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Análise Estrutural de um Kayak de Competição

1. erre erarenaaareran aereas 36 Figura 36 Localiza o dos apoios a no centro da embarca o b nas pontas da embarca o 36 Figura 37 Modelo de elementos finitos com localiza o do ponto para obten o da flecha com apoios a no centro da embarca o b nas pontas da embarca o 37 Figura 38 Kayak colocado na gua com um indiv duo no seu interior 38 Figura 39 Defini o da linha de gua errar aaneanara renan na narananea aaa aaaaaanna 39 Figura 40 Volume do kayak imerso na gua rr raraaaaaraaarera aterrar aa nanaananaa 39 Figura 41 Divis o da zona imersa em v rias partes esas eeseaeeeeaeeseeeesaeeeeeeeeeeeeess 40 Figura 42 Distribui o das for as de impulso sobre o kayak re erastaanaanaeaa 40 Figura 43 Localiza o do apoio simples sobre os carris do banco 41 Figura 44 Aquisi o do sinal dos extens metros com o kayak na gua 41 Figura 45 Deforma es na direc o do eixo do kayak com os apoios na zona central ap s o carregamento zica anie Eni ea eraa lala rasa ta naa Sino a das sdvehanevchtacwatubeantecetwace denis do Desa bai aani Eae aae SaRaNa 47 Figura 46 Deforma es na direc o do eixo do kayak com os apoios nas pontas ap s o carregamento spirit dass ditas saia hiecadepadady elagiccadalassagedahiacadendd ide cdagiteadana aunts iicechenad adh elo iauedalasauvnelisccheds 48 Figura 47 Deforma es obtidas pelo ME
2. An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Pedro Alexandre Ferreira Dias Disserta o do MIEM Orientador Prof M rio Augusto Pires Vaz Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mec nica Julho de 2011 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Resumo Algumas discuss es em torno da investiga o sobre canoagem t m sugerido que a optimiza o estrutural e da forma dos equipamentos permite a obten o de melhores desempenhos a n vel competitivo Com o intuito de contribuir para a compreens o do comportamento estrutural das embarca es desenvolveu se um estudo das tens es e deforma es geradas na estrutura de um kayak de competi o do tipo K1 A an lise estrutural foi efectuada por recurso ao m todo de elementos finitos procurando se criar um modelo num rico que permitisse uma boa aproxima o ao comportamento real da embarca o Este processo foi ainda acompanhado de um trabalho experimental com a finalidade de ajustar o modelo de forma a torn lo mais representativo do kayak em estudo Em complementaridade recorreu se t cnica de Shearography para identificar poss veis defeitos na composi o e fabrico da embarca o que de algum modo pudessem interferir com os resultados obtidos Os resultados alcan ados sugerem uma rela o de tens o deforma o mais elevada na vizinhan a da cavidade que permite a coloca o do cano sta o
3. o deste trabalho 16 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 5 Estado da Arte Ao n vel dos atletas de elite muitas vezes torna se dif cil definir quais os par metros diferenciadores da sua qualidade funcional e competitiva Por este motivo a investiga o no dom nio da canoagem tem sido tradicionalmente centrada no estudo de diversos factores que possam condicionar a performance desempenho dos desportistas As perspectivas mais recentes neste campo t m subjacente a ideia de que o controlo de v rios indicadores relacionados com o rendimento desportivo permite a constru o de programas de treino adequados e revelam se essenciais para um alcance seguro do sucesso pretendido Bishop 2000 De entre os agentes que influem no desempenho do cano sta a adequa o do perfil antropom trico dos atletas s exig ncias espec ficas da modalidade tem sido um dos grandes esfor os dos investigadores Gobbo e colaboradores 2002 analisaram o perfil antropom trico da selec o brasileira de canoagem feminina e masculina e demonstraram que os desportistas masculinos possuem um elevado peso corporal com grande quantidade de massa magra e reduzidos dep sitos de gordura subcut nea pelo que consequentemente revelam uma baixa percentagem de gordura As desportistas femininas por sua vez apresentam um perfil um pouco distinto dos atletas do sexo masculino caracterizado principalmente pela heterogeneidade dos aglomerados
4. e 8 cap tulo apresentam e discutem os resultados obtidos a partir das an lises efectuadas e finalmente no 9 cap tulo feita uma breve s ntese das implica es desta investiga o para o desempenho na modalidade de canoagem e elaboradas cogita es acerca das limita es do estudo e subsequentes hip teses para estudos futuros An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 2 Considera es Hist ricas Relativas Canoagem De acordo com Merkle 1993 a canoagem consiste no acto de conduzir qualquer objecto flutuante auxiliado por um remo ou ainda o simples facto de andar de canoa As canoas e kayaks foram desenvolvidos ao longo de um percurso de milhares de anos iniciado pelos povos nativos da Am rica do Norte A canoa era utilizada primordialmente pelos povos ind genas no interior do continente ao passo que o kayak era mais usado pelos esquim s para a pesca e o transporte entre pontos da costa Os materiais empregues na sua fabrica o eram a madeira revestida com pele de foca e impermeabilizada com a gordura desses animais Kronhardt 2002 portanto no ambiente vasto e in spito das terras do Alasca e Gronel ndia que surgem os primeiros modelos deste tipo de embarca o A sua introdu o na Europa remonta a 1865 pelo escoc s John MacGregor que fabricou um kayak com 4 57 metros de comprimento 0 76 metros de largura e 30 kg de peso que baptizou com o nome Rob Roy Winning 2002 A partir
5. es e Tens es na gua Quando o kayak est a ser utilizado por um atleta na gua as principais for as que actuam sobre a sua estrutura s o o impulso da gua e a ac o do kayakista sobre a embarca o S o 37 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o estas ac es que necess rio conhecer e compreender o modo como influenciam o comportamento estrutural da embarca o O Princ pio de Arquimedes diz nos que sobre um corpo mergulhado total ou parcialmente num flu do actua uma for a de impuls o vertical de baixo para cima cuja intensidade igual ao peso vol mico de flu do deslocado pelo corpo Hewitt 2002 Esta rela o traduz se na seguinte equa o I p V g 7 1 o impulso a for a que equilibra o peso da embarca o com o atleta fazendo a flutuar sobre a gua Para se determinar o seu valor essencial de obter o volume de gua deslocado Com esse intuito colocou se o kayak sobre a gua na piscina da Faculdade de Desporto da Universidade do Porto com um indiv duo de 61kg no seu interior ver figura 38 Figura 38 Kayak colocado na gua com um indiv duo no seu interior A fim de identificar o volume imerso importou se a figura 38 para o SolidWorks colocando sobre esta o modelo do kayak criado previamente em CAD 3D neste software Desta forma foi tra ada a linha de gua sobre o casco do modelo tal como se pode observar na figura 39 38 An lise Estrutural de um Kayak de
6. kg N Esperada MEF E 10 2 14E 05 2 1 1E 05 1 33 196 2 4 34E 05 4 23E 05 2 70 294 3 6 55E 05 6 34E 05 3 15 3 37 50 3 50 3 59 0 3 65 3 70 Observando cada uma das tabelas acima apresentadas pode concluir se que em nenhum dos carregamentos se ultrapassa o erro de 5 sendo que se obteve um valor m ximo de 4 53 na condi o de apoio nas pontas e de 3 70 na condi o de apoio no centro Pretendendo validar os ltimos resultados atrav s da medi o da flecha a meio v o registaram se os valores obtidos experimentalmente e pelo MEF relativos ao deslocamento de um ponto do casco do kayak A compara o destes valores apresentada nas tabelas 14 e 15 Tabela 14 Compara o da flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios no centro Carga Valor Real Valor MEF Erro N mm mm Tabela 15 Compara o da flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios nas pontas Carga Valor Real Valor MEF Erro OD mm mm CA 148 82 244 96 341 19 moar 006 sss msi Pela an lise das referidas tabelas observa se que o erro inferior a 10 considerando se portanto que os valores s o aceit veis Desta feita os resultados obtidos sugerem que as propriedades conseguidas s o razo veis 50 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 7 2 An lise de Deforma es em Meio Aqu tico No s
7. o anaer bica 29 75 5 61 Ainda relativamente a este foco de pesquisa revela se pertinente referir um estudo levado a cabo por Michael e colaboradores 2008 que se propuseram a realizar uma revis o bibliogr fica acerca de dados fisiol gicos relativos a kayakistas masculinos e femininos Desta investiga o p de concluir se que um kayakista de sucesso det m n o somente um 17 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o grande poder aer bico como tamb m uma elevada energia anaer bica al m da sua for a muscular ser igualmente importante A avalia o das vari veis biomec nicas associadas pr tica da canoagem tem recebido aten o an loga aos restantes par metros supracitados Tem sido largamente aceite pela comunidade cient fica que o conhecimento dos aspectos cin ticos e cinem ticos permite a detec o de momentos em que est presente o efeito de fadiga fornece indica es de como intervir a n vel t cnico na forma de aplica o da for a bem como auxilia na selec o de modelos de equipamento e de atletas que comp em as embarca es Petrone e colaboradores 2006 efectuaram uma an lise biomec nica das atletas de elite de kayak ol mpico durante a remada em erg metro que padroniza o desenvolvimento da remada tendo aferido que as melhores atletas foram capazes de realizar traject rias de remada regulares em diversos ensaios J em 2009 Carneiro e Castro realizaram uma revis o dos aspecto
8. o dos apoios no kayak para an lise no MEF 28 Figura 24 Local de aplica o do carregamento rare aaa 28 Figura 25 Resultado da simula o MEF da deforma o segundo o eixo do kayak e localiza o da rea de colagem dos extens meitros art eaeaaareeanare ra aaananaaaaaneaanar aa ennnen nana 29 Figura 26 Localiza o de um dos extens metros errar areeanare nana nana 30 Figura 27 Extens metro colado no kayak teria arara aaanaaaarea near aaaraannaans 30 Figura 28 Aspecto final da montagem dos dois extens metros no kayak 31 Figura 29 Sinal dos extens metros ap s a montagem rrenan 31 Figura 30 Vis o geral de um carregamento e sistema de aquisi o de dados 32 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 31 Sinal dos extens metros num carregamento com apoios no centro do kayak com indica o da zona de estabiliza o a E e e ea e nana aaa E an aaa aan nana eTEN 33 Figura 32 Posicionamento dos apoios nas pontas do kayak atentar 34 Figura 33 Sinal dos extens metros num carregamento com apoios nas pontas do kayak com indica o da zona de estabiliza o err areeaaaeeaaaaraa na naaanean area anar aa nanana 34 Figura 34 Pontos de obten o da deforma o no ANSYS ease 35 Figura 35 Localiza o do comparador sob o kayak
9. o Deforma o kg N Esperada MEF 98 10 7 43E 05 7 79E 05 196 20 1 51E 04 1 58E 04 294 30 2 27E 04 2 37E 04 ao 39240 3048 08 3 1604 60 sesso asmoa Ameo so 78480 608 08 631604 semelhan a do que acontece na condi o anterior verifica se uma proximidade entre os valores das deforma es obtidas pelos dois m todos de an lise No entanto como neste segundo caso existe um maior momento flector os valores de deforma o registados apresentam se substancialmente mais elevados comparativamente aos precedentes Examinando a figura 46 ressalta se a concentra o das deforma es m ximas em torno do cockpit pelo que se presume que este resultado se relacione igualmente com o acr scimo do momento flector E kayak apoio pontas Normal Elastic Strain Type Normal Elastic Strain X Axis Unit mmfmm Global Coordinate System 0 00045408 Max 0 00038433 0 00031458 0 0002483 0 00017508 0 00010533 3 5575e 5 3 4177e 5 0 00010393 0 00017368 0 00024343 0 00031318 0 00038293 0 00045269 y 1000 00 mm 0 00052244 Min Figura 46 Deforma es na direc o do eixo do kayak com os apoios nas pontas ap s o carregamento Uma vez que se verificou uma redu o consider vel do m dulo de Young nas pontas ajustaram se conjuntamente as propriedades das tr s sec es as duas extremidades e o centro de forma a satisfazer o erro admiss vel em ambos os casos de carregament
10. o mais eficientes face s sim tricas uma vez que minimizam a quantidade de tor o descontrolada da l mina Al m disso aponta como mais vantajosas as l minas curvas ou ovais na medida em que a sua superf cie c ncava facilita a entrada da l mina na gua proporcionando um melhor desempenho no in cio do curso da remada Sumner e colaboradores 2003 testaram tr s tipos de design de pagaia Convencional Noruegu s e Turbo num t nel de vento de baixa velocidade e mediram a for a lateral m dia e a for a de arrasto que actuava em cada l mina Estes resultados foram comparados com as medidas obtidas com uma placa rectangular plana De acordo com o que apuraram os coeficientes de for a adimensionalizados s o em grande parte independentes do design da l mina da pagaia e comportam se de forma semelhante a uma placa rectangular plana No entanto os mesmos autores afirmam que embora os benef cios dos diferentes tipos de l mina n o sejam muito vis veis considerando a for a de arrasto existem outras reas que s o influenciadas pelo formato da mesma sendo que de entre estas se destacam o retorno da l mina para a posi o inicial a entrada e sa da da l mina da gua e a interac o entre a l mina e a superf cie aqu tica 18 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Relativamente ao kayak existem diversas conceptualiza es cuja t nica colocada na import ncia do seu design e na rela o intr nseca deste
11. s est o reconhecidas 7 categorias de competi o diferenciadas pelo meio em que s o praticadas podendo ser em mares rios lagos e piscinas bem como pelos diferentes regulamentos que as orientam Um pouco por todo o mundo a canoagem portuguesa tem vindo a afirmar se desportivamente pelos resultados de excel ncia que tem conquistado internacionalmente tais como um record absoluto de 14 medalhas advindas de campeonatos europeus e mundiais em 2009 Desta feita 4 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o a federa o internacional mostra confian a no trabalho que est a ser desenvolvido no nosso pa s concedendo nos inclusivamente a possibilidade de organiza o dos Europeus sub 23 e juniores em 2012 bem como dos Europeus absolutos e Ta a do Mundo em 2013 Por m n o s a n vel dos resultados nacionais e internacionais que Portugal tem ganho expressividade uma vez que para isso tem contribu do em larga medida a presen a da sede de uma das melhores empresas de constru o de kayaks a M A R Lda fabricante dos kayaks NELO utilizados pelas principais selec es mundiais de canoagem An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 3 Evolu o das Embarca es de Canoagem No in cio do s culo XX as canoas e kayaks eram praticamente desconhecidos do grande p blico Eles eram normalmente concebidos e fabricados pelo seu utilizador constru dos m o com materiais dispon veis localmente s
12. 00 Figura 42 Distribui o das for as de impulso sobre o kayak 40 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 500 00 mm 375 00 Figura 43 Localiza o do apoio simples sobre os carris do banco Usufruindo do facto do kayak estar colocado em meio aqu tico mediram se tamb m as deforma es com os extens metros previamente colocados ver figura 44 Este registo de valores permitir comparar os resultados experimentais com os obtidos pelo MEF na tentativa de validar o mesmo Figura 44 Aquisi o do sinal dos extens metros com o kayak na gua Segundo dados do fabricante o kayak em estudo destina se a atletas com uma massa m xima de 85kg Portanto foi fundamental efectuar uma an lise da estrutura pelo MEF para um atleta desta envergadura assegurando se que o estudo compreenderia os esfor os m ximos aplicados mesma Assim o procedimento referido anteriormente foi integralmente repetido excepto no que respeita massa do indiv duo considerado que passou a ser de 85kg Inevitavelmente para que exista um equil brio de for as teria de acontecer um aumento do impulso e consequentemente um acr scimo do volume de kayak imerso na gua Para isso 41 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o mostrou se necess rio elevar a linha de gua sobre o kayak para que o impulso fosse distribu do por toda a rea submersa Atrav s deste procedimento foi realizado para se poder efectuar uma
