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05/09/2017 | domtotal.com

Novos materiais na construção civil: ligas com memória de forma

A despeito do considerável desenvolvimento nos estudos e aplicações das ligas com EMF, muitos fatores dificultam sua aplicação tecnológica.

Aplicações de LMF como atuadores têm apresentado grande atrativo em diversos campos da engenharia.
Aplicações de LMF como atuadores têm apresentado grande atrativo em diversos campos da engenharia. (Reprodução)

Por Luiz Carlos Santos*

Ligas com Efeito Memória de Forma (LMF) ou SMA (ShapeMemoryAlloys) possuem a propriedade essencial de retorno à forma original após aquecimento moderado, quando deformada plasticamente, ou na retirada da carga, quando deformado elasticamente. Quando essa propriedade se manifesta durante o aquecimento também pode ser chamada de efeito memória de forma simples (one way shape memory effect) e quando acontece durante o resfriamento do material é designado como efeito memória duplo (two-way shape memory effect). Este efeito tem grande utilidade em aplicações onde a força gerada no retorno à forma original pode ser aproveitada.

Para tanto, as composições das LMF são elaboradas por combinações entre metais de transição ou com semi-metais ou com metais nobres. Entre estas ligas estão: Ni-Ti, Cu-Zn-Al, In-Cd, In-Tl, Ti-Nb, Ni-Al, Ni-Ti, Ag-Cd, Cu- Al, Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Au-Cd, Au-Cu-Zn, Fe-Pt, Fe-Ni, Fe-Mn-C e Fe-Mn-Si. As ligas que apresentam maior potencial de utilização em aplicações práticas são as ligas Ni-Ti, as ligas à base de cobre e as ligas ferrosas.

Apesar desta grande variedade de materiais que manifestam o efeito memória de forma (EMF), atualmente, o interesse comercial está focalizado nas ligas que possuem as seguintes características:

i) Ter possibilidade de obtenção de uma quantidade significativa de recuperação da deformação;

ii) Ser geradora de uma força significativamente importante durante a mudança de forma e;

iii) Nos casos em que estejam associados a essas duas condições anteriores, baixos custos da matéria prima e de manufatura.

Estas características adequam-se a uma grande variedade de aplicações, desde peças para montagens, abrangendo juntas de tubos, braçadeiras e fixadores; como na construção civil na tenacidade de concreto, atenuadores de vibrações e vigas com pré-esforço; em peças para automóveis e equipamentos elétricos e como dispositivos sensíveis a variações de temperatura.

A despeito do considerável desenvolvimento nos estudos e aplicações das ligas com EMF, muitos fatores dificultam sua aplicação tecnológica, sendo eles:

a) Custo de produção, devido à necessidade de se usar material com um alto grau de pureza, controle rígido da composição química e a complexidade de processamento;

b) Reprodutibilidade do EMF após ciclagens térmicas e/ou mecânicas, uma vez que determinadas condições podem levar à degradação do EMF;

c) Ligas com bom EMF podem não atingir as especificações necessárias em termos de propriedades mecânicas e de resistência à corrosão.

Com a descoberta do EMF na década de 1930, em uma liga Au-47,5% Cd, a primeira aplicação prática só ocorreu em 1957 em uma liga Cu-Al-Ni. Desde então, diversas aplicações com ligas do sistema Ni-Ti (preferencialmente como ligas com biocompatibilidade), à base de cobre e as ligas do sistema Fe-Mn-Si, deteve a atenção de pesquisadores quando houve confronto entre o interesse comercial e fatores determinantes para aplicações tecnológicas.

Aplicações de LMF como atuadores – componentes que realizam a conversão da energia elétrica, hidráulica, pneumática em energia mecânica – têm apresentado grande atrativo em diversos campos da engenharia, por substituírem os convencionais que possuem propriedades físicas elevadas, principalmente a massa. Entretanto, o problema para aplicação na engenharia civil encontra-se ainda na junção das peças pois, processo convencionais como utilização de rebites e soldas prejudicam o EMF. Estudos recentes visam a utilização dos novos adesivos para metais.

