É importante entender como o estresse se comporta dentro de uma conexão. Como existem diversas configurações, cada uma delas deve ser analisada para selecionar a correta de acordo com as necessidades. As principais juntas são a de volta única, a de volta dupla, a de lenço/chanfrada, a duplicadora, a cilíndrica, a de topo e a de casca.

Junta de sobreposição única

A junta de sobreposição única também é chamada de sobreposição. Considerando dois tipos de aderentes, os rígidos e os flexíveis. Além disso, o adesivo e os aderentes são subdivididos em pequenos pedaços. Cada pequeno quadrado ou retângulo é um pedaço de composto. Considerando o caso em que os aderentes são iguais, a deformação é transmitida de forma rígida à camada adesiva. Isto significa que cada ponto da camada adesiva é transmitido da mesma forma. Se for assumida uma relação linear entre tensões e deformações, então se a deformação for constante, a tensão será constante. Na prática, não existem adeptos infinitamente rígidos. Conseqüentemente, estes são deformados de forma não linear. Entre os pontos A e B, a deformação varia do valor máximo ao mínimo. Na verdade, no ponto B não há carga no eixo x, portanto a deformação é zero. Por outro lado, a deformação é exatamente anti-simétrica. Portanto, o que realmente acontece é uma deformação irregular que é absorvida pela camada adesiva. Em particular, esta deformação irregular é máxima nas duas extremidades da camada adesiva. Isso significa que, para se comportar como uma relação linear, a tensão deve ser máxima nas laterais, mas zero no meio. Por esta razão, entende-se que os adesivos funcionam melhor que os fixadores, mas não proporcionam uma tensão constante.

Concentrações de estresse

Se uma junta tiver alguns cantos vivos, estes geram algumas concentrações de tensão. As cargas passam de um aderente para o outro, mas há uma diferença de altura, portanto um desalinhamento. Isso gera um momento fletor sobre a junta. Assim, quando uma condição de tensão irregular é combinada com o desalinhamento da carga, os cantos expostos ao momento fletor também ficam expostos às tensões. Embora a geometria seja normalmente carregada em cisalhamento, é gerado um momento fletor que resulta em tensões de descascamento.

Análise de tensões de cisalhamento

A análise da tensão de cisalhamento é desenvolvida utilizando o modelo shear lag. Esta é uma solução de forma fechada, que é feita resolvendo um sistema de equações para definir o equilíbrio de dois aderentes e do adesivo. Portanto, uma peça da junta está em equilíbrio em relação às forças P. Além disso, ε1 e ε2 são as deformações dos aderentes superior e inferior e δx é o deslocamento entre estes. Na prática, a diferença entre as deformações axiais dos aderentes superiores e inferiores é igual à deformação por cisalhamento do aderente. Isto é chamado de modelo shear lag, porque o adesivo cobrirá a diferença de deformação entre os dois aderentes. O sistema diferencial de equações diferenciais tem resultados de forma fechada. Este é um dos poucos casos em que existe uma solução de forma fechada para as tensões na camada adesiva.

Exemplo: Distribuições de tensão de cisalhamento para aderentes iguais

Considerando o caso de uma junta com dois aderentes iguais, cujo adesivo interno é acrílico. Nesta situação é possível calcular a relação τmax/τm, onde τm é apenas o valor nominal das tensões de cisalhamento. K é um fator que caracteriza a distribuição de tensões em relação à tensão de cisalhamento média. Este fator depende dos parâmetros da junta. Para este caso, existem três comprimentos diferentes. É possível notar que o menor valor de k é obtido com menor comprimento L. A razão é que K, nas extremidades da junta, aumenta com o comprimento de sobreposição. Considerando casos de sobreposição de 40 e 80 mm, estes apresentam um valor K de 2 e 3,8, respectivamente. Isto significa que, se a sobreposição aumentar por um fator de 2, a tensão média diminui pela metade e k duplica. Portanto, uma grande sobreposição reduz o desempenho da ligação adesiva. No entanto, esta conclusão resulta em conflito com uma das regras adesivas, que estabelece maximizar a área de colagem. Na verdade, uma sobreposição muito longa não é prática, pois se trata de mais material e de dificuldades para operar o adesivo. Portanto, basta ter uma cola com sobreposição de cerca de 25-30 mm.

Exemplo: Distribuição de tensão de cisalhamento para diferentes aderentes

Quanto ao caso da distribuição de cisalhamento para diferentes aderentes, se o aderente inferior for mais rígido que o superior. Isto resulta que a distribuição de tensões é enviesada para o lado direito, porque a deformação axial deste aderente mais rígido é muito baixa. Conseqüentemente, a diferença de deformação entre o aderente inferior e o superior no lado esquerdo será menor que no lado direito. Como no lado esquerdo o aderente superior não está deformado, enquanto no lado direito está muito deformado, então a diferença na deformação entre os aderentes superiores e inferiores é mínima e máxima nos lados esquerdo e direito, respectivamente. Isto é uma consequência de uma distribuição de tensão tendenciosa, que resulta numa junta desequilibrada.