13. 217 2986 04 2 198 04 26 48 Nesta tabela os valores de erro alcan ados denunciam a possibilidade de as propriedades n o estarem perfeitamente conseguidas pois as percentagens de erro s o bastante mais elevadas do que seria de esperar Sendo assim entendeu se pertinente privilegiar a obten o das propriedades a partir do ensaio com o kayak na gua pois pelo facto de toda a estrutura estar a ser solicitada nesta situa o a influ ncia da variabilidade inerente s propriedades globais sentir se de forma mais acentuada nos resultados No entanto considerando a validade das formas de obten o das propriedades que foram primeiramente utilizadas optou se por incluir 53 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o no novo ajuste os resultados obtidos pelos extens metros referentes ao carregamento com apoios no centro e nas pontas e tamb m a flecha obtida para as duas localiza es de apoios Desta forma as propriedades finais que se pretendem alcan ar ser o o produto do ajuste global entre as tr s formas consideradas Assim o novo m dulo de Young resultante foi de 8 6 GPa para a zona central e 4 GPa para as pontas do kayak Nas tabelas 18 19 20 e 21 mostra se a compara o entre resultados experimentais e os obtidos pelo MEF para as condi es de apoios nas pontas e no centro da embarca o usando desta vez os valores supracitados Tabela 18 Compara o de novos valores para extens metro da direit
14. 30 Vis o geral de um carregamento e sistema de aquisi o de dados O carregamento foi realizado tr s vezes de modo a apurarem se valores mais fidedignos e testar a repetibilidade do carregamento Registaram se ainda os valores durante o descarregamento para se verificar o correcto funcionamento do sistema A t tulo de exemplo mostra se na figura 31 as deforma es obtidas num dos carregamentos descarregamentos 32 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Strain strain 115u 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _ 14 31 43 143 14 34 43 143 14 37 43 143 14 40 43 143 14 43 43 143 14 46 43 143 14 49 43 143 14 52 43 143 14 55 43 143 14 58 43 143 15 01 40 8 ABA Time s Figura 31 Sinal dos extens metros num carregamento com apoios no centro do kayak com indica o da zona de estabiliza o Como dados relevantes para c lculo apenas se consideraram aqueles que resultaram depois de um intervalo de estabiliza o do sistema e que na figura acima se sinalizam a amarelo Com base nestes valores calculou se a m dia aritm tica entre os tr s carregamentos repetidos Tra ando se um gr fico de carregamento em fun o da deforma o pode se retirar a recta de calibra o do extens metro e a respectiva equa o podendo com isto calcular a deforma o para qualquer carregamento Nesta montagem o kayak encontra se simplesmente apoiado nos suportes normalmente utilizados para a sua eleva o Estes suportes r gidos constru dos em
15. 6 1 6887e 5 3 6745e 5 5 6604e 5 7 6462e 5 9 6321e 5 0 00011618 0 00013604 0 0001559 1000 00 mm 0 00017576 Min Figura 45 Deforma es na direc o do eixo do kayak com os apoios na zona central ap s o carregamento Analisando a figura anterior constata se que as maiores deforma es se concentram no local do apoio situado na parte traseira do kayak Este resultado explic vel atendendo se ao facto de que a for a est apoiada sobre o banco e este localiza se contiguamente parte anterior da embarca o No que respeita compara o das deforma es no segundo caso com localiza o dos apoios nas pontas o valor obtido foi de 7 2GPa para as duas extremidades Nas tabelas 8 e 9 est o sumariados os valores das deforma es obtidas pelo MEF e pela extensometria e indicados OS respectivos erros Tabela 8 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro da direita no caso de carregamento com apoios nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF EA 98 10 7 54E 05 7 87E 05 196 20 1 52E 04 1 58E 04 294 30 2 29E 04 2 36E 04 ao 39240 306604 3 1604 331 Ceo sso aseo ameoa 3 4 Cso 78480 614604 631604 289 47 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 9 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro da esquerda no caso de carregamento com apoios nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma
16. Competi o Figura 39 Defini o da linha de gua Utilizando as ferramentas dispon veis no SolidWorks calculou se o valor do volume de kayak imerso na gua que corresponde ao volume de gua deslocado ver figura 40 Volume 0 05527m3 Figura 40 Volume do kayak imerso na agua De modo a avaliar se esse valor estaria correcto utilizamos a equa o 7 1 para determinar o impulso gerado comparando o com o peso total da embarca o com o atleta Verificando se que o valor do impulso era bastante inferior ao peso total tornou se necess rio igual lo para se obter o volume correcto Assim com uma massa do conjunto de 70kg multiplicando este valor pela acelera o da gravidade obt m se um impulso de 686 7N Para uma temperatura da gua de 20 C considera se uma densidade vol mica de 998 2 tal como sugerido por Hutter e colaboradoes 2011 Daqui resulta um volume de 686 7 3 981 x 9982 0 070126m O valor acima referido evidenciou a necessidade de subir a linha de gua aumentando o volume de kayak imerso na mesma Este processo foi executado no SolidWorks elevando a linha e verificando o volume at se atingir um valor pr ximo do pretendido 39 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Comparativamente primeira linha a segunda localiza se 10mm acima O erro cometido na primeira abordagem torna se compreens vel considerando que a linha foi obtida pela sobreposi o de duas imagens e
17. Este trabalho tamb m em tua honra An lise Estrutural de um Kayak de Competi o ndice Ts JINTOdU O sussa ossos irito aca Nid occa ail E costed sorte atl eo a PLS RARA SUE NADA E Eds pee ae eens 1 1 1 Enquadramento do Estudo een e eee en ieee eee AE EE A eee near erra RORE ETE Enies 1 1 25 ODJ6CILIVOS ss assita A EE EEE E E E AEE 2 1 3 Estrutura da Disserta o eeii erine an ia aa OENE ARASAN a EEN a NEN an Nusdecaushaeecastaee 2 2 Considera es Hist ricas Relativas CANOAGEM cccceeceeeeeceeeeceeeeeeeeaeeeeaeseeneeseeeesaeeeeeaeeeeeeeeas 4 3 Evolu o das Embarca es de Canoagem sra areanaaara nana nanananeaa 6 4 Canoagem Modalidade Desportiva Multifacetada raras 7 4 1 Canoagem de Velocidade Sprint rara areea arara renan 7 4 2 Canoagem de maratona erre aaartananaaaraaaaaena nana a aaa ana aa aaa na nara nanaa a 9 4 3 Canoagem Slalom scsi Giles du anita a ade dae iaiia ea ta a E aei dia aa DRUG aa dd de 10 4 4 Canoagem Estilo Livre Freestyle ereta aaaraaaaaaaaaaraaaar aa aaar aa naanananaa 11 45 Canoagem POlOs rato dass asd a cas Na e da dae oe a dei 12 4 6 Canoagem de guas Bravas ns asa tte cares oS tac a re a a ster 13 4 7 Canoagem Barco Drag o Dragonboal 1 ccccccccceeeteeeceeeeeee tetas eeeaaeseneeeseaeesaeeeeeaeeseneees 14 4 8 Canoagem de Mat assaz teen ited EIS SST da E Reed clas aa TA ga 14 4 9
18. MEF Na an lise de estruturas mec nicas um dos crit rios com maior influ ncia no comportamento das mesmas a sua rigidez final Assim neste estudo a propriedade que apresenta maior relev ncia o m dulo de Young na medida em que este par metro interfere directamente com a rigidez da embarca o 34 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Atrav s do software ANSYS foi poss vel ajustar esta propriedade que inicialmente apresentava um valor de 58 GPa em toda a estrutura Este processo consistiu na simula o da situa o de carregamento apresentada no ponto 6 3 4 referente calibra o dos extens metros com apoios na zona central do kayak Seguidamente foram aplicados carregamentos sucessivos obtendo se para cada um deles a deforma o nos pontos correspondentes aos da colagem dos extens metros como se apresenta na figura 34 Figura 34 Pontos de obten o da deforma o no ANSYS Estes valores de deforma o foram comparados com os retirados pela recta de calibra o dos extens metros efectuando ajustes consecutivos do m dulo de Young por um processo iterativo a fim de se obter um erro inter deforma es inferior a 5 Foi ainda necess rio efectuar o ajuste do m dulo de Young para as pontas do kayak pelas raz es j referidas nos cap tulos anteriores Simulou se a situa o de carregamento descrita no ponto VI 3 5 e comparam se os valores obtidos com os retirados da recta de cal
19. a o foram colocados nos extremos da zona refor ada do cockpit 6 3 4 Calibra o dos Extens metros com Apoios nas Pontas do Kayak O procedimento anterior foi repetido desta vez para a calibra o dos extens metros com apoios nas pontas do kayak tal como se observa na figura 32 Neste caso o apoio da parte de tr s estava colocado a 410mm da ponta traseira da embarca o e o outro a 350mm da ponta frontal 33 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 32 Posicionamento dos apoios nas pontas do kayak De forma a espelhar as deforma es obtidas nesta condi o apresenta se a figura 33 Apesar dos carregamentos se repetirem igualmente tr s vezes verifica se pela an lise desta imagem que foram aplicadas apenas duas cargas de forma a evitar danos no kayak pois esta condi o provoca deforma es mais elevadas devido ao maior momento flector Strain strain a o a 140u 1 1 i i 1 1 i i i 18 28 41 580 18 31 41 580 18 34 41 580 18 37 41 580 18 40 41 580 18 43 41 580 18 46 41 580 18 49 41 580 18 52 41 580 2 4 lt 9 Time s 1 18 57 49 5 Figura 33 Sinal dos extens metros num carregamento com apoios nas pontas do kayak com indica o da zona de estabiliza o Finda esta fase os passos que se seguem destinam se descri o do procedimento de ajuste de uma das propriedades mec nicas da estrutura o m dulo de Young global pelo MEF 6 3 5 Ajuste do M dulo de Young Atrav s do
20. acedido em Maio de 2011 Duem http www duemstuff com acedido em Maio de 2011 DuPont 2011 http www2 dupont com DuPont_Home en_US index html acedido em Abril de 2011 67 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Esporte Mundial http globoesporte globo com acedido em Maio de 2011 Hickok Sports http www hickoksports com acedido em Maio de 2011 International Canoe Federation http www canoeicf com icf acedido em Abril e Maio de 2011 KAYAK http www kayak im acedido em Maio de 2011 Life your world in pictures http www life com acedido em Maio de 2011 Jogos Olimpicos de Londres 2012 http www london2012 com acedido em Maio de 2011 P gina oficial da atleta Beatriz Gomes http bbgomes blogs sapo pt acedido em Maio de 2011 Vajda Group http www vajdagroup com acedido em Maio de 2011 68
21. an lise de tens es na estrutura da embarca o pois esta an lise que condiciona o projecto de componentes ou estruturas Neste caso considerou se a tens o equivalente de von Mises calculada no software ANSYS 6 5 Procedimentos de an lise mediante a t cnica de Shear Sendo o kayak constru do por um processo primordialmente manual e tratando se de um laminado comp sito compreens vel a exist ncia de defeitos internos os quais podem influenciar o comportamento da estrutura Com o intuito de complementar este estudo procuramos identificar esses poss veis defeitos usando a t cnica de Shear A t cnica foi aplicada na zona central parte mais cr tica do kayak onde se colocou uma l mpada fonte t rmica de modo a provocar uma expans o t rmica na embarca o Caso o laminado n o esteja bem compactado criar se o no seu interior bolsas de ar que fragilizam a estrutura constituindo se como um defeito Como a expans o t rmica do ar superior da estrutura visualizar se o por conseguinte maiores gradientes de deslocamento nesses locais Esta t cnica de inspec o n o destrutiva foi concebida para inspeccionar componentes em mat rias comp sitos utilizados em aplica es aeron uticas e hoje aceite com tendo uma sensibilidade equivalente inspec o por ultra sons 42 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 7 Apresenta o e An lise de Resultados Para uma melhor compreens o dos result
22. com o desempenho ptimo do atleta e g Robinson et al 2002 Um estudo efectuado em 2009 por Michael e colaboradores apresentou uma representa o gr fica do desempenho dos atletas ol mpicos de K1 1000 metros no per odo de 1948 a 2008 e de K1 500 metros de 1976 a 2008 cujos dados se coadunam com esta no o de que o constante aperfei oamento dos kayaks contribui para uma redu o nos tempos da presta o dos atletas ver gr fico 1 Gr fico 1 Desempenho dos atletas ol mpicos de K1 1000m 1948 2008 e de K1 500m 1976 2008 Fonte Michael Smith amp Rooney 2009 Swivel Seat 4 Diamond style Wing Paddle kayak V Form kayak with standard flat blades Delta style kayak E Narrow kayak with H no beam restrictions i Eagle style boat 04 45 1 04 27 8 min a a Q y in w a 03 36 0 03 18 7 1000m race times min sec 03 01 4 02 01 0 01 52 3 01 43 7 01 35 0 01 26 4 500m race times min sec 01 17 8 01 09 1 ese 888228 Olympic year Baseados nesta premissa alguns investigadores t m reflectido acerca de diversas quest es essenciais em torno da composi o e funcionamento do kayak Jackson 1994 por exemplo procurou estabelecer os efeitos dos diferentes factores que determinam a velocidade do curso de kayaks e canoas concluindo que relativamente ao casco um aumento de apenas 1 de atrito na superf cie pode resultar numa red
23. de aramida que apresenta tal como a fibra de carbono excelentes propriedades mec nicas Segundo a DuPont o Kevlar 49 o mais utilizado em embarca o e equipamentos desportivos pelo que deduzimos que seja este o tipo de fibra de aramida utilizada no kayak apresentado Para um comp sito de resina de poxido refor ada com kevlar a densidade espec fica de 1400 kg m que aliado a um m dulo de elasticidade de 124 GPa e uma resist ncia trac o de 3 6 GPa DuPont 2011 o torna um material com uma rela o peso resist ncia superior fibra de carbono no entanto de salientar que a utiliza o de um comp sito constitu do por fibra de carbono e Kevlar bastante usual quando se pretende uma elevada resist ncia e boa capacidade de absor o de impactos Corti a Pela observa o da estrutura do kayak percebe se que existe um aglomerado de corti a cuja fun o essencialmente fornecer espessura sem aumentar muito a densidade final do kayak Dado que as propriedades mec nicas variam bastante com a press o que exercida sobre as part culas de corti a para formar o aglomerado n o poss vel conhec las com exactid o Segundo Silva e colaboradores 2005 a densidade pode variar entre 120 e 240 kg m e o m dulo de elasticidade situa se em torno de 38 MPa De entre os materiais supracitados a fibra de carbono e o kevlar s o aqueles que contribuem para a estabilidade estrutural do kayak pelo que so
24. de gordura subcut nea Os autores associam o perfil morfol gico encontrado ao treino de for a e resist ncia muscular imposto pela modalidade na medida em que este tipo de esfor os parece desencadear processos de hipertrofia m sculo esquel tica Gobbo et al 2002 Resultados semelhantes foram encontrados em 2003 no estudo de Ackland e colaboradores o qual concluiu que os kayakistas ol mpicos apresentam um somat tipo mesomorfo equilibrado com maior representa o da muscularidade corporal Outro dos factores de grande enfoque na literatura sobre o tema prende se com a an lise de par metros fisiol gicos nos atletas de alta competi o Sousa 2008 investigou o perfil dos indicadores fisiol gicos do metabolismo aer bico de kayakistas de elite ao longo de uma poca atrav s de dados referentes frequ ncia card aca limiar anaer bico e consumo m ximo de oxig nio VOsmax concluindo que o processo de treino ter induzido nos kayakistas uma melhoria nos indicadores de composi o corporal e potenciando os mecanismos fisiol gicos que evidenciam uma rela o directa com os indicadores de performance De igual forma outras investiga es revelam que as adapta es geradas pelo treino induzem altera es no sistema cardiovascular e respirat rio Bishop 2000 verificou que numa prova oficial feminina de K1 500 metros as atletas possu am grande actividade aer bica 70 25 5 61 que pode requerer uma ineg vel contribui
