Baixar este arquivo PDF - Madeira: arquitetura e engenharia

Equipamento de ultrass
ultrassom
om para materiais não metálicos
Domingos Guilherme Pellegrino Cerri, Guilherme Ribeiro Gray e Raquel Gonçalves,
Gonçalves Faculdade
de Engenharia Agrícola – FEAGRI, Laboratório de Ensaios Não Destrutivos – LabEND, Universidade
Estadual de Campinas – UNICAMP. Campinas/SP
Campinas/SP. E-mail: [email protected],
[email protected]
[email protected] e [email protected].
[email protected].
Resumo: O USLab é um equipamento desenvolvido durante parceria de pesquisa entre a
Agricef Soluções Tecnológicas Inovadoras e a Faculdade de Engenharia Agrícola da
Universidade Estadual de Campinas, com foco na realização de ensaios não destrutivos em
madeira, concreto e materiais compósitos. O USLab baseia
baseia-se
se no ultrassom, técnica não
destrutiva de ensaios
ios mecânicos, que permite, por meio da velocidade de propagação de
ondas ou outros parâmetros dela decorrentes, classificar e inspecionar materiais e
estruturas. O USLab possui potência de 700 V, resolução de 0,1 µs e transdutores de
ultrassom, com encapsulamento
ulamento metálico, operando nas frequências de 20 a 1000 kHz. Este
equipamento vem sendo utilizado com êxito em avaliações de florestas nativas e plantadas,
em árvores urbanas e na classificação de madeiras, concreto, materiais derivados da
madeira e materiais
iais compósitos
compósitos.
Palavras-chave: madeira, propagação de ondas
ondas, materiais compósitos.
Abstract: The USLab is ultrasound equipment developed during the research between
Agricef and Campinas State University
University, with a focus on non-destructive
destructive testing of wood,
concrete and composite materials. The USLab based on ultrasound, nondestructive
technique for mechanical testing, which allows, by the velocity of waves propagation to
inspect materials and structures. The USLab has output power of 700 V, 0.1 µs resolution
and ultrasound transducers, operating at frequencies from 20 to 1000 kHz. This equipment
has been used successfully in assessments of natural and planted forests, in urban
u
trees
and in the classification of wood, concrete, timber products and composite materials.
Keywords: timber, wave propagation
propagation, composite materials.
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1. Introdução
Devido à estrutura interna, composta de elementos relativamente grandes quando
comparados, por exemplo, à estrutura cristalina dos metais, as aplicações de ultrassom na
madeira, no concreto e em materiais compósitos exigem o uso de transdutores de baixa
freqüência (20 a 1000 kHz) Bucur(2006)(1). Além disso, por se tratar
trat
de materiais
heterogêneos, com diferentes tipos de elementos constituintes, o sinal sofre grandes
atenuações durante o percurso fazendo com que o equipamento tenha que ter grande
potência para apresentar bons resultados em peças ou estruturas de grande porte Bucur
(2006)(1) . Dessa forma, os equipamentos usualmente utilizados para avaliações de materiais
metálicos não se adéquam à essas aplicações. Assim, o trabalho teve como objetivo
desenvolver um equipamento de ultrassom com características adequadas à avaliação de
materiais como madeira, concreto e materiais compósitos. O USLab é um equipamento
desenvolvido durante parceria de pesquisa entre a Agricef e a Faculdade de Engenharia
Agrícola da Universidade Estadual de Campinas e baseia
baseia-se
se no ultrassom, técnica
t
não
destrutiva de ensaios mecânicos, que permite, por meio da velocidade de propagação de
ondas ou outros parâmetros a ela associados, classificar e inspecionar materiais e
estruturas.
Métodos acústicos têm sido utilizados com sucesso em diversos p
países
aíses em avaliações
realizadas pelos setores florestais
florestais,, madeireiro, construção civil e vêm apoiando ou
substituindo, a cada dia e em mais aplicações, as avaliações visuais, uma vez que em
muitos casos as patologias, trincas, bolhas entre outros não estão visíveis Brashaw et al.
