Testes e resultados
Para realizar os ensaios de resistência
dos grampos de ½ polegada foi criada uma peça de aço adaptável ao equipamento
do laboratório de mecânica da PUC. O objetivo da peça é de simular a colocação
do grampo na rocha, exercendo uma força na direção em que ela ocorreria
na prática.
A peça de aço criada permitiu que fossem feitos dois tipos de teste. No primeiro o grampo é exigido como ocorre na prática: a força é feita transversalmente ao eixo principal do grampo, na direção oposta ao olhal. No segundo teste, a força é feita no próprio olhal do grampo, o que seria equivalente ao grampo colocado na rocha com o olhal para baixo.
Não foi realizada nenhuma estatística séria com os dados obtidos como seria feito na certificação de um equipamento. Neste caso haveria uma amostragem muito maior de grampos do mesmo tipo para que fossem feitas estatísticas mostrando valores médios e os desvios desta média. Um dos motivos devido ao qual não foi feita uma amostragem maior foi a dificuldade em obter maior quantidade de alguns tipos de grampos.
Os gráficos mostrados a seguir devem ser analisados cuidadosamente levando-se em consideração que eles não representam a curva média de um determinado tipo de grampo.
Outro ponto importantíssimo é que
não foi realizado nenhum teste a cerca da fixação do grampo à rocha. Quando
nos referimos a carga que um grampo suportou na máquina de testes, não
existe nenhuma garantia de que a rocha teria suportado a mesma carga e
que o grampo não sairia desta. A análise da fixação das proteções fixas
aos diferentes tipos de rocha seria tópico de um outro estudo ainda mais
complexo.
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Esta primeira série é composta de quatro grampos do mesmo fabricante. As amostras são idênticas a menos da proteção contra corrosão utilizada no 3o grampo. São grampos de ½ polegada de diâmetro com olhal de 3/8 de polegada.
Todos eles foram testados como são colocados na rocha, ou seja, a força foi aplicada na barra principal do grampo na direção oposta ao olhal. Daqui em diante esta será considerada a posição "normal" de teste, pois representa o modo como o grampo é normalmente fixado na via de escalada. Observações serão feitas sempre que for feito um teste diferente (força aplicada no olhal).
Ao contrário do que pode parecer através das fotos, todos os 4 grampos quebraram. Os três primeiros parecem estar apenas entortados mas estão de fato partidos nos pontos indicados. Aqueles que tiverem a oportunidade de ver os exemplares testados notarão que os dois pedaços permaneceram unidos de forma muito precária e que provavelmente não agüentariam nem mesmo o peso de um escalador.
Em média este tipo de grampo suportou uma carga máxima de 1250kgf. Pode-se ver no gráfico que após 2,5 a 3,0 cm de deslocamento existe uma queda brusca na força, que representa o ponto em que o material se parte.
Outra observação interessante destes gráficos é que eles sempre possuem no seu início uma região que é aproximadamente uma linha reta. Nesta região, dizemos que o grampo está no "regime elástico", apresentando características de uma mola linear. Enquanto estiver dentro do limite elástico, a deformação sofrida com a aplicação da força desaparece quando esta é anulada. Isto quer dizer que o grampo retorna a sua posição inicial sempre que retiramos a força aplicada. Tudo que ocorrer após esta região resultará em uma deformação permanente do material, ou seja, o grampo fica amassado.
Suponha que um destes grampos sofresse uma queda com uma força de 600kgf. Após a queda o grampo voltaria a sua posição original. Uma queda mais "forte" poderia levar o material a sair do regime elástico, entortando-o de forma permanente ou provocando a sua ruptura.
Nesta configuração, a força aplicada na barra do grampo provoca um efeito de alavanca, submetendo o ponto de encontro com a rocha a um torque muito elevado. Para lembrar a definição da física, o torque (ou momento) é expresso pela força (perpendicular) aplicada na alavanca vezes a distância entre o ponto de aplicação e o eixo de rotação. Quanto mais distante do eixo, maior o torque.
Os materiais possuem uma capacidade
limitada de suportar torque, mais especificamente chamado de momento fletor.
Como a força acaba sendo aplicada à vários centímetros de distância do
eixo o grampo é submetido à um grande momento fletor. O resultado disso
não poderia ser outro: deformação e, dependendo do material, ruptura.
Caso o grampo não seja colocado com o olhal bem próximo à rocha a sua
resistência será ainda menor.
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Estas amostras são do mesmo tipo de grampo analisado anteriormente, com a diferença de que agora foram testadas com carregamento no olhal.
Como era esperado houve uma ruptura no ponto de soldagem. O que a princípio parece espantoso é que os mesmos grampos que suportaram apenas 1250kgf no teste anterior agora só se partiram com 3500kgf.
Os grampos colocados normalmente nas vias de escalada estão sujeitos à um enorme momento fletor no material mas com o olhal para baixo isto não ocorre. Com a aplicação da força o olhal encosta na parede (no caso na peça de testes) e evita a tendência do grampo de "rodar" criando o efeito de alavanca. A força então acaba sendo aplicada nos dois pontos de solda simultaneamente.
