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UNIVERSIDADE DE SO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOSINSTITUTO DE FSICA DE SO CARLOS
INSTITUTO DE QUMICA DE SO CARLOS
UTILIZAO DE FIBRAS DE CARBONO E DE FIBRAS DE VIDRO PARAREFORO DE VIGAS DE MADEIRA
Juliano Fiorelli
Dissertao apresentada rea Interunidadesem Cincia e Engenharia de Materiais,
para obteno do ttulo de Mestreem Cincia e Engenharia de Materiais
Orientador: Prof. Dr. Antonio Alves Dias
So Carlos2002
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A sabedoria no nos dada. preciso descobri-la por ns mesmos,
depois de uma viagem que ningumnos pode poupar ou fazer por ns
Marcel Proust Escritor Francs
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Dedicatria:Aos meus pais e Erika,
incentivadores incansveis.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, pela sade, coragem e esperana em todas as etapas de minha vida.
Ao professor e orientador Antonio Alves Dias, pela grande amizade, confiana einterminvel dedicao, desde o perodo de graduao, meu eterno muito obrigado.
Aos professores Carlito Calil Jr., Francisco Antonio Rocco Lahr e Almir Sales peloincentivo e amizade.
FAPESP Fundao de Amparo a Pesquisa do Estado de So Paulo, pelo suportefinanceiro.
Aos meus pais, Carlos e Marta, que tiveram especial participao em minhaformao e acreditaram nos meus sonhos.
Erika pelo apoio infinito, fora, compreenso e sobretudo pelo carinho duranteestes anos.
Aos meus irmos, Alexandre e Bruno, pelo incentivo.
A todos os amigos e funcionrios do LaMEM, pelo companheirismo e colaborao.
A todos aqueles que, de alguma maneira, contriburam para a elaborao destetrabalho.
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SUMRIO
Lista de figuras iLista de tabelas iv
Lista de smbolos vi
RESUMO viii
ABSTRACT ix
1 - INTRODUO 01
1.1 Objetivos do trabalho 03
2 REVISO BIBLIOGRFICA 04
2.1 Mtodos tradicionais para reforo e recuperao de estruturas demadeira
04
2.2 Fibras reforadas com polmeros (FRP) 07
2.2.1 Fibra de Vidro 08
2.2.2 Fibra kevlar 10
2.2.3 Fibra de Carbono 112.2.3.1 Propriedades da fibra de carbono 11
2.2.3.2 Sistemas de reforo com fibra de carbono 13
2.2.4 Comparao entre propriedades das fibras 15
2.2.5 Anlise de custos 16
2.3 Adesivos 17
2.3.1 Adesivos Inorgnicos 17
2.3.2 Adesivos Orgnicos 18
2.3.3. Termofixos 18
2.3.4 Adesivo epxi AR-300 21
2.3.5 Termoplsticos 22
2.3.6 Adesivo poliuretano base de mamona 22
2.4 Mecanismos de adeso 23
2.5 Emprego de FRP em reforos de estruturas de madeira 24
2.6 Efeitos de altas temperaturas em reforos com FRP 32
2.7 Critrio para dimensionamento de vigas de madeira reforadas comfibras 33
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2.8 Concluses da reviso 35
3 DETERMINAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS DE
FIBRAS DE VIDRO E DE FIBRAS DE CARBONO LAMINADAS
COM ADESIVOS COMERCIAIS E A BASE DE MAMONA
38
3.1 - Materiais e mtodos 38
3.1.1 Materiais utilizados para a confeco dos corpos-de-prova 40
3.1.2 Confeco dos corpos-de-prova 41
3.1.3 Equipamentos utilizados no ensaio 42
3.1.4 Determinao da resistncia trao e do mdulo de elasticidade 42
3.1.5 Ensaio realizado 433.2 Resultados obtidos 45
3.2.1 Ensaios preliminares (corposde-prova com adesivo de mamona,cascophen e epxi)
45
3.2.2 Corpos-de-prova laminados com resina epxi 46
3.2.3 Corpos-de-prova sem adesivo 46
3.2.4 Corpos-de-prova de fibras de carbono laminados com resinaepxi
46
3.3 Anlise dos resultados 543.3.1 Comparao da eficincia dos adesivos na laminao dos corpos-
de-prova (ensaios preliminares)54
3.3.2 Resistncia trao e mdulo de elasticidade para fibras decarbono e fibras de vidro laminadas com adesivo epxi
55
3.3.3 Fibras de vidro sem adesivo 59
4 AVALIAO DE ADESIVOS NA INTERFACE FIBRA MADEIRA 61
4.1 Materiais e mtodos 61
4.1.1 Confeco dos corpos-de-prova 61
4.1.2 Ensaio realizado 62
4.2 Resultados obtidos 63
4.3 Anlise dos resultados 64
5 MODELO TERICO DE CLCULO E ANLISE DE VIGASREFORADAS COM FIBRAS
67
5.1 Introduo 67
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5.2 Anlise da rigidez flexo das vigas 68
5.2.1 Clculo da seo transformada 68
5.2.2 Anlise da eficincia do reforo 70
5.2.3 Comentrios 74
5.3 Anlise da resistncia 74
5.3.1 Clculo do momento fletor ltimo 74
5.3.1.1 Modo de ruptura: compresso 77
5.3.1.2 Modo de ruptura - trao 78
5.3.2 Anlise de vigas reforadas com fibras, utilizando o modeloterico
80
5.3.2.1 Reforo com fibra de vidro 80
5.3.3.2 Reforos com fibra de carbono 85
5.3.2.3 Comentrios 89
5.3.3 Avaliao do parmetro k 89
5.3.4 Anlise comparativa dos reforos de fibra de vidro e de fibra decarbono
91
5.3.4.1 Comentrios 95
6 AVALIAO EXPERIMENTAL DE VIGASREFORADAS COM FIBRAS
96
6.1 Ensaios de flexo preliminares 96
6.1.1 Materiais utilizados para a confeco das vigas 96
6.1.2 Equipamentos utilizados no ensaio 97
6.1.3 Mtodo de ensaio empregado 97
6.1.4 Mtodo de aplicao de FRP 99
6.1.5 Realizao do ensaio 101
6.1.6 Resultados obtidos 1026.1.7 Anlise dos resultados 105
6.1.7.1 Anlise do momento mximo resistido - experimental eterico
105
6.1.7.2 Anlise da rigidez a flexo 107
6.2 Ensaios principais 109
6.2.1 Materiais utilizados para a confeco das vigas 109
6.2.2 Caracterizao das peas de madeira 111
6.2.3 Instrumentao das vigas 111
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6.2.4 Resultados obtidos 113
6.2.5 Anlise dos resultados 116
6.2.5.1 Anlise do momento mximo resistido - experimental e
terico
116
6.2.5.2 Anlise da rigidez flexo 118
6.2.5.3 Anlise das deformaes 119
7 CONCLUSES 132
8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 134
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Lista de figuras
FIGURA 01: Pilar de madeira recuperado com reforo de "camisa" deconcreto
05
FIGURA 02: Reforo com chapa metlica 06FIGURA 03: Modelo do processo de protenso transversal 06
FIGURA 04: Produtos em fibra de vidro 09
FIGURA 05: Tecido Multi-axial de fibra de vidro 10
FIGURA 06: Fibra Kevlar 11
FIGURA 07: Arranjo HCP dos tomos de carbono 12
FIGURA 08: Tecido unidirecional e lmina de fibra de carbono 14
FIGURA 09: Aplicao do reforo de lminas de fibra de carbono 27
FIGURA 10: Fibra reforando juntas de viga laminada colada 30
FIGURA 11: Ensaio de trao para verificar a resistncia das peas 31
FIGURA 12: Possibilidades de reforo com fibra de vidro em ligaes 31
FIGURA 13: Distribuio de tenses em vigas reforadas 35
FIGURA 14: Dimenses de corpos-de-prova para ensaio de trao 39
FIGURA 15: Tecido de fibras de carbono 40
FIGURA 16: Tecido de fibras de vidro 40
FIGURA 17: Laminao de corpos-de-prova de fibras de vidro com resinaepxi 41
FIGURA 18: Corpos-de-prova de fibras de carbono laminados com duascamadas de tecido
42
FIGURA 19: Ensaio de trao em fibras de carbono 43
FIGURA 20: Corpos-de-prova de fibras de vidro sem laminao 44
FIGURA 21: Corpo-de-prova de fibras de vidro laminado com cascophen. 54
FIGURA 22: Corpo-de-prova de fibras de vidro laminado com mamona 54
FIGURA 23: Corpos-de-prova de fibras de carbono e de fibras de vidrolaminados com epxi. 55
FIGURA 24: Grfico comparativo entre foras mximas resistidas porcorpos-de-prova de fibras de carbono e de fibras de vidro
58
FIGURA 25: Curva tenso x deformao fibras de vidro laminadas 59
FIGURA 26: Curva tenso deformao fibras de carbono laminadas 59
FIGURA 27: Colagem de fibras de vidro nos corpos-de-prova de madeiraadesivo cascophen
62
FIGURA 28: Ensaio de trao em corpos-de-prova de madeira (adesivo de
mamona)
62
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FIGURA 29: Formas de ruptura para adesivo epxi ruptura na madeira(pinus) e ruptura por cisalhamento (eucalipto)
64
FIGURA 30: Formas de ruptura para adesivo de mamona e cascophen 64
FIGURA 31: Comparao da resistncia dos adesivos em corpos-de-prova dePinus elliotti 65
FIGURA 32: Comparao da resistncia dos adesivos em corpos-de-prova deeucalipto Grandis
65
FIGURA 33: Viga constituda por dois materiais diferentes (a) e seoequivalente (b)
69
FIGURA 34: Variao do momento de inrcia - reforo com fibra vidro 72
FIGURA 35: Variao do momento de inrcia reforo com fibra de carbono 73
FIGURA 36: Diagrama de deformao na seo transversal 75
FIGURA 37: Diagrama x na compresso paralela s fibras 75
FIGURA 38: Distribuio de tenses na seo transversal (ruptura porcompresso)
77
FIGURA 39: Distribuio de tenses na seo transversal (ruptura por traona madeira)
79
FIGURA 40: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra de vidro 82
FIGURA 41: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra de vidro 83
FIGURA 42: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra de vidro 84
FIGURA 43: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra decarbono
86
FIGURA 44: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra decarbono
87
FIGURA 45: Relao entre momento x nmero de camadas de fibra decarbono
88
FIGURA 46: Diagrama tenso por deformao 90
FIGURA 47: Grficos comparativos entre os reforos com fibra de vidro e
fibra de carbono
92
FIGURA 48: Grficos comparativos entre os reforos com fibra de vidro efibra de carbono
93
FIGURA 49: Grficos comparativos entre os reforos com fibra de vidro efibra de carbono
94
FIGURA 50: Modelo do ensaio de flexo em vigas simplesmente apoiadas 98
FIGURA 51: Ciclo de carregamento 98
FIGURA 52: Procedimento de aplicao de fibras de vidro em vigas 100
FIGURA 53: Ensaio de flexo em viga de eucalipto 102
FIGURA 54: Flecha viga de Pinus 105
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FIGURA 55: Comparao entre momento fletor de ruptura (experimental eterico)
106
FIGURA 56: Comparao entre momento fletor de ruptura (experimental eterico)
107
FIGURA 57: Valores EI (reforo)/EI x nmero de camadas 108
FIGURA 58: Valores EI (reforo)/EI x nmero de camadas 109
FIGURA 59: Esquema dos ensaios de flexo nas vigas 111
FIGURA 60: Posio dos extensmetros na seo transversal da viga 112
FIGURA 61: Flecha na viga 115
FIGURA 62: Ruptura por trao na madeira 116
FIGURA 63: Fora x deformao especfica de vigas de Pinus seo 6x12 cm 120
