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Análise aderência bambu-concreto Julho/2016

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ISSN 2179-5568 – Revista Especialize On-line IPOG - Goiânia - Edição nº 11 Vol. 01/ 2016 julho/2016

Análise aderência bambu-concreto

Luiz Renato Henrique Darolt – [email protected]

Projeto, Execução e Controle de Estruturas e Fundações

Instituto de Pós-Graduação - IPOG

Araranguá, SC, cinco de outubro de dois mil e quinze.

Resumo

Devido à procura cada vez mais significante por materiais alternativos na construção civil,

vários estudos estão sendo feitos para que se encontre um material sustentável e alguns

propõem a utilização do bambu-concreto. Este trabalho apresenta um estudo experimental

sobre o comportamento de varetas de bambu (in natura) no concreto, com o objetivo de

analisar o efeito do bambu-concreto na resistência de aderência à tração e a resistência a

tração na flexão. O programa experimental se ateve à comparação de resultados entre dois

materiais distintos. Foram confeccionados seis corpos de prova para o ensaio de flexão,

normatizado pela NBR 12142, onde, três são em concreto simples e três com inserção de

duas taliscas de bambu. Realizou-se ensaios de arrancamento com doze corpos-de-prova,

com dois diferentes tipos de materiais: oito com talisca de bambu e quatro com barra de aço

CA-50, onde foi aplicada uma força vertical para obtenção de sua resistência de aderência à

tração. Os resultados obtidos evidenciaram que por resistência á flexão na tração houve uma

diminuição de 37,65%, já no caso na resistência de aderência os resultados com bambu

tiveram 7,44% da resistência obtida com barra de aço.

Palavras-Chave: Bambu. Flexão Simples. Aderência.

1. Introdução

A concepção básica de uma estrutura de concreto armado com bambu consiste na capacidade

de resistência dos materiais: o concreto, resistente aos esforços de compressão, e as varetas de

bambu, aos esforços de tração. Teoricamente, quando é eficiente, a aderência garante que

esses dois materiais atuem de forma unificada, garantindo, também, a capacidade do concreto

de continuar a resistir aos esforços após a ocorrência da sua fissuração (PARK & PAULAY,

1975), e é esta aderência do bambu com o concreto que é a responsável por essa transferência.

O bambu é um material que possui propriedades mecânicas compatíveis às dos materiais

utilizados em estruturas de concreto armado (LIMA JR. ET AL, 2000) e em virtude disto, há

estudos sobre a possibilidade da utilização desse material como reforço nesses tipos de

estruturas. (GEYMAYER E COX, 1970).

Segundo Beraldo & Chen (2002), a utilização de materiais de construção à base de matrizes

cimentícias reforçadas por fibras cresce rapidamente e, nos países desenvolvidos, o volume

utilizado alcança o nível de milhares de toneladas por ano. Os estudos sobre este e outros

mailto:luizrhd@hotmail.

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materiais não convencionais são desenvolvidos e motivados pela escassez de habitações

populares no Brasil e em outros países em desenvolvimento.

Desde a pré-história, o bambu é intensamente utilizado na construção civil, principalmente na

China e no sul Asiático, nas estruturas de habitações e pontes. Estas, construídas há cinco mil

anos, utilizavam cabos feitos de fibras de bambu e tinham uma incrível capacidade de vencer

grandes vãos. Como exemplo referencial na arquitetura com material sustentável, tem-se o

TAJ MAHAL, que recentemente foi reformado e sua estrutura milenar de bambu foi

substituída por aço.

Existem diversas vantagens na utilização deste material sustentável, como: seu baixo custo, a

rapidez no crescimento, a boa resistência à tração e consumo baixo de energia para fabricação

das fibras. Essas fibras são as principais responsáveis pela resistência mecânica, pois

constituem 40 a 50% de tecido e contribuem com 60 a 70% do peso total do colmo, podendo

ocorrer variações entre os gêneros e espécies (GROSSER; LIESÉ, 1974).