(2009)(2) .
No Brasil, amostragem obtida durante muitos anos de pesquisa permitiu a elaboração de
norma de classificação aplicada a madeira de dicotiledôneas NBR 15521 (2007)(3) . Ainda
para o caso da madeira o método também permite realizar inspeções Benoit (2006)(4) e
caracterização completa da madeira por meio da obtenção da matriz de rigidez, a qual
permite aceder aos doze parâmetros de engenharia que descrevem o comportamento
elástico desse material: três módulos de elasticidade longitudinais (EL, ER, ET), três módulos
de elasticidade transversais (GLR, GLT, GRT) e seis coeficientes de Poisson (µ
( LR, µRL, µRT, µTR,
µLT, µTL ) Bucur, V.; Archer, R.R. (1984
(1984)(5) , Preziosa, C.M.M.; Launay, J.; Gilletta, F.(1981)(6) ,
Trinca, A. J (2008)(7) .
No caso do concreto a metodologia também pode ser utilizada na caracterização, pois
permite a determinação do módulo de elasticidade longitudinal (E), módulo de elasticidade
transversal (G) e coeficiente de Poisson ((υ) Giacon Jr. M., (2009)(8) . Para esse mesmo
material o ultrassom também pode ser utilizado em inspeções, pois possibilita detectar
diferenças entre propriedades dos concretos EN 12504-4 (9) , Giacon Jr. et al.
al (2008) (10) .
A técnica também pode ser utilizada na avaliação de propriedades de compósitos e
materiais derivados da madeira Silva, S. A. M. ; Gonçalves, R.(2007) (11) , Morales et al.
(2007)(12) , os quais também exigem especificações especiais em termos de frequência
frequênci e
potência.
Diante das aplicações mencionadas o objetivo desse trabalho é apresentar o USLab,
equipamento desenvolvido em parceria de pesquisa, com características que permitem que
tais aplicações sejam realizadas com êxito, pois atendem às especificid
especificidades
ades dos materiais.
2. Material e métodos
Baseado em parâmetros de propagação das ondas de ultrassom em materiais não
metálicos como madeira, concreto, compósitos e derivados da madeira, obtidos na literatura
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e em ensaios de laboratório e campo, desenvolveu
desenvolveu-se
se protótipo de equipamento de
ultrassom que atende as especificidades de tais materiais e, dessa forma, permite a
obtenção de resultados adequados.
Os ensaios preliminares consistiram no condicionamento e manipulação do sinal de
ultrassom em diferentes materiais, que incluiu a amplificação, derivadas, filtros, análise
espectral, máximos e mínimos e análises estatísticas. Dessa forma foi possível configurar o
sistema para que desempenhasse todas as funções desejadas no protótipo, tanto as
funções de condicionamento e manipulação do sinal como as funções de interface com o
usuário.
Para construção do protótipo foram montadas as placas de circuito impresso e foram
desenvolvidos filtros para eliminação de ruídos de forma que o sistema realize as avaliações
dentro da faixa de frequência de interesse. Posteriormente foi desenvolvida a fonte de
alimentação de todo o sistema, parte fundamental e crítica para o bom desempenho do
equipamento para materiais altame
altamente
nte atenuantes como é o caso da madeira, do concreto,
de materiais derivados da madeira e de compósitos.
O protótipo foi então testado, primeiramente em laboratório onde foi ensaiada uma grande
quantidade de materiais em diferentes estados de degradação b
bem
em como uma grande
quantidade de corpos de prova de concreto com diferentes resistências. Posteriormente o
protótipo foi testado também em condição de campo, principalmente em florestas.