FIGURA 64: Fora x deformao especfica de vigas de Pinus seo 6x16 cm 121FIGURA 65: Fora x deformao especfica de vigas de Pinus seo 6x12 cm 121
FIGURA 66: Fora x deformao especfica de vigas de Peroba Rosa 122
FIGURA 67: Variao da deformao na seo transversal da viga 01 semreforo e reforada
123
FIGURA 68: Variao da deformao na seo transversal da viga 02 semreforo e reforada
124
FIGURA 69: Variao da deformao na seo transversal da viga 03 sem
reforo e reforada
125
FIGURA 70: Variao da deformao na seo transversal da viga 04 semreforo e reforada
126
FIGURA 71: Variao da deformao na seo transversal da viga 06 semreforo e reforada
127
FIGURA 72: Variao da deformao na seo transversal da viga 08 semreforo e reforada
128
FIGURA 73: Variao da deformao na seo transversal da viga 09 semreforo e reforada com 20 camadas de fibra
129
FIGURA 74: Variao da deformao na seo transversal da viga 11 semreforo e reforada
130
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Lista de tabelas
TABELA 01: Caractersticas da fibra de vidro 08
TABELA 02: Tipos de fibra de vidro para reforo 09
TABELA 03: Emprego de FRP em estruturas 14
TABELA 04: Caractersticas dos tecidos de fibras a 20oC 15
TABELA 05: Custo das fibras 17
TABELA 06: Caractersticas das fibras aramid e vidro 25
TABELA 07: Caractersticas das fibras aramid e vidro 29
TABELA 08: Geometria dos corpos-de-prova 40
TABELA 09: Informaes referentes aos corpos-de-prova ensaiados 45
TABELA 10: Resistncia trao de fibras de vidro laminada com mamona 46TABELA 11: Resistncia trao de fibras de vidro laminada com cascophen 46
TABELA 12: Resistncia trao de fibras de vidro laminada com epxi 46
TABELA 13: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de vidro (duas camadas de tecido)
48
TABELA 14: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de vidro (quatro camadas de tecido)
49
TABELA 15: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de vidro (seis camadas de tecido)
50
TABELA 16: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de vidro sem laminao (uma camada de tecido)
51
TABELA 17: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de carbono (duas camadas de tecido)
52
TABELA 18: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de carbono (quatro camadas de tecido)
53
TABELA 19: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade defibras de carbono (seis camadas de tecido)
54
TABELA 20: Valores mdios e coeficientes de variao da resistncia atrao de fibras de vidro
56
TABELA 21: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de vidro laminadas (2 lminas de fibras)
57
TABELA 22: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de vidro laminadas (4 lminas de fibras)
57
TABELA 23: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de vidro laminadas (6 lminas de fibras)
57
TABELA 24: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de carbono laminadas (2 lminas de fibras)
58
TABELA 25: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade de 58
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fibras de carbono laminadas (4 lminas de fibras)
TABELA 26: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de carbono laminadas (6 lminas de fibras)
58
TABELA 27: Valores mdios de resistncia e mdulo de elasticidade defibras de vidro sem adesivo 60
TABELA 28: Valores das foras mximas resistidas pelos adesivos nainterface fibra madeira
64
TABELA 29: Valores mdios e coeficiente de variao das foras decisalhamento
66
TABELA 30: Valores de elasticidade utilizados no clculo da inrcia 72
TABELA 31: Valores de elasticidade e resistncia de madeira 82
TABELA 32: Valores do parmetro k 91
TABELA 33: Informaes referentes s vigas de madeira 98
TABELA 34: Mdias e coeficiente de variao 101
TABELA 35: Viga de Pinus seo 3x6 cm 102
TABELA 36: Viga de Pinus seo 3x12 cm 102
TABELA 37: Viga de Eucalipto seo 3x6 cm 103
TABELA 38: Viga de Eucalipto seo 3x12 cm 103
TABELA 39: Informaes referentes s vigas de madeira 109
TABELA 40: Mdias e coeficiente de variao 112TABELA 41: Mdias e coeficiente de variao 113
TABELA 42: Vigas de Pinus Caribea 113
TABELA 43: Vigas de Peroba Rosa 114
TABELA 44: Vigas de Pinus Caribea 116
TABELA 45: Vigas Peroba Rosa 116
TABELA 46: Vigas de Pinus Caribea 117
TABELA 47: Vigas Peroba Rosa 117
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Lista de smbolos
Letras romanas maisculas
A - rea do corpo-de-prova
C1 e C2 Foras de compresso resultantes na madeira;
E - Mdulo de Elasticidade
E1 - mdulo de elasticidade da madeira
E2 - mdulo de elasticidade da fibra
Ec- mdulo de elasticidade compresso paralela da madeiraEt - mdulo de elasticidade trao paralela da madeira
Ef - mdulo de elasticidade trao da fibra
EI - Rigidez flexo
EIr Rigidez a flexo de vigas reforadas
Fmx - Fora mxima aplicada
I - Momento de Inrcia
K - relao entre as deformaes (2/1)L - distncia entre apoios
Mc - momento resistente compresso
Mt - momento resistente trao
Mu- momento ltimo resistido pela viga
Mr,u- Momento ltimo de vigas reforadas
P - fora mxima
TM - Fora de trao resultante na madeiraTF - Fora de trao na fibra
W - mdulo de resistncia da seo transversal transformada
Letras romanas minsculas
b - base
b` - base equivalente
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e - espessura da fibra
fb - resistncia da Madeira a Flexo
fc0 - resistncia compresso paralela s fibras da madeira
ft0 - resistncia trao paralela s fibras da madeira
ftu - Resistncia trao
h - altura da viga
m - coeficiente angular
ycg- distncia do cg a borda comprimida
Letras gregas
- deslocamento vertical
c - tenso de compresso
P - variao da fora (10% e 50%)
v - variao da flecha (10% e 50%)
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RESUMO
A necessidade de recuperao e reforo em estruturas de madeira, concreto e ao
exigiu da construo civil uma procura por mtodos mais eficientes que pudessem
cumprir esse papel. Com este objetivo vrios estudos esto sendo realizados
utilizando fibras reforadas com polmeros (FRP). Dentre estas fibras, as que vmapresentando melhores resultados como reforo para peas estruturais de madeiras
so as fibras de carbono e as fibras de vidro. Dentro deste escopo, este trabalho tem
como objetivo estudar o comportamento estrutural de vigas de madeira de espcies
nacionais reforadas com fibras de carbono e com fibras de vidro, verificando a
eficincia deste reforo e adequando modelos de clculo para avaliao da resistncia
e da rigidez das vigas reforadas, e tambm verificar a eficincia de uma formulao
de adesivos base de mamona e do adesivo Cascophen, para fixao das respectivasfibras na madeira, em substituio ao adesivo epxi, normalmente utilizado. Foram
efetuados ensaios de vigas de madeira reforadas com polmeros, em modelo
reduzido, e em prottipos, para diversas configuraes de geometria e quantidade de
fibras utilizadas. Os resultados obtidos indicam uma boa concordncia entre os
modelos tericos para avaliar a resistncia e a rigidez das vigas reforadas, e os
resultados experimentais, e a eficincia do reforo. Tambm foram conduzidos
ensaios de trao em corpos-de-prova de fibras laminado com os adesivos,
caracterizando a sua resistncia e elasticidade e comparando o comportamento dos
adesivos estudados. Os resultados indicaram o melhor comportamento do adesivo
epxi.
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ABSTRACT
The necessity of rehabilitation and reinforcement in wood structures, concrete and
steel demanded a search for more efficient methods that could to carry this paper.
With this objectives several studies are using fibers reinforced polymers (FRP).
These fibers which presenting better results in structural reinforcement for structuralpieces of wood are the fibers of carbon and the glass fibers. This work has as
objective studies the structural behavior of wood beams of national species
reinforced with carbon fibers and with glass fibers, verifying the efficiency of this
reinforcement and adapting calculation models for evaluation of the strength and
stiffness of the reinforced beams, and also to verify the efficiency of a formulation of
adhesives to the castor oil and of the adhesive Cascophen, for fixation of the
respective fibers in the wood, in substitution the adhesive epoxy, usually used.Experimental work was made with wood beams reinforced with polymeric, in
reduced model, and in prototypes, for several geometry configurations and amount of
used fibers. The obtained results indicate a good agreement among the theoretical
models to evaluate the strength and stiffness of the reinforced beams, and the
experimental results, and the efficiency of the reinforcement. Traction rehearsals
were also led in body-of-proof of fibers laminated with the adhesives, characterizing
your strength and elasticity and comparing the behavior of the studied adhesives. The
results indicated the best behavior of the adhesive epoxy.
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1 - INTRODUO
Problemas relacionados baixa eficincia de elementos estruturais, aumento
de sobrecarga e degradao por envelhecimento existem com bastante freqncia na
construo civil. Estas patologias vm motivando o desenvolvimento de novas
tcnicas de reforo e recuperao para estruturas.
A recuperao estrutural abrange edificaes abaladas por sinistros de
qualquer natureza ou por falhas no planejamento, projeto, execuo ou por empregos
de materiais e componentes de baixa qualidade, procurando retornar s
caractersticas originais de projeto, tornando as estruturas novamente aptas para uso.
J o reforo proporciona um aumento da capacidade de carga do elemento estrutural
atravs da combinao de outros materiais com propriedades mecnicas iguais ou
superiores as das estruturas originais.
Atualmente, em alguns casos mostra-se mais vivel, em termos econmicos,
promover a recuperao ou o reforo de estruturas e de edificaes sem demoli-las.
O reforo e a recuperao estrutural tambm podem ser utilizados para resolver
problemas de envelhecimento de obras, sendo que muitas delas fazem parte do
patrimnio histrico e arquitetnico.