No mundo, há, em media, 75 gêneros e 1250 espécies de bambu, das quais 62% são da Ásia,

34% das Américas e 4% da África e da Oceania. A classificação e identificação botânica das

espécies é muito difícil, tendo em vista que esse tipo de vegetal floresce em intervalos de

tempo muito longos (30 a 100 anos) dependendo da espécie e de condições ambientais

(LOPEZ, 1974). Porém, é possível identificar suas características individuais, que se diferem

no comprimento, espessura e pela posição que ocupam dentro do feixe no colmo (LESE,

1998). Salgado et. al.(1994) e Azzini e Beraldo (2000) estudando espécies de bambu de

grande porte, observaram diferentes valores médios para o comprimento, largura e espessura

da parte das fibras de bambu.

A estrutura anatômica dos colmos do bambu está diretamente relacionada com as

propriedades mecânicas, portanto, o envelhecimento desta parte influencia algumas

propriedades, tanto físicas como mecânicas, e consequentemente afeta o processamento e a

utilização do material.

Beraldo (1991) avaliou o uso do bambu como material na construção civil. No Brasil, alguns

fatores limitantes impedem que a demanda aumente, como, a pequena vida útil do vegetal

comparado ao aço e a variação volumétrica quando sujeito à umidade, o que acaba destruindo

a união bambu-concreto, resultando em grandes deflexões e fissurações quando carregado e à

baixa aderência entre os materiais, em virtude de sua superfície lisa.

Diante destas situações, pesquisadores desenvolveram e continuam desenvolvendo estudos

para viabilizar o uso do “bambu-concreto” com níveis maiores de segurança e confiabilidade.

Ensaios realizados por Mehra (1951), mantiveram as dimensões das peças constantes. Pode-se

perceber que as dimensões do bambu variaram de 5,0 a 7,5%, quando submetido a ciclos de

umedecimentos à secagem dos mesmos. Outro problema relevante a ser considerado na

associação “bambu-concreto” e um dos grandes entraves a sua utilização é a sua aderência.

Esse processo depende do grau de saturação do colmo depois do endurecimento do concreto,

da extensão e proporção de retração e das saliências do colmo, da proporção bambu-concreto

e da variação da temperatura.

O espaçamento correto entre as varetas de bambu que servem de armadura em peças de

concreto é um fator importante para determinar a resistência ao cisalhamento das mesmas.

Ensaios indicaram que quando o reforço longitudinal, principalmente, é muito espaçado, a

resistência à flexão é prejudicada. No caso de ser utilizado em linhas verticais, e quando o

ponto em questão é perto da linha neutra da peça, a área de concreto da seção horizontal de

cisalhamento pode ser danificada, causando fissuras na peça. Em muitas amostras testadas sob

carregamento a flexão, a causa das rupturas foi atribuída ao cisalhamento horizontal. Segundo

Lima Jr. (1999), as vigas de “concreto-bambu” são mais deformáveis do que as que utilizam

aço como reforço, devido ao baixo módulo de elasticidade do bambu, ocasionando fissuras de

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grande abertura, levando a peça ao colapso. O reforço de cisalhamento melhora o

comportamento das vigas bambu-concreto.

É nessa perspectiva que esse trabalho será desenvolvido: avaliar experimentalmente a

resistência de aderência bambu-concreto e a resistência de tração na flexão, porém com

diferentes materiais adotados para os corpos-de-prova, comparando os resultados com os

obtidos utilizando materiais de construção civil convencionais.

2. Materiais e Métodos

Para o desenvolvimento dessa pesquisa, amostras de bambu foram coletadas e utilizadas em

analises experimentais que permitiram avaliar seu comportado associado ao concreto, levando

em consideração: a resistência de aderência à tração tendo como referência e base a RILEN-

FIP-CEB (1973); e a resistência à tração na flexão tendo como base e referência a norma

NBR 12142.

O bambu coletado tem entre seis à oito anos de idade, segundo o proprietário que forneceu as

amostras. Após serem coletadas, foram armazenadas durante vinte dias, protegidas dos raios

solares e sem contato com o solo, para que a umidade não interferisse no procedimento.

Passado esse período, os bambus foram cortados na seção transversal com um comprimento

de dois metros para facilitar a sua secagem.