25. deforma es em cerca de 25 o que denuncia de forma mais clara a necessidade de se efectuar uma an lise de tens es para esta condi o de carregamento Decorre da referida an lise que existe uma regi o atr s do cockpit que merece mais cuidado na medida em que ali se concentram os valores de tens es mais elevados A exist ncia de um vinco nesse mesmo lugar introduz um factor de concentra o de tens es que com a fadiga pode provocar o colapso na estrutura Por este motivo entendemos que seria pertinente a coloca o de um refor o neste ponto e ao que pudemos apurar junto da pr pria embarca o j foi um aspecto ponderado pelo fabricante pois este introduziu camadas adicionais de fibra de carbono para aumento da resist ncia do local Finalmente mostra se relevante constatar que o facto de os valores m ximos de tens o se situarem em torno do cockpit ver figura 49 configura uma situa o previs vel na medida em que existe uma descontinuidade na estrutura tipo casca e nesta zona que o kayakista se senta Compreende se portanto que o fabricante tenha colocado nesta regi o camadas adicionais de fibra de carbono na parte interior criando assim uma estrutura sandwish de forma a aumentar a resist ncia de todo o cockpit Estas considera es relativas aos dados que emergem do nosso estudo permitem nos afirmar que o modelo criado em elementos finitos capaz de traduzir correctamente os esfor os a que a embarca o es
26. e sua montagem 24 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 6 2 2 Ansys Mechanical Workbench v 13 0 Este sistema permite a constru o de modelos computacionais ou a transfer ncia de modelos de CAD das estruturas a serem analisadas sendo que o seu uso possibilita a aplica o de cargas o estudo de respostas f sicas e o aperfei oamento de projectos de forma a reduzir custos relativos fabrica o de prot tipos De forma sucinta o seu funcionamento assenta na realiza o de an lises a partir da constru o do modelo Preprocessor aplica o de cargas e obten o da solu o Solution chegando se por fim aquisi o dos resultados Postprocessor Monteiro 2004 O programa computacional ANS YS viabilizou a aplica o do m todo de elementos finitos ao estudo em causa Genericamente este m todo num rico caracteriza se pela utiliza o de polin mios para aproxima o da solu o de um determinado problema O dom nio a ser analisado dividido em subdom nios os elementos finitos os quais se interceptam num n mero determinado de pontos ou n s que resultam numa malha com n pontos nodais nesses n s que se sup e estarem concentradas as resultantes das for as aplicadas Considerando as equa es de equil brio e de compatibilidade em cada n da resulta um conjunto de equa es alg bricas cujas inc gnitas s o os deslocamentos nodais as for as internas ou ambos dep
27. etapas cujo n mero determinado pelo Comit da competi o sendo que as categorias femininas e juniores podem ter provas mais curtas 14 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Pelo car cter incerto do ambiente em que se disputam estas competi es permitido o uso de determinados utens lios como b ssolas remos de reserva e bombas e escoamento de gua al m de ser exigido como medida de seguran a que todas as embarca es possuam flutuadores e os atletas enverguem coletes salva vidas Figura 13 Cano stas em alto mar praticando canoagem de mar Fonte http www mar kayaks pt Nesta modalidade todos os barcos devem apresentar largura m nima de 55 cm e peso m nimo de 140N sendo que o que define a classe das embarca es o seu comprimento existindo portanto tr s categorias distintas Classe I kayaks com comprimento m nimo de 4 60 m Classe II kayaks com comprimento entre 4 30 m e 4 59 m Classe III kayaks com comprimento m nimo de 4 00 m e m ximo de 4 29 m 4 9 Canoagem Adaptada A canoagem adaptada praticada por portadores de algum tipo de defici ncia f sica auditiva visual mental ou m ltipla Os atletas podem consoante o tipo de incapacidade utilizar equipamentos extra que lhes permitam melhorar o seu rendimento desportivo de modo seguro ver figura 14 15 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Dm Figura 14 Praticante de Canoagem Adaptada Fonte
28. http www canoeicf com Em 2009 no Campeonato do Mundo de Canoagem de Velocidade disputado no Canad os eventos de canoagem adaptada foram recebidos com grande apoio e aclama o pela multid o As provas inclu am 200 metros masculino e feminino nas categorias de pernas tronco e bra os K2 200 metros nos grupos tronco e bra os ou apenas bra os e C2 para atletas de qualquer das categorias O grande intuito do Programa de Canoagem Adaptada tornar se um desporto oficial com participa o nos Jogos Paral mpicos de 2016 Para tal tem se tentado aumentar as participa es em campeonatos mundiais alargando as a 24 pa ses No entanto em 2010 o Campeonato do Mundo de Canoagem de Velocidade excedeu mesmo as expectativas com a participa o de 63 atletas provenientes dos 5 continentes Faz se assim uma revis o do estado actual da canoagem de competi o mostrando o amplo espectro das competi es existentes que permitem que uma popula o bastante alargada possa participar em actividades realizadas ao ar livre Estas caracter sticas da modalidade aliadas s belas paisagens que bordeiam os cursos de gua do nosso pa s justificam a elevada aceita o de que tem beneficiado nos ltimos anos No entanto o objectivo deste trabalho consiste em estudar apenas um kayak concebido e constru do especificamente para competi o de velocidade em guas paradas pelo que ser nesse tipo de barco que se concentra a aten
29. lise de tens es na estrutura do kayak para um carregamento com um indiv duo de 85kg Os resultados desta an lise s o apresentados no ponto seguinte 7 3 Distribui o de Tens es na Estrutura do Kayak A an lise da distribui o de tens es na estrutura implicou a sua simula o no software ANSYS Na figura 49 visualizamos a distribui o das tens es equivalente de von Mises ao longo da estrutura do kayak 57 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Equivalent Stress Type Equivalent von Mises Stress Unit MPa 12 401 Max 11 515 10 629 9 7435 8 8577 7 972 7 0862 6 2004 5 3146 4 4289 3 5431 2 6573 1 7715 0 88578 o 1000 00 mm 3 0721e 6 Min 250 00 750 00 Equivalent Stress Type Equivalent von Mises Stress Unit MPa 12 401 Max 400 00 mm b Figura 49 Resultado da tens o de von Mises para o caso de carregamento com indiv duo de 85kg a Vista geral b Pormenor do cockpit Da observa o da figura 49 a percebe se claramente que as tens es mais elevadas se situam em torno do cockpit apresentando um valor m ximo de 12 401MPa Nas regi es mais afastadas do centro registam se valores entre 1 e 2 MPa Na figura 49 b visualizamos mais ao pormenor a zona do cockpit percebendo que na rea de tens es m ximas se localizam num vinco que introduz um factor de concentra o de tens es Na figura 50 pode ver se que o fabricante j possui informa o sobre este facto pois s o v
30. por n o necessitar de feixe de refer ncia permite trabalhar com LASER de menor comprimento de coer ncia 6 3 Procedimento de Obten o das Propriedades Globais do Kayak Apesar de serem conhecidos os materiais de constru o do kayak n o se conseguiam identificar as suas propriedades globais pois a direc o das fibras e a distribui o da quantidade de resina de ep xido s o factores desconhecidos Assim a primeira etapa foi desvendar essas propriedades porque s desta forma se pode partir para uma an lise a n vel estrutural Foi com recurso aos elementos finitos e extensometria que tal foi poss vel Estando o kayak sujeito principalmente a esfor os de flex o optou se pela realiza o de um carregamento de flex o em tr s pontos que se mostra esquematicamente na figura 20 Figura 20 Esquema de flex o em tr s pontos A reprodu o deste carregamento no software ANSYS e a sua posterior compara o com uma situa o real s o a base que permite o ajuste das propriedades globais da embarca o 6 3 1 Selec o dos Pontos para Colagem dos Extens metros com Recurso ao MEF A forma do kayak foi desenhada em CAD 3D no SolidWorks tendo sido necess ria a sua divis o em tr s partes dada a exist ncia do refor o na zona central que lhe confere diferentes propriedades face s restantes zonas Na figura 21 identificam se as tr s partes as pontas a vermelho e o centro a cinzento Agradece se ao Eng
31. que a fotografia tirada ao kayak n o estava perfeitamente enquadrada Como se pretende mostrar que o modelo de elementos finitos capaz de representar a situa o de utiliza o da embarca o o passo seguinte consistiu em aplicar no modelo criado o impulso da gua Trata se de uma solicita o uniforme aplicada sobre todo o casco e a varia o das for as ao longo do comprimento variar de acordo com a altera o de geometria existente no kayak pois existe varia o de volume Assim foi necess rio dividir a zona imersa em v rias partes ver figura 41 obtendo se o volume para cada uma delas de forma a retratar o melhor poss vel a situa o real sendo de admitir algum erro de paralaxe Figura 41 Divis o da zona imersa em v rias partes Para se proceder se cria o do modelo em elementos finitos ainda essencial perceber de que forma se representar a ac o do kayakista Segundo Paradis e Gendron 2007 essa ac o pode ser expressa atrav s de um apoio simples no local onde o atleta est posicionado sendo ent o desta forma que se decidiu representar a sua ac o Apresenta se na figura 42 o modelo de elementos finitos elaborado onde se observa a aplica o das diversas for as distribu das correspondentes ao impulso sobre cada parte Na figura 43 mostra se a localiza o do apoio simples colocado nos carris do banco que restringe o deslocamento na vertical 0 00 500 00 1000 00 mm 250 00 750
32. se pode verificar na figura 22 Figura 22 Detalhe da malha de elementos finitos Esta malha cont m 79533 elementos de casca triangulares e 160117 n s 27 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o A etapa subsequente foi a defini o das condi es de fronteira Como primeiro ensaio colocaram se apoios simples com restri o na direc o vertical eixo do y que se situaram nas delimita es da zona central do kayak tal como se observa na figura 23 Localiza o dos apoios simples 900 00 mm Figura 23 Localiza o dos apoios no kayak para an lise no MEF Ainda neste dom nio foi aplicada uma carga de 700N sobre os carris que suportam o banco valor correspondente ao peso de um atleta ver figura 24 A for a foi aplicada remotamente situando se aproximadamente no centro de gravidade do kayakista 175 00 Figura 24 Local de aplica o do carregamento 28 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Estando o kayak sobre esfor o de flex o a deforma o que importa observar ao longo do seu eixo neste caso eixo do x A partir da deforma o resultante do carregamento aplicado escolheu se o local para a colagem dos extens metros como se apresenta na figura 25 Local para colagem dos extens metros 0 00038806 Max 0 00030747 0 00022688 0 00014629 6 5701e 5 1 4888e 5 9 5477e 5 0 00017607 0 00025666 0 00033725 0 00041783 0 00049842 0 00057901
33. tica de modo a considerar poss veis efeitos din micos Sumariamente os resultados demonstraram que em qualquer um dos casos de carregamento em suportes de apoio simples a canoa actua longitudinalmente como uma viga de sec o em U de in rcia vari vel e sujeita a cargas de flex o A sua conduta com dois ou quatro remadores sujeita se longitudinalmente flex o negativa alargamento da canoa e transversalmente flex o positiva contrac o da canoa Dependendo do peso da canoa e do peso dos remadores qualquer um dos casos pode ser cr tico pela combina o da ac o da gravidade e distribui o da press o hidrost tica embora no que respeita canoa em an lise o caso de carga de dois canoistas foi visivelmente mais cr tico Quanto ao comportamento das subestruturas o m todo de elementos finitos permitiu constatar que as ripes aumentavam consideravelmente a rigidez transversal e que o campo de tens es era de algum modo afectado pela presen a das mesmas De forma a complementar o estudo operaram se testes din micos que representaram a condi o de corrida com dois canoistas tendo se apurado que as remadas induziam tens es de pequena amplitude no casco e nas subestruturas Em ltima an lise mostra se pertinente referir as conclus es relativas ao estabelecimento do factor de amplifica o e medi o do campo de tens es e subsequente determina o da resist ncia necess ria No que respeita s primeiras os resultado
34. um Kayak de Competi o era esperado pois trata se de um a estrutura tipo casca com elevada rigidez e reduzida espessura O aparecimento de padr es irregulares e com maior n mero de formas pode indicar a exist ncia de bolsas de ar deslocamentos ou delaminagem internas pois nesses locais ocorre um maior gradiente de deslocamento provocado por dilata o t rmica Assim pode atestar se que podem existir defeitos na estrutura do kayak ou ainda que a inclus o de alguns acess rios para fixa o do banco e finca p s que t m uma influ ncia directa nos resultados J que aumentar o a deforma o da mesma ou alteram o comportamento estrutural esperado Na figura 52 em particular observa se uma maior concentra o de defeitos pensamos que tal decorra n o s da constru o da embarca o mas tamb m da sua utiliza o j que no fundo do kayak que se situa o banco do kayakista que com a utiliza o pode provocar delaminagens no comp sito Deve ainda referir se que nesta regi o se encontram embebidos no comp sito alguns acess rios de fixa o do banco que decerto contribuem para um comportamento estrutural mais complexo 61 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 8 Discuss o dos Resultados Os resultados obtidos ao longo desta disserta o ilustram determinados aspectos que importa aqui discutir num cruzamento com algumas alus es da literatura no mbito da an lise estrutural Come ando pelos
35. uniforme Por fim estas reas foram lixadas com uma lixa fina para criar alguma rugosidade que garantisse a ader ncia da cola a aplicar para a colagem dos referidos extens metros Esta rugosidade obtida atrav s da lixagem em duas direc es com um ngulo de aproximadamente 45 entre elas Por fim realizou se uma limpeza com acetona para remover qualquer impureza da superf cie 29 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Feito este procedimento foi realizada a marca o do local onde ficar o os extens metros como se evidencia na figura 26 o que serve para alinhar os eixos deste com os eixos tra ados na pe a As marcas devem ser suficientemente vis veis de modo a permitir o posicionamento correcto dos extens metros aquando da colagem Deve referir se que a marca o dever ser realizada sem tocar na regi o de colagem previamente preparada para n o a contaminar Figura 26 Localiza o de um dos extens metros O primeiro passo para iniciar a aplica o do extens metro consiste na sua coloca o sobre uma tira de fita adesiva para fixar a posi o e orienta o do mesmo na pe a Posteriormente levantando uma das pontas da tira coloca se catalisador no extens metro e na superf cie do kayak esperando que seque durante um minuto Em seguida aplica se cola ao longo da rea de colagem e pressiona se o extens metro contra o kayak para que a cola em excesso possa escoar necess rio aguardar dois
36. 0 0006596 0 00074019 Min y 0 00 1000 00 mm x Doo OOO Figura 25 Resultado da simula o MEF da deforma o segundo o eixo do kayak e localiza o da rea de colagem dos extens metros Os crit rios da selec o da rea de colagem prenderam se com a apresenta o de deforma es consider veis mensur veis pelos extens metros e com a facilidade de acesso para se efectuar a colagem privilegiando se um local que preserva se a integridade da embarca o pelo que se optou ent o por um posicionamento interior Procurou se instrumentar numa regi o de comportamento homog neo sem a presen a de gradientes de deforma o Assim foram posicionados dois extens metros em locais sim tricos Esta redund ncia servir para verificar a fidelidade do sinal e a simetria do carregamento 6 3 2 Montagem dos Extens metros Ap s definido o local para a colagem de dois extens metros procedeu se prepara o da superf cie Este um passo fundamental para garantir a m xima ader ncia entre o extens metro e o kayak Para tal foi efectuada uma remo o de incrusta es de modo a regularizar a superf cie com recurso lixagem Uma vez feita a limpeza bruta seguiu se a parte em que a superf cie come ou realmente a ser preparada para a coloca o dos extens metros Como poderiam existir fibras de carbono quebradas que interfeririam com a colagem colocaram se camadas de cola adicionais para criar uma superf cie mais