Após os testes uma nova versão foi desenvolvida e denominada USLab, a qual pode ser
transportada e utilizada em campo, pois contém bateria interna que possibilita autonomia de
até seis horas. Esta versão possui resolução de 0,1 µs e transdutores de ultrassom, com
encapsulamento metálico, operando em frequências de 20 a 100
1000
0 kHz excitados por uma
descarga capacitiva de 700 V. A fig. 1 mostra o a versão comercial do USLab,
comercializado pela Agricef.
Figura 1 - Equipamento de ultrassom USLab.
3. Resultados e discussões
A seguir são resumidamente descritas algumas pesquisas que vêm sendo desenvolvidas no
Laboratório de Ensaios Não Destrutivos (LabEND) da Faculdade de Engenharia Agrícola da
UNICAMP com o equipamento USLab:
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Detecção da existência e extensão de ocos em árvores vivas ou toras
toras: Pesquisas Najafi, S
K; Shalbafan,
albafan, A; Ebrahimi, G. (2009) (13) indicaram que ocos internos são a causa de mais
do dobro de perda de volume de madeira do que todos os outros defeitos juntos, tanto para
coníferas quanto para dicotiledôneas. Assim, a utilização de método que permita a detecção
desses ocos poderá ter grande importância para o setor florestal. As pesquisas em
desenvolvimento no LabEND da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP com o uso
do USLab têm demonstrado que o equipamento permite tal aplicação. A fig. 2 mostra o
equipamento sendo utilizado em uma tora ocada.
Figura 2 - Utilização do equipamento em tora ocada.
Classificação da madeira utilizando avaliação acústica da árvore ainda na floresta: Esse tipo
de uso do equipamento auxilia as empresas florestais a viabilizarem a antecipação do
conhecimento das propriedades da madeira de suas florestas, permitindo direcionar
direc
o
material para aplicações adequadas às suas propriedades bem como direcionar maiores
investimentos para os materiais com maior valor agregado. A fig. 3 mostra o equipamento
sendo aplicado na avaliação de árvores vivas. As pesquisas em desenvolvimento
desenvolviment no
LabEND da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP têm demonstrado a viabilidade
e bons resultados do USLab nas aplicações em árvores vivas.
Figura 3 - Utilização do equipamento em árvores.
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Classificação de madeira serrada: Em diversos países a comercialização da madeira exige a
garantia de suas propriedades. Dessa forma, a madeira deve ser classificada em classes de
rigidez e de resistência que permitam, ao engenheiro e arquiteto, a elaboração de projetos
racionais e seguros. Espera-se
se que ess
essa
a mesma exigência seja, em breve, incorporada em
nosso país, permitindo a valorização da madeira como material estrutural. O USLab tem
sido utilizado no LabEND da Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP em trabalhos
que utilizam a classificação de viga
vigas
s estruturais com excelentes resultados.
Avaliação do concreto: O USLab tem sido utilizado também em pesquisas voltadas à
avaliação de concretos convencionais e não convencionais (com substituição dos agregados
por outros materiais), demonstrando adequaçã
adequação
o para essa aplicação mesmo em concretos
não convencionais que apresentam grande porosidade e, portanto, grandes atenuações.
Esse resultado tem sido possível devido à sua potência.
Avaliações de materiais a base de madeira: Pesquisas realizadas no LabEND da Faculdade
de Engenharia Agrícola da UNICAMP permitem comprovar a eficiência do método e do
equipamento na avaliação de propriedades de chapas de fibra (MDF e OSB). A fig. 4 mostra
exemplo dessa aplicação.
Figura 4 - Ensaio de ultrassom em chapa MDF.
4. Conclusão
Tendo em vista os resultados obtidos na aplicação do USLab em pesquisas do LabEND da
Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP pode se concluir que se trata de
equipamento com características que lhe permite ser utilizado com êxito em avaliações de
florestas nativas e reflorestadas, na inspeção e classificação da madeira e do concreto e na
avaliação de materiais a base de madeira e compósitos.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem a CAPES pelo auxílio financeiro.
6. Referência bibliográfica
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