Recentemente, materiais alternativos vm sendo estudados para recuperar e
reforar estruturas. Uma maior ateno est sendo dada para o uso de fibras
reforadas com polmeros (FRP), que so materiais flexveis, altamente resistentes e
que podem substituir com vantagens, em alguns casos, as tcnicas que j vem sendo
utilizadas. Atualmente as fibras mais utilizadas so as fibras de carbono e as fibras de
vidro.
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Segundo Bakoss; Greenland (1998), apesar de ainda pequeno, o uso de (FRP)
na construo civil vem crescendo, e as tcnicas de aplicao esto sendo
desenvolvidas rapidamente na Amrica do Norte, Europa e Japo. Estas fibras, por
apresentarem facilidade de composio com outros tipos de materiais, esto se
associando aos tradicionais materiais da construo civil como madeira, concreto e
ao, compondo estruturas mais resistentes e com um peso prprio levemente
alterado. Alm disso, o potencial para recuperao de estruturas de madeira
altamente significativo, devido a vrios fatores como reduo do custo de materiais
quando usados adequadamente, aumento da durabilidade, reduo da manuteno
para elementos estruturais de madeira e capacidade de recuperar estruturas
danificadas.
Segundo Dagher (2000), as propriedades fsicas, mecnicas e qumicas das
FRP so muito versteis. As fibras podem ser um complemento para as propriedades
ortotrpicas da madeira. Ressalta ainda a possibilidade de uso do material em muitos
processos de manufaturas, freqentemente usados para produzir compsitos
estruturais de madeira.
A utilizao de FRP para recuperao e reforo estrutural um campo
extenso e tecnologicamente vasto, que proporcionar economia de tempo e de
materiais na construo civil. Percebe-se, tambm, que a facilidade de associar a
outros materiais, o baixo aumento no peso prprio da estrutura, o significativo
aumento da resistncia e da rigidez e a facilidade de aceitao do produto no
mercado de todo o mundo, poder fazer destas fibras um material bastante utilizado
na recuperao e reforo de elementos estruturais.
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neste contexto, que o conhecimento a ser desenvolvido na presente
pesquisa representa uma contribuio no sentido de ampliar o uso das madeiras
nacionais, nativas e de reflorestamento, como material estrutural, estudando a
aplicao de reforo de fibras de carbono e de vidro em vigas de madeira.
Este trabalho apresenta uma avaliao terica e experimental de vigas de
madeira de baixa e mdia densidade reforada com fibras de vidro e com fibras de
carbono e tambm uma verificao da eficincia de adesivos comerciais e a base de
mamona na fixao das respectivas fibras madeira.
1.1 Objetivos do trabalho
No contexto apresentado, este trabalho possui como objetivo:
Estudar o comportamento estrutural de vigas de madeira reforadas com fibras de
carbono e com fibras de vidro, verificando a eficincia destes reforos e aadequao de modelos de clculo para avaliao da resistncia e da rigidez destes
elementos estruturais;
Avaliar a possibilidade de utilizao dos adesivos base de mamona e
Cascophen, em substituio ao adesivo epxi, normalmente empregado, para o
reforo de vigas de madeira com fibras de vidro.
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2 - REVISO BIBLIOGRFICA
Com o intuito de situar os principais mtodos de recuperao e reforo de
estruturas de madeira, este captulo apresenta um levantamento do conhecimento
cientfico das tcnicas mais utilizadas pela indstria da construo civil.
Com relao ao reforo com fibra, so apresentadas as propriedades
mecnicas dos tecidos de fibra de vidro, de fibra de carbono e da fibra aramid,
propriedades dos principais adesivos comerciais e base de mamona, utilizados
junto madeira e tambm resultados de estudos tericos e experimentais queverificaram a eficincia da respectiva tcnica no reforo de elementos estruturais de
madeira.
2.1 Mtodos tradicionais para reforo e recuperao de estruturas de
madeira
A idia de reforar estruturas de madeiras no nova. Muitos estudos vm
sendo desenvolvidos no campo de recuperao e reforo.
De acordo com Mettem; Robinson (1991) existem mtodos para reparar
estruturas de madeira, sem compromet-las. As tcnicas mais utilizadas para se fazer
estas recuperaes so:
Mtodo tradicional - a estrutura de madeira recuperada com novas peas, que
substituiro as degradadas, de dimenses e propriedades semelhantes s originais.
Mtodo mecnico - os reparos estruturais so feitos utilizando conectores
metlicos.
Mtodo adesivo - so utilizadas variaes de resinas epxi combinadas com
peas metlicas, para realizar a recuperao.
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Em muitos casos, faz-se necessria a adoo de outras medidas, como a
utilizao de camisas de concreto, visando proteger regies da estrutura expostas a
condies severas de intemperismo. As razes para o sucesso deste tipo de reforo
so o aumento da resistncia compresso e baixo custo do material empregado,
(Dagher, 2000). A figura 01 apresenta um exemplo de reforo em pilar de madeira de
uma ponte, situado na regio correspondente de variao do nvel do rio (Ritter,
1990).
FIGURA 01: Pilar de madeira recuperado com reforo de "camisa" de concreto. Fonte:
Ritter (1990)
Ritter (1990) tambm estudou outros tipos de recuperao pelo mtodo
mecnico, entre eles o reparo por emenda, que consiste em adicionar peas de
madeira associadas com parafusos. Esta tcnica muito utilizada quando a pea
estrutural apresenta rachaduras longitudinais.
Outro tipo de reparo, tambm muito utilizado em rachaduras longitudinais,
consiste em introduzir chapas metlicas, fixando-as com parafusos ou com adesivo
epxi. A figura 02 mostra a fixao da chapa com parafusos. O objetivo desta tcnica
no o de fechar a rachadura, mas sim, prevenir a separao da pea em duas partes.
Pilar de madeira
Reforo com tela de ao
Regio deteriorada
Concreto tipo "grout"
Forma de polister
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Este mtodo tem sido muito utilizado, pois no ocorre a reduo da seo da pea
estrutural. No entanto, quando a fixao da chapa metlica feita com adesivo, foi
observado que aps muito tempo exposta a intempries, pode ocorrer corroso na sua
interface com o adesivo, comprometendo a aderncia entre os elementos. Esta
patologia muito difcil de ser identificada durante as inspees de rotina.
Chapa Metlica
FIGURA 02: Reforo com chapa metlica. Fonte: Ritter (1990)
Outra tcnica, denominada protenso transversal, muito utilizada para unir
decks horizontais de tabuleiros de pontes. Muitas vezes os tabuleiros so danificados
pelo aumento do trfego de veculos, ou por rachaduras no asfalto, que possibilitam a
penetrao de gua e consequentemente deteriorao das peas de madeira. A
respectiva tcnica consiste em introduzir uma tenso de protenso que reduz as
distncias entre as peas de madeira. A figura 03 ilustra o respectivo processo.
FIGURA 03: Modelo do processo de protenso transversal. Fonte: Ritter (1990)
Decks Horizontais
Chapa Metlica
Conector
Conector c/
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De acordo com Ritter (1990), a tcnica mais eficiente para recuperar peas de
madeira aquela que utiliza epxi. O epxi um gel de betume, que pode ser
injetado manualmente nas partes danificadas, promovendo o aumento da resistncia
da pea estrutural. Este material usado para preencher rachaduras, superfcies
atacadas por insetos e espaos vazios. O epxi, alm de vedar a rea danificada,
aumenta a capacidade de carga da estrutura e reduz o aparecimento de futuras
rachaduras.
Forsberg (1996) utilizou epxi em regies danificadas de trelias de madeira,
reparando a estrutura. Resultados satisfatrios de aumento de resistncia dos
componentes estruturais foram atingidos.
2.2 Fibras reforadas com polmeros (FRP)
Recentemente, materiais alternativos vm sendo estudados para recuperar e
reforar estruturas. Uma maior ateno vem sendo dada para o uso de fibras
reforadas com polmeros (FRP), que podem substituir as tcnicas descritas
anteriormente.
As fibras que vem apresentando melhores resultados so: fibra de vidro,
Kevlar 49 (aramid) e fibra de carbono. O processo de fabricao se difere para cada
um destes materiais, resultando em microestruturas com propriedades distintas.
O emprego do tecido de fibra deve ser feito em conjunto com algum tipo de
adesivo, formando um compsito que consiste na combinao de dois materiais para
produzir um produto que exceda as propriedades individuais de cada um. Em
particular, as fibras reforadas com polmeros (FRP), so formadas pela combinao
das fibras com uma matriz. As fibras so responsveis pela resistncia do compsito,
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e a matriz o produto que as une, sendo responsvel pela transmisso dos esforos,
(Norris; Saadatmanesh, 1994).
2.2.1 Fibra de Vidro
Segundo Hull (1995) muitas composies de minerais tm sido utilizadas
para produzir fibras. As fibras de vidro so produzidas a partir da slica (SiO2),
atravs da adio de xido de clcio, boro, sdio e alumnio. Estas fibras so
materiais amorfos e sua cristalizao ocorre aps prolongado tratamento com altastemperaturas.
Dentre as vantagens do uso de fibra de vidro em reforos de estruturas podem
ser destacadas: baixo custo, em relao s fibras de carbono e as fibras aramid,
(aproximadamente R$ 5,00/m2), alta resistncia ao impacto e corroso. Alm disso,
pode ser destacado como um produto que tambm fabricado no Brasil.
As fibras de vidro se dividem em trs categorias: E (electrical), C (chemical)
e S (high tensile strength). Suas principais caractersticas e formas encontradas no
mercado esto apresentadas nas tabelas 01 e 02.
TABELA 01: Caractersticas da fibra de vidro. Fonte: Hull (1995)
Fibra de Vidro CaractersticasE glass Alta resistncia e alto mdulo de elasticidade;
Boa condutividade eltrica.
C glass Alta resistncia a corroso;
Baixa propriedade de resistncia.
S glass Alto mdulo de elasticidade;
Resistente a altas temperaturas;
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TABELA 02: Tipos de fibra de vidro para reforo. Fonte: (catlogo Saint-Gobain Vetrotex )
Fibra de Vidro Caractersticas
Fios Txteis Formado por duas ou mais fibras simples de vidro,torcidos em sentidos inversos para formarem um nicofio, bobinados em um suporte cnico.
Mantas de Fios Contnuos Fabricadas com fios contnuos de vidro, dispostos deforma aleatria em mltiplas camadas e unidos por umligante. So compatveis com resinas polister,estervinlica, epxi.
Mantas de Fios Picados Fabricadas com fios picados de vidro, unidos por umligante solvel em estireno, que lhe confere umaexcelente compatibilidade com resinas polister e epxi.