37. 3 11 410 0 00022 2 655 51 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Da an lise da figura 47 que representa as deforma es obtidas pelo MEF relativamente vista geral p de apurar se a ocorr ncia de flex o em torno do apoio simples local onde est sentado o indiv duo As deforma es mais elevadas situam se em torno da regi o do cockpit Uma observa o mais detalhada da imagem de pormenor revela que as deforma es positivas ocorrem junto dos carris do banco o que esperado dado que a flex o existente provoca um alongamento da estrutura O vinco quase transversal disposto na parte de tr s do cockpit origina elevada deforma o de contrac o negativa I Impulso no Kayak Normal Elastic Strain Type Normal Elastic Strain X Axis Unit mmjrm Global Coordinate System 0 00035844 Max 0 00028541 0 00021239 0 00013936 6 6334e 5 6 6929e 6 7 9719e 5 0 00015275 0 00022577 0 0002988 0 00037183 0 00044485 0 00051788 0 00059091 1000 00 mm 0 00066393 Min I Impulso no Kayak Normal Elastic Strain Type Normal Elastic Strain X Axis Unit mmfmm Global Coordinate System 0 0002988 0 00037183 0 00044485 0 00051788 0 00059091 Te e I 59 0 00066393 Min b Figura 47 Deforma es obtidas pelo MEF para um carregamento do impulso sobre a embarca o com um atleta de 61kg a Vista geral b Pormenor do cockpit Foram igualmente analisadas as deforma es
38. 3 5 0 com uma frequ ncia de aquisi o de sinal de 7Hz tratando se de carregamentos est ticos n o se justifica a utiliza o de um valor superior 25 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 6 2 4 Sistema Shear Shearography Speckle O Shear Shearography uma t cnica interferom trica presentemente usada para inspec o n o destrutiva de estruturas comp sitas normalmente aplicada uma fonte t rmica para excita o estrutural e por altera o na forma resultante da expans o t rmica do material obt m se os deslocamentos internos Hung 1997 O interfer metro tem o mesmo princ pio da interferometria de Speckle excep o de que neste as duas frentes de onda refer ncia e objecto adv m ambas do objecto e s o desviadas lateralmente Shear para criar um padr o de interfer ncia Ao contr rio de outras t cnicas o Shear s sens vel ao gradiente de deslocamentos fora do plano alta insensibilidade aos movimentos de corpo r gido de forma que o gradiente de deslocamentos medido constitui se como uma boa aproxima o ao campo de rota es da superf cie Kreis 2005 Pode ainda referir se que a forma mais compacta deste interfer metro garante a maior estabilidade nas medi es facilitando o isolamento das perturba es exteriores Gomes Monteiro amp Vaz 2000 Por fim importa salientar a simplifica o da montagem ptica desta t cnica que se tem mostrado bastante vantajosa pois
39. Candagem Adaptada a sstssesssntns soraia quado de vleek eed lie Isis an adhe sighs aaan nad ssa aa 15 5 Estado da Are sonia case da diay aude va teens CDA ELA ada a DEDO DRA asa CDE ENRa qd TE T 17 6 MGlOdO Saitek hr cis RO RR PER ia eh OPA OUR REDE A PERA GORRO tee i elie aa 21 6 1 Modelo de Kayak em An lise re rarraataraaaaaanarea near naaaaaaneaa 21 6 2 INStTUMENTOS sera gess Acar star thant ether contada dest tlc thin 24 6 2 1 SolidWorks Premium v 2010 sans gas oii air Sn oepaucdibuadctaterhadiadtaiedtaan 24 6 2 2 Ansys Mechanical Workbench v 13 0 reatar 25 6 2 3 Extensometria el ctrica essence ceeeeeeaaeeeeaaeseaeeseeeeesaaesseaaeeneeeeseaten 25 6 2 4 Sistema Shear Shearography Speckle reatar 26 6 3 Procedimento de Obten o das Propriedades Globais do Kayak 26 6 3 1 Selec o dos Pontos para Colagem dos Extens metros com Recurso ao MEF fe teh chet iii Aa eee ee iad A a DA A a AQE 26 6 3 2 Montagem dos ExtenSOmetros cccccceecceceeeeceeeeeeeseeceeeesaeeeeaaeseaeeseeeeeesaeeeeneeee 29 6 3 3 Calibra o dos Extens metros com Apoios no Centro do Kayak 32 6 3 4 Calibra o dos Extens metros com Apoios nas Pontas do Kayak 33 6 3 5 Ajuste do M dulo de Young Atrav s do MEF 34 6 3 6 Obten o da Flecha a Meio V o e Consequente Compara o com MEF 35 6 4 Procedimento de Estudo das Deforma es e Te
40. F para um carregamento do impulso sobre a embarca o com um atleta de 61kg a Vista geral b Pormenor do cockpit ccccccsccccecsseeeeeesnteeeeseneeeseseeeeseaaes 52 Figura 48 Registo experimental das deforma es com o kayak na gua 53 Figura 49 Resultado da tens o de von Mises para o caso de carregamento com indiv duo de 85kg a Vista geral b Pormenor do cockpit iia teii ida 58 Figura 50 Refor o na parte interior do kayak na zona do vinco no cockpit 59 Figura 51 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista d frente do kayak impete tartani renien aa a Chad Sanga gana dita a fed aaa LAR pata Da aa aada a EAA AANE KETENE 59 Figura 52 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista de topo do Kayak roseni ernia A E EA A A TE a E dda S E AE EAA AE da deus tda da da 60 Figura 53 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista de baixo do Kaya miruda eet is pede Sait nl adn ee et ea a ada nda de 60 viii An lise Estrutural de um Kayak de Competi o ndice de Tabelas Tabela 1 Especifica es para embarca es de velocidade ern nese tr nest nn nnne nn nnnernnne ennn 9 Tabela 2 Carregamento sobre o kayak com apoio no centro para calibra o do extens metro Ca OU ETI Ee EEEE EEEE E EE E A E AE O ROD A RR AS ERA RR 43 Tabela 3 Carregamento sobre o ka
41. Nuno Ramos colaborador do LOME INEGI a disponibiliza o do desenho em CAD 3D do modelo do kayak em estudo 26 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o MisolidWonms 9 amp bl amp 9 8 5 vara BIA Oe a ee SB vanqush DIA Defaut e Delad E sewers 2A Annotations 2S Fret Mane R Toine ES toe n HD N area parta frertect gt WD 2 varqach pete maine gt fes vargas parte tr e lt i gt Motes in Vanquish TI 3 taneoes A ferctatora Model Select entities to modiy thee scpecrance Under Detned Edema Asset 2 7 Figura 21 Modelo do kayak em CAD 3D e E ja De seguida foi feita uma exporta o da geometria da embarca o para o software ANSYS para se simular a situa o de carregamento mencionada anteriormente Tratando se de um carregamento est tico seleccionou se por conseguinte uma an lise est tica Nesta etapa tornou se necess rio definir um material para o kayak tendo se optado por principiar com um material em que as propriedades mec nicas resultam da m dia aritm tica dos valores que a literatura aponta para cada um dos materiais da sua composi o M dulo de Young 58 GPa Densidade 361 5 kg m Coeficiente de Poisson 0 3 A primeira aproxima o utilizou estes valores para as tr s partes indiferenciadamente Decorridos estes aspectos procedeu se ent o gera o da malha cuja distribui o pela estrutura do kayak
42. a apoio nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o kg N Esperada MEF 8 10 9 7 54E 05 8 78E 05 196 20 1 52E 04 1 76E 04 294 30 2 29E 04 2 63E 04 Da 39240 ooe 35180 50 3 83E 04 4 39E 04 60 s 498 08 sam Ow mago sueo 70604 Tabela 19 Compara o de novos valores para extens metro da esquerda apoio nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF 40 39240 304E 04 3 51E 04 15 38 60 588 60 4 57E 04 5 26E 04 15 10 686 70 5 34E 04 6 14E 04 15 02 490 50 3 81E 04 4 38E 04 15 21 80 784 80 6 10E 04 7 01E 04 14 95 54 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 20 Compara o de novos valores para extens metro da direita apoio no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF E 2 14E 05_ 2 31E 05 196 2 4 34E 05 4 63E 05 294 3 6 55E 05 6 94E 05 6 09 40 a ereas 926605 5 88 o wos 09604 116604 569 o s 132804 139604 560 o mas amena aseo 548 Tabela 21 Compara o de novos valores para extens metro da esquerda apoio no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF EA 040 3924 8 63E 05 9 25E 05 721 60 sse 130808 139604 660 Cso ms ameoa aseo 630 Relativamente aos resultados anteriormente apresen
43. ados desta investiga o apresenta se primeiramente o produto do estudo do ajuste do m dulo de Young bem como os resultados referentes sua valida o atrav s da medi o da flecha a meio v o Posto isto s o examinados os resultados relativos s deforma es obtidas in situ e atrav s da an lise num rica que permitem inferir a viabilidade do modelo de elementos finitos criado Subsequentemente apresenta se uma an lise descritiva da distribui o de tens es ao longo da estrutura da embarca o Na fase final s o ainda expostos os dados relativos t cnica de Shear que revelam os defeitos estruturais do modelo de kayak analisado 7 1 Obten o e Valida o do M dulo de Young A obten o do m dulo de Young envolveu a compara o dos valores de deforma o apurados experimentalmente com aqueles que se obtiveram pelo MEF Este processo iniciou se com a calibra o dos extens metros com apoios na zona central e nas pontas do kayak Nas tabelas 2 e 3 apresentam se os valores das cargas aplicadas e as resultantes deforma es registadas a partir dos extens metros com a embarca o apoiada no centro Tabela 2 Carregamento sobre o kayak com apoio no centro para calibra o do extens metro da direita Carga Aplicada kg Deforma o 0 1 698 06 1 12E 05 15 22 3 45E 05 25 02 5 48E 05 35 14 7 59E 05 44 88 9 81E 05 Tabela 3 Carregamento sobre o kayak com apoio no centro para calibra o do exte
44. ais longas o Comit de canoagem de guas bravas da ICF decidiu acrescentar provas de velocidade a esta disciplina promovendo anualmente tr s provas cl ssicas de canoagem de guas bravas e tr s provas de canoagem em guas bravas de velocidade De forma similar o campeonato mundial da modalidade tem presentemente ambos os tipos de provas no programa cujas categorias s o K1 feminino e masculino e C1 e C2 masculino 13 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 11 Atleta de Canoagem de guas Bravas durante a descida do rio Fonte http www canoeicf com 4 7 Canoagem Barco Drag o Dragonboat Esta vertente da canoagem surge com inspira o oriental As embarca es s o grandes e abertas frequentemente decoradas com drag es de madeira na proa ver figura 12 As corridas s o disputadas por equipas de 10 ou 20 remadores al m de um timoneiro e de outro elemento que dita o ritmo com um tambor Usando remos de uma s p vence a equipa que percorrer o percurso estabelecido normalmente de 500 a 1000 metros no menor tempo poss vel Fonte http www abhkonline com 4 8 Canoagem de Mar A canoagem de mar praticada em guas abertas nas quais se desenvolvem provas de percurso resist ncia e habilidade A finalidade destas provas percorrer em guas marinhas um determinado trajecto previsto na carta n utica figura 13 A dist ncia do percurso deve ser superior a 10000m dividindo se em
45. andre Jr J 2006 Aplicabilidade Cientifica do M todo de Elementos Finitos R Dental Press Ortodon Ortop Facial 11 35 43 M A R Kayakers Lda http www mar kayaks pt acedido em Mar o de 2011 Malato E 2009 A Canoagem como Manifesta o Esportiva de Identidade Cultural do Estado do Par Disserta o de Mestrado da Universidade Castelo Branco Rio de Janeiro Merkle L 1993 O que canoagem Apostila T cnica Curitiba 66 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Michael J Smith R amp Rooney K 2009 Determinants of Kayak Paddling Performance Sports Biomechanics 8 167 179 Michael J Rooney K amp Smith R 2008 The metabolic demands of Kayaking a review Journal of Sports Science and Medicine 7 1 7 Monteiro F 2004 An lise de Falhas em Eixo de Laminadora Disserta o de Mestrado da Universidade Estadual Paulista Guaratinguet S Paulo Monteiro M 2009 As Organiza es e o Desenvolvimento do Desporto a Canoagem no Marco de Canaveses Disserta o de Mestrado da Faculdade de Desporto da Universidade do Porto Paradis F amp Gendron G 2007 Structural modeling and testing of a concrete canoe Ocean Engineering 34 206 217 Planchard D amp Planchard M 2010 Commands Guide Tutorial for SolidWorks 2010 SDC Publications Petrone N Isotti A amp Guerrini G 2006 Biomechanical analysis of olympic kayak athletes during indoor paddling In Pro
46. bacia ir easaaareanaa 11 Figura 9 Imagem hist rica que representa um jogo de P lo nte 12 Figura 10 Jogo de Canoagem P lo rear aneeaareaaaaar nana aaa araa near aanar aa nananans 13 Figura 11 Atleta de Canoagem de guas Bravas durante a descida do rio cscscsccssssessesestsstsesteseees 14 Figura 12 Canoagem Barco Drag o rare aaneeaareaaaaaraananaaarea ane aaaa na nanananas 14 Figura 13 Cano sta em alto mar praticando canoagem de mar in 15 Figura 14 Praticante de Canoagem Adaptada errar aree aereas 16 Figura 15 Modelo de kayak em estudo serrana arara naaaaaaraaae renan naananaa 21 Figura 16 Vista do cockpit do kayak reta araraaaaaaaareaaaaar aa aaa ana aaaaar aa aaar aa nanananas 21 Figura 17 Finca p s colocado no interior do kayak rear reanarrraaara nana 22 Figura 18 Sec o de corte no kayak ret earraaaaeaanaaaa nara aaaana na raanar aa aaaraanananaa 22 Figura 19 Composi o interna da estrutura do kayak re araaeeaecaranarr aaa 23 Figura 20 Esquema de flex o em tr s pontos errar aaaenarr aaa 26 Figura 21 Modelo do kayak em CAD 3D err aearaaaaananaraa aaa aaa nanaananaa 27 Figura 22 Detalhe da malha de elementos fiNitOS ccescceeeeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeesaeeeeeeeseeeetaaeeeeeeeseaeess 27 Figura 23 Localiza
47. bre estes que deve recair qualquer actua o no sentido de promover a sua optimiza o estrutural Por ltimo deve referir se que os kayaks NELO s o obtidos por t cnicas convencionais utilizadas com estes materiais Trata se de uma molda o em v cuo sobre moldes com as formas exteriores pr definidas Embora as t cnicas de fabrico desta empresa sejam das mais avan adas com n veis de acabamento pr ximos do que se utiliza em aeron utica as propriedades globais resultantes n o s o f ceis de obter sem a realiza o de um conjunto de ensaios mec nicos que est o para al m do mbito deste trabalho 6 2 Instrumentos Do universo de instrumentos e ferramentas dispon veis no mbito da an lise estrutural elegemos os seguintes 6 2 1 SolidWorks Premium v 2010 O SolidWorks um software de CAD computer aided design que se fundamenta na computa o param trica criando formas tridimensionais a partir de formas geom tricas elementares A sua actua o tem por base as caracter sticas e propriedades de cada elemento e ac o sendo exequ vel proceder a qualquer altera o durante toda a fase do processo de modela o D Planchard amp M Planchard 2010 O projecto em SolidWorks compreende tr s etapas a primeira diz respeito concep o das pe as em ficheiros disjuntos a segunda refere se montagem destas mesmas pe as num novo ficheiro e a ltima prende se com a cria o de vistas das diversas pe as
48. ceedings of 6th international conference on the engineering of sport MunichTechnical University Springer 1 413 418 Petrone N amp Quaresimin M 2002 Structural optimisation of an olympic kayak In Found M 2002 Experimental Techniques and Design in Composit Materials 4 Swets amp Zeitlinger Publishers Netherlands Robinson M Holt L amp Pelham T 2002 The technology of sprint racing canoe and kayak hull and paddle designs International Sports Journal 6 68 85 Silva S Sabino M Fernandes E Correlo V Boesel L amp Reis R 2005 Cork properties capabilities and applications International Material Review 50 345 365 Sousa J 2008 Estudo da Evolu o do VOsmax Limiar Anaer bio e Composi o Corporal no decurso de uma poca em kayakistas de elite Disserta o de Mestrado da Faculdade de Desporto da UP Porto Sumner D Sprigings E Bugg J amp Heseltine J 2003 Fluid forces on kayak paddle blades of different design Sports Engeneering 6 11 20 Winning D 2002 A short history of paddlesport in Britain In Canoe and kayak handbook British Canoe Union S tios electr nicos consultados Associa o Brasil Hong Kong http www abhkonline com acedido em Maio de 2011 British Canoe Union http www bcu org uk acedido em Maio de 2011 Canadian Olympic Committee http www olympic ca acedido em Abril de 2011 CanoeKayak BC http www canoekayakbc ca