Análise de estresse de descascamento

As tensões de casca também possuem solução fechada. Estes são gerados por uma excentricidade de carregamento e são dados por σy. O valor de M é a razão entre a tensão de descascamento dividida pela tensão de cisalhamento média. Na maioria das juntas este valor é zero, pois se trata de uma junta do tipo cisalhante, portanto nominalmente não há tensões de cisalhamento. O estresse só se desenvolverá nas extremidades das articulações. Além disso, eles não são tão insignificantes. Por exemplo, é possível notar um aumento da tensão máxima, de 3,5 para 5 vezes o valor da tensão de cisalhamento média, em função do comprimento da sobreposição. Assim, com uma junta de sobreposição, prevê-se uma distribuição desigual das tensões de cisalhamento e das tensões de descascamento. Estes devem ser levados em conta para compreender a carga de ruptura real da junta.

Cisalhamento transversal e tensão

Outro tipo de componente de estresse é o do descasamento de Poisson. Observando a direção z, é possível perceber que os elementos estão se contraindo, pois os aderentes estão em tensão. Conseqüentemente, a contração do aderente inferior será máxima e mínima nos extremos e no meio, respectivamente. A razão é que no centro não há mais carga transmitida à barra. Assim, é possível perceber que existe tanto a deformação por cisalhamento, que ocorre transversalmente, quanto sua variação ao longo do comprimento nas direções x e z. Isto provoca tensões de compressão transversalmente à camada adesiva e tensões de cisalhamento na direção x. Porém, neste caso, essas tensões são em uma ordem de grandeza inferior às tensões de cisalhamento

Melhoria de força

Qualquer modificação feita na junta que diminua a diferença na deformação entre o aderente superior e inferior e a excentricidade de carga proporcionará mais resistência à junta. Existem algumas soluções para redução da excentricidade de carregamento. Normalmente, as juntas são projetadas para funcionarem em duplo cisalhamento. Isto permite reduzir a excentricidade para metade, mas não é completamente eliminada. Embora as cargas estejam perfeitamente alinhadas, sua transmissão de um aderente ao outro ainda ocorre com o fluxo de forças seguindo um caminho que não é reto. Isso significa que ocorrerá alguma excentricidade de carga na junta. As soluções para redução do descasamento de rigidez apresentam uma deformação máxima do aderente, logo a altura da biela é reduzida para se ter uma deformação semelhante. Em vez de ter uma rigidez elevada, esta é reduzida afilando o aderente. Basicamente, os aderentes são projetados de forma a reduzir a diferença de rigidez. Uma das soluções é reduzir a espessura do adesivo, eliminando material. Isso significa que, se houver uma aresta viva, a espessura é zero, portanto a rigidez local também é zero. O conceito de analogia hidrodinâmica é outra solução. Permite estabelecer semelhanças entre um fluxo em uma tubulação. Neste caso, o fluxo é conduzido mudando de direção, portanto há menos vórtice. Se ocorrer uma mudança brusca, será gerado mais vórtice. Isso significa mais concentrações de estresse. Esta é a razão pela qual diferentes tipos de juntas terão desempenhos diferentes em termos de resistência em função da espessura aderente.

A junta de sobreposição única é a pior solução nestes aspectos. O de cinta dupla apresenta um cenário melhor, mas com algum valor de espessura aderente não há melhora na resistência. A junta de cinta cônica possui uma correlação mais linear, portanto, quanto mais espessos os aderentes, maiores serão as cargas. As juntas tipo lenço são tecnicamente difíceis e inviáveis, mas teoricamente proporcionam a resistência completa do aderente independentemente da espessura. O ângulo deste tipo de junta é muito pequeno, o que significa a relação entre altura e comprimento.

Outro método para aumentar a resistência das juntas é trabalhar o adesivo, que é o afilamento ou chanfro. Além disso, é possível notar que a resistência é ainda melhorada quando ambos, o adesivo e os aderentes, são cônicos. Conseqüentemente, é possível ter uma borda enorme do adesivo. O motivo é sempre o mesmo, pois o adesivo geralmente é mais macio que o aderente. Conseqüentemente, há menos incompatibilidade de deformação a ser compensada. Em alguns casos, o afunilamento da camada adesiva pode ser necessário para evitar falhas locais, como no caso do laminado metálico-CFRP. Independentemente do afilamento, normalmente o valor da resistência à ruptura não varia significativamente. A razão é que o mecanismo está localizado no compósito, de forma semelhante à delaminação. Neste último caso, existe adesivo suficiente para evitar a concentração de tensões naquela região. Então, a delaminação não ocorrerá, a falha ocorrerá na camada adesiva.

Referências

• Adams, R.D. Comyn, J.W.C. Wake, Structural Adhesive Joints in Engineering. Edition 2, Chapman & Hall, 1997;
• MIL-HDBK-17-3F, Volume 3, Department of Defence (DoD) USA, 2002.

Figura de Capa

Principles of Adhesive Bonding