Apesar da indiscutível
resistência do grampo nesta configuração, após a sua ruptura pode-se inferir
a baixa qualidade da solda. É possível ver claramente as superfícies internas
das peças soldadas. A solda possui baixa penetração entre as peças e deste
modo fica em contato com uma área muito limitada. Ou seja, caso fosse
melhor soldado este grampo poderia suportar cargas ainda maiores tendo
talvez uma maior durabilidade. Não foi feito nenhum estudo sobre o aspecto
da durabilidade dos grampos, mas devido ao fato da oxidação normalmente
ocorrer primeiro na parte mais externa do material é possível intuir que
uma solda de melhor qualidade aumentaria sua vida útil.
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Neste ensaio foi testada apenas a resistência do olhal, tendo sido este preso à máquina de tração sem a utilização da peça de aço. Estes grampos foram inteiramente construídos com barras de ½", tanto em seu eixo principal quanto no olhal. Como pode ser visto acima, nesta configuração, os grampos suportaram cargas maiores do que 4500kgf.
Como era esperado o ponto de ruptura foi exatamente na solda. Apesar da elevada carga a qual estas soldas resistiram, são válidas as mesmas observações feitas anteriormente (baixa penetração). No interior da solda foram encontrados pontos avançados de oxidação das peças de aço.
Infelizmente não foi possível realizar
o teste normal com esse tipo de grampo devido a falta de exemplares. Seria
um teste muito interessante pois embora estes grampos tenham uma aparência
mais robusta com seu olhal de ½", o ponto de aplicação da força será mais
longe da rocha e, consequentemente, o momento fletor será maior.
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Estes grampos são construídos com uma barra principal de ½" e olhal de 3/8". A principal diferença destes grampos para os que foram apresentados anteriormente é que eles foram feitos com aço inoxidável. Por isso, seu custo é cerca de duas vezes maior que os outros.
Observa-se que, assim como os demais grampos testados, estes saem do regime elástico com cargas superiores a 1000kgf. Deve ser ressaltado que o eixo se deformou cerca de 90 graus sem que ocorresse a fratura do material. Quando o mesmo dobrou e encostou na peça de testes (que na situação real seria a própria rocha) a deformação pelo momento fletor chegou ao seu limite. Nesta configuração o grampo ficou muito resistente (como seria no caso do olhal virado para baixo), suportando cargas acima de 2000kgf.
Os gráficos e figuras confirmam que
não foi possível chegar a um ponto em que o grampo se rompesse. Antes
disso o mesmo começou a sair da peça de testes reduzindo assim a carga
aplicada. Este fato deve ser encarado cuidadosamente: pode ser um indício
de que o ponto frágil deste grampo reside na sua fixação e não na peça
em si.
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O último grampo testado possui o menor olhal dentre os que foram aqui analisados, sendo construído com aço de ¼ de polegada. O eixo principal possui ½" de diâmetro.
Com o olhal menor que os outros este grampo possui um ponto de aplicação de força mais próximo da parede, característica esta que produz um torque menor e possibilita suportar maiores cargas (dependendo do material utilizado). Como pode ser visto através do gráfico o grampo suportou até 1300kgf antes de se deformar totalmente.
Após entortar 90 graus e encostar
na peça de testes o grampo encontrou sua configuração de maior resistência,
suportando então 2600kgf. Deste ponto em diante o grampo começou a sair
lentamente da peça de testes. Os comentários feitos para o caso anterior
sobre a fixação também são válidos para este grampo.
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O único teste realizado com uma chapeleta não teve êxito completo mas merece ser comentado. Em sua utilização normal a chapeleta é fixada na rocha através de um mecanismo de expansão que não é adequado para a peça de testes de grampos. Deste modo foi utilizado um parafuso normal de 3/8" (que é o diâmetro do furo da chapeleta) preso na peça com uma porca.
O sistema suportou aproximadamente 2200kgf. Depois desta carga o parafuso se rompeu (teve sua "cabeça degolada", como pode ser visto acima). Não é possível tirar muitas conclusões a respeito deste teste, uma vez que o parafuso não era adequado ao teste da chapeleta e não resistiu a um esforço cisalhante alto (força cortante). A chapeleta ficou apenas um pouco entortada. Diferente dos outros testes, a curva obtida acima não pode ser tomada como curva de deformação x força apenas da chapeleta pois foi utilizado um elo de cabo de aço para realizar o ensaio. O vale agudo próximo ao final do gráfico foi causado pelo deslizamento da presilha do cabo de aço.
O projeto da chapeleta apresenta vantagens estruturais notáveis em relação aos grampos. Enquanto os grampos estão sujeitos a esforços de "alavanca" ou momento fletor as chapeletas suportam quase que somente uma força cisalhante ou cortante. Este fato aparentemente simples resulta em uma resistência muito maior para uma barra de mesmo diâmetro fixada à rocha.
Se a haste de ½" de aço utilizada nos grampos fosse testada até a sua ruptura, somente por cisalhamento, a sua resistência seria muito alta. O valor será calculado utilizando as tabelas de aço disponíveis. Para o aço 1020 a resistência por cisalhamento é de 65 kgf/mm2. Deste modo a máxima força cortante que grampo de ½" de diâmetro (12,7mm) suporta pode ser calculada através da seguinte fórmula:
No futuro poderia ser realizado um teste mais completo com as chapeletas, utilizando a sua própria peça de fixação à rocha. Deve-se lembrar que a empresa que fabrica as chapeletas especifica a sua resistência em 2500kgf.