49. co 4 e 5 de onde obtemos a recta de calibra o de cada um dos extens metros assim como as equa es correspondentes Gr fico 4 Recta de calibra o dos extens metro da direita para apoios nas pontas Carga kg R 0 9999 1 40E 04 1 10E 04 8 00E 05 5 00E 05 2 00E 05 1 00E 05 Deforma o Gr fico 5 Recta de calibra o dos extens metro da esquerda para apoios nas pontas Carga kg 130618x 0 2947 R 0 9997 1 40E 04 1 10E 04 8 00E 05 5 00E 05 2 00E 05 1 00E 05 Deforma o Pela an lise global dos gr ficos apresentados pode verificar se a exist ncia de uma elevada linearidade entre os valores Nos dois casos considerados as deforma es registadas com o 45 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o extens metro do lado direito e do lado esquerdo encontram se bastante pr ximas o que se configura como um resultado expect vel dada a sua coloca o sim trica na embarca o Da selec o de v rios valores de carregamento a serem aplicados no modelo de elementos finitos retirou se a deforma o respeitante a cada uma das condi es de apoio J no que concerne s equa es da recta de calibra o dos extens metros recolheu se a deforma o esperada nas mesmas circunst ncias O resultado da compara o das deforma es no primeiro caso em que os apoios se localizam no centro foi de 9GPa tendo se numa fase inicial atribu do este valor a toda a estrutura Nas
50. cockpit regi o de maior momento flector Tal foi corroborado na aplica o da t cnica de Shearography na medida em que os dados obtidos sinalizam a exist ncia de imperfei es nesta mesma zona que contribuem para uma diminui o da sua rigidez Daqui se depreende que a rela o tens o deforma o encontrada representa uma grandeza suficientemente elevada para influir no comportamento da embarca o e por consequ ncia interferir igualmente com a performance do atleta A deforma o da embarca o durante a pagaiada poder alterar as condi es de escoamento hidrodin mico Por conseguinte sugere se um aumento da rigidez estrutural em torno do cockpit como forma de minimizar os poss veis efeitos adversos desta rela o An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Structural Analysis of a Competition Kayak Abstract Some discussions of research on kayaking have suggested that the structural optimization of equipment and shape of equipment allows us to obtain better performance at a competitive level In order to contribute to the understanding of the structural behavior of the vessels we developed a study of stresses and strains generated in the structure of a racing kayak K1 type The structural analysis was performed using the method of finite elements seeking to create a numerical model that allows a good approximation to the actual behavior of the vessel This process has been accompanied by an experimental wor
51. de ent o surgiram v rias adapta es deste modelo de modo a permitir descidas arriscadas e acidentadas dos r pidos e das pequenas cascatas dos rios quer em termos competitivos quer por mero lazer Em 1924 surgiu a Internationella Representantskapet f r Kanotidrott IRK a primeira federa o internacional de canoagem a qual foi substitu da ap s a segunda guerra mundial pela International Canoe Federation ICF 2011 A n vel competitivo foi em 1924 que a canoagem surgiu nos jogos ol mpicos como desporto de demonstra o sendo apenas considerado desporto ol mpico em 1936 com provas em canoas e kayaks Actualmente esta modalidade dividida em diversas competi es sendo praticada no contexto de in meras provas nacionais e internacionais Portugal como pa s de marinheiros cedo mostrou tamb m interesse pela canoagem uma vez que possui recursos h dricos excelentes para o exerc cio deste desporto No entanto poucos s o os documentos que atestam o aparecimento da modalidade no nosso pa s Ainda assim alguns testemunhos apontam os anos 30 como um marco no nosso passado cano stico tendo sido por esta altura que se difundiram as aventuras de descida dos rios A partir de 1960 verifica se um gradual incremento que culmina com a forma o da Federa o Portuguesa de Canoagem em 1979 que se tornaria membro de pleno direito da ICF a 28 de Junho de 1982 no Congresso de Belgrado Monteiro 2009 Actualmente no nosso pa
52. do refor ada com fibra de carbono aumentando a rigidez neste local o que se mostra que necess rio refor ar essa zona dada a descontinuidade geom trica existente no cockpit A cavidade central que permite a entrada do canoista provoca um aumento da deforma o nesta zona e consequentemente tens es mais elevadas Diante do exposto conclui se que a exist ncia de diferentes materiais na estrutura promove a interfer ncia de cada um dele nas propriedades finais da mesma pelo que cumpre aqui explicitar as propriedades mec nicas de cada material em particular pois o comportamento global ser um resultado da influ ncia de todos os materiais que a constituem Fibra de carbono De entre as propriedades mec nicas resultantes da conjuga o da matriz de ep xido com a fibra de vidro e considerando a sua utiliza o na constru o de um kayak importa referir a sua densidade espec fica que varia entre 1550 e 1600 kg m o m dulo de elasticidade que se situa entre 50 e 60 GPa e a tens o de rotura cujos valores est o entre 500 e 1050 MPa Ashby amp Johnson 2002 Como se percebe pelas referidas propriedades este comp sito apresenta um excelente compromisso entre baixo peso e elevada resist ncia 23 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o mec nica sendo este o motivo da sua crescente utiliza o em equipamentos de alta competi o Kevlar O Kevlar marca registada da empresa DuPont uma fibra sint tica
53. e conceda uma vantagem desleal na competi o 4 2 Canoagem de maratona Na canoagem de maratona disputam se provas em guas calmas de rios ou lagos com dist ncias entre 15 e 20 km Ao longo do percurso os atletas t m de passar por portagens e percorrer uma determinada dist ncia em terra carregando a sua embarca o ver figura 4 que em tudo se assemelha s que s o utilizadas na canoagem de velocidade Figura 4 Atleta de Canoagem de Maratona durante o percurso pedestre Fonte http www canoeicf com An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 4 3 Canoagem Slalom Esta considerada uma das vertentes mais radicais da canoagem pelo facto dos cano stas efectuarem um determinado percurso em guas bravas Durante o trajecto o atleta deve atravessar sequencialmente v rios port es que podem ir de 18 a 25 os quais s o definidos por dois postes suspensos por cabos ver figura 5 Estes mesmos postes podem ser verdes ou vermelhos indicando desta forma se o port o atravessado pela esquerda ou pela direita respectivamente Figura 5 Praticante de Canoagem Slalom durante uma prova Fonte http globoesporte globo com Ainda que a maioria das provas continue a ser disputada em cursos de gua naturais tem se vindo a assistir a um aumento de percursos criados artificialmente como o caso do local onde se realizou a competi o nos Jogos Ol mpicos de 2008 As embarca es utilizadas no Slalom s o
54. e em rios onde a rea de jogo era substancialmente superior S em 1986 a ICF definiu regras espec ficas para a pr tica do p lo determinando se uma rea de 35x23m com uma baliza localizada a 2m de altura da gua com dimens o de Im por 1 5m ver figura 10 O n mero de jogadores manteve se em 5 e presentemente existem diversas equipas masculinas e femininas a praticarem a modalidade 12 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 10 Jogo de Canoagem P lo Fonte http www kayak im At aos nossos dias esta forma de modalidade competitiva sofreu bastantes altera es tornando se progressivamente mais competitiva convertendo se num desporto de velocidade habilidade e trabalho de equipa 4 6 Canoagem de guas Bravas A canoagem de guas bravas tem sido considerada pela ICF como uma das disciplinas mais exigentes a n vel f sico uma vez que o sucesso dos atletas depende da sua for a e habilidade para passar sobre ondas pedras e buracos do leito natural de um rio ver figura 11 Originalmente a canoagem de guas bravas dizia respeito a corridas de longa dist ncia aquilo que actualmente se denomina por canoagem de guas bravas cl ssica No entanto actualmente esta disciplina foi encurtada no percurso das provas seguindo a tend ncia de introdu o de formatos de corridas r pidas Procurando dar resposta s apreens es de seguran a bem como aos elevados custos envolvidos nas provas m
55. e estrat gias metodol gicas que envolvessem a coloca o de extens metros em v rios pontos da embarca o para uma melhor compreens o do comportamento estrutural da mesma bem como para a confirma o da viabilidade das propriedades conseguidas Estes sensores poderiam ser do tipo sensores de Bragg gravados em fibra de vidro e inclu dos no interior da estrutura durante o seu fabrico Desta forma ficariam inclu dos na casca que constitui o kayak e fariam parte integrante da sua estrutura Por fim mostra se importante mencionar a relev ncia do estudo de fen menos din micos durante uma prova de canoagem que englobasse a compara o de estudos experimentais com 64 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o o m todo dos elementos finitos Esta estrat gia estar j por ventura delineada dado que durante a realiza o deste trabalho o autor teve a oportunidade de acompanhar alguns dos estudos realizados no mbito da tese de Doutoramento da nossa campe e actual atleta ol mpica em K4 Beatriz Gomes 65 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 10 Bibliografia Ackland T Ong K Kerr D amp Ridge B 2003 Morphological characteristics of Olympic Sprint Canoe and kayak paddlers J Sci Med Sport 6 285 294 Ashby M amp Johnson K 2002 Materials and Design the art and science of material selection in product design Oxford Elsevier Barreto Jr E 2000 Conhecendo o extens metro e
56. e pretende contribuir de algum modo para o enriquecimento do conhecimento cient fico neste dom nio An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 1 2 Objectivos Este trabalho centra se na avalia o estrutural de um kayak um dos modelos mais avan ados da gama constru da pela empresa NELO o Vanquish III Trata se de um modelo constru do em laminado comp sito cuja forma final resulta da liga o entre uma parte superior e a quilha estas obtidas por molda o em moldes obtidos por CAD CAM Este tipo de estrutura apresenta uma elevada resist ncia espec fica uma vez que o seu comportamento de estrutura tipo casca eleva substancialmente a rigidez global Uma vez que o processo de fabrico individualizado espera se que exista alguma variabilidade nas caracter sticas finais de cada embarca o Com o intuito de efectuar a referida avalia o estrutural procurar se compreender como a carga devida ao peso do remador descarregada atrav s da estrutura e compensada pelo impulso da gua Dado o tempo reservado para a realiza o deste trabalho apenas ser o tidas em considera o cargas est ticas Embora a considera o das cargas din micas fosse um trabalho interessante seria certamente um objectivo demasiado ambicioso pois necessitaria de um estudo aprofundado da interac o da estrutura com o flu do envolvente No estudo do comportamento est tico revelam se tamb m algumas dificuldades que dever o ser contornada
57. eguimento do procedimento que foi descrito para esta an lise apresenta se aqui o c lculo do impulso para a primeira etapa referente sobreposi o das imagens de onde se retirou a linha de gua cujo volume resultante foi de 0 05527m I 998 207 x 0 05527 x 9 81 541 23 N Para que a embarca o esteja em equil brio necess rio que o impulso iguale o peso do kayak com o indiv duo de 61 kg que de 686 7 N Daqui se constata uma diferen a significativa entre o peso e o impulso pelo que se mostrou fulcral obter o valor de volume que viabilizasse a manuten o do equil brio Para a sua consecu o procedeu se ao seguinte c lculo 686 7 Ny 3 686 7 998 207 x V x 9 81 V 998 207 x 9 81 0 07013m O consequente ajuste da linha de gua efectuado no SolidWorks originou um volume de 0 07358m que cont m um erro de 4 face ao estipulado no c lculo anteriormente apresentado A aplica o do impulso no modelo de elementos finitos exige a divis o da zona imersa do kayak em v rias partes sendo que no presente estudo foram definidas 16 Na tabela 16 est o representados o volume e impulso correspondentes a cada uma das divis es que se distribuem da parte de tr s para a frente do kayak Tabela 16 Valor do impulso para cada parte no caso de carregamento com um indiv duo de 61kg Parte Volume m Impulso N 0 00308 4 000466 49319 6 0 00663 8 com 7513 9 000725 75 893 0 00467 0 0010
58. em seguirem uma estrutura padronizada Nenhuma destas embarca es tradicionais teve sempre um leme um assento ou at mesmo um encosto que s o todas as adi es modernas destinadas a resolver problemas caracter sticos da actualidade Rosen 2008 Os povos nativos que usavam kayaks estreitos muitas vezes denominados de Eskimo Roll faziam no tradicionalmente como uma forma de conseguir a sua sobreviv ncia Mais tarde foram projectados kayaks mais amplos para fornecer maior estabilidade e assim proporcionar seguran a aos tripulantes Daqui se depreende que muitas das caracter sticas b sicas destas embarca es em estilo tradicional moderno s o o produto dos desenhos produzidos no final do s culo XX e t m pouco a ver com a forma vern cula como os kayaks foram originalmente concebidos constru dos e utilizados Com o surgimento de materiais modernos a canoagem sofreu uma grande especializa o sendo desenvolvidos diversos tipos de embarca es que procuram atender s necessidades de cada utiliza o Hoje os kayks e canoas modernos s o constru dos na sua maioria em resina de poli ster refor ada com fibra de vidro ou mesmo em resina ep xido com kevlar e ou fibra de carbono e ainda pl stico injectado ou rotomoldado polietileno Malato 2009 Actualmente desenhar este tipo de embarca es tornou se uma profiss o e os designers usam sistemas de CAD Computer Aided Design muitas vezes em combina o com outro s
59. endendo da formula o do m todo de elementos finitos utilizada Lotti et al 2006 6 2 3 Extensometria el ctrica A fim de recolher os dados durante o procedimento de an lise experimental foi determinada a utiliza o de extensometria el ctrica pelo facto de esta ser uma t cnica aplic vel a diversas condi es de trabalho sem interfer ncia no funcionamento da estrutura a analisar Os extens metros el ctricos s o dispositivos utilizados experimentalmente para avaliar as deforma es ocorridas num dado ponto de um corpo e segundo uma dada direc o A medida realizada colocando um condutor linear solid rio com a superf cie de uma estrutura sendo que as varia es da dimens o da mesma s o transmitidas mecanicamente ao extens metro que transforma essas varia es em varia es equivalentes da sua resist ncia el ctrica Barreto 2000 No caso apresentado foi feita uma liga o em quarto de ponte com extens metros do tipo folha da marca HBM cujas caracter sticas s o factor de sonda GF 2 0 1 5 resist ncia nominal 350 Q autocompensa o t rmica para comp sito Para se obter o sinal dos extens metros foi utilizada uma placa de aquisi o de dados da Nationals Instruments modelo NI 9219 Esta placa ligada a um computador atrav s de uma outra placa da mesma empresa cujo modelo NI USB 9162 O sinal foi visualizado no computador utilizando o software LabView SignalExpress 2009 v
60. etros pois o facto de esta ter sido efectuada em dois pontos no centro do cockpit 35 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o traduz somente a realidade relativa s deforma es locais Assim realizou se uma medi o da flecha global a meio v o que traduz o comportamento global das deforma es na embarca o com recurso a um comparador colocado sob a mesma ver figura 35 Apoiando se o kayak primeiramente no centro e depois nas pontas ver figura 36 aplicou se um carregamento conhecido auferindo se o valor do deslocamento num ponto a meio da estrutura Situa es semelhantes s descritas anteriormente a prop sito da extensometria b Figura 36 Localiza o dos apoios a no centro da embarca o b nas pontas da embarca o 36 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Posteriormente no software ANSYS representaram se as mesmas situa es ver figura 37 para assim se poder comparar os resultados reais com os determinados pelo MEF na tentativa de comprovar as propriedades atribu das b Figura 37 Modelo de elementos finitos com localiza o do ponto para obten o da flecha com apoios a no centro da embarca o b nas pontas da embarca o Estas duas formas de determinar confirmar o m dulo de Young da estrutura do kayak permitem avan ar para uma an lise estrutural da embarca o no meio para o qual foi concebida a gua 6 4 Procedimento de Estudo das Deforma
