Estudo da implementação de tanques em plástico reforçado com fibra de vidro em viaturas de combate a incêndios

Abstract

Este trabalho teve por enquadramento um Estágio realizado na empresa Jacinto Marques de Oliveira, que fabrica atualmente tanques de água de veículos de combate a incêndio em aço inoxidável. O principal objetivo proposto consistiu no estudo da substituição do aço inoxidável por um material compósito de matriz polimérica, solução que tem vindo a ser adotada por vários fabricantes internacionais no sentido de reduzir peso e custos. Procedeu-se inicialmente a uma pesquisa bibliográfica sobre as normas relativas aos veículos de combate a incêndio, com ênfase nos requisitos impostos aos tanques de água. Seguidamente, identificaram-se os principais fabricantes nacionais e internacionais, as várias categorias de veículos usados, e as soluções existentes para tanques de água ao nível dos materiais, processos de fabrico e montagem nos veículos. A pesquisa realizada confirmou o uso crescente de polímeros e compósitos de matriz polimérica nos tanques de água, e permitiu saber quais os polímeros e fibras com as propriedades mecânicas e durabilidade mais adequadas a esta aplicação. Seguidamente, selecionou-se o tanque de um veículo atualmente fabricado pela empresa Jacinto Marques de Oliveira em aço inoxidável para desenvolver e comparar um projeto alternativo em material compósito de matriz polimérica. Face à pesquisa efetuada, optou-se por um polipropileno copolímero reforçado com fibra de vidro para este projeto. A informação obtida junto de fabricantes indicou as espessuras das chapas a usar neste novo material, que são substancialmente superiores às das chapas de aço. Por outro lado, procurou-se preservar as restantes formas e dimensões externas. Usando um software de modelação 3D, procedeu-se ao desenho do tanque, incluindo acessórios e ligações ao veículo. A resistência mecânica e rigidez foram avaliadas através de simulações por elementos finitos. Seguido uma metodologia proposta em estudos publicados, consideraram-se vários casos de solicitação envolvendo as cargas associadas à movimentação da água no tanque provocada em diversas situações de circulação do veículo. Neste estudo tomaram-se por referências as tensões e deslocamentos no tanque de aço, que foi também modelado, bem como alguns valores limite sugeridos em estudos publicados. As análises por elementos finitos mostraram serem necessários alguns reforços locais, mas, globalmente, permitiram confirmar uma diminuição de peso de cerca de 40% relativamente ao tanque de aço inoxidável. Finalmente, fez-se uma análise comparativa a nível de custos, suportada por dados da empresa e por orçamentos obtidos de fornecedores. Face às incertezas nos custos de fabrico neste novo material, a comparação cingiu-se aos custos de materiais, tendo-se atingido uma redução de cerca de 15% nesta categoria. Por conseguinte, este estudo confirma as vantagens da utilização de compósitos de matriz polimérica nos tanques de água de veículos de combate a incêndio. As vantagens poderão até ser mais significativas mediante melhorias no projeto e reduções dos custos de aquisição de materiais.

This work was based on an internship carried out at Jacinto Marques de Oliveira, which currently manufactures stainlesssteel water tanks fire fighting vehicles. The main objective proposed was the study of the replacement of stainless steel by a polymer matrix composite material, a solution that has been adopted by several international manufacturers to reduce weight and costs. Bibliographical research was initially carried out on the rules on firefighting vehicles, with emphasis on the requirements imposed on water tanks. Next, the main national and international manufacturers, the various categories of used vehicles, and the existing solutions for water tanks in terms of materials, manufacturing processes and assembly in vehicles were identified. The research confirmed the growing use of polymers and polymer matrix composites in water tanks and allowed us to know which polymers and fibers have the most appropriate mechanical properties and durability for this application Subsequently, the tank of a vehicle currently manufactured by Jacinto Marques de Oliveira in stainless steel was selected to develop and compare an alternative design in polymer matrix composite material. In view of the research, we opted for a polypropylene copolymer reinforced with fiberglass for this project. The information obtained from manufacturers indicated the thickness of the plates to be used in this new material, which are substantially higher than those of the steel plates. On the other hand, we tried to preserve the other external shapes and dimensions. Using 3D modeling software, the tank was designed, including accessories and connections to the vehicle. Mechanical strength and stiffness were evaluated by finite element simulations. Following a methodology proposed in published studies, several cases of request involving the loads associated with the movement of water in the tank caused in various situations of vehicle circulation were considered. In this study, the stresses and displacements in the steel tank, which was also modelled, as well as some limit values suggested in published studies were used. Finite element analyses showed that some local reinforcements were needed, but overall, they confirmed a weight reduction of about 40% compared to the stainless-steel tank. Finally, a comparative cost analysis was made, supported by company data and budgets obtained from suppliers. In view of the uncertainties in the manufacturing costs of this new material, the comparison was based on material costs and a reduction of around 15% in this category was achieved. Therefore, this study confirms the advantages of using polymer matrix composites in water tanks of fire fighting vehicles. The advantages may even be more significant through design improvements and reductions in material acquisition costs.