Os ensaios de arrancamento (aderência) foram realizados com base na norma brasileira NBR

6152 que trata sobre os ensaios de tração à temperatura ambiente. Oito corpos de provas

foram preparados com varetas de bambu inseridas no concreto, tendo como dimensões: trinta

centímetros de comprimento, dois centímetros de largura e meio centímetro de espessura, e

foram moldados em formas de placas resinadas, com dez centímetros de largura, dez

centímetros de altura e dez centímetros de comprimento. Além desses, foram também

preparadas seis varetas de bambu, manualmente, para os ensaios de flexão, com dimensões de

trinta centímetros de comprimento, dois centímetros de largura e meio centímetro de

espessura.

Para a realização do ensaio à flexão simples foram moldados seis corpos-de-prova

prismáticos, sendo três somente em concreto puro e os outros três com taliscas de bambu

confinadas no concreto na parte inferior, respeitando o cobrimento nominal de 25 mm,

conforme o especificado na NBR 6118, e com as seguintes medidas: quinze centímetros de

largura, quinze centímetros de altura e cinquenta centímetros de comprimento. O concreto utilizado apresentava fck 25 MPa do tipo convencional com traço de 1:3,12:3,20,

os materiais utilizados foram:

Agregado Miúdo: Areia lavada média;

Agregado Graúdo: Brita 19,0 mm ou ¾;

Cimento: CPV ARI RS;

Água.

Aditivo: Plastificante Muraplast FK 120.

Em um primeiro momento, um terço do volume do cubo foi preenchido e foram colocadas as

varetas de bambu e também as de aço. Após, completou-se o preenchimento do cubo de

concreto, fazendo com que as varetas e os aços ficassem posicionados no centro das peças.

Para o ensaio de arrancamento (aderência) moldou-se oito corpos de prova de dez centímetros

de largura, dez centímetros de altura e dez centímetros de comprimento. Desses, três com

taliscas de bambu. E mais quatro corpos-de-prova com aço CA-50 Ø 16,0mm (figura 1) –

adotou-se o aço Ø 16,0mm devido a sua área de contato ser aproximada ao do bambu

utilizado.

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Para os ensaios de tração na flexão foram moldados seis corpos de prova, sendo que três

continham duas varetas de bambu. Para atender à norma NBR 6118, respeitou-se o

cobrimento nominal de 25mm conforme fck de 25MPa. Para isso, foi preciso utilizar duas

pastilhas de 25mm de espessura (figura 1).

Figura 1 – Corpos-de-prova à serem ensaiados

Fonte: Elaboração Própria (2015)

O tempo de cura, conforme a norma brasileira NBR 6118, foi de sete dias. Os primeiros

ensaios de arrancamento foram realizados com vinte e oito dias, e os seguintes após 60 dias

da concretagem. Já os ensaios de flexão simples foram ensaiados quatorze dias após a

concretagem.

No ensaio de arrancamento, conforme a recomendação e base de RILEM/CEB/FIP (1973), o

objetivo foi determinar a resistência à tração da interface bambu-concreto, obtendo-se o

deslocamento para cada acréscimo de carga à tração aplicada na talisca de bambu confinada

no concreto endurecido, de acordo com o RILEM/CEB/FIP (1973). Os cubos com varetas

para ensaios de arrancamento (aderência) foram submetidos á ação de força de tração por uma

máquina específica, chamada Emic DL 10000, com uma célula Trd 28, extensômetro Trd 6,

onde foram presos através de um aparato metálico que envolve os cubos e é fixado em uma

das extremidades da máquina por uma garra e na outra extremidade, é fixada a vareta de

bambu por uma garra. Com isso, pode-se determinar a resistência de aderência entre o bambu

e o concreto. A medição da tensão de aderência do bambu se deve á seguinte fórmula:

Equação 1

Onde:

Farr = É a força aplicada em (N)

u = É o perímetro de contato em (cm)

lb = É o comprimento da barra em contato com o concreto (cm)

Os cubos produzidos para o ensaio de arrancamento (aderência) foram fixados em um aparato

metálico, que suporta a força exercida pelo equipamento de ensaio. Esta força foi aplicada

através de processo mecânico pela EMIC DL 10000 – com uma velocidade de 10 mm/mim –

e foi medida do inicio ao fim do escorregamento (momento em que a força fica nula ou que os

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corpos-de-prova acabam se rompendo), quando não há mais o deslocamento, ou seja, quando

a vareta de bambu se desprende totalmente do bloco de concreto.