61. exiva deste resultado permite levantar a hip tese de que a origem do erro esteja relacionada com a condu o dos ensaios realizados para a obten o das propriedades Apesar do procedimento de compara o entre os resultados experimentais e a calibra o no modelo de elementos finitos ser correntemente utilizada em diversas investiga es neste dom nio e g Petrone e Quaresimin 2002 o facto de estarmos a carregar o kayak num ponto e esse carregamento ser descarregado em dois apoios poder n o conseguir traduzir o comportamento da estrutura na sua totalidade Baseando nos nesta premissa procur mos obter resultados mais fidedignos relativos s propriedades finais utilizando os valores do carregamento na gua conjuntamente com os restantes ensaios anteriormente realizados considerando que desta forma se colmataria a falha anteriormente referida Como o novo ensaio se estenderia a toda a estrutura entendeu se que a influ ncia das propriedades da mesma seria agora mais notada o que acabou por se revelar de facto Desta feita os valores finais registados foram de 8 6 GPa para a zona central e 4 0 GPa para as pontas do kayak Reconhece se que ainda foram registados erros mais elevados do que o desej vel entre os valores experimentais e os obtidos pelo MEF na ordem dos 15 contudo considera se estar um pouco mais pr ximos das propriedades reais Al m disso de salientar que os resultados expostos poder o ter sofrido interfer ncia q
62. hidrodin mica exige que a sua largura seja reduzida ao valor m nimo regulamentar de modo a diminuir o arrasto na gua o que inevitavelmente o torna mais inst vel Assim apesar dos seus benef cios mostra se imprescind vel que o atleta possua bastante experi ncia para a manter o equil brio adequado durante uma prova De forma a melhor explicitar a geometria da estrutura do kayak em causa nas figuras 15 16 e 17 apresentam se as diferentes partes que o comp em Figura 15 Modelo de kayak em estudo Figura 16 Vista do cockpit do kayak 21 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 17 Finca p s colocado no interior do kayak Este modelo corresponde ao tamanho L e possui segundo o fabricante um comprimento de 5 2m largura de 0 41m e uma massa de 12kg com acess rios sendo indicado para atletas com peso entre 75 a 85kg M A R Kayaks Lda Uma vez que se desconhecia priori a estrutura interna da embarca o mostrou se pertinente pedir ao fabricante que efectuasse um corte em ambas as extremidades do kayak ver figura 18 Desta forma foi poss vel aceder ao interior de ambos os extremos da quilha e analisar ao longo da espessura a sequ ncia de camadas que constituem o comp sito Figura 18 Sec o de corte no kayak Pela an lise desta sec o foi poss vel identificar o tipo de materiais constituintes do modelo em estudo Na figura 19 mostra se uma fotografia tirada ao microsc
63. hor a classifica o dos atletas Figura 8 Atleta de estilo livre a realizar uma acrobacia Fonte http www canoekayakbc ca As embarca es utilizadas s o kayaks K1 e as provas s o disputadas por membros de ambos OS SEXOS 11 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 4 5 Canoagem P lo O aparecimento da canoagem p lo como hoje praticada aconteceu no ano de 1987 na Alemanha Contudo h mais de um s culo j se praticavam jogos que envolviam uma canoa um remo e uma bola Nessa altura o jogo era bastante tranquilo e os praticantes procuravam apenas divers o e entretenimento ver figura 9 Figura 9 Imagem hist rica que representa um jogo de P lo Fonte http www hickoksports com Durante muito tempo foi uma modalidade de introdu o canoagem onde se aperfei oava a t cnica de remar A rea de jogo era grande com um comprimento entre 99 e 120m e uma largura de 50 a 90m Cada uma das equipas tinham 11 atletas e o objectivo era marcar golos existindo para tal uma baliza com 4m de largura e 1 5m de altura Mais tarde a rea de jogo foi reduzida assim como o n mero de atletas que passaram a ser apenas 5 No ano de 1966 Bert Keeble desenvolveu um kayak K1 espec fico para a canoagem p lo e a partir dessa altura os jogos come aram a ser disputados em piscinas com 25m de comprimento por 10m de largura Muitos pa ses n o aceitaram essas altera es e continuaram a praticar a modalidad
64. ibra o dos extens metros para o caso de carregamento com apoio nas pontas Tal como no caso anterior fizeram se ajustes no m dulo de Young at se atingir o erro admiss vel De notar que uma vez conhecido o m dulo de Young para a zona central primeiramente aplicou se o mesmo valor para todas as zonas da estrutura No entanto verificamos que o m dulo seria naturalmente inferior nas pontas o que provocaria um aumento err neo da deforma o Por este motivo ap s altera es mostrou se necess rio averiguar novamente se no caso de apoios no centro o erro entre a deforma o esperada e a obtida pelo MEF n o ultrapassaria o estabelecido Constatando se que realmente se ultrapassava o ponto de corte considerado foi necess rio proceder a um ajuste em ambos os m dulos de modo a atingir valores aceit veis para ambas as partes 6 3 6 Obten o da Flecha a Meio V o e Consequente Compara o com MEF Como a extensometria tal como qualquer outro processo de medi o tem erros associados que podem influenciar os resultados e como a medi o apenas num ponto da estrutura possui um car cter limitativo dada eventualidade de descorar aspectos importantes da constru o do kayak verifica se necess rio proceder a uma valida o das propriedades conseguidas A estes factos acresce a impossibilidade de obten o dos diferentes comportamentos estruturais das extremidades do kayak partindo da medi o das deforma es nos extens m
65. impondo medida que caminh vamos para a conclus o deste projecto Aos colaboradores do LOME INEGI Engenheiro Nuno Ramos e Doutor Jaime Monteiro pela constante disponibilidade e pelas suas preciosas contribui es durante o processo de investiga o A atleta Beatriz Gomes grande campe da canoagem nacional pela colabora o e informa es essenciais fornecidas sobre a canoagem Aos meus pais pela dedica o e esfor o que revelaram no decurso do meu percurso acad mico Sem eles certamente n o teria chegado ao usufruto desta experi ncia fundamental para o meu crescimento profissional e pessoal Ao meu irm o e minha cunhada pelo apoio e incentivo demonstrado ao longo de todo o meu percurso acad mico Ao meu sobrinho pelos momentos de divers o pelos sorrisos sem reservas importante incentivo nos momentos de maior des nimo A Helena por todo o apoio desde o primeiro minuto tornando se num grande suporte de carinho nimo e fonte de inspira o A ti agrade o toda a compreens o e companhia que se t m demonstrado imprescind veis Ao meu colega de percurso acad mico e grande amigo Jos Ferreira pelo companheirismo pelos grandes momentos proporcionados ao longo destes anos e por toda a disponibilidade de ajuda e partilha demonstrada A ti Jo o Sampaio pela tua passagem na minha vida por todos os momentos de amizade que vivemos juntos por continuares a iluminar o meu caminho de onde quer que estejas
66. is veis alguns refor os nestas zonas 58 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o E o a y po gt err orn etre rere cs 0 Oe Oe s e oe da Da rE Te ve ewe rr re es a oe e Figura 50 Refor o na parte interior do kayak na zona do vinco no cockpit 7 4 An lise de Imperfei es atrav s da T cnica de Shear A ltima etapa constituinte deste estudo consistiu na utiliza o da t cnica de Shear para an lise de imperfei es da embarca o na zona mais cr tica o cockpit A este respeito mostram se nas figuras 50 51 e 52 os resultados apurados atrav s desta t cnica Figura 51 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista de frente do kayak 59 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 52 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista de topo do kayak Figura 53 Mapa de fase correspondente ao campo de deslocamento para a solicita o t rmica vista de baixo do kayak Observando as imagens anteriores verifica se a exist ncia de algumas regi es que apresentam uma forma circular Dado que a t cnica apenas sens vel aos gradientes de deforma o segundo a direc o do shear estas geometrias indicam a forma o de uma deformada concava ou convexa com deslocamentos perpendiculares superf cie Este comportamento 60 An lise Estrutural de
67. k in order to adjust the model to make it more representative of the kayak studied Concurrently we used the Shearography technique to identify possible defects in the composition and manufacture of the vessel which otherwise could interfere with the results These results suggest a stress strain relationship of the highest in the proximity of the cavity that allows the placement of the paddler the cockpit the region of greatest bending moment This was corroborated in the application of the Shearography technique to the extent that the data obtained indicate the existence of imperfections in the same area causing a decrease in its stiffness It follows that the stress strain relationship found represents a quantity large enough to influence the behavior of the vessel and thus also interfere with athletic performance The deformation of the vessel during the rowing can change the hydrodynamic flow conditions Therefore it is suggested an increase in structural stiffness around the cockpit as a way to minimize the possible adverse effects of this relationship An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Agradecimentos Que esta dedicat ria seja o reflexo do meu agradecimento a todos quantos contribu ram directa ou indirectamente para a constru o desta disserta o nomeadamente Ao meu orientador Professor Doutor M rio Vaz por todos os conselhos e ensinamentos transmitidos pelo est mulo e exig ncia crescente que foi
68. l ctrico de resist ncia Manual T cnico Bishop D 2000 Physiological predictors of flat water kayak performance in women European Journal of Applied Physiology 7 82 91 Brown G 2002 Sea Kayaking In Canoe and kayak handbook British Canoe Union Carneiro M amp Castro F 2009 Cinem tica da canoagem revis o Revista Brasileira Ci ncia e Movimento 17 114 122 Fischer T 2009 Material Science for Engeneering Students California Elsevier Gobbo L Papst R Carvalho F Sousa C Cuattrin S amp Cyrino E 2002 Perfil Antropom tico da Selec o Brasileira de Canoagem Revista Brasileira de Ci ncia e Movimento 10 7 12 Gomes J Monteiro J amp Vaz M 2000 NDI of interfaces in coating systems using digital interferometry Mechanics of Materials 32 837 843 Hung Y 1997 Digital shearography versus TV holography for non destructive evaluation Optics and Lasers in Engineering 26 421 436 International Canoe Federation 2009 Canoe Sprint Competition Rules Jackson P 1994 Performance Prediction for Olympic Kayks Journal of Sports Sciences 13 239 245 Kreis T 2005 Handbook of holographic interferometry optical and digital methods Weinheim Wiley Kronhardt J 2002 Canoagem adaptada Trabalho de Conclus o de Curso Gradua o em Educa o F sica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre Lotti R Machado A Mazzieiro E amp L
69. lu ncia da temperatura Sten bren tre Be Be ILARON DOS NILO ee ee ibakie bene tle TE ETT C Extens metro lado direito Extens metro lado esquerdo Figura 29 Sinal dos extens metros ap s a montagem 31 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Deve referir se que apesar do aspecto ruidoso dos sinais da figura anterior se est o a medir valores de apenas alguns ue correspondentes aus ncia de qualquer carga adicional sobre a estrutura da embarca o Posto isto iniciou se o ensaio de calibra o dos extens metros que ser descrito nos passos seguintes Pelo facto de existirem na embarca o duas zonas com distinto n mero de camadas revelou se necess rio efectuar duas calibra es 6 3 3 Calibra o dos Extens metros com Apoios no Centro do Kayak A calibra o consiste na aplica o de cargas conhecidas num ponto da estrutura obtendo se o respectivo valor da deforma o do extens metro Posteriormente elabora se um gr fico colocando no eixo das abcissas o valor da deforma o e no eixo das ordenadas o valor da carga aplicada de onde se obt m a recta de calibra o do extens metro Neste caso a carga foi aplicada sobre o banco da embarca o que se encontrava colocada sobre dois apoios simples localizados na extremidade da zona central como mostra a figura 30 Um dos apoios situava se a 305mm da parte anterior do cockpit e o outro localizava se a 373mm da sua parte frontal Figura
70. minutos para que a cola seque na totalidade e de seguida retira se com cuidado a tira de fita adesiva de cima do extens metro O movimento de arranque aplicado na fita adesiva n o dever evidenciar nenhuma regi o descolada no substrato do extens metro Para estar completa esta etapa necess rio soldar os fios aos terminais do extens metro para que se possa obter o sinal de sa da Na imagem 27 dada uma perspectiva final de um dos extens metros colados no kayak De referir ainda que foi colocado sobre o kayak um produto de isolamento do tipo elast mero l quido para prevenir que a humidade interfira com as medi es Figura 27 Extens metro colado no kayak 30 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Os dois extens metros foram posicionados simetricamente na embarca o o que permite verificar a coer ncia do sinal Ser de esperar que a deforma o registada seja a mesma em ambos para cargas realizadas simetricamente Na figura 28 mostra se o aspecto final da montagem do par de extens metros 4 cooocovbdDO Woo Figura 28 Aspecto final da montagem dos dois extens metros no kayak Pela an lise dos dados provenientes do LabView SignalExpress ver figura 29 p de apurar se que ap s a montagem dos extens metros o sinal se apresentava est vel tal como pretendido Certifica se desta forma que a colagem estava bem efectuada e os extens metros n o sofriam varia es devidas inf
71. n lise do kayak considerando que dentro dele est sentado um atleta de 85 kg massa m xima suportada pela embarca o segundo dados do fabricante Uma vez aumentada a massa do atleta o peso total do conjunto passou a ser de 922 14 N pelo que se torna necess rio calcular o volume capaz de gerar um impulso que equilibre este peso I P 922 14 922 14 3 998207 x981 7 00941 m 922 14 998 207 x V x 9 81 V Determinou se ent o o impulso correspondente a este carregamento para cada uma das partes consideradas o qual exposto na tabela 25 De notar que numa fase posterior este impulso foi aplicado no modelo de elementos finitos criado 56 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 25 Valor do impulso para cada parte no caso de carregamento com um atleta de 85kg Parte Volume m Impulso N 3 0 0046904 45 9306161 6 0 0090634 88 7524194 Com o aumento do impulso verifica se inevitavelmente um aumento das deforma es obtidas pelo MEF Na tabela 26 compara se para um mesmo ponto as deforma es obtidas para os casos de carregamento com um indiv duo de 61kg e de 85kg respectivamente verificando se um aumento de cerca de 25 do primeiro para o segundo caso Tabela 26 Compara o da deforma o entre o carregamento com um indiv duo de 61kg e de 85kg Deforma o Deforma o Aumento para 61 kg para 85 kg CD 2 56E 04 3 44E 04 25 37 Este aumento justifica que se proceda an
72. ns es na gua 37 6 5 Procedimentos de an lise mediante a t cnica de Shear 42 7 Apresenta o e An lise de Resultados ria aaraa care aaar aa aaaraaaaaananeaa 43 7 1 Obten o e Valida o do M dulo de Young ear 43 7 2 An lise de Deforma es em Meio Aqu tico eae 51 7 3 Distribui o de Tens es na Estrutura do Kayak rrenan 57 7 4 An lise de Imperfei es atrav s da T cnica de Shear ias 59 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 8 Discuss o dos Resultados niana ana ta a a ee ected 62 9 Limita es 10 Bibliografia da Investiga o e Hip teses para Futuros Estudos essere 64 vi An lise Estrutural de um Kayak de Competi o ndice de Figuras Figura 1 Centro de Remo Eton Dorney integrado no parque ol mpico de Londres 2012 7 Figura 2 Kayak de velocidade modelo K1 K2 KA4 errar aereas 8 Figura 3 Canoa de velocidade modelo C1 C2 e CA eareaarareraaaearesananeareanana 8 Figura 4 Atleta de Canoagem de Maratona durante o percurso pedestre 9 Figura 5 Praticante de Canoagem Slalom durante uma prova sara 10 Figura 6 Kayak monolugar K1 de canoagem Slalom arraia nana 10 Figura 7 Canoa C1 e C2 de canoagem Slalom rear aeee aaaraaareanaaanaaaarananaananaa 11 Figura 8 Atleta de estilo livre a realizar uma acro
