Modelagem do impacto de pedras de granizo em coberturas metálicas planas para edifícios residenciais

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19836 (2022) Citar este artigo

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Painéis de telhado de metal são comumente usados ​​em edifícios residenciais e comerciais. Painéis de aço expostos a granizo ainda não foram adequadamente testados quanto à resistência a amolgadelas. Um modelo de elementos finitos (FEM) foi usado para analisar toda a configuração de teste. Para comparar granizo artificial com granizo natural, que permaneceu intacto após o impacto, diferentes chapas de aço foram atingidas por granizo artificial de diferentes tamanhos em diferentes velocidades terminais. A simulação e as propriedades do material são avaliadas comparando os resultados experimentais com o modelo FE. Uma equação para prever a profundidade do dente com base na energia cinética e no estresse também é apresentada. Os resultados deste estudo fornecem uma melhor compreensão dos modos de falha de granizo e painéis de telhado e seus efeitos na resistência à amolgadela. Neste estudo, os resultados das observações e simulações numéricas concordaram bem com os dos modelos analíticos. O resultado é que a equação proposta superestima as profundidades de mossas em comparação com as profundidades de mossas obtidas com modelos de elementos finitos, enquanto a equação leva a uma subestimação das profundidades de mossas encontradas nas chapas de aço.

As chuvas de granizo podem danificar gravemente os telhados. Dependendo do fluxo de ar, pedras de granizo de até 45 mm de diâmetro podem ser observadas durante as chuvas de granizo. Danos relacionados a tempestades de granizo geralmente envolvem danos ao telhado. A literatura ainda sugere que as chuvas de granizo podem causar danos significativos aos telhados. Se não houver vazamento ou outro dano visível, o dano de granizo não é visível em um telhado. Além disso, o granizo que permanece sólido após o impacto causa danos significativos. A simulação do comportamento do granizo através do seu impacto é crucial para avaliar com precisão a destruição do granizo nos materiais do telhado. Como as pedras de granizo naturais não quebram, elas causam mais danos porque nenhuma energia é perdida ao se desintegrar1. Além disso, é necessário desenvolver um método que permita que pedras de granizo artificiais permaneçam inteiras durante um impacto de alta velocidade. O nitrogênio líquido é usado para criar pedras de granizo que podem permanecer inteiras após um impacto de alta velocidade. Semelhante ao granizo natural, o granizo artificial é uniforme e denso. Para uma determinação precisa da resistência à amolgadela de chapas de aço, especialmente em condições dinâmicas, é necessário obter o comportamento realista do granizo durante o impacto. O risco de falha de um sistema de telhado deve ser avaliado em conjunto com fatores significativos, como tamanho do granizo, velocidade do granizo, forma da placa do telhado e tensão máxima. Até agora, não houve estudos desse tipo. Neste estudo, testes computacionais e experimentais são empregados para determinar a resistência à amolgadela. Simulações FE foram realizadas via software Abaqus2. Um aspecto inovador deste estudo é realizar uma análise de elementos finitos da chuva de granizo, validada por testes de laboratório. O foco principal é a profundidade das mossas nas chapas de aço após a chuva de granizo, pois variam em espessura em relação à direção do carregamento.

Quando o granizo artificial congela de fora para dentro, o ar se acumula na casca externa. Como resultado do ar preso que é retido localmente, o granizo tem um ponto fraco. Kim et al.3 e Flüeler et al.4 usaram camadas rasas para produzir granizo sintético, replicado por Tippmann5. Pedras de granizo reais têm uma estrutura em camadas da base à ponta que se assemelha às camadas de uma cebola. Portanto, todas as pedras de granizo produzidas com este método quebram ao atingir uma superfície dura. O método de imersão de Allaby e Garratt6 envolve o cultivo de embriões em gelo seco, envolvendo-os em uma bola de pingue-pongue com um orifício no topo e congelando-os em água fervente. Nesse processo, as pedras de granizo eram esféricas e sua camada externa era transparente. Um dos doze modelos testados sobreviveu ao primeiro teste de impacto, embora nenhum deles fosse perfeitamente redondo. Após o impacto, uma esfera de gelo pode manter sua solidez aumentando sua resistência à tração. Um estudo feito por Gold7 mostra que o material conhecido como pykrete tem propriedades muito diferentes do gelo. Para aumentar a resistência à tração do gelo, foram incluídas fibras de algodão ou fibras de polipropileno. Pedras de granizo artificiais foram reforçadas com adesivo à base de PVA e microfibras, mas seus parâmetros não foram consideravelmente alterados, segundo Wu8. Granizo artificial foi lançado a velocidades de quase 30 m/s em placas de aço G300 com espessura de 0,55 mm. Apenas uma bola de gelo feita com 88% de água fervente e cola PVA passou no teste de impacto. A mistura de PVA no granizo faz com que este se comporte como borracha9,10. Aqui, pela primeira vez relatado na literatura, pedras de granizo artificiais foram feitas com nitrogênio líquido e água. Uma mistura de 88% de água desmineralizada e 12% de PVA foi usada para criar as pedras de granizo artificiais. Ao impactar telhados de aço com velocidades terminais mais altas, granizo de gelo artificial criado a partir de nitrogênio líquido permaneceu intacto.