Roving Produzido a partir de fios de vidro indicados paraaplicao por projeo simultnea.
Roving Direto Produzido a partir de fios de vidro destinados afabricao de produtos nos processos de moldagem porenrolamento.
Tecido Unidirecional (TRB) Produzido a partir de mechas contnuas de fios de vidrocom agentes de acoplamento compatveis com resinaspolister e epxi. utilizado na moldagem de peas emplstico reforado e recomendado para laminaomanual.
A figura 04 ilustra os produtos comerciais de fibra de vidro.
FIGURA 04: Produtos em fibra de vidro. Fonte: Saint-Gobain (2000)
Fios Txteis
Mantas deFios
Contnuos
Tecido
Roving
RovingDireto
Manta deFios Picados
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Dentre os produtos derivados da fibra de vidro, os tecidos de fibras
unidirecionais so os mais recomendados para reforo e recuperao de elementos
estruturais. Dentre estes tecidos, os Multi-axiais, formados pela superposio de
fibras unidirecionais unidas por uma costura de fio polister, so os que apresentam
melhores condies para manuseio, alm de apresentar excelentes propriedades
mecnicas, em comparao aos outros produtos. A figura 05 ilustra o tecido Multi-
axial.
FIGURA 05: Tecido Multi-axial de fibra de vidro
2.2.2 Fibra kevlar
As fibras orgnicas, tambm conhecidas por Kevlar, marca registrada da
empresa Dupont apresentam trs estruturas moleculares diferentes nylon, aramida e
poliestireno.
Este tipo de fibra utilizado principalmente na indstria aeroespacial e
automobilstica. Nos ltimos anos, as fibras aramidas tm se tornado um material
muito utilizado em construo de barcos, buscando-se maior rigidez e leveza.
Quando comparadas com outros materiais, as fibras aramidas mostram uma
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resistncia especfica (resistncia/densidade) muito grande, acima de qualquer outro
tipo de fibra disponvel no mercado. A figura 06 ilustra este tipo de material.
FIGURA 06: Fibra Kevlar. Fonte: Barracuda (2000)
2.2.3 Fibra de Carbono
As fibras de carbono vm sendo utilizadas nas indstrias aeroespaciais,
automotivas e de equipamentos esportivos nos ltimos cinqenta anos,
principalmente por apresentarem altas propriedades mecnicas de resistncia e
rigidez, baixo peso e facilidade em associar a outros materiais.
2.2.3.1 Propriedades da fibra de carbono
As fibras de carbono so produzidas a partir de um componente bsico
conhecido como PAN (Poliacrilonitrila). Dependendo do tipo de tratamento recebido
pela fibra bsica, o qual inclui carbonizao, oxidao e grafitizao, possvel
fabricar fibras de carbono em diversas configuraes de resistncia e de mdulo de
elasticidade (fibra tipo I e tipo II). Algumas so mais resistentes que o ao. Sua cor
natural preta.
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O polmero reforado com fibras de carbono, ou mais especificamente carbon
fiber reinforced polymers (CFRP), o material que vem sendo utilizado como
alternativa para reforar peas estruturais, mostrando-se altamente promissor no
desempenho desta funo, alm de apresentar uma excelente resistncia corroso
[Taylor et al., (1994) apud Beber et al., (1999)].
As fibras de carbono so caracterizadas por uma combinao de baixo peso
prprio, grande durabilidade, facilidade de assumir formas complexas, alta
resistncia e grande rigidez.
De acordo com Hull (1995) a alta resistncia trao e o alto mdulo de
elasticidade se devem ao paralelismo entre os eixos das fibras. Seus dimetros esto
entre 7 e 8 m e so formadas por mono cristais, que se juntam e formam o grafite,
que uma forma alotrpica do carbono. Possuem arranjo hexagonal, os planos so
alinhados e possuem forma de empilhamento ABAB (figura 07). Entre os tomos de
carbono as ligaes so covalentes (ligaes qumicas fortes) e entre os planos existe
ligaes do tipo Van der Waals (ligaes fracas).
O alto mdulo de elasticidade e a alta resistncia das fibras de carbono se
devem orientao dos planos do grafite e tambm s ligaes covalentes (ligaes
fortes) entre os tomos. Os respectivos planos possuem um alinhamento paralelo ao
eixo das fibras. Muitos modelos vm sendo propostos para ilustrar a estrutura dasfibras de carbono, (Matthews, 1996).
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FIGURA 07: Arranjo HCP dos tomos de carbono. Fonte: Matthews (1996)
Tingley ; Cegelka (1996) informam que so as fibras de vidro, carbono e
aramid que vm sendo utilizadas em reforo de estruturas de madeira. A mais
popular delas a fibra de vidro por possuir um custo bastante baixo em relao as
outras fibras de carbono e aramid. Afirmam, porm, que so as fibras de carbono que
possuem maior resistncia e maior durabilidade.
2.2.3.2 Sistemas de reforo com fibra de carbono
Existem no mercado nacional trs sistemas de reforos que utilizam as
(CFRP) [Robery ; Innes, 1997 apud Beber et. al., (1999)]:
1 Lminas de CFRP de alta resistncia impregnadas com resina epxi ou
polister, que resultam em perfis contnuos dos mais diversos e complexos formatos
que so, ento, coladas sobre a superfcie a ser reparada;
2 Fios de fibra de carbono, enrolados sob tenso, que so colados como
filamentos sobre a superfcie ou enrolados a seco e ento curados a quente;
3 Tecidos pr-impregnadas (prepreg), com espessura similar a do papel de
parede que so coladas sobre a superfcie a ser reparada com resina, seguindo
exatamente a curvatura do elemento e permitindo a aplicao em cantos vivos.
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O sistema de reforo com tecidos pr-impregnadas fabricado a partir de
filamentos de fibra de carbono esticados unidirecionalmente e levemente
impregnados com resina. Este material o que vem sendo utilizado com maior
freqncia para reforo de estruturas.
Os dois tipos de materiais mais utilizados (tecido e lmina de fibra de
carbono) pouco diferem em desempenho e modo de aplicao (BEBER et.al., 1999).
A diferena principal est na forma de apresentao do produto. Enquanto o tecido
de fibra de carbono apresenta espessura de 0,5mm e largura de aproximadamente
1,5m, as lminas de fibra de carbono possuem espessura que varia de 1,2 a 1,4 mm e
largura que varia de 5 a 10 cm. Para melhor ilustrar estes produtos a figura 08
apresenta os respectivos materiais.
FIGURA 08: Tecido unidirecional. Fonte (do autor) e Lmina de fibra de carbono. Fonte: Sika (2000)
Tanto as lminas quanto os tecidos de CFRP (carbon fiber reinforced
polymer) podem ser colados depois da preparao da superfcie da madeira e do
concreto, no necessitando nenhuma instalao adicional. So empregados quando
estas estruturas apresentarem as seguintes condies:
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TABELA 03: Emprego de FRP em estruturas (Fonte: SIKA 2000)
Empregado de FRP em estruturas de madeira e concreto
Sobrecargas Aumento dos valores das aes;
Crescimento do trfego de veculos em pontes; Estruturas com vibraes;
Mudanas de uso da estrutura.
Estruturas danificadas Envelhecimento dos materiais usados na construo; Corroso das armaduras; Impacto de veculos; Incndio.
Melhoria no funcionamento daestrutura
Reduo das deformaes; Reduo da fadiga das armaduras; Reduo da largura das fissuras.
Alterao do sistema estrutural Remoo de paredes ou pilares; Seccionamento de laje para criar aberturas.
Defeitos de construo ouprojeto
Armaduras insuficientes na estrutura; Profundidade estrutural insuficiente.
Segundo Belperio et al. (1999) que avaliaram o uso de lminas de fibra de
carbono, com espessura de 1,2 mm e largura de 50 mm, o produto apresenta uma
excelente resistncia trao (2400 MPa), e seu mdulo de elasticidade variando de
155 GPa a 300 GPa, semelhante ao do ao (Eao=210 GPa).
2.2.4 Comparao entre propriedades das fibras
Segundo Beber (1999) a fibra de carbono, combinada com uma matriz
polimrica (CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer), que apresenta as melhores
caractersticas para desempenhar funo de recuperao e reforo de estruturas,
devido aos altos valores de sua resistncia e mdulo de elasticidade. A tabela 04
apresenta valores de propriedades das fibras de vidro, das fibras de carbono e do
kevlar.
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TABELA 04: Caractersticas dos tecidos de fibras a 20oC (Fonte: Barracuda 2000)
Fibras Caractersticas
Resistncia a
Trao(MPa)
Mdulo de
Elasticidade(GPa)
Densidade
(g/cm3)
Unidirecional vidro (E) 900 76 2,55
Orgnica (Kevlar) 1500 125 1,44
Unidirecional carbono 2200 160-300 1,75
Lmina carbono 2400 165300 1,90
Para o uso em reforo de estruturas, as fibras devem ser laminadas com
algum tipo de adesivo formando desta forma um compsito FRP (Fiber Reinforced
Polymers). Entre os adesivos mais utilizados na laminao destes tecidos pode-se
destacar as resinas polister, vinlicas e epoxdicas.
Segundo Askeland (1996), os materiais compsitos so formados atravs da
combinao de propriedades de resistncia, rigidez, densidade, condutividade,
resistncia corroso entre outras.
Os fabricantes das respectivas fibras esto constantemente melhorando as
propriedades mecnicas de resistncia e rigidez, impulsionando sua associao aos
materiais da construo (Jang, 1994).
2.2.5 Anlise de custos
Com relao ao emprego de tecido de fibra de carbono e de fibra de vidro em
reforo de estruturas de madeira, cabe ao projetista avaliar a relao custo beneficio
da tcnica em questo, em alguns casos torna-se mais vantajoso realizar o reforo e a
recuperao da estrutura ao invs de substituir os elementos degradados.
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Com relao aos tecidos de fibra de carbono o maior entrave para sua
popularizao como reforo estrutural no Brasil no so as limitaes do sistema,
mas o preo do material. Um dos motivos do alto custo desses reparos est na origem
dos materiais, todos importados do Japo, Estados Unidos e Sua.
Devido ao alto custo, os reforos normalmente no cobrem toda a superfcie
da pea. A instalao do material em faixas racionaliza o gasto com fibras e diminui
bastante o preo final da obra (Beber et al., 1999).
Porm, os tecidos de fibra de vidro apresentam um custo de aproximadamente
1/20 do custo do reforo com fibra de carbono. A tabela 05 apresenta um custo
aproximado dos tecidos e lminas de fibra de carbono e do tecido de fibra de vidro.
