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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA
VANESSA RODRIGUES CAMPOS
ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO, PÓS - CURADO, REFORÇADO COM FIBRAS DE SISAL.
Salvador
2014
VANESSA RODRIGUES CAMPOS
ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO, PÓS - CURADO, REFORÇADO COM FIBRAS DE SISAL.
Projeto de dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental Urbana, da Universidade Federal da Bahia, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Ambiental Urbana. Linha de pesquisa: Tecnologia e Gestão da Construção – desenvolvimento e avaliação do comportamento de materiais visando à sustentabilidade da construção.
ORIENTADOR: Dr. Ricardo F. Carvalho
Salvador
2014
VANESSA RODRIGUES CAMPOS
ANÁLISE DE LIGAÇÃO MECÂNICA EM COMPÓSITO, PÓS - CURADO,
REFORÇADO COM FIBRAS DE SISAL.
Este projeto de dissertação foi julgado adequado como etapa parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Ambiental Urbana e aprovada pelo Orientador e pela Banca Examinadora.
Orientador: ____________________________________
Prof. Dr. Ricardo F. Carvalho, UFBA
Doutor pela Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade
de São Paulo – São Carlos, Brasil.
Banca Examinadora:
Prof. Dr. (Nome do professor), sigla da Instituição onde atua
Doutor pela (Instituição onde obteve o título – Cidade, País)
Prof. Dr. (Nome do professor), sigla da Instituição onde atua
Doutor pela (Instituição onde obteve o título – Cidade, País)
Prof. Dr. (Nome do professor), sigla da Instituição onde atua
Doutor pela (Instituição onde obteve o título – Cidade, País)
Salvador, 2014
RESUMO
A utilização de fibras vegetais como reforço de matrizes poliméricas em compósitos tem sido alvo de diversos estudos graças às vantagens econômicas e ambientais que apresentam, por serem de baixo custo e biodegradáveis. Os compósitos laminados serão confeccionados por matriz polimérica de bio-poliéster utilizando como reforço, tecidos de sisal, pelo processo de infusão a vácuo. Esse trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico e mecanismos de falha de ligações simples unicamente parafusada (single lap single bolted
joint) em compósitos poliméricos laminados reforçado com tecido de sisal (CPRTS). Serão investigados os efeitos da configuração e dos parâmetros geométricos da ligação segundo o ensaio de tração uniaxial.
Palavras-chaves: Compósitos, tecido de sisal, comportamento mecânico, ligações mecânicas e ligações parafusadas.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 5
1.1. JUSTIFICATIVA ........................................................................................................... 7
1.2. OBJETIVO GERAL ....................................................................................................... 7
1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................... 7
2. REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................................ 8
2.1. COMPÓSITOS ............................................................................................................... 8
2.2. FIBRA DE SISAL ........................................................................................................ 11
2.3. TECIDO UNIDIRECIONAL DE SISAL ..................................................................... 14
2.4. MATRIZ POLIMÉRICA .............................................................................................. 16
2.5. CONFORMAÇÃO POR INFUSÃO À VÁCUO .......................................................... 18
2.6. LIGAÇÕES MECÂNICAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS................................... 20
2.6.1. Escolha dos Fixadores ............................................................................................ 24
2.6.2. Modos de falhas nas juntas mecânicas ................................................................. 25
2.6.3. Parâmetros geométricos da ligação ...................................................................... 26
3. MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................... 28
3.1. REFORÇO - TECIDO DE SISAL ................................................................................ 30
3.2. MATRIZ: RESINA TERMOFIXA INSATURADA DE POLIÉSTER........................ 31
3.3. CONFORMAÇÃO DOS COMPÓSITOS .................................................................... 31
3.4. CARACTERIZAÇÃO DOS COMPÓSITOS ............................................................... 32
3.5. EFEITOS DOS FUROS ................................................................................................ 32
3.6. COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES MECÂNICAS PARAFUSADAS .............. 33
4. VIABILIDADE E FINANCIAMENTO ....................................................................... 34
5. CRONOGRAMA FÍSICO FINANCEIRO .................................................................. 35
6. RESULTADOS ESPERADOS ...................................................................................... 36
7. REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 37
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1. INTRODUÇÃO
A fabricação de muitas peças estruturais para aplicação em engenharia tem sido desenvolvida
pelo uso de compósitos avançados, devido a características atraentes no campo industrial, tal
como baixo peso, alta resistência, alta rigidez, boa resistência à fadiga e boa resistência à
corrosão (HOA, 2009).