73. ns metro da esquerda Carga Aplicada kg Deforma o 5 74E 07 1 08E 05 15 22 3 08E 05 25 02 5 22E 05 35 14 7 48E 05 44 88 9 85E 05 43 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Destes valores elaboram se os gr ficos 2 e 3 de onde obtida a recta de calibra o de cada um dos extens metros bem como as respectivas equa es Gr fico 2 Recta de calibra o do extens metro da direita para apoios no centro On m S amp S Ss On fm Ss Q R 0 9994 1 10E 04 9 00E 05 7 00E 05 5 00E 05 3 00E 05 1 00E 05 1 00E 05 Deforma o Gr fico 3 Recta de calibra o dos extens metro da esquerda para apoios no centro Carga kg y 45597 1x 0 6714 R 0 9991 1 10E 04 9 00E 05 7 00E 05 5 00E 05 3 00E 05 1 00E 05 1 00E 05 Deforma o Relativamente calibra o dos extens metros com o kayak apoiado nas pontas apresentam se nas tabelas 4 e 5 os valores das cargas aplicadas bem como as deforma es obtidas Tabela 4 Carregamento sobre o kayak com apoio nas pontas para calibra o do extens metro da direita Carga Aplicada kg Deforma o 0 w 3 84E 05 15 22 1 14E 04 44 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 5 Carregamento sobre o kayak com apoio nas pontas para calibra o do extens metro da esquerda Carga Aplicada kg Deforma o 0 Iae 3 10E 05 15 22 1 13E 04 Daqui criamos o gr fi
74. o obtendo se o valor de 9 3 GPa para a zona central e de 5 8 GPa nas restantes partes A compara o de resultados para esses mesmos casos est expressa nas tabelas 10 11 12 e 13 48 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela10 Compara o de valores para extens metro da esquerda apoio nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF 98 10 7 43E 05 7 7TE 05 196 20 1 51E 04 1 57E 04 294 30 2 27E 04 2 36E 04 Co oo 30804 314604 339 Co 58860 ASTROS anea 314 so mao sieo 620504 am Tabela 11 Compara o de valores para extens metro da direita apoio nas pontas Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF D DIO 9810 TSMEOS 78705 442 Ca 19620 aswa asea 337 Ca 39240 30604 aea 2 86 Co so asoa aroa 2 68 o mao siwo s2804 2 60 Tabela 12 Compara o de valores para extens metro da esquerda apoio no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF EA 2 05E 05_ 2 11E 05 196 2 4 24E 05 4 22E 05 294 3 6 43E 05 6 33E 05 Cw 3924 seos sawo 214 Co sse 13004 127604 269 Co ns amamos aseo 297 49 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 13 Compara o de valores para extens metro da direita apoio no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro
75. o nas pontas 49 Tabela 12 Compara o de valores para extens metro da esquerda apoio no centro 49 Tabela 13 Compara o de valores para extens metro da direita apoio no centro 50 Tabela 14 Compara o da flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios no centro ii irerreaaaraaaaaraaaane arara naarrananaanaa 50 Tabela 15 Compara o da flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios nas pontas ir rarraaraa nara aera aaa nanaanas 50 Tabela 16 Valor do impulso para cada parte no caso de carregamento com um indiv duo de DOS EEEE A pensa eo a qi ataca BE A q Do ca e aa 51 Tabela 17 Compara o das deforma es com o kayak na gua obtidas pelo MEF e pelos resultados experimentais adasi iiiai dan deanaiiidia asii ia iaaa duidt idagi rena aaa iaiia dadian daioni diin 53 Tabela 18 Compara o de novos valores para extens metro da direita apoio nas pontas 54 Tabela 19 Compara o de novos valores para extens metro da esquerda apoio nas pontas 54 Tabela 20 Compara o de novos valores para extens metro da direita apoio no centro 55 Tabela 21 Compara o de novos valores para extens metro da esquerda apoio no centro 55 Tabela 22 Compara o da nova flecha obtida at
76. obtidas experimentalmente aproveitando se o facto de kayak estar colocado na gua ver figura 48 52 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o fu Time Graph 25u 0 25u 50u 75u 100u 125u 150u 175u Strain strain 200u 225u 250u 275u 300u 325u 350u 1 1 I I 1 1 1 H 1 15 50 58 943 15 53 58 943 15 56 58 943 15 59 58 943 16 02 58 943 16 05 58 943 16 08 58 943 16 11 58 943 16 14 ong Time s Figura 48 Registo experimental das deforma es com o kayak na gua Na imagem acima apresentada identifica se a amarelo a regi o onde o indiv duo estava sentado e apoiado sobre uma vara de modo a equilibrar se Tal situa o assemelha se quela que foi anteriormente mencionada relativamente ao registo pelo MEF Efectuando se uma m dia de valores dentro da regi o sinalizada obteve se um valor m dio da deforma o apurado em cada um dos extens metros A an lise comparativa dos valores da deforma o obtidos quer experimentalmente quer pelo modelo de elementos finitos criado permitiu concluir acerca da legitimidade deste ltimo Neste sentido observe se a tabela 17 para uma melhor compreens o da rela o entre os valores alcan ados Tabela 17 Compara o das deforma es com o kayak na gua obtidas pelo MEF e pelos resultados experimentais Ensaio Valor Erro Extens metro Experimental MEF 30204 2 18E 04
77. oftware especial de design de kayaks Desta forma conseguem se arrojadas geometrias que permitem optimizar o seu comportamento hidrodin mico Concebidos como produtos comerciais s o objectos que devem ser reproduzidos v rias vezes e vendidos a v rios clientes Como tal n o servem para ajustar a cada indiv duo em particular mas sim a um grupo de clientes dentro de uma gama de atributos f sicos destreza exig ncias e poder aquisitivo Alguns fabricantes oferecem inclusivamente personaliza o de determinadas caracter sticas tais como acess rios e cores dos componentes An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 4 Canoagem Modalidade Desportiva Multifacetada A canoagem enquanto modalidade desportiva engloba provas de pista maratona guas bravas rios kayak de mar kayak p lo turismo n utico e de expedi o A Federa o Internacional de Canoagem ICF International Canoe Federation reconhece actualmente v rias modalidades oficiais e prev para cada uma delas normas espec ficas relativas ao tipo de embarca o bem como alguns indicadores que norteiam a pr tica de cada uma destas vertentes de competi o Deste modo ser apresentada de seguida uma breve descri o destes par metros 4 1 Canoagem de Velocidade Sprint Das diversas modalidades a canoagem de velocidade a mais popular tendo sido a primeira a ser introduzida nos Jogos Ol mpicos em 1936 As provas desenrolam se em canais constr
78. pio de reflex o com baixa amplia o Para este estudo apenas se considerou a massa do kayak sem os acess rios que equivale a uma massa de 9kg 22 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 19 Composi o interna da estrutura do kayak Tal como se pode verificar na figura 19 ao longo da espessura total da embarca o que de aproximadamente de 4 5 mm conseguem identificar se em primazia tr s tipos de materiais fibra de carbono kevlar e corti a Trata se de uma constru o em multi camada em que a matriz deste comp sito uma resina de poxido material que apresenta uma densidade de 1 2 a 1 4 kg m e um m dulo de elasticidade que est entre 2 1 e 5 5 GPa Fischer 2009 Em toda a extens o da embarca o depreende se a exist ncia de duas camadas de resina de ep xido refor ada com fibra de carbono na medida em que na generalidade cada camada tem em m dia 0 2 mm Para al m disso observa se a presen a de um aglomerado de corti a 0 867 mm um composto de kevlar que faz a liga o entre o carbono e a corti a 0 455 mm e ainda uma camada interior de kevlar 0 437 mm ainda de referir a presen a de um material desconhecido que se presume ser um composto semelhante a cart o que d lastro estrutura de modo a cumprir o peso m nimo regulamentado para competi o Note se que na parte central do kayak foram colocadas internamente algumas camadas adicionais de resina de ep xi
79. que se refere sua aplica o na canoagem de competi o S o ainda apresentados os objectivos deste estudo e o seu enquadramento nas actividades de investiga o do laborat rio do DEMec que foi envolvido O 2 Cap tulo contempla uma breve revis o da hist ria da canoagem n o descurando a evolu o e a situa o actual da modalidade no nosso pa s Seguidamente feita uma an lise da evolu o das embarca es desde o seu aparecimento at aos nossos dias que sucintamente se descreve no 3 cap tulo An lise Estrutural de um Kayak de Competi o O 4 cap tulo foi reservado para uma breve descri o do espectro de disciplinas contempladas pela Federa o Internacional de Canoagem pois ainda que o modelo de kayak em estudo seja adequado para a canoagem de velocidade existe grande variabilidade relativamente pr tica desta modalidade Por fim no 5 cap tulo apresenta se o estado da arte na rea de investiga o em que este trabalho se enquadra Expomos algumas conceptualiza es que resultam de uma exaustiva revis o bibliogr fica e que pretendem sustentar teoricamente o estudo desenvolvido A segunda parte deste projecto centrou se no desenvolvimento do estudo para a an lise estrutural do kayak No 6 cap tulo descrevemos a organiza o e a metodologia utilizada na investiga o Pormenorizamos o modelo de kayak em estudo os instrumentos utilizados bem como todos os procedimentos envolvidos O 7
80. quer os kayaks K1 ver figura 6 para provas masculinas e femininas quer as canoas Cl e C2 ver figura 7 desta feita apenas para canoistas masculinos Figura 6 Kayak monolugar K1 de canoagem Slalom Fonte http www london2012 com 10 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Figura 7 Canoa C1 e C2 de canoagem Slalom Fonte http www duemstuff com http www life com Comparando as embarca es desta vertente com as da canoagem de velocidade verifica se uma diminui o do comprimento e um aumento da largura da primeira face segunda Assim sendo as embarca es de Slalom apresentam uma extens o de 3 5m para K1 e Cl e de 4 1m para C2 bem como uma largura de 0 60m para K1 e Cl e 0 74m para C2 Com estas caracter sticas tornam se claramente embarca es muito mais est veis e mais f ceis de manobrar 4 4 Canoagem Estilo Livre Freestyle O estilo livre uma das modalidades mais recentes no mundo da canoagem sendo simplesmente reconhecida pela ICF em 2006 Existe uma grande diferen a desta disciplina para todas as outras a qual se prende com o facto da competi o n o envolver a necessidade de percorrer um determinado trajecto Aqui o objectivo o atleta efectuar uma s rie de acrobacias e manobras contra uma onda ou rolo de gua de um rio num tempo e espa o definidos ver figura 8 Quanto maior o n mero e dificuldade das manobras realizadas maior ser a pontua o atribu a e mel
81. ra apoios nas pontas 45 xi An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 1 Introdu o 1 1 Enquadramento do Estudo Os progressos recentes na Ci ncia dos Materiais e nos m todos de fabrico vierem revolucionar o projecto de Engenharia Mec nica Na nova fam lia de materiais criada destacam se os materiais comp sitos cujas propriedades t m permitido a sua r pida divulga o quer em novas solu es construtivas tornadas poss veis com o seu aparecimento quer substituindo os materiais convencionais A sua elevada resist ncia espec fica associada versatilidade dos processos de fabrico permite aliar a complexidade da forma a elevadas resist ncias mec nicas e baixo peso Assim sendo os materiais comp sitos s o seleccionados sempre que se procura optimizar uma geometria funcional hidro ou aerodin mica a uma boa resist ncia estrutural e com peso reduzido A aeron utica foi das primeiras ind strias a tirar partido destas caracter sticas na produ o das estruturas para aeronaves Actualmente com a redu o dos custos que resultou da divulga o dos materiais comp sitos muitas s o as ind strias que beneficiaram tamb m das propriedades destes materiais tais como a ind stria autom vel e as ind strias ligadas ao desporto e lazer Na ind stria do desporto os objectivos a perseguir est o essencialmente associados ao triunfo desportivo Salvaguardando o cumprimento dos valores do desportivi
82. rav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios no centro terrena 55 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 23 Compara o da nova flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios nas pontas rrenan 56 Tabela 24 Nova compara o das deforma es com o kayak na agua obtidas pelo MEF e pelos resultados experimentais eee eeeeeeeeeeeeaeeeeeeaaeeeeeaaeeeeseeaaeeeeeeaaeeeseeaaeessenaeeeeeeeaaes 56 Tabela 25 Valor do impulso para cada parte no caso de carregamento com um atleta de Tabela 26 Compara o da deforma o entre o carregamento com um indiv duo de 61kg e de BO ativan tats nad teu Meith S abunda Rootes dE taro tM total A tant ota a Need Sa 57 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o ndice de Gr ficos Gr fico 1 Desempenho dos atletas ol mpicos de K1 1000m 1948 2008 e de K1 500m 1976 ZOOS nisi caso Tudo ca ease pense Decca OEN ufa seater Da dada da Na E Ra AR ADRs Tea 19 Gr fico 2 Recta de calibra o do extens metro da direita para apoios no centro 44 Gr fico 3 Recta de calibra o dos extens metro da esquerda para apoios no centro 44 Gr fico 4 Recta de calibra o dos extens metro da direita para apoios nas pontas 45 Gr fico 5 Recta de calibra o dos extens metro da esquerda pa
83. resultados relativos obten o das deforma es por recurso extensometria a compara o entre os valores advindos dos extens metros esquerdo e direitos nos v rios casos de carregamento efectuados ao longo da investiga o permite constatar a proximidade entre estes Daqui se depreende que a inten o de colocar os instrumentos em locais sim tricos de modo a nos certificarmos da correcta realiza o das medi es foi conseguida com sucesso Desta forma tamb m poss vel detectar a simetria do carregamento durante uma carga est tica Esta funcionalidade poder ser muito importante no caso de estudos din micos a realizar posteriormente No que se refere ao estudo das propriedades da embarca o este mostrou se bastante proveitoso e imprescind vel para o desenvolvimento dos objectivos deliberados De facto a avalia o da rigidez de um material importante quer durante o processo de montagem fabrica o quer durante a sua vida til para que haja controlo da estabilidade dimensional do componente Assim dos resultados relativos determina o do m dulo de elasticidade crit rio preponderante como medida da rigidez do material comp sito parece pertinente referir que os primeiros valores obtidos 9 3 GPa para a zona central e 5 8 GPa para as pontas revelaram se incorrectos pois a compara o dos dados resultantes do ensaio in situ com os determinados pelo MEF apresentaram um erro que ronda os 27 Uma an lise refl
84. s Tratando se de um material comp sito multicamada cuja constru o apresenta algumas descontinuidades n o f cil criar modelos num ricos que reproduzam fielmente o seu comportamento real Por isso procurar se com recurso a t cnicas correntemente utilizadas em Engenharia que utilizam dados experimentais criar um modelo num rico que permita uma boa aproxima o A defini o do carregamento ser tamb m uma tarefa importante pois o kayak durante a sua utiliza o comporta se como uma viga em base el stica cuja carga devida ao peso do cano sta se encontra aplicada a meio v o Numa descri o mais detalhada pode dizer se que a principal carga est tica aplicada o peso do cano sta que equilibrado por uma press o hidrost tica que actua ao longo de toda a rea molhada Deste modo s o esperadas tens es mais elevadas na vizinhan a da cavidade que permite a coloca o do cano sta o cockpit regi o de maior momento flector A cria o do modelo num rico ser pois acompanhada por um trabalho experimental que permita ajustar o modelo para o tornar mais representativo do kayak em estudo 1 3 Estrutura da Disserta o Para poder cumprir os objectivos acima descritos desenvolveu se um trabalho de investiga o que foi estruturado da seguinte forma No 1 Cap tulo desta disserta o tecem se algumas considera es relativas ao crescente uso de materiais comp sitos na ind stria do desporto nomeadamente no