Contudo, a utilização destas ligas,à base de Ni-Ti, no reforço de concreto armado tem alcançado grande resultado, quando cabos pré-esforçados de, aproximadamente, 3,0 mm formados por 7 fios e cada fio por 7 arames superelásticos foram colocados dentro de uma viga de concreto armado. Para evitar o escorregamento destes, foi desenvolvida braçadeiras especiais para fixa-los. No experimento, após ser colocada uma carga de, aproximadamente, 5.000 kg, ocorreu o surgimento de uma rachadura. Com a retirada da carga e atuação dos cabos de ligas superelásticas, a rachadura ficou fechada. O resultado da pesquisa contribuiu, também, com a forma de fixação dos cabos é uma nova metodologia de uso das LMF em aplicações na engenharia civil.

Outro desenvolvimento de tem sido o de controladores de modos deslizantes com compensação difusa empregado para controle ativo de vibrações em uma treliça de Von Miss feita com LMF.

O trabalho mais completo na aplicação de LMF na engenharia civil, foi o desenvolvido pelo EMPA (Departamento de Engenharia Estrutural do Laboratório Federal Suíço de Ciência dos Materiais) onde utilizou-se uma LMF no reforço de ligas com pré-esforço. Nesta aplicação, uma viga de concreto armado reforçada com varões –perfil arredondado de aço, maciço e longo – de LMF sujeita a pré-esforço através da ativação do material de reforço.

No processo, quando os varões de LMF são ativados, na presença de uma corrente elétrica, tendem a voltar à sua forma original, o que é impedida pelo concreto armado que os envolvem, conduzindo a um estado de pré-esforço no elemento estrutural. Este efeito elimina a necessidade de uso dos pesados e complexos equipamentos de pré-esforço utilizados convencionalmente.

Nesta concepção, o principal desafio foi o desenvolvimento de uma liga que obedecesse às exigências de resistência atemperaturas moderadase aos critérios de aplicação tecnologia com interesse comercial. Além disso, teria que corresponder às exigências de incorporação em estruturas de engenharia civil. Desta forma, as LMF de aplicações tradicionais que possuem 100% de retorno à forma original em deformações de até 8%, fabricadas à base de Ni-Ti,possuiam um alto custo devido aos caros elementos químicos envolvidos e ao complexo e oneroso processamento, devido, principalmente, ao processo de liquação que pode ocorrer durante a fusão da liga.

A escolha de uma liga com características diferentes recaiu sobre as ligas à base de Ferro que possui um custo bem menor, entretanto, tem como principal característica, e deficiência, a elevada temperatura de ativação, por volta de 400oC. Nesta temperatura, as propriedades físicas dos materiais constituintes do concreto armado poderiam ser modificadas, provocando um enfraquecimento da estrutura. Outra alternativa de baixo custo seria as ligas à base de Fe-Mn-Si. Com isso, manteve-se o baixo custo de produção comparado com os aços tradicionais.

Com esse objetivo, o EMPA fundou a re-Fer AG, encarregada de desenvolvimento, fabricação e exploração comercial de produtos para a indústria de construção civil. Atualmente, a re-ferAG, é uma empresa Suíça, com marca registrada, responsável pela produção do aço memória contendo ferro como base e apoiada pelo EMPA como centro de pesquisa.

Outras pesquisas vêm sendo desenvolvida com intuito de aplicações de LMF na construção civil. Uma delas, dentro das estruturas de concreto armado, vem avaliando a influência da adição de fibras curtas de Ni-Ti com EMF na tenacidade do concreto tornando-o pseudodúctil. Nesse estudo, ocorreu a análise comparativa dos resultados de ensaios de flexão e tração de concretosreforçados com fibras curtas e longas antes e após a aplicação de esforços cíclicos.

Nestes ensaios foram utilizados fios de Ni-Ti deformados à 8% e programados para retomarem aforma inicial em temperaturas em torno de 60oC. Os resultados indicaram que o EMF das fibras curtas aumentou a tenacidade do concreto e esse mesmo efeito, consequentemente, pode ser utilizado como protensão, se os concretos forem reforçados com fios. A principal dificuldade da aplicação prática está relacionada ao alto preço das ligas Ni-Ti e a dificuldade de processamento deste tipo de material. Estes fatores colocam esta aplicação como de baixo interesse comercial e aplicação tecnológica.

Prof. Dr Luiz Carlos Santos. Coordenador do Curso de Engenharia Química da Escola Superior de Engenharia de Minas Gerais – EMGE

EMGE

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