TABELA 05:Custo das fibras
Fibras Custo (U$$)
Tecido de Fibra de Carbono 60,00/m2
Lmina de Fibra de Carbono 60,00/m linear
Tecido de Fibra de Vidro 3,00/m2
2.3 Adesivos
A definio do melhor adesivo para ser utilizado em conjunto com fibra de
carbono e fibra de vidro, sua classificao e os tipos existentes no mercado de
fundamental importncia para o desenvolvimento deste trabalho que tem por objetivo
determinar o adesivo que apresenta melhor desempenho no conjunto madeira - fibra.
Adesivo definido como: substncia capaz de unir materiais atravs do
contato entre suas superfcies. A capacidade de unir os materiais no uma
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propriedade intrnseca da substncia, mas depende do contexto em que a substncia
utilizada.
Os adesivos so classificados em vrios tipos. De acordo com sua
composio qumica podem ser inorgnicos e orgnicos.
2.3.1 Adesivos Inorgnicos
Os adesivos inorgnicos so geralmente base de silicatos, e proporcionam
uma ligao entre os materiais com elevada resistncia mecnica, ficando difcildiferenciar o adesivo e o cimento. Nos adesivos a ligao se d pela desidratao do
solvente. O cimento, no entanto, formado atravs de reaes qumicas (Mantilla
Carrasco, 1984).
2.3.2 Adesivos Orgnicos
Dentre os adesivos mais recomendados para serem utilizados na madeira,
destacam-se os de origem orgnica. Estes adesivos dividem-se em dois grupos, o
primeiro de origem natural e o segundo de origem sinttica (Olmos, 1992). Dentre os
de origem natural pode-se destacar: animal, amido, casena e albumina de protena
vegetal. O grupo sinttico o mais importante e o mais empregado pela indstria
madereira, por apresentar grande resistncia ao da gua e por no sofrerem
ao de microorganismos. Estes adesivos podem ser classificados em termofixos e
termoplsticos.
2.3.3. Termofixos
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Adesivos termofixos so aqueles que endurecem por meio de reaes
qumicas ativadas pela temperatura ou catalisadores. Possuem elevada resistncia a
umidade e ao calor. Dentre eles pode destacar: resorcinol-formaldedo, fenol-
formaldedo, uria formaldedo, poliuretanos e epxi.
Resorcinol-Formaldedo
So empregados geralmente em estruturas de madeira expostas temperatura
ambiente ou pouco aquecidas. Quando a colagem feita com aquecimento
moderado, estes so misturadas com resinas fenlicas, formando o fenol-resorcinol-
formaldedo.
So comercializados na forma lquida, utiliza-se um agente endurecedor que
deve ser adicionado pouco antes do seu uso, evitando o endurecimento rpido e a
perda de material. Segundo Peterson (1964) apud Henriques de Jesus (2000), este
tipo de adesivo veio preencher as necessidades do mercado por um adesivo
impermevel e usado a baixas temperaturas. Sua resistncia estrutural elevada,
superando a da prpria madeira.
Segundo Henriques de Jesus (2000) este tipo de adesivo suporta quaisquer
condies a que venha a ser exposta, mesmo as alteraes climticas, mantendo sua
capacidade resistente em relao ao carregamento.
So empregados quando as condies de impermeabilidade so obrigatrias eonde as colas fenlicas, cuja cura ocorre em altas temperaturas, no forem
adequadas. A colagem de vigas e painis estruturais e a colagem de laminados
martimos so algumas das aplicaes.
Fenol-Formaldedo
So adesivos formados a partir de resinas fenlicas sintticas (Mantilla
Carrasco, 1984), necessitam de altas temperaturas para cura (130 a 160oC), sendo
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comercializados em filmes secos, reconstitudos pela ao da gua. Necessitam de
um endurecedor a ser dosado com a resina, produzindo boa resistncia das unies
coladas mesmo que atuem em condies extremamente adversas. Estas condies
podem ser: longo tempo de exposio gua quente ou fria, ciclos de secagem e de
endurecimento, variaes extremas de temperaturas e umidade relativa, temperaturas
em torno da temperatura de carbonizao da madeira, ataque de microorganismos e
exposio ao de vrios tipos de componentes, como aqueles usados na
preservao de componentes (Kollmann et al., 1975).
Segundo Henriques de Jesus (2000) se os processos de colagem e
endurecimento forem adequadamente conduzidos, as colagens feitas com adesivos
fenlicos apresentaro grande durabilidade, podendo ultrapassar a da prpria
madeira. Sua linha de cola possui colorao escura e um dos fatores negativos o
alto custo do fenol, cuja matria prima o petrleo.
Uria-Formaldedo
So classificados como resistentes ao da umidade, no entanto perdem
resistncia quando atuam sob a ao da umidade por tempo relativamente curto.
Dessa forma exposies repetidas a ambientes com alto teor de umidade,
temperaturas iguais ou superiores a 65oC, podero provocar um mau desempenho das
peas, afetando-as negativamente.So apresentados freqentemente na forma lquida, adicionando-se um
catalisador, ou na forma de p, quando se emprega um catalisador combinado,
necessitando apenas serem misturados com gua (Samlaic, 1983).
Poliuretanos
Este adesivo foi muito utilizado na dcada de 60 para produo de chapas de
madeira aglomerada. Estas chapas apresentavam as mesmas caractersticas das
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produzidas com adesivos fenlicos e usadas externamente. Segundo Henriques de
Jesus (2000), alguns estudos desenvolvidos indicaram que o emprego dessas chapas
coladas com adesivos base de poliuretano, apresentavam propriedades superiores s
chapas coladas com adesivo fenlico.
Epxi
Segundo Pardini (1990) as resinas epxi so polmeros que se caracterizam
pela presena de pelo menos dois grupamentos epxi na molcula.
O
C C
A propriedade mais singular das resinas epxi sua habilidade em
transformar-se em um slido termorrgido, tendo como ponto de partida o estado
lquido. A viscosidade ento parmetro de particular importncia em resinas
lquidas.
Conclui ainda, que as resinas epxi em seu estado termoplstico so
caracterizadas principalmente pela sua viscosidade, ponto de fuso, porcentagem de
insaturao, peso molecular e distribuio de peso molecular.
Henriques de Jesus (2000) relata que este tipo de adesivo produzido a partir
de resinas base de epicloritina e resinas formadas por peroxidao, tem pouca
utilizao na indstria madereira devido ao seu alto custo e a dificuldade de afinidadecom algumas espcies. Tem aplicao em ligaes com concreto, metais, vidros e
cermica.
Alguns estudos referentes utilizao de adesivos termofixos para fixao de
tecidos de fibras de carbono madeira esto sendo realizados, entre eles pode-se
destacar o de Belperio; Grad (1999). Neste estudo, testou-se trs tipos de adesivos
para confeco de vigas laminada colada: Resorcinol Formaldedo (com nome
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comercial Cascophen), Resorcinol Sikadur (epxi) e um poliuretano, combinando-os
com fibra de carbono. Como concluso, pode-se dizer que o adesivo Resorcinol
Formaldedo apresentou baixo desempenho na interface fibra - madeira, contrariando
o desempenho admirvel deste adesivo entre elementos estruturais de madeira. O
adesivo Sikadur apresentou dificuldade na aplicao. J o poliuretano utilizado foi o
que apresentou melhor desempenho.
2.3.4 Adesivo epxi AR-300
Este tipo de adesivo constitudo por resina e endurecedor, e foi
desenvolvido para fornecer uma excelente penetrao a todos os tipos de fibras.
Possui uma viscosidade extremamente baixa, possuindo um manuseio semelhante a
uma resina polister. Este sistema de resina no desenvolve uma superfcie pegajosa
aps o processo de cura, possibilitando laminaes sucessivas de outras camadas de
fibras.
2.3.5 Termoplsticos
A caracterstica principal dos adesivos termoplsticos a sua cura reversvel.
Podem ser fundidos ou amolecidos quando aumentada a temperatura, tornando a
solidificar ao serem resfriados. So usados como soluo ou em disperso em gua.
O grupo dos acetatos sintticos polivinlicos, que so adesivos pr-
polimerizados, empregado em colagem de madeira onde a cura feita por perda do
solvente dispersante. Tem vida til muito longa devido alta estabilidade qumica e
fsica da disperso. Com grande resistncia ao de microorganismos, no
mancham a madeira. So facilmente manuseados, apresentando propriedades de
contato e prensagem semelhantes aos adesivos anteriormente citados e exigindo
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pouca presso de prensagem. No devem ser aplicados em construes pesadas, onde
a resistncia das juntas deve ser alta e em peas coladas de construes expostas ao
intemperismo. (Henriques de Jesus, 2000).
Os adesivos que se enquadram neste grupo so: adesivos animais, albumina
de sangue, casena, soja, tanino. Dentre estes os que apresentam melhores
caractersticas para fins estruturais so os de casena e tanino, porm no so
resistentes a ambientes agressivos.
2.3.6 Adesivo poliuretano base de mamona
Outro tipo de adesivo que pode vir a ser empregado em reforos com fibras
de carbono a madeira, no Brasil, foi estudado por Henriques de Jesus (2000). Este
adesivo poliuretano base de mamona, foi testado em vigas de madeira laminadas
coladas e apresentou resultados satisfatrios quanto adeso.
O adesivo de mamona utilizado a resina poliuretnica originria de leo
vegetal (Ricinus communis), constituda a partir de um poliol 25040 e um pr-
polmero A249 formulado com leo de mamona e MDI (p-fenileno dimetil
diisocianato). A resina do tipo bicomponente de cura a frio, no agressivo ao
homem e ao meio ambiente, alm do leo de mamona ser obtido de um recurso
natural e renovvel. Os dois componentes devem ser misturados segundo propores
cabveis para cada caso, dependendo da aplicao e das necessidades tcnicas.
2.4 Mecanismos de adeso
Houwink; Solomon (1965) definem adeso como sendo a atrao entre uma
superfcie slida e uma segunda fase. Esta segunda fase pode consistir de partculas
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individuais, como pequenas gotas, p ou de uma pelcula lquida ou slida. Pode-se
dizer tambm que adeso a fora atrativa entre molculas de substncias diferentes,
ao contrrio de coeso que a fora de atrao verificada entre molculas ou tomos
de uma mesma substncia.
Segundo Mantilla Carrasco (1984) as foras de adeso tm sua origem nas
ligaes qumicas primrias (interatmicas) e nas ligaes atrativas secundrias
(intermoleculares). As foras produzidas pelas ligaes primrias so de natureza
essencialmente eletrnica (ligaes entre tomos ou ons), podendo ser: ligaes
metlicas, ligaes eletrovalentes, ligaes covalentes e ligaes coordenadas
covalentes. As ligaes atrativas secundrias so de natureza eletrosttica ou
magntica, associam as molculas entre si, de maneira razoavelmente forte, mas no
so suficientemente capazes de formarem uma nova individualidade qumica.