A carga aplicada seguiu os mesmos padrões para os corpos-de-prova com taliscas de bambu,

como para os de Aço CA-50 Ø 16,0mm. Para se ter um parâmetro de análise, foram ensaiados

quatro corpos com talisca de bambu e dois com barra de aço, aos 28 dias, e outros quatro

corpos com bambu e dois com barra de aço, aos 63 dias. Nos ensaios com as barras, foram

adaptadas duas chapas de aço, para que o aparato suportasse a carga exercida pela EMIC.

As ilustrações a seguir mostram claramente os resultados obtidos nos ensaios de arrancamento

(aderência), à medida que foram ensaiados:

Figura 2 – Corpos de prova prontos para serem ensaiados


Figura 3 – Preparação da amostra no aparato


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Figura 4 – Amostra com talisca de bambu com 30 mm de escorregamento


Figura 5 – Amostra com talisca de bambu após o ensaio


Figura 6 – Preparação da amostra com a barra de aço


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Figura 7 –Amostra com a barra de aço sendo ensaiada


Figura 8 – Momento de ruptura do corpo de prova.


Para se obter a área de contato da vareta de bambu com o concreto, calculou-se o perímetro

conforme equação 2:

Equação 2

Onde:

Ac = Área de Contato;

bt = Base da seção transversal do bambu;

ht = altura da seção transversal do bambu;

lc = Comprimento de ancoragem do bambu no concreto.

Com isso, pode-se determinar a resistência de aderência entre o bambu e o concreto. Os cubos

com varetas para ensaios de arrancamento (aderência) foram submetidos á ação de força de

tração por uma máquina de ensaios (Emic DL 10000), com uma velocidade aplicada de 10

mm/mim, para que se pudesse medir a força aplicada do inicio do escorregamento até o final,

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onde se tem uma força nula. Quando os corpos de prova entravam em colapso, a vareta de

bambu se desprendia totalmente do bloco de concreto. Este procedimento teve como base e

referencia a norma NBR 12142, onde consta que se deve promover a aplicação controlada da

carga sobre o corpo de prova a ser ensaiado.

Esta carga foi aplicada de forma uniforme até se obter o valor máximo suportado. Para a

obtenção dos valores da resistência à tração na flexão para os corpos de prova com o bambu, e

tomando como base a NBR 12142, utilizou-se a seguinte equação:

Equação 3

Onde:

Fcm = Resistência à tração na flexão (MPa) ;

P = Carga máxima aplicada (N);

a = Distância média entre a linha de ruptura na face tracionada e a linha correspondente ao

apoio mais próximo, obtida com aproximação de 1 mm, mediante a tomada de, pelo menos,

três medidas (a ≥ 0,283l);

b = Largura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm);

h = Altura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm).

A norma NBR 12142 – que trata dos ensaios de flexão – recomenda para a realização dos

ensaios: apoiar e centralizar o corpo-de-prova no dispositivo de carregamento, assim como o

dispositivo na máquina de ensaio, conforme demonstrado na figura 10.

Figura 9 - Posicionamento dos elementos para o ensaio de flexão

Fonte: NBR 12142 (1991)

Após posicionados, inicia-se o acionamento e verificação até que a carga indicada seja

nula, considerando o momento em que o corpo-de-prova entra em contato com os

elementos de aplicação de carga. Então, deve-se carregar o corpo-de-prova continuamente e

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sem choques, com crescimento constante a uma velocidade de (0,9 a 1,1) MPa/min, até a

ruptura.

Neste momento, deve-se determinar, na seção de ruptura, a altura e a largura (média de três

determinações) do corpo-de-prova, utilizando o paquímetro, com aproximação de 0.1 mm

para corpos-de-prova de dimensão básica de 150 mm e 250 mm, conforme a MB-2, e com

outro instrumento que permita uma aproximação de 1 mm, para corpos-de-prova de

dimensão básica de 450 mm.

Os prismas produzidos para o ensaio de flexão simples, medindo 50,0 cm de comprimento,

foram apoiados em bases roliças na máquina EMIC, com um vão teórico resultante de 45,0

cm, como mostra a figura 11.

Figura 10 – Esquema de Carregamento do Prisma.


A carga foi aplicada seguindo os mesmos padrões para todos os corpos de prova e o

carregamento foi realizado de forma continua, até atingir a ruptura ou colapso do prisma.

As ilustrações a seguir mostram as deflexões nos prismas, à medida que vão sendo

carregadas, até sua ruptura.

Figura 11 – Início do Carregamento do Prisma sem a Talisca de Bambu


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Figura 12 – Colapso do Prisma sem a Talisca de Bambu


Figura 13 – Inicio do Carregamento dos Prismas Armadas com as Varetas de Bambu


Figura 14 – Ruptura dos Prismas Armadas com as Varetas de Bambu


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Figura 15 – Detalhe da Ruptura dos Prismas Armadas com as Varetas de Bambu


Ainda com base na mesma norma e buscando a obtenção dos valores da resistência à tração

na flexão para os corpos de prova com concreto puro, a equação a seguir também foi

utilizada:

Equação 4

Sendo:

Fcm = Resistência à tração na flexão (MPa) ;

P = Carga máxima aplicada (N);

L = distância entre os cutelos de suporte, (mm)

b = Largura média do corpo de prova na seção de ruptura (mm);

h = Altura média do corpo de prova na seção de ruptura (mm).

3. Resultados e discussões

A análise dos resultados consistiu em duas etapas: a primeira nos ensaios de aderência, tendo

em vista uma averiguação e comparação entre as tensões de aderência dos materiais

elaborados com o bambu e com o aço; e a segunda nos ensaios de tração da flexão, onde

foram analisados os resultados médios das tensões – comparando os materiais utilizados no

procedimento.

3.1 Resultados de arrancamento (aderência)

A realização dos ensaios de arrancamento (aderência) possibilitou a observação de que os

corpos de prova com taliscas de bambu obtiveram resultado inferiores aos corpos de prova

com aço, conforme demonstrado na tabela a seguir:

Descrição

Área de

Contato

(cm²)

Força aos

28 dias (kN)

Força aos 63

dias (kN)

Tensão de

Aderência aos 28

dias (MPa)

Tensão de

Aderência aos 63

dias (MPa)

CP-Bambu 01 50,00 2,01 2,01 0,402 0,402

CP-Bambu 02 50,00 1,68 1,62 0,336 0,324

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CP-Bambu 03 50,00 2,10 1,09 0,420 0,218

CP-Bambu 04 50,00 1,38 1,84 0,276 0,368

Média 50,00 1,79 1,64 0,358 0,328

CP- Aço Ø16mm 01 50,26 19,96 28,91 3,970 5,751

CP- Aço Ø16mm 02 50,26 28,47 28,24 5,664 5,617

Média 50,26 24,21 28,57 4,817 5,684

Tabela 1: Resultados dos ensaios de aderência.


Através dos resultados obtidos, foi possível a realização de um desvio padrão para se observar

a variação comportamental dos corpos de prova com taliscas de bambu, demonstrados na

tabela 2:

Descrição 28 dias 63 dias

CP-Bambu 0, 0658 0, 089

CP- Aço Ø16mm 1, 198 0, 094

Tabela 2: Desvio Padrão Calculado para os dias 28 e 63 dias com base nas tensões obtidas. Fonte: Elaboração Própria (2015)

Observando a tabela 1, pode-se afirmar que as forças exercidas nos corpos de prova com

bambu após 63 dias da concretagem não obtiveram variações relevantes em consideração os

resultados encontrados após 28 dias. Analisando, ainda, os gráficos entre força e deformação,

mostrados abaixo, nota-se o comportamento parecido entre as duas idades de rompimento de

cada material utilizado:

Gráfico 1 – Comportamento entre força x deformação nas amostras contendo bambu.


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Gráfico 2 – Comportamento entre força x deformação nas amostras contendo aço.