Esses materiais são freqüentemente utilizados na indústria aeronáutica e espacial devido a seu
alto desempenho mecânico em resistência e rigidez, aliada a baixa densidade, quando
comparados com os materiais metálicos, e sua boa capacidade de adaptação a projetos de
diferentes geometrias (YAHO et al.2014).
Segundo Hollaway (2003) os compósitos poliméricos reforçados com fibras tem grande
potencial para substituir o concreto armado em pontes, edifícios e outras infraestruturas civis.
Para Mallick (2008) a principal razão para a seleção destes materiais é a alta resistência à
corrosão que permite uma maior vida útil da estrutura e, por conseguinte, baixos custos de
reparação e manutenção.
As intensas preocupações ambientais para um desenvolvimento sustentável vêem estimulado
a pesquisa e estudo de materiais mais ecológicos que causem menor impacto ao ambiente.
Assim sendo, a incorporação de fibras naturais de origem vegetal em materiais poliméricos,
em substituição às tradicionais fibras de vidro contribui para o desenvolvimento de
compósitos sustentáveis e vem crescendo nos últimos anos (CASTRO, 2013).
A utilização de fibras vegetais como reforço em compósitos teve origem na antiguidade com
os tijolos de barro que eram reforçados com palha para as construções das civilizações do
crescente fértil especialmente no Egito e na Mesopotâmia. A descoberta do petróleo e o
contínuo desenvolvimento tecnológico contribuíram para a introdução das fibras sintéticas, de
origem petroquímica, no mercado.
Segundo Hill e Hugnes (2010), na década de 1940 os compósitos reforçados por fibras
naturais foram intensamente substituídos pela introdução das fibras sintéticas. Contudo nos
dias atuais observa-se uma busca incessante de materiais que atendam às tendências mundiais
de sustentabilidade ambiental de forma a suprir as degradações ambientais e sociais de um
contexto marcado pelo uso exaustivo dos recursos naturais não renováveis.
O conceito de desenvolvimento sustentável é algo recente e foi pela primeira vez formalizado
na Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento, em um documento intitulado
Relatório Brundtland, Nosso Futuro Comum, publicado em 1987. Segundo este documento o
6
conceito de sustentabilidade pode ser entendido como: “O desenvolvimento que procura
satisfazer as necessidades da geração atual, sem comprometer a capacidade das gerações
futuras de satisfazerem as suas próprias necessidades, significa possibilitar que as pessoas,
agora e no futuro, atinjam um nível satisfatório de desenvolvimento social, econômico e de
realização humana e cultural, fazendo, ao mesmo tempo, um uso razoável dos recursos da
terra e preservando as espécies e os habitats naturais”.
Para atender às tendências mundiais de sustentabilidade ambiental, nas últimas décadas
observou-se um crescente desenvolvimento de compósitos reforçados por fibras celulósicas.
Fibras naturais como fibra de bananeira (BALZER et al., 2007), bagaço de cana de açúcar
BARBOSA, 2010), fibras de sisal e curauá (SPINACÉ et al. 2011), fibra de licuri (LEÃO et
al., 2011) entre outras são alternativas amplamente utilizadas em estudos para reforço em
compósitos poliméricos.
Os compósitos reforçados com fibras de sisal se destacam por apresentarem elevada
resistência ao impacto, moderada resistência à tração e à flexão quando comparados com
compósitos que se utilizam de outras fibras como reforço (JOSEPH et al., 1999).
A indústria da construção civil tem papel importante no desenvolvimento do país, no entanto,
estimativas mostram que este setor merece atenção, uma vez que suas atividades causam
impactos ambientais consideráveis. Em âmbito internacional os dados mostram que entre 40%
e 75% dos recursos naturais são consumidos por esse setor e conseqüente geração de resíduo.
No Brasil resultados indicam que 25% do total de resíduos industriais provem da construção
civil (MENDES, 2013).
Segundo a United Nations Environment Programme (Unep) a indústria da construção civil
tem grande influência nas emissões de gás carbônico, sendo responsável por 30% das
emissões globais de gases responsáveis pelo efeito estufa e por 40 % do consumo global de
energia.
Sendo assim, torna-se imprescindível o estudo e desenvolvimento de novas tecnologias que
possam tornar a construção civil sustentável nos diversos aspectos que a compõem. Desta
forma, este trabalho visa contribuir para o desenvolvimento de novos produtos biodegradáveis
e sustentáveis que possam contribuir para diminuição do impacto ambiental do setor. Com
vista a viabilizar o uso de compósitos reforçados com fibras vegetais de sisal para utilização
em larga escala na indústria da construção civil, permitindo assim, a possibilidade de
modulação de painéis e flexibilização para fins de projeto, serão estudados o comportamento
e desempenho desses materiais sob a influência de conexões mecânicas parafusadas.
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1.1. JUSTIFICATIVA
Este trabalho visa contribuir para viabilizar a utilização de compósitos poliméricos reforçados
por fibras de sisal para a produção em larga escala na construção civil.
Quando se analisa a viabilização do uso de compósitos, reforçados por fibras vegetais, na área
da construção civil, a união entre esses elementos se faz aspecto relevante a ser considerado.
A necessidade da modulação através de encaixes e conexões é fundamental para fins de
projeto e modulação. Assim sendo, a ampliação do uso do binômio sisal-biopoliéster, permite
a confecção de produtos mais sustentáveis na área da construção civil, contribuindo para
diminuição do impacto deste setor no ambiente. A substituição de uma fibra sintética, não
renovável, produzida sob o consumo de altos índices de energia, por uma fibra vegetal
biodegradável contribui de forma significativa para o meio ambiente, proporcionando um
desenvolvimento sustentável. O cultivo, produção e confecção do tecido de sisal
proporcionam o desenvolvimento social e econômico da região sisaleira, localizada no
semiárido do nordeste e castigada pela seca, trazendo emprego e renda para os seus habitantes
e incentivos para investimentos econômicos na região.
1.2. OBJETIVO GERAL
Avaliar o comportamento mecânico e mecanismos de falha de compósitos poliméricos
laminados reforçado com tecido unidirecional de sisal (CPRTS), quando sob a influência de
ligações mecânicas parafusadas, investigando os efeitos dos parâmetros geométricos da
ligação.
1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Produzir e caracterizar compósitos com diferentes orientação de laminas.
• Avaliar a influência da operação de furação dos compósitos.
• Analisar o comportamento mecânico e modos de falha da ligação mecânica do tipo
single lap unicamente parafusada (SLUP).
• Analisar os efeitos da variação dos parâmetros geométricos (largura e distância
longitudinal às bordas) das ligações mecânicas parafusadas.
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2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1. COMPÓSITOS
A constante busca por aliar um conjunto de características almejadas na engenharia civil
como resistência, durabilidade, baixa densidade, bom isolamento térmico, versatilidade e
sustentabilidade vêm estimulando o uso de materiais compósitos que atendam as expectativas
da indústria da construção civil.
Segundo Padilha (2000), compósito consiste em materiais que possuem em sua composição
dois ou mais componentes com propriedades intrínsecas e nitidamente diferentes entre si, que
quando combinados, cada qual contribui para as propriedades finais desejadas do compósito e
também podem ser chamados de material composto ou conjugado.
Compreende-se que as fases constituintes de um material compósito não devem ser miscíveis
entre si, pois, neste caso haveria uma fusão química e não uma sinergia. Deve haver a
contribuição de cada fase para a formação final, característica fundamental para a construção
de um material compósito. Este quesito refere-se principalmente na junção de características
mecânicas muito ambicionadas na indústria em geral, tais como a rigidez, a tenacidade e a
resistência nas condições ambientes e em altas temperaturas. As diversas combinações para
formação dos materiais compósitos conferem a obtenção de variados e novos materiais com
propriedades desejadas. Em grande parte dos materiais compósitos se observa a presença de
apenas duas fases, a denominada fase matriz que é contínua, maleável e dúctil e desempenha
basicamente o papel de proteção e coesão envolvendo a outra fase, chamada fase reforço ou
estrutural, que proporciona resistência, rigidez e tenacidade ao conjugado (CALLISTER,
2012).
A matriz exercerá a função de manter a orientação das fibras e seu espaçamento, transmitindo
as forças de cisalhamento recebidas entre as camadas das fibras permitindo que o compósito
resista às dobras e às torções, além de protegê-las do ambiente exterior (MANO, 1991;
ALLEN; THOMAS, 1999 apud CIULIK 2010).
Segundo Thomas (2011), as propriedades finais de um material compósito será a contribuição
das propriedades das fases que o constitui e as suas quantidades relativas. Esses materiais
adquirem propriedades mecânicas antes não observadas em suas partes isoladamente, dando
origem a um material com propriedades melhoradas que proporciona um desempenho elevado
e uma otimização das propriedades individuais de suas fases constituintes. Na figura 1,
Callister (2012) propõe uma classificação dos compósitos de acordo com a fase reforço,
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dividindo em três classificações gerais: Compósitos reforçados com partículas, compósitos
reforçados por fibras e compósitos Estruturais.
Figura 1: Classificação dos compósitos.
Fonte: CALLISTER, 2012
Este trabalho está limitado às emendas de tecidos em laminados estruturais que compõe os
compósitos estruturais, a partir do entrelaçamento das fibras de sisal formando os tecidos de
sisal.
2.1.1 Compósitos Estruturais Laminados
Este trabalho terá como foco os compósitos estruturais laminados em que a lâmina será
constituída de tecidos de fibra de sisal impregnado com uma matriz polimérica poliéster.
Os compósitos laminares são constituídos por lâminas ou painéis que possuem uma direção
preferencial de alta resistência, ou seja, a direção do carregamento. Os laminados podem ser
formados a partir de tecidos tais como, algodão, papel ou fibra de vidro inserida no interior de
uma matriz polimérica. As lâminas são dispostas através de empilhamentos sucessivos e
unidas umas as outras de forma que ocorra uma variação das direções em relação à direção
preferencial de alta resistência, permitindo que o compósito apresente resistência
relativamente alta nas diversas direções. No entanto a resistência em qualquer direção
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continua menor do que aquela que existiria se todas as fibras estivessem orientadas em uma
mesma direção. Na figura 2 é possível observar empilhamento através da alternância entre
camadas e matriz sucessivamente (REZENDE et al. 2011, CALLISTER, 2012).
Figura 2: O Empilhamento sucessivo de camadas reforçadas com fibras orientadas para
um compósito Laminar.
Fonte: HOA, 2009
Segundo Mallick (2008) o laminado é construído pelo empilhamento de lâminas em uma
espessura e direção. Alguns tipos especiais de laminados com a variação dos ângulos, em
relação à direção preferencial de alta resistência, alinhada com os esforços principais, e os
códigos padrões de laminação utilizados são apresentados a seguir:
a) Laminado unidirecional (Unidirecional laminate): o ângulo de orientação das fibras é
o mesmo para todas as lâminas. Ex: α / α / α; Se α = 0º, então, 0º/0º/0º/0º.
b) Laminado de camada angulada (Angle-ply laminate): o ângulo de orientação das fibras
em camadas alternadas. Ex: α /- α / α / -α; quando α ≠ 0º ou 90º.
c) Laminado de camada cruzada (Cross-ply laminate): o ângulo de orientação das fibras
em camadas alternadas. Ex: 0º /90º / 0º / 90º.
d) Laminados simétricos (Symmetric laminate): a camada de orientação é simétrica ao
centro do laminado, isto é, para cada camada sobre o meio do plano existe uma
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camada idêntica (em material, espessura e ângulo de orientação das fibras) para igual
distância abaixo do meio do plano.
A figura 3 apresenta o diagrama esquemático dos tipos de laminados segundo o ângulo de
orientação das fibras em camadas alternadas.
Figura 3: a) Laminado unidirecional (Unidirecional laminate); b) Laminado de camada
angulada (Angle-ply laminate) e c) Laminado de camada cruzada (Cross-ply laminate).
Fonte: MALLICK, 2008
2.2. FIBRA DE SISAL
Segundo a companhia de sisal do Brasil (COSIBRA) o sisal (Agave Sisalana) é uma
monocotiledônea originária do México, com folhas estreitas e compridas, medindo 140 cm de
comprimento que podem resultar em fibras de 90 a 120 cm e suas fibras representam apenas 4
a 5 % da massa total do sisal. Na figura 4 tem-se a Agave Sisalana.
Figura 4: Sisal (Agave Sisalana).
a) b) c)
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O Sisal foi trazido do México ao Brasil no ano de 1903, mas só passou a ser considerado
como alternativa econômica no final da década de 1930. Facilmente se adaptou às regiões em
que foi introduzido, nos estados da Paraíba, Bahia e Rio Grande do Norte devido às condições
climáticas favoráveis. O sisal é considerado uma planta semixerófila, e para o seu cultivo é
necessário grande luminosidade e clima quente, portanto, possui fácil adaptação a regiões
semiáridas. As suas folhas apresentam características peculiares: folhas carnosas, números
reduzidos de estômatos e epiderme intensamente cutinizada, o que a torna resistente a
estiagens prolongadas e fortes condições de aridez (SILVA, 1999; CNA, 2004 apud ALVES;
SANTIAGO, 2005). As folhas do sisal dão origem uma fibra resistente que possui
diversificado uso como cordas, cordéis, tapetes, móveis, eletrodomésticos, compósitos para a
indústria automobilística e construção civil (CARVALHO et al., 2007).
A transformação do sisal em fibra obedece a uma cadeia de serviços de baixo custo, que
envolve etapas que englobam desde a plantação, colheita, desfibramento, secagem e
beneficiamento da fibra transformando-se em matéria-prima para diversificados fins. A figura
5 mostra algumas dessas etapas.
Figura 5: a) Desfibramento do sisal; e b) Secagem da fibra de sisal.
a) b)
Em 2010 o estado da Bahia alcançou uma produção de sisal de aproximadamente 140 mil
toneladas, porém, a média por hectare é de 1200 kg/ha, o que torna essa produtividade baixa
quando comparada com países como Tanzânia e Kenya em que a produtividade é superior a
2800 kg/ha. Essa baixa produtividade brasileira é causada pela forma como o processo
produtivo se apresenta, extremamente rudimentar. A Colheita é realizada manualmente
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usando como ferramenta de corte uma faca. O transporte das folhas de sisal é realizado no
lombo de um animal até o local em que será feito o desfibramento. Por meio de uma máquina
obsoleta conhecida como “motor paraibano” é realizada a extração das fibras da folha do sisal
– desfibramento. Após esse processo as fibras são estendidas ao sol para secagem, por um
período de 72 horas. Na seqüencia as fibras são enfardadas e levadas até unidade de
beneficiamento. A maior parte da fibra de sisal é destinada para o mercado externo, seja na
forma de fibra bruta, seja na forma manufaturada (ANDRADE et al., 2011).
O processo de produção da fibra de sisal apesar de apresentar baixos impactos ambientais, por
envolver processos que consomem baixo teor de energia, ainda é muito rudimentar, sem
muitas inovações tecnológicas que introduzam melhoria no processo.
As fibras naturais possuem em sua constituição química das fibras vegetais varia com a
localização geográfica de cultivo, idade, clima, solo, espécie e nas diferentes partes da folha.
As fibras naturais são compostas essencialmente de celulose, lignina e hemicelulose e pictina.
Celulose é um polissacarídeo semicristalino, responsável pela natureza hidrofílica das fibras
naturais e pela resistência das fibras (CARVALHO, 2005; WESTMAN et al., 2010;
BLEDZKI, GASSAN, 1999). A tabela 1 apresenta a comparação da composição química de
diversas espécies de fibras vegetais.
Tabela 1: Composição Química de fibras vegetais.
Tipo de Fibra Celulose Lignina
Sisal – agave 43-62 7-9,2
Bagaço de cana 32-48 19-24
Bambu 26-43 21-31
Semente de linho 43-47 21-23
Juta 45-63 21-26
Linho 57-77 9-13
Algodão 85-96 0,7
Fibras de madeira Conífera 40-45 26-34
Fonte: ROWELL et al., 2000.
Segundo Carvalho (2005) os altos teores de celulose da fibra de sisal conferem a esta elevada
resistência à tração. O alto desempenho mecânico da fibra de sisal confere sua alta procura e
preferência para a produção de compósitos que se utilizem de fibras vegetais como fase
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reforço. Em virtude da alta resistência à tração as fibras têm o objetivo de reforçar os
compósitos e suportar a tensões que são transferidas pela matriz, por isso são elas
responsáveis pela resistência geral do compósito. Enquanto a matriz é responsável
basicamente por garantir a coesão e proteção mecânica, as fibras são responsáveis pela
resistência do compósito, possuindo capacidade de resistência na direção do carregamento.
Desta forma, aliadas as vantagens de propriedades mecânicas presentes em materiais
poliméricos reforçados com fibras, como baixa densidade, boas propriedades mecânicas,
baixo custo, pouco abrasiva, e boas propriedades de isolamento térmico e acústico. A
incorporação de fibras naturais em substituição às fibras sintéticas permite o desenvolvimento
de materiais que sejam biodegradáveis contribuindo para sustentabilidade do meio ambiente.
2.3. TECIDO UNIDIRECIONAL DE SISAL
As fibras devem estar alinhadas com os esforços principais que atuarão na estrutura, pois,
para fins estruturais a distribuição das fibras na matriz exerce significativa influência nas
propriedades dos compósitos. Assim sendo, a ordenação das fibras em forma de tecido
introduzirá melhorias nas propriedades mecânicas dos materiais compósitos. Os tecidos são
formados por fios unidos entre si, por força de contato, através do intertravamento dos
mesmos por intermédio de diferentes métodos de confecção (CARVALHO, 2005).
Segundo Gommers et al. (1998) apud Carvalho (2005) os tecidos podem ser divididos em
três classes: tecidos urdidos ou tramados, tecidos trançados e tricotados. Esses tecidos
diferenciam na forma como seus fios são entrelaçados. Nos urdidos ou tramados os fios são
intercalados em duas direções ortogonais, nos trançados são cruzados em duas ou três
direções e nos tricotados ocorre o entrelaçamento dos fios. Os mais utilizados como reforço
em plásticos, principalmente no que se refere à produção de compósitos de alto desempenho,
são os tecidos urdidos ou tramados. Sua produção pode se dá através da tecelagem automática
ou manual dos fios.
Cerchiaro (2010) define tecidos urdidos ou tramados como sendo uma formação intercalada
de cordões em duas direções. Os fios na direção longitudinal são denominados urdume, e os
fios na direção transversal são chamados trama como pode ser observados na figura 6.
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Figura 6: Tecido tramado ou urdido.
Fonte: PARDINE et al., 2006.
Hoa (2009) classifica os tipos mais comuns de tecelagem tramada como tafetá, cesta, cetim e
arnês de cetim, ainda, John e Thomas