Segundo Oliveira ; Freitas (1995), a adeso atribuda a vrias e diferentes
foras, como as foras moleculares e foras de Van der Waals. Estas s podem ser
desenvolvidas quando as molculas esto muito prximas entre si. Por esta razo
aplica-se presso sobre as superfcies das juntas a serem coladas, tanto para colagem
a frio, quanto para colagem a quente.
Sabe-se que existe trs mecanismos de adeso definidos: a adeso mecnica,
a adeso especfica e a adeso qumica.
Segundo Galaz (1979) apud. Henriques de Jesus (2000), a adeso mecnica se
d entre superfcies porosas baseadas no entrelaamento da cola endurecida na junta
de colagem e nos poros do aderente. A colagem fica ento dependente da estrutura
superficial do substrato, da presso, da viscosidade etc.
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J a adeso especfica ocorre entre duas superfcies lisas, onde as foras
bsicas de adeso entre as macromolculas existem devido as ligaes qumicas
secundrias de atrao.
Na adeso qumica, as foras bsicas envolvidas so as de ligaes primrias,
de natureza essencialmente eletrnica (ligaes entre tomos ou ons, podendo ser
ligaes metlicas, eletrovalentes e covalentes).
2.5 Emprego de FRP em reforos de estruturas de madeira Segundo Belperio et al. (1999), atualmente as FRP vm sendo estudadas,
como material para adequar estruturas de madeira, de concreto e de ao, para novos
usos, com a finalidade de cumprir normas no atendidas no projeto (aumento de
sobrecarga), e em reparos devidos a acidentes, envelhecimento, ataques qumicos e
erros de clculo estrutural.
De acordo com Taylor et al. (1994) apud Beber et al. (1999) a principal razo
em utilizar reforos com polmeros aumentar a rigidez e a resistncia das peas
estruturais.
Abdel-Magid et al. (1994) avaliaram o comportamento de vigas de madeira
reforadas com fibra de carbono, kevlar 49 e kevlar 49 prepreg, verificando o
incremento de resistncia e rigidez. Os tecidos de fibras utilizados como reforo
eram unidirecionais e foram aplicados paralelamente s fibras da madeira, utilizando
um adesivo epxi. Este adesivo apresentou excelente resultado de adeso entre as
fibras e a madeira. As propriedades mecnicas das fibras utilizadas esto
apresentadas na tabela 06.
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TABELA 06: Caractersticas das fibras aramid e vidro. (Fonte: Abdel-Magib et al. 1994)
Tipo de Fibra Mdulo de Elasticidade(MPa)
Resistncia a Trao(MPa)
Carbono AS4 58000 612Kevlar 49 28100 407
Kevlar 49 prepreg 62540 936
Concluram que o reforo com fibra de carbono foi o que acarretou o aumento
mais significativo na resistncia das vigas de madeiras (acrscimo de 31,5 %).
Porm, foi a fibra kevlar 49 prepreg que apresentou maior aumento da rigidez
(acrscimo de 21,7 %) das vigas. Outro fator identificado refere-se ao modo de
ruptura das vigas que foi inicialmente por compresso das fibras superiores seguida
por uma ruptura por trao das fibras inferiores.
Segundo Bakoss; Greenland (1999), apesar de pequeno, o uso de (FRP) na
construo civil vem avanando, e as tcnicas de aplicao esto sendo
desenvolvidas rapidamente na Amrica do Norte, Europa e Japo. Estas fibras, por
apresentarem facilidade de composio com outros tipos de materiais, esto se
associando aos tradicionais materiais da construo civil como madeira, concreto e
alvenaria, compondo estruturas mais resistentes e com um peso prprio levemente
alterado. Acrescenta tambm que o potencial para a sua utilizao em estruturas de
madeira na Europa e na Amrica do Norte altamente significativo, devido a vrios
fatores: reduo do custo de materiais quando usados adequadamente, aumento da
durabilidade e reduo da manuteno para elementos estruturais de madeira,
capacidade de reparar e reforar estruturas danificadas.
Tingley; Cegelka (1996), relatam que estas fibras vm sendo utilizadas em
maior quantidade para reforo de peas estruturais de madeira (pilar e viga), devido
principalmente a: queda do preo do material, baixa variao dimensional do
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material, de aproximadamente 0,1%, facilidade de aceitao do produto pelo
mercado do mundo todo, surgimento de novos adesivos para serem utilizados junto
com fibras de carbono.
Tingley; Gilham (1994) estudaram o comportamento de vigas de pontes de
madeira reforadas com fibra mistas de carbono e aramid, sujeitas ao do peso
prprio, das cargas acidentais e das variaes dos fatores do meio ambiente como
umidade e temperatura. Obtiveram os seguintes resultados: aumento da resistncia
estrutural das peas reforadas, reduo no custo de reabilitao, em torno de 25% a
30%, devido ao baixo grau de substituio de madeira, diminuio de custos com
tratamento, utilizao de pouca madeira para recuperao e conseqente diminuio
do peso prprio, uso de sees menores, que apresentam as mesmas propriedades de
resistncia e rigidez a sees maiores sem reforo.
A figura 09 ilustra a aplicao de fibra de carbono em vigas de ponte de
madeira.
FIGURA 09: Aplicao do reforo de lminas de fibra de carbono em vigas de ponte de madeira
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Triantafillou; Deskovic (1992) avaliaram vigas macias de madeira
reforadas com tecido unidirecional de fibra de carbono fixados com adesivo epxi.
Utilizaram tecidos com espessura variando de 0,55 a 0,75mm. Optaram pela
utilizao deste tipo de material para reforar estruturas por apresentar alta
resistncia, baixa densidade, resistncia corroso, combinando as vantagens
oferecidas pelos materiais compsitos com a eficincia dos reforos externos,
resultando em peas estruturais com excelentes propriedades mecnicas de
resistncia, rigidez e ductilidade. Conseguiram um aumento de 20% a 40% na
capacidade de carga da pea estrutural reforada.
Bakoss et al. (1998) estudaram o comportamento de vigas retangulares de
pinho e vigas I reforadas com tecido de fibra de carbono fixados com resina epxi.
Foi avaliado o aumento da resistncia e da rigidez das peas, chegando a valores at
135% superiores aos apresentados pelas vigas sem o reforo.
Dagher (1999) estudou a utilizao de reforo com lminas de fibras de
carbono (espessura 1,5mm) em vigas laminadas coladas, com o objetivo de avaliar o
aumento da capacidade de carga dos elementos estruturais. Estas fibras
proporcionaram um melhor desempenho estrutural s peas, permitindo uma maior
utilizao deste tipo de viga na construo civil.
O ensaio de flexo realizado nas vigas tinha o objetivo de avaliar
deformaes lentas. Para isso adotou um sistema bi-apoiado com duas foras
concentradas localizadas a 1/3 dos apoios. As fibras foram aplicadas entre as duas
lminas inferiores, por ser a regio submetida a maiores tenses. Avaliaram-se trs
tipos de amostras de controle, a primeira sem nenhum tipo de reforo, a segunda com
uma camada de reforo e a terceira com trs camadas de fibra.
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Resultados positivos de aumento da resistncia foram conseguidos. Para vigas
reforadas com uma camada de reforo o incremento na capacidade de carga foi de
25% e para vigas reforadas com trs camadas o incremento foi de 60%.
Bergmeister, K.; Luggin, W. (2001) estudaram vigas de madeira laminada
colada reforadas com tecido de fibra de carbono. Durante os ensaios experimentais
observaram a ocorrncia de dois tipos de ruptura nas vigas reforadas. Ruptura por
trao das fibras inferiores da madeira, aps a ocorrncia de plastificao da seo
comprimida da viga. E tambm a ocorrncia de ruptura na linha de cola.
Tingley, D.; Kent, S (2001), avaliaram vigas de seo caixo reforadas com
fibras aramid aplicadas ao longo da direo longitudinal das fibras da madeira. Estas
fibras possuam valor de mdulo de elasticidade igual a 59.000 MPa e de resistncia
a trao igual a 1034 MPa. Como resultado observou um aumento de 21,5% na
resistncia e 4,69% na rigidez, comparando com resultados obtidos para vigas sem
reforo. O tipo de ruptura que ocorreu nas vigas reforadas foi por compresso nas
fibras superiores, aps a ocorrncia de uma grande deformao plstica. Diferente da
ruptura das vigas sem reforo, que foi por trao.
Tingley et al., (1996) nos seus estudos sobre reforos em vigas de madeira e
viga laminada colada, identificaram alguns problemas a serem considerados:
1. Comportamento da unio fibra-madeira;
2. Estabilidade dimensional da madeira em relao fibra;
3. Porosidade da fibra utilizada e a da madeira;
Segundo Dagher (2000), as propriedades fsicas, mecnicas e qumicas das
FRP so muito versteis. As fibras podem ser um complemento para as propriedades
ortotrpicas da madeira. Conseqentemente problemas de incompatibilidade entre
madeira e reforo so minimizados. Ressalta ainda a possibilidade de uso do material
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em muitos processos de manufaturas, freqentemente usados para produzir
compsitos estruturais de madeira. Apesar de existirem estes problemas, a utilizao
de FRP para reforo de elementos estruturais de madeira, uma alternativa
promissora, pois se trata de um material resistente a corroso, que proporciona boa
economia e um pequeno aumento do peso prprio.
Martin et al (2000) avaliaram a resistncia e rigidez de decks de madeira de
baixa densidade reforados com FRP. Foram utilizadas fibras mistas vidro-aramid, e
apenas fibras aramid, cujas propriedades mecnicas esto apresentadas na tabela 07.
TABELA 07: Caractersticas das fibras aramid e vidro. (Fonte: Martin et al. 2000)
Tipo de Fibra Mdulo de Elasticidade
(MPa)
Resistncia a Trao
(MPa)
Espessura
(mm)
Aramid 80.000 986 1,78
Vidro-Aramid 55.000 241 1,27
Os ensaios de flexo realizados nas peas de madeira permitiram concluir que
ocorreu um aumento de 40 a 70% na rigidez das peas e um aumento de 85-140% na
resistncia, para espcies de madeira de baixa densidade.
De acordo com Tichy (1998) a utilizao destas fibras reforadas com
polmeros (FRP) para reforo e recuperao de estruturas de madeira uma
tendncia para este sculo. Acrescenta a necessidade de se criar um ecossistema
sustentvel e renovvel, onde, certamente, a madeira o centro desse processo, por
ser o material da construo civil mais amigo do meio ambiente. Por isso, a
utilizao destas fibras para reabilitao de estruturas de madeira no uma ameaa
para o meio ambiente, mas sim, uma nova tendncia de se recuperar estruturas
danificadas, preservando a natureza.
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Alguns trabalhos que vem sendo desenvolvidos avaliam o potencial de
utilizao de FRP para reforo de elementos de ligaes.