Avaliando os resultados obtidos, pode-se verificar que a diferença entre os valores dos

experimentos se dá por uma variação dimensional de contato bambu x concreto. E ao analisar

a relação da tensão de aderência nos corpos de prova de bambu entre os 28 e 63 dias,

constatou-se uma diferença nos valores médio das tensões de 8,52%, contudo, nenhuma das

amostras ensaiadas teve ruptura nas varetas de bambu. Esta diferença relacionada às tensões

pode ser causada por uma série de variáveis, como a modificação dimensional pela perda de

água para o ambiente no processo de cura entre o bambu e o concreto e outras mais

especificas, onde seria preciso um estudo mais aprofundado sobre essa questão.

Na comparação com as amostras que contém aço, a aderência das amostras de bambu é

aproximadamente quinze vezes menor. No estudo realizado, as amostras com aço não

apresentaram boa aderência, pois o concreto veio ao colapso antes mesmo que a máxima força

para o seu deslocamento fosse obtida, contudo, ainda assim, percebeu-se que o valor foi

superior ao do bambu.

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3.2 Resultados de flexão simples

A tabela a seguir apresenta a leitura das cargas obtidas até a ruptura nos dois modelos de

corpos de prova, sendo que um é somente em concreto puro e o outro recebeu a inserção das

taliscas de bambu.

Descrição Seção do Bambu

(cm²)

Força Aplicada

(kN)

Tensão de Flexão (MPa)

CP-Bambu 01 0, 0001 20,30 2,74

CP-Bambu 02 0, 0001 25,10 3,32

CP-Bambu 03 0, 0001 19,10 3,19

Média 0, 0001 21,50 3,08

CP- Concreto 01 - 26,50 3,53

CP- Concreto 02 - 27,50 3,67

CP- Concreto 03 - 29,60 3,95

Média - 27,87 3,72

Tabela 3 – Resultados de ensaios de tração na flexão aos 14 dias Fonte: Elaboração Própria (2015)

Analisando a tabela 3, verificou-se que entre os dois modelos adotados houve a redução da

tensão de flexão média em torno de 17,2%. Importante constatar que nenhuma das amostras

ensaiadas teve ruptura nas varetas de bambu.

4. Conclusão

Dentre as amostras de arrancamento utilizadas para sanar o problema de pesquisa, a falta de

aderência do conjunto do bambu teve um desempenho abaixo do esperado, resistindo

aproximadamente quinze vezes menos que às amostras de aço, ficando em torno de 7,44%

abaixo da resistência das amostras de aço. Já nas análises á flexão, o comportamento dos

experimentos não obteve uma melhora como era o esperado. Com relação a resistência, houve

uma diminuição em torno de 17,20%, sendo que na estrutura de concreto houve primeiro a

aparição de uma trinca e, logo após a aplicação da carga máxima, a amostra veio ao colapso.

Quanto aos corpos que continham duas taliscas de bambu no seu interior, percebeu-se que

houve a fissuração da peça, mas não o seu colapso total. No procedimento pode-se verificar

que a fissura continuou aumentando, porem suportando uma carga constante sem total

rompimento.

Comprova-se, então, que o colapso das amostras á flexão ocorreu somente nas peças de

concreto puro. Já em peças armadas com bambu não foi possível, devido a pouca resistência

da armação e ao escorregamento junto ao concreto, ocasionando a falta de aderência do

conjunto bambu-concreto e enfraquecendo a peça estudada. Observando os valores

encontrados no presente trabalho, fica claro, a reduzida aderência conferida na associação do

bambu-concreto, visto que não houve ruptura em nenhuma vareta de bambu dos corpos de

prova ensaiados.

Todavia, o processo se tornaria duradouro caso ocorresse um avanço tecnológico nos

equipamentos e métodos de aplicação, onde possibilitaria uma padronização de produção e,

por conseguinte, uma garantia de qualidade do material – quanto à sua aderência. Empregar o

bambu em estado natural é ineficiente, não compensando o trabalho para a confecção das

taliscas de bambu. Desta forma, espera-se que este trabalho venha contribuir para um maior

entendimento do desempenho à aderência e a flexão simples servindo de estímulo para outros

trabalhos e para o desenvolvimento desta área.

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Referências

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