da peça final e, dessa forma, o post da próxima semana discutirá esse assunto.

O sistema de vácuo é peça central para o sucesso da infusão à vácuo. O blog já discutiu diversas vezes múltiplas estratégias para a posicionar as linhas de vácuo e de resina, como realizar drop tests e detectar vazamentos no molde, mas a realidade é que para que tudo funcione de maneira adequada o construtor deve possuir bombas e filtros adequados e possuir clareza sobre quais são as funções que eles exercem em cada um dos métodos construtivos.

A bomba é o centro da rede de vácuo e ela deve ser capaz de retirar uma quantidade suficiente de ar do sistema para criar um gradiente de pressão adequado para infusão ou qualquer que seja o processo construtivo utilizado. Devido à confiabilidade, o construtor deve optar por bombas elétricas em relação às que são movidas por ar comprimido, embora as últimas possam ser utilizadas para peças pequenas e alguns reparos. Além disso, deve ser priorizado o uso de bombas de alto vácuo em relação às de alta vazão.

A vazão, ou velocidade que a bomba é capaz de retirar ar do sistema, é importante e não deve ser negligenciada, mas a capacidade de alcançar pressão próxima de 1 atm, ou 760mmHg, deve ser prioridade. Uma bomba com 25 m³/h de vazão é ideal para peças com até 20 m², mas vazões de 50 e 100 m³/h podem facilitar a remoção inicial de ar e agilizar o fechamento da bolsa de vácuo.

É muito comum que os fabricantes informem a vazão da bomba em unidades de CFM, ou pés cúbicos por minuto (cubic feet per minute). Para fins de comparação, 1 CFM equivale a 1,7 m³/h, então, o construtor deve procurar uma bomba de 15 CFM para alcançar a vazão de retirada de ar de 25 m³/h.

Existem opções de bombas refrigeradas a óleo e a ar, mas essas últimas SÓ conseguem alcançar um gradiente de pressão de até 0,8 atm, impedindo seu uso em processos de infusão a vácuo mas permitindo que sejam utilizadas para fabricação com a técnica de vacuum bag

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Para equalizar a remoção do ar e proteger a bomba de impurezas saídas do laminado, é essencial o uso de filtros popularmente conhecidos como traps (armadilha). Os traps possuem uma entrada para a bomba de vácuo e outra que se conecta a uma mangueira ligada à linha de vácuo montada no laminado. Dessa forma, qualquer impureza que deixar o laminado irá para lá antes de ir para bomba, impedindo a contaminação do equipamento principal.

A entrada que se conecta ao laminado pode se dividir em múltiplas tomadas com o uso de um manifold, possibilitando a montagem de diversas linhas de vácuo na peça a ser infundida. Deve-se observar apenas a limitação de vazão da bomba para que todas as entradas sejam capazes de retirar o ar de maneira eficiente da peça.

Muitos construtores enxergam o trap como um depósito da resina que invade as linhas de vácuo quando a frente de resina a alcança antes do início da gelificação, mas isso é altamente indesejado durante a infusão. Retirar resina não curada do laminado significa um risco de deixar os tecidos secos e prejudicar a segurança estrutural da embarcação POIS  LOGO que a resina invade a linha de vácuo, a pressão de compactação diminui consideravalmente, prejudicando a qualidade final do trabalho.

Apesar de o trap ser uma linha de defesa de proteção da bomba de vácuo, é ideal para o processo de infusão que o construtor trabalhe com freios, ou regiões de baixa permeabilidade, antes das linhas de vácuo para que a resina não consiga alcançá-las antes de seu tempo de gel.

No caso do processo de vacuum bag, no entanto, o trap realmente exerce esse papel de armazenar o excesso de resina que deixa a peça durante o período de compactação, mas no processo de infusão ele é responsável por distribuir as linhas de vácuo na peça e não necessariamente receber a resina que sai da peça, até por que a quantidade de matriz utilizada no processo é determinada com base no teor de fibra desejado na estrutura final.

Portanto, o construtor deve buscar bombas de alto vácuo com refrigeradas a óleo alimentadas por energia elétrica para realizar infusões ou executar o processo de vacuum bag. Deve também ter em mente que a função do trap nesses dois processos varia e que deve-se trabalhar ativamente para evitar que a resina alcance a linha de vácuo durante o processo de infusão.