Bui; Miller (1996) testaram a utilizao de fibra de vidro laminadas com
adesivo epxi como reforo de juntas dentadas (finger joints) de vigas de madeira
laminada colada, conforme mostra a figura 10.
FIGURA 10: Fibra reforando juntas de viga laminada colada. Fonte: Ritter (1990)
Nas regies inferiores das vigas, as tenses de trao atuantes so elevadas, eas emendas apresentam uma resistncia inferior da pea macia. Dessa forma, a
realizao de reforos de emendas localizadas nesta regio proporciona um aumento
de resistncia e de rigidez, facilitando a utilizao de peas com maiores dimenses.
A avaliao destes reforos foi feita atravs da aplicao de ensaio de trao
nas respectivas peas, avaliando o aumento de resistncia e rigidez, com a introduo
da fibra, conforme mostra a figura 11.
FIGURA 11: Ensaio de trao para verificar a resistncia das peas. Fonte: Ritter (1990)
Fibra
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Concluem que com um baixo custo e com um aumento mnimo da seo da
pea, obtm-se valores de resistncia trao da ligao finger joint, 60% superiores,
em mdia, aos obtidos sem a utilizao de reforo.
Chi-Jean (2000) verificou o comportamento mecnico da fibra de vidro no
reforo de ligaes entre elementos estruturais de madeira. A figura 12 apresenta
algumas destas possibilidades.
FIGURA 12: Possibilidades de reforo com fibra de vidro em ligaes
Observou um melhor comportamento mecnico das ligaes reforadas.
Aumento da resistncia ao embutimento de aproximadamente 44%, em relao s
ligaes sem reforo, quando utilizadas duas camadas de fibra. Afirma tambm que a
associao destes materiais possibilita a execuo de projetos mais ousados em
madeira.
2.6 Efeitos de altas temperaturas em reforos com FRP
Ligao Tracionada
Ligao resistente ao
momento em madeiraserradaLigao resistente aomomento em madeiralaminada colada
Ligao sanducheem trelias
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Tingley et al. (1999) verificaram o efeito de altas temperaturas em reforos
com polmeros em vigas de madeira. A verificao foi realizada por meio de ensaios,
fornecendo calor ao sistema at atingir a temperatura de 104o
C, e monitorando o
comportamento das vigas.
Concluram que o reforo externo com fibra de carbono no aceitvel para
altas temperaturas, pois as juntas de cola aumentam e se abrem, soltando a fibra da
madeira.
J em vigas onde as fibras so protegidas com uma lmina de madeira, o seu
comportamento melhor. Usando este tipo de proteo, consegue-se manter a
temperatura das fibras abaixo de 80% da aplicada diretamente sobre a pea de
madeira.
Constatou ainda que o mdulo de elasticidade e a resistncia da fibra
diminuem em temperaturas elevadas. Recomenda-se, portanto, a utilizao de algumtipo de proteo sobre o reforo de fibra de carbono, para garantir um melhor
desempenho durante toda a sua vida til.
Martin; Tingley (2000) avaliaram a resistncia ao fogo de um total de trinta
(30) vigas de madeira, sendo que vinte e seis (26) eram reforadas com FRP e quatro
(4), no possuam reforo. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma
ASTM E 199-88 (1993) Standard Test Methods for Fire Tests of Building
Construction Materials. Trs diferentes tipos de fibras foram avaliadas, entre elas
Aramid, carbono-aramid e vidro-aramid. Concluses relatam que as fibras
apresentaram uma boa resistncia ao fogo. No entanto, esta resistncia varia para
cada tipo de material utilizado. As fibras que foram protegidas por uma lmina de
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madeira apresentaram melhor desempenho em relao quelas que estavam em
contato direto com o fogo.
2.7 Critrio para dimensionamento de vigas de madeira reforadas com
fibras
Belperio; Grad (1999) apresentam uma anlise terica comparando a
deformao sofrida por vigas de madeira laminada colada com duas espcies
diferentes de madeira reforadas com FRP e vigas laminadas sem reforo.
A anlise das vigas sem reforo baseada na teoria da seo transformada,
considerando o material elstico-linear.
O momento resistente da viga sem reforo dado por:
WfM bu =
onde:
Mu= Momento ltimo resistido pela viga
fb = Resistncia da Madeira a Flexo
W= Mdulo de resistncia da seo transversal transformada
Considerando que o carregamento composto por uma fora concentrada no
meio do vo da viga, a mxima fora resistida pela viga pode ser determinada por:
4
PLMu = L
M4P u=
onde:
L= Comprimento do vo
P= Fora Mxima
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O deslocamento vertical no meio do vo estimado por:
EI
LP
48
3=
onde:
I= Momento de Inrcia da seo transformada
E= Mdulo de Elasticidade
Para a anlise das vigas reforadas, o mtodo da seo transformada foi
utilizado apenas para avaliao da rigidez. Para o clculo da resistncia, foi utilizada
uma analogia similar utilizada no clculo de vigas de concreto armado.
A figura 13 apresenta a distribuio de tenses assumida pelo modelo na
seo da viga reforada, na fase de ruptura. Nesta aproximao, foi considerado que
cada regio atua com a resistncia mxima. A parte da seo acima da linha neutra se
encontra solicitada pela resistncia mxima de compresso (observa-se que existemdois materiais diferentes, o que causa dois nveis diferentes de tenses de
compresso). Abaixo da linha neutra, a regio tracionada da madeira considerada
com distribuio linear de tenses, atuando em conjunto com a fora resultante do
material de reforo.
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C1
C2
TF
LN
TM
FIGURA 13: Distribuio de tenses em vigas reforadas
Com o valor do momento ltimo das vigas reforadas, pode-se determinar a
mxima fora resistida pela viga atravs da seguinte equao:
L
M4P u,r=
onde:
L = Comprimento do vo
P = Fora Mxima
Mr,u= Momento ltimo de vigas reforadas
Concluses relatam que os valores de deslocamentos estimados pela teoria da
seo transformada foram prximos aos valores obtidos com a realizao dosensaios. Porm os valores experimentais, para fora mxima resistida pela viga,
apresentaram-se inferiores aos estimados pela teoria.
2.8 Concluses da reviso
Uma anlise da reviso bibliogrfica permite concluir que existem vrios
mtodos de recuperao e reforo de elementos estruturais de madeira. Dos mtodos
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de recuperao apresentados o mais utilizado o mtodo tradicional. Para o mtodo
mecnico, a chapa metlica no deve ser fixada com adesivo pois ocorre um acmulo
de umidade nestas regies, provocando uma degradao mais intensa da pea de
madeira. Pode-se dizer tambm que o mtodo de recuperao mais eficiente o que
utiliza variaes de resina epxi. Este material usado para preencher rachaduras,
superfcies atacadas por insetos e espaos vazios. Alm de vedar a rea danificada,
aumenta a capacidade de carga da estrutura e reduz o aparecimento de futuras
rachaduras.
Estudos em andamento indicam que as FRP (fibras reforadas com
polmeros) so um excelente material para atuar em reforo de estruturas. O uso
destas fibras proporciona um ganho significativo de resistncia e rigidez estrutura,
reduz o custo de recuperao, em torno de 25% a 30%, devido ao baixo grau de
substituio de madeira, diminui os custos com tratamento, utiliza pouca madeira
para recuperao e conseqentemente ocorre uma diminuio do peso prprio,
proporciona o uso de sees menores, que apresentam as mesmas propriedades
mecnicas das sees maiores sem reforo.
De acordo com os trabalhos anteriormente apresentados, pode-se dizer que os
tecidos de fibras de vidro, apesar de possurem propriedades mecnicas inferiores aos
de fibras de carbono, apresentam uma boa eficincia quando aplicados em reforo de
elementos estruturais de madeira.
Sugere-se a colocao de uma pea de madeira para proteo da fibra contra
altas temperaturas.
O critrio de dimensionamento apresentado utiliza a teoria da seo
transformada para determinar o valor da rigidez de vigas reforadas, obtendo valores
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satisfatrias quando comparados com valores obtidos experimentalmente. Com
relao ruptura, o critrio apresentado no conduz a resultados apropriados.
As FRP devem ser aplicadas na face inferior das vigas, por ser a regio
solicitada por maiores esforos de trao. Cabe salientar que a correta aplicao dos
respectivos tecidos de fibras reforadas com polmeros, garante o bom desempenho
do sistema estrutural reforado. A definio do melhor adesivo para fixar fibras
madeira importante para garantir o sucesso do reforo com fibras.
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3 DETERMINAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS DE
FIBRAS DE VIDRO E DE FIBRAS DE CARBONO LAMINADAS
COM ADESIVOS COMERCIAIS E A BASE DE MAMONA
Este captulo apresenta o mtodo de ensaio de trao e resultados de
resistncia e de rigidez para fibras de vidro e fibras de carbono laminadas com
adesivo epxi, cascophen, mamona e sem laminao.
3.1 - Materiais e mtodos
O mtodo de ensaio empregado foi o da norma ASTM D3039-95 Standard
Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials", da
American Society for Testing and Materials, que especifica os procedimentos para
determinao da resistncia trao e do mdulo de elasticidade de materiais
compsitos reforados com matriz polimrica. Um resumo do mtodo do ensaio est
apresentado a seguir, abordando os aspectos referentes ao trabalho desenvolvido.
Formas e dimenses
Para que os corpos-de-prova tenham um nmero suficiente de fibras na seo
transversal, que represente as propriedades do material, devem ser estabelecidas
dimenses mnimas para os mesmos.
As dimenses mnimas dos corpos-de-prova para serem utilizados nos ensaios
de trao esto apresentadas na figura 14. A tabela 08 exemplifica algumas destas
dimenses, em funo da direo das fibras.
Os corpos-de-prova com fibras unidirecionais devem ser confeccionados com
abas, as quais previnem o aparecimento de falhas prematuras durante a aplicao de
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foras. Alguns cuidados devem ser tomados ao confeccionar as abas, tais como:
alinhamento da aba, material a ser utilizado, ngulo de aplicao, tipo de adesivo,
tipo de garra, presso na garra e alinhamento da garra.
FIGURA 14: Dimenses de corpos-de-prova para ensaio de trao. Fonte: ASTM D3039/95
TABELA 08: Geometria dos corpos-de-prova. Fonte: ASTM D3039/95
Geometrias recomendadas para ensaio de trao em fibras
Orientao dasfibras
Largura(mm)
Comp.(mm)
Esp.(mm)
Comp.Aba(mm)
Esp. Aba(mm)
Anguloda Aba
(o)
0o Unidirecional 15 250 1,0 56 1.5 7 ou 90
90o Unidirecional 25 175 2,0 25 1.5 90
Fios Descontnuos 25 250 2,5 - - -
Aplicao do carregamento
O ensaio de trao de fibras reforadas com polmeros deve ser feito com
velocidade constante de deformao igual a 2mm/min.
