Tolerância a danos - Damage tolerance

A tolerância a danos é uma propriedade de uma estrutura relacionada à sua capacidade de sustentar defeitos com segurança até que o reparo possa ser efetuado. A abordagem do projeto de engenharia para considerar a tolerância a danos é baseada na suposição de que podem existir falhas em qualquer estrutura e que essas falhas se propagam com o uso. Essa abordagem é comumente usada em engenharia aeroespacial , engenharia mecânica e engenharia civil para gerenciar a extensão de fissuras na estrutura por meio da aplicação dos princípios da mecânica da fratura . Em engenharia, uma estrutura é considerada tolerante a danos se um programa de manutenção foi implementado que resultará na detecção e reparo de danos acidentais, corrosão e rachaduras por fadiga antes que tais danos reduzam a resistência residual da estrutura abaixo de um limite aceitável.

História

As estruturas das quais depende a vida humana há muito foram reconhecidas como necessitando de um elemento de segurança contra falhas . Ao descrever sua máquina voadora, Leonardo da Vinci observou que "Ao construir asas, deve-se fazer um acorde para suportar a tensão e um mais solto na mesma posição, de modo que se um quebrar sob a tensão, o outro esteja em posição de servir ao mesma função. "

Antes da década de 1970, a filosofia de engenharia predominante de estruturas de aeronaves era garantir que a aeronavegabilidade fosse mantida com uma única peça quebrada, um requisito de redundância conhecido como segurança contra falhas . No entanto, os avanços na mecânica de fratura , juntamente com falhas de fadiga catastróficas infames, como as do Cometa de Havilland, levaram a uma mudança nos requisitos para aeronaves. Foi descoberto que um fenômeno conhecido como dano em vários locais pode causar muitas pequenas rachaduras na estrutura, que crescem lentamente por si mesmas, e se unem ao longo do tempo, criando uma rachadura muito maior e reduzindo significativamente o tempo esperado até a falha

Estrutura de vida segura

Nem todas as estruturas devem demonstrar propagação de trinca detectável para garantir a segurança da operação. Algumas estruturas operam sob o princípio de projeto de vida segura , onde um nível extremamente baixo de risco é aceito por meio de uma combinação de testes e análises de que a peça nunca formará uma trinca detectável devido à fadiga durante a vida útil da peça. Isso é obtido por meio de uma redução significativa das tensões abaixo da capacidade de fadiga típica da peça. Estruturas de vida segura são empregadas quando o custo ou inviabilidade das inspeções supera a penalidade de peso e os custos de desenvolvimento associados às estruturas de vida segura. Um exemplo de componente de vida segura é a pá do rotor do helicóptero . Devido ao número extremamente grande de ciclos sofridos pelo componente rotativo, uma rachadura indetectável pode crescer até um comprimento crítico em um único vôo e antes da aeronave pousar, resultando em uma falha catastrófica que a manutenção regular não poderia ter evitado.

Análise de tolerância a danos

Para garantir a operação contínua e segura da estrutura tolerante a danos, são elaborados cronogramas de inspeção. Esta programação é baseada em muitos critérios, incluindo:

  • assumiu condição inicial danificada da estrutura
  • tensões na estrutura ( fadiga e tensões máximas operacionais) que causam o crescimento de rachaduras da condição danificada
  • geometria do material que intensifica ou reduz as tensões na ponta da trinca
  • capacidade do material de resistir a rachaduras devido a tensões no ambiente esperado
  • maior tamanho de rachadura que a estrutura pode suportar antes de uma falha catastrófica
  • probabilidade de que um determinado método de inspeção revele uma rachadura
  • nível aceitável de risco de que uma determinada estrutura falhe completamente
  • duração esperada após a fabricação até que uma rachadura detectável se forme
  • suposição de falha em componentes adjacentes que podem ter o efeito de alterar as tensões na estrutura de interesse

Esses fatores afetam por quanto tempo a estrutura pode operar normalmente na condição danificada antes que um ou mais intervalos de inspeção tenham a oportunidade de descobrir o estado danificado e efetuar um reparo. O intervalo entre as inspeções deve ser selecionado com um certo mínimo de segurança, e também deve equilibrar as despesas das inspeções, a penalidade de peso de reduzir as tensões de fadiga e os custos de oportunidade associados a uma estrutura estar fora de serviço para manutenção.

Inspeções não destrutivas

Fabricantes e operadores de aeronaves, trens e estruturas de engenharia civil, como pontes, têm interesse financeiro em garantir que o cronograma de inspeção seja o mais econômico possível. No exemplo das aeronaves, como essas estruturas muitas vezes são geradoras de receita, há um custo de oportunidade associado à manutenção da aeronave (receita de passagens perdidas), além do custo de manutenção em si. Assim, deseja-se que essa manutenção seja realizada com pouca frequência, mesmo quando tais intervalos aumentados acarretam aumento de complexidade e custo para a revisão. O crescimento da fissura, conforme mostrado pela mecânica da fratura , é de natureza exponencial; o que significa que a taxa de crescimento do crack é função de um expoente do tamanho do crack atual (ver lei de Paris ). Isso significa que apenas as maiores rachaduras influenciam a resistência geral de uma estrutura; pequenos danos internos não necessariamente diminuem a resistência. O desejo de intervalos de inspeção infrequentes, combinado com o crescimento exponencial de rachaduras na estrutura, levou ao desenvolvimento de métodos de teste não destrutivos que permitem aos inspetores procurar por rachaduras muito pequenas, muitas vezes invisíveis a olho nu. Exemplos dessa tecnologia incluem inspeções por corrente parasita , ultrassônica , penetrante de tinta e raio-X . Ao detectar rachaduras estruturais quando são muito pequenas e crescer lentamente, essas inspeções não destrutivas podem reduzir a quantidade de verificações de manutenção e permitir que danos sejam detectados quando são pequenos e ainda baratos para consertar. Como exemplo, tal reparo pode ser alcançado perfurando um pequeno orifício na ponta da trinca, transformando assim efetivamente a trinca em um entalhe de fechadura .

Referências

Leitura adicional