85. s biomec nicos associados remada da canoagem com o intuito de incrementar o conhecimento na rea Mediante a an lise de diferente documenta o os autores conclu ram que na modalidade um aumento no comprimento e frequ ncia da remada s o recomend veis para o alcance de uma melhor velocidade de remada e que um alto valor de frequ ncia de remada e grande deslize s o caracter sticos de um melhor desempenho Para al m disso foi ainda poss vel apurar que a aplica o da estrat gia de in cio de prova r pido mostra se um padr o vantajoso utilizado na competi o Todavia a par do estudo das condicionantes atl ticas dos praticantes uma outra corrente de investiga o tem aludido import ncia dos equipamentos desportivos considerando os igualmente respons veis por uma melhor performance Assim de entre as an lises que t m incidido sobre esta vertente destacam se aquelas que t m como objecto de estudo a pagaia e o kayak No que reporta primeira tem sido sugerido que as transforma es no seu design constituem se como um dos maiores avan os tecnol gicos que originou melhorias nos tempos da remada Robinson et al 2002 Genericamente o design da l mina da pagaia pode ser sim trico ou assim trico em rela o ao eixo do cabo e possuir um formato plano curvo ou oval De acordo com Brown 2002 grande parte dos desportistas t m actualmente optado por pagaias com l minas assim tricas por considerarem que estas s
86. s indicaram que deveria ser aplicado na canoa um factor de amplifica o din mica de 1 25 e nas ripes um factor de 2 2 Relativamente s segundas os testes efectuados revelaram que o casco deveria resistir a 4MPa de esfor o de tens o de trac o e compress o em torno do local onde o remador apoia o joelho Paradis amp Gendron 2007 Centrando se nesta linha de investiga o cuja proposta assenta no entendimento dos fundamentos estruturais dos equipamentos na modalidade desportiva de canoagem a disserta o que aqui se apresenta tem como objectivo principal contribuir para a compreens o do comportamento estrutural de um kayak de velocidade do tipo K1 Ainda que a forma e acabamento exteriores sejam importantes no escoamento hidrodin mico e consequentemente na for a de arrasto s ser o aqui tratadas as implica es da forma na resist ncia estrutural 20 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 6 M todo 6 1 Modelo de Kayak em An lise Foi utilizado como objecto de estudo deste trabalho um kayak de canoagem de velocidade do tipo K1 disponibilizado pela empresa NELO ao Laborat rio de ptica e Mec nica Experimental do DEMec INEGI Trata se do modelo Vanquish III designa o comercial para este kayak que tem sido largamente utilizado pelos melhores atletas da actualidade pois apresenta um design optimizado a n vel hidrodin mico o que lhes permite obter um alto desempenho Contudo a elevada efici ncia
87. smo o que se destaca na competi o a obten o da vit ria raz o pela qual todos procuram uma optimiza o constante do seu desempenho Quando se trata de alta competi o onde apenas s o envolvidos atletas de elite os custos com a prepara o e o equipamento perdem aqui alguma import ncia relativa Zz Um dos desportos em que Portugal tem sofrido uma not vel evolu o a canoagem de competi o Designada internacionalmente por flatwaters kayaking or racing conta j com v rios campe es europeus e mundiais de nacionalidade portuguesa Nesta modalidade destaca se tamb m um fabricante nacional de kayaks anunciada como o maior do planeta e com dezenas de campe es a utilizar os seus barcos A empresa em causa NELO situa se na regi o do grande Porto e facultou o modelo de kayak que foi utilizado neste estudo A motiva o essencial para a realiza o deste trabalho prende se com o facto de o DEMec prestar colabora o num projecto de doutoramento na rea do desporto cujo tema central a canoagem Trata se de uma recente campe do mundo que se disp s a associar um estudo cient fico sua prepara o ol mpica e que utiliza kayaks NELO Ao ser enquadrado na equipa de investiga o que acompanha os estudos na canoagem o autor deste trabalho teve acesso a importante informa o que possibilitou a estrutura o deste estudo A investiga o no mbito da an lise estrutural de kayaks tem sido escassa pelo que s
88. studo prende se com o facto de para facilitar a an lise estrutural da embarca o tratarmos o laminado como um material isotr pico quando na realidade ele ortotr pico Nos materiais ortotr picos n o uma tarefa trivial determinar as verdadeiras rela es tens o deforma o pois estes caracterizam se por possuir propriedades nicas e independentes nas tr s direc es mutuamente ortogonais Por este motivo optou se por atribuir as mesmas propriedades nas tr s direc es consideradas ainda que se reconhe a o car cter pouco correcto desta decis o Em termos metodol gicos importa dizer se que teria sido enriquecedor para esta investiga o o uso de uma roseta em vez da utiliza o unit ria dos extens metros na medida em que tal possibilitaria a obten o da matriz de tens es tamb m de referir que os dados recolhidos experimentalmente dependeram da capacidade do indiv duo inexperiente se equilibrar no kayak o que pode ter sido igualmente um entrave obten o de dados fidedignos Todavia o impacto desta limita o tentou ser contornado atrav s do uso de uma vara que facilitasse a manuten o da sua estabilidade Pretende se ainda sugerir algumas indica es para pesquisa futuras Por exemplo a necessidade de desenvolver novas investiga es no sentido de estudar diferentes materiais comp sitos que pudessem ser empregues na constru o de kayak Para al m disso salienta se a import ncia da inclus o d
89. t sujeita corroborando o que tem sido feito pelo fabricante no sentido de melhorar a resist ncia do kayak Desta forma as conclus es da investiga o sugerem a pertin ncia dos estudos centrados nesta linha de pesquisa de modo a propiciar a optimiza o das embarca es utilizadas na modalidade de canoagem 63 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o 9 Limita es da Investiga o e Hip teses para Futuros Estudos A investiga o que foi desenvolvida procurou construir conhecimento acerca do comportamento estrutural dos kayaks de competi o tendo como horizonte a sua viabilidade e utilidade no progresso dos atletas ao n vel do seu desempenho Por m poss vel encontrar algumas limita es que exigem precau o na interpreta o dos resultados Um dos primeiros aspectos a ter em conta relaciona se com o facto de se desconhecerem partida as propriedades reais dos materiais utilizados no fabrico do kayak em estudo A caracteriza o de um material exige idealmente a realiza o de diversos ensaios mec nicos com recurso a provetes do material em causa no entanto a sua aquisi o em tempo til mostrou se invi vel Assim tornou se mais dif cil a obten o das propriedades mec nicas da estrutura sobretudo porque se trata de um material comp sito cujas propriedades dependem quer da natureza dos materiais usados quer do grau de liga o entre eles atrav s da interface Outra das limita es deste e
90. tabelas 6 e 7 pode constatar se o valor das deforma es obtidas por cada um dos m todos utilizados bem como a percentagem de erro Tabela 6 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro direito ponderando o mesmo m dulo de Young em todo o kayak no caso de carregamento com apoios no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF 2 14E 05 2 15E 05 196 2 4 34E 05 4 29E 05 8 75E 05 8 57E 05 60 5886 132B04 1298 04 226 _ 70 686 7 1 54E 04 1 49E 04 2 32 80 784 8 1 76E 04 1 71E 04 2 37 Tabela 7 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro esquerdo ponderando o mesmo m dulo de Young em todo o kayak no caso de carregamento com apoios no centro Massa Carga a Aplicar Deforma o Deforma o Erro kg N Esperada MEF 10 2 05E 05 2 14E 05 2 196 2 4 24E 05 4 28E 05 30 294 3 6 43E 05 6 42E 05 Como se pode verificar os erros n o excedem os 5 tal como pretendido denotando se a exist ncia de proximidade favor vel entre as propriedades reais e as do modelo criado em ANSYS A figura 45 d conta do aspecto das deforma es no eixo longitudinal do kayak ap s o carregamento efectuado 46 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o F kayak apoio centro Normal Elastic Strain Type Normal Elastic Strain X Axis Unit mm mm Global Coordinate System 0 00010227 Max 8 2406e 5 6 2548e 5 4 2689e 5 2 2831e 5 2 972e
91. tados para as situa es de carregamento com apoios no centro e nas pontas da embarca o verifica se um aumento das deforma es obtidas Da mesma forma registou se um acr scimo no valor da flecha a meio v o para estes mesmos casos de carregamento ver tabelas 22 e 23 Estes novos resultados justificam se pela diminui o do m dulo de Young Tabela 22 Compara o da nova flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios no centro Carga Valor Real Valor MEF Erro N mm mm 148 82 16 00 244 96 14 29 341 19 440 47 10 13 55 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 23 Compara o da nova flecha obtida atrav s dos m todos experimentais e do modelo de elementos finitos para apoios nas pontas Carga Valor Real Valor MEF Erro OD mm mm CA 148 82 13 1 244 96 15 86 341 19 10 57 moar 906 1019 124 Comparando se de seguida os valores obtidos pelos m todos experimentais com os que se registaram pelo MEF na situa o do kayak na gua sinaliza se o decr scimo acentuado do erro entre ambos os valores aproximando se actualmente de valores mais aceit veis ver tabela 24 Tabela 24 Nova compara o das deforma es com o kayak na gua obtidas pelo MEF e pelos resultados experimentais Ensaio Valor Erro BANDO Se eat IDO 3 02E 04 2 56E 04 15 14 2 98E 04 2 56E 04 13 99 Posto isto reporta se agora a a
92. u o de 0 27 na velocidade de uma embarca o do tipo K1 Por outro lado n o obstante relev ncia dos aspectos hidrodin micos t m surgido na literatura interessant ssimos estudos referentes an lise estrutural das embarca es 19 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Petrone e Quaresimin 2002 analisaram o comportamento flex o de um kayak Ol mpico constru do em material comp sito atrav s de um Modelo de Elementos Finitos desenvolvido no ANSYS e da realiza o de testes experimentais de flex o no kayak com o prop sito de contribuir para a sua optimiza o estrutural Comparando v rias propostas de design para a constru o da embarca o ponderando para o efeito a rigidez flex o os autores constataram que em todas as solu es propostas se verificou um aumento da rigidez geral at ao m ximo de 25 Assim foi sugerido que apenas o uso extensivo de um refor o de laminado de carbono permite aumentar a rigidez flex o embora isso possa diminuir a resist ncia da embarca o ao impacto Petrone amp Quaresimin 2002 Ainda neste mbito Paradis e Gendron 2007 levaram a cabo a an lise estrutural de uma canoa estabelecendo para o efeito um Modelo de Elementos Finitos que foi posteriormente validado com testes na pr pria canoa Numa fase ulterior foram ainda realizados testes din micos experimentais para avaliar qual o factor de amplifica o que deveria ser aplicado tens o est
93. u dos artificialmente Todo o percurso balizado e dividido em nove pistas com nove metros de largura cada Na figura 1 representa se uma imagem a rea do centro de remo Eton Dorney local onde ser o disputadas entre outras as provas de canoagem de velocidade nos Jogos Ol mpicos de 2012 em Londres Figura 1 Centro de Remo Eton Dorney integrado no parque ol mpico de Londres 2012 Fonte http www london2012 com Em campeonatos mundiais e continentais as provas s o disputadas em tr s dist ncias 200m 500m e 1000m Nos Jogos Ol mpicos apenas se realizam competi es de 500 e 1000m na categoria masculina sendo que para as mulheres as provas s o realizadas somente na dist ncia de 500m As competi es iniciam se com provas eliminat rias que classificam os participantes para as semifinais e finais An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Nesta modalidade a classe das embarca es definida pelo n mero de tripulantes Assim no caso de se usar um kayak a denomina o K1 K2 ou K4 consoante a prova disputada por 1 2 ou 4 atletas ver figura 2 sendo que na mesma l gica quando a embarca o uma canoa a designa o Cl C2 ou C4 Ver figura 3 Figura 2 Kayak de velocidade modelo K1 K2 e K4 Fonte http www olympic ca http bbgomes blogs sapo pt EaR Yi PSA em _ s Figura 3 Canoa de velocidade modelo C1 C2 e C4 Fonte http www vajdagroup com http w
94. uer das limita es inerentes a qualquer 62 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o processo experimental erros humanos e de equipamentos quer do facto de o modelo de elementos finitos ser apenas um m todo num rico aproximado Para al m destes aspectos importante mencionar que os valores das deforma es registadas aquando da coloca o do kayak na gua foram superiores aqueles que se obtiveram a partir do MEF para o mesmo caso de carregamento o que de certa forma evidencia que a rigidez real pode ser ligeiramente inferior calculada Assim pensa se que os defeitos vis veis nas figuras 50 51 e 52 adquiridas atrav s da t cnica de Shear se relacionem com este aumento do valor da deforma o apresentado no ensaio experimental uma vez que teoricamente se considera que as imperfei es na estrutura provocam uma diminui o da sua rigidez Deve ainda referir se a possibilidade dos acess rios e posti os colocados na estrutura do kayak interferirem no seu comportamento estrutural e o seu efeito n o ter sido considerado durante a constru o do modelo num rico E porque para projectar qualquer componente se deve considerar sempre o carregamento m ximo a que este estar sujeito torna se relevante discorrer sobre os resultados da an lise estrutural que considera a coloca o de um atleta de 85 kg dentro do kayak Face ao anterior carregamento com um indiv duo de 6lkg regista se um significativo aumento das
95. ww bcu org uk http www life com Os kayaks possuem um apoio para os p s finca p s um assento e um leme de direc o que controlado pelo atleta que fica na parte da frente da embarca o Os praticantes remam sentados com remo pagaia de duas p s e o conv s da estrutura fechado Nas canoas utilizado um estrado onde se coloca um bloco de borracha que funciona como estrado uma vez que os cano stas remam apoiados sobre um dos joelhos utilizando um remo de uma nica p No entanto para estas embarca es n o permitido o uso de leme o que exige que os tripulantes empreguem t cnicas espec ficas de direccionamento O peso e comprimento das embarca es obedecem a crit rios definidos pela Federa o Internacional estando em vigor os n meros apresentados na tabela 1 An lise Estrutural de um Kayak de Competi o Tabela 1 Especifica es para embarca es de velocidade Fonte Canoe sprint competition rules ICF 2009 Embarca o Comprimento m ximo Peso m nimo kg em 650 Para al m disso existem ainda determinadas regras relativas s embarca es das quais se destacam a necessidade da constru o do deck parte superior da embarca o n o ficar horizontalmente acima do ponto mais alto do bordo frontal do cockpit a impossibilidade do casco apresentar linhas c ncavas e o impedimento de adi o de qualquer objecto ou subst ncia estranha partes m veis ou outro dispositivo qu
96. yak com apoio no centro para calibra o do extens metro da esquerda PA EEA PEE E TEE A E A EA EA E 43 Tabela 4 Carregamento sobre o kayak com apoio nas pontas para calibra o do extens metro da direita riste teares esse a nana aeee arara aa aa aereas ea sena a nana aaararesenanena 44 Tabela 5 Carregamento sobre o kayak com apoio nas pontas para calibra o do extens metro da esquerda ae ta iai aas iaaea iaa aan side aeai aaa raa aeai aana aaka aiak 45 Tabela 6 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro direito ponderando o mesmo m dulo de Young em todo o kayak no caso de carregamento com apoios no centro 46 Tabela 7 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro esquerdo ponderando o mesmo m dulo de Young em todo o kayak no caso de carregamento com apoios no CONTO sessao dota i a sed da TE AS a oo su ENA Aa DU SE AP DA a dad Ea 46 Tabela 8 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro da direita no caso de carregamento com apoios nas pontas rr rare tara aaanaaarr arara aaa anaana 47 Tabela 9 Deforma es obtidas pelo MEF e pelo extens metro da esquerda no caso de carregamento com apoios nas pontas ee eeeeeeeeeeeeaaeeeeeeaaeeseeaaeeeeeeeaaeeeeeeaaeeeesenaeeeeeaaes 48 Tabela10 Compara o de valores para extens metro da esquerda apoio nas pontas 49 Tabela 11 Compara o de valores para extens metro da direita apoi

Análise Estrutural de um Kayak de Competição

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