Clculo da resistncia e do mdulo de elasticidade
O clculo da resistncia de fibras reforadas com polmeros deve ser feito de
acordo com a formulao apresentada a seguir.
`Mnimo38mm Comp gage +
2x Largura
`Mnimo38mm
Largura
Espessura daAba
Espessura
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A
Ff mxtu =
Onde:
ftu Resistncia trao (MPa)
Fmx Fora mxima aplicada (N)
A - rea do corpo-de-prova(mm2)
O mdulo de elasticidade calculado a partir do diagrama tenso x
deformao, sendo igual ao coeficiente angular do mesmo.
3.1.1 Materiais utilizados para a confeco dos corpos-de-prova
Para a confeco dos corpos-de-prova utilizaram-se os seguintes materiais:
Fibras
Os ensaios de trao foram feitos com tecido unidirecional de fibras de
carbono(VGW 095) e de fibras de vidro (VEW 130). As figuras 15 e 16 mostram
estes dois tipos de materiais, respectivamente.
FIGURA 15: Tecido de fibras de carbono FIGURA 16: Tecido de fibras de vidro
Adesivos
Para a laminao dos corpos-de-prova foram utilizados trs (3) tipos de
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adesivos: adesivo base de leo de mamona, Phenol Resorcinol Formaldehyde (com
nome comercial Cascophen) e resina epxi AR-300.
3.1.2 Confeco dos corpos-de-prova
Os corpos-de-prova foram confeccionados com as dimenses estabelecidas na
tabela 08, para orientao unidirecional das fibras;
As fibras foram cortadas na direo paralela, obtendo-se tiras com largura
igual a 15 mm e comprimento igual a 250 mm. Foram dispostas sobre uma superfcie
impermevel para aplicao do adesivo sobre as mesmas, com o auxlio de um
pincel. Retirou-se o ar do material com a utilizao de um rolo de desaerao.
O procedimento foi repetido, para a laminao da segunda camada de fibra,
obtendo-se um compsito de fibras reforadas com polmero. A quantidade de
adesivo utilizada foi cerca de 3,2 gramas por corpo-de-prova. Este procedimento foi
adotado para os adesivos epxi, cascophen e mamona.
A figura 17 ilustra o procedimento descrito, mostrando a laminao das fibras
de vidro com resina epxi. A figura 18 mostra os corpos-de-prova de fibras de
carbono feitos com resina epxi.
FIGURA 17: Laminao de corpos-de-prova de fibras de vidro com resina epxi
Aplicaomanual de
Rolo de
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FIGURA 18: Corpos-de-prova de fibras de carbono laminados com duas camadas de tecido
3.1.3 Equipamentos utilizados no ensaioAs dimenses, largura e espessura, foram determinadas com paqumetro
digital com resoluo de centsimos de milmetro.
Os ensaios preliminares foram realizados utilizando mquina universal de
ensaios, marca AMSLER, com capacidade para 250 kN. Os ensaios principais foram
realizados na mquina universal de ensaios, marca DARTEC; com capacidade para
100 kN, servocontrolada, conectada a um computador que, por meio de um software
especfico, gerencia as operaes do atuador e registra automaticamente os valores
de fora, deslocamentos e deformaes.
As medidas de deformaes foram feitas por meio de extensmetros eltricos
do tipo Clip-gage marca Dartec, modelo EXA 50-5, amplitude de deslocamentos
igual a 5 mm, erro de medida 0,2 %. As deformaes foram obtidas em um
comprimento de 25 mm, posicionado na regio central do corpo-de-prova. Para
evitar danos no equipamento, foram medidos valores de deformao at a
aproximadamente 50% do valor da fora mxima.
3.1.4 Determinao da resistncia trao e do mdulo de elasticidade
Na determinao das tenses atuantes foram utilizadas duas maneiras para o
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clculo da rea da seo transversal dos corpos-de-prova laminados: a primeira
considera a espessura final da seo transversal do corpo-de-prova (mtodo A); a
segunda considera a espessura das fibras utilizadas (mtodo B), que so: e = 0,20
mm (fibras de vidro), e = 0,25mm (fibras de carbono).
Assim, so determinados dois valores para a resistncia trao e para o
mdulo de elasticidade.
3.1.5 Ensaio realizado
O ensaio de trao foi realizado com corpos-de-prova laminados com adesivo
de mamona, cascophen e resina epxi AR-300. A figura 19 ilustra o corpo-de-prova
sendo ensaiado na mquina de ensaio DARTEC.
FIGURA 19:Ensaio de trao em fibras de carbono
Um segundo tipo de ensaio de trao, realizado com tecido unidirecional de
fibras de vidro, objetivava caracterizar este material quanto resistncia e rigidez,
determinando apenas as propriedades das fibras, desconsiderando a influncia do
adesivo. Neste caso, a laminao com resina epxi, foi realizada apenas na parte da
aba do material, para facilitar o ensaio e impedir o esmagamento das fibras na regio
da garra. A figura 20 ilustra os corpos-de-prova com laminao apenas na aba.
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FIGURA 20:Corpos-de-prova de fibras de vidro sem laminao
A tabela 09 apresenta informaes referentes aos corpos-de-prova ensaiados:
materiais empregados na confeco; nmero de camadas de fibras utilizadas na
laminao e quantidade.
Optou-se por realizar os ensaios preliminares apenas com tecido de fibras de
vidro devido ao custo deste material ser aproximadamente vinte vezes menor s
fibras de carbono.
Para avaliar a influncia do nmero de camadas do tecido na resistncia e na
rigidez, foram realizados ensaios de trao para corpos-de-prova com duas, quatro e
seis camadas, utilizando o adesivo epxi.
TABELA 09: Informaes referentes aos corpos-de-prova ensaiados
Materiais utilizados Nmero de
camadas defibras
Quantidade de
corpos-de-prova
Fibras de vidro mamona* 1 3
Fibras de vidro cascophen* 1 3
Fibras de vidro epxi* 1 3Fibras de vidro - epxi 2 12
Fibras de vidro - epxi 4 12
Fibras de vidro - epxi 6 10
Fibras de vidro sem adesivo 1 12
Fibras de carbono epxi 2 12
Fibras de carbono epxi 4 12
Fibras de carbono - epxi 6 12* ensaios preliminares
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3.2 Resultados obtidos
3.2.1 Ensaios preliminares (corposde-prova com adesivo de mamona,
cascophen e epxi)
Os resultados dos ensaios de trao realizados nos tecidos unidirecionais de
fibras de vidro laminados com adesivo de mamona, cascophen e epxi so
apresentados nas tabelas 10, 11 e 12 respectivamente. Estes ensaios iniciais foram
realizados na mquina de ensaio AMSLER (controle manual), obtendo-se apenas o
valor da fora de ruptura. Para o clculo da resistncia a trao, considerou-se a
espessura das fibras (mtodo B).
TABELA 10: Resistncia trao de fibras de vidro laminada com adesivo de mamona
Corpo-de-prova Espessurada fibras
(mm)
Largura
(mm)
rea (mm2) Fora de
ruptura (N)
Resistncia Trao
(MPa)
1 0,20 16,95 3,39 1915 565
2 0,20 15,84 3,168 1438 454
3 0,20 16,22 3,244 1346 415
TABELA 11:Resistncia trao de fibras de vidro laminada com cascophen
Corpo-de-prova Espessura
da fibras
(mm)
Largura
(mm)
rea (mm2) Fora de
ruptura (N)
Resistncia
Trao
(MPa)
1 0,20 15,85 3,17 2060 650
2 0,20 15,63 3,126 2141 685
3 0,20 16,72 3,344 1990 595
TABELA 12: Resistncia trao de fibras de vidro laminada com epxi
Corpo-de-prova Espessura
da fibras
(mm)
Largura
(mm)
rea (mm2) Fora de
ruptura (N)
Resistncia
Trao
(MPa)
1 0,20 16,47 3,28 3806 1160
2 0,20 16,36 3,27 3985 1218
3 0,20 16,12 3,22 3725 1157
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3.2.2 Ensaios principais
3.2.2.1 Corpos-de-prova laminados com resina epxiAs tabelas 13, 14 e 15 apresentam os resultados obtidos para a resistncia
trao e para o mdulo de elasticidade, determinados de duas formas distintas, de
acordo com o especificado no item 3.1.5. Estes corpos-de-prova foram laminados
com duas, quatro e seis camadas de fibras respectivamente.
3.2.2.2 Corpos-de-prova sem adesivo
A tabela 16 apresenta os resultados obtidos para a resistncia trao e para o
mdulo de elasticidade nos corpos-de-prova feitos com uma camada de fibras de
vidro sem adesivo, neste caso os corpos-de-prova possuam apenas uma lmina.
3.2.2.3 Corpos-de-prova de fibras de carbono laminados com resina
epxi
As tabelas 17, 18 e 19 apresentam os resultados obtidos para a resistncia trao e para o mdulo de elasticidade de corpos-de-prova feitos com duas, quatro e
seis camadas de fibras de carbono, laminados com resina epxi.
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TABELA 13: Valores de resistncia trao e mdulo de elasticidade de fibras de vidro (duas camadas de tecido)
Tecido unidirecional de fibras de vidro
Resistncia (MPa) Mdulo de
elasticidade(MPa)
Corpo-de-
prova
Espessura
da fibras
(mm)
Espessura
do corpo-
de-prova
(mm)
Largura
(mm)
rea da
fibras
(mm2)
rea do
corpo-de-
prova
(mm2)
Fora de
ruptura
(N) Mtodo A Mtodo B Mtodo
A
Mtodo
B
1 0,40 1,19 16,69 6,676 19,86 6790 341 1017 29658 72505
2 0,40 1,13 17,41 6,964 19,36 8396 434 1205 27771 68643
3 0,40 1,23 16,95 6,78 20,85 7778 373 1147 32065 75349
4 0,40 1,17 16,37 6,548 19,15 7515 392 1148 31536 79959
5 0,40 1,00 17,14 6,856 17,14 8194 478 1195 30265 74516
6 0,40 1,21 16,91 6,764 20,46 8281 405 1224 30248 72465
7 0,40 1,01 16,38 6,552 16,54 6847 422 1045 27366 66371
8 0,40 1,05 16,85 6,740 17,69 8274 465 1228 29985 73925
9 0,40 1,12 17,26 6,904 19,33 8076 417 1170 27955 69887
10 0,40 1,25 17,86 7,144 22,32 8304 372 1162 27436 68589
11 0,40 1,08 17,96 7,184 19,39 8087 417 1126 27840 69599
12 0,40 1,15 18,31 7,324 21,05 8525 405 1164 28127 70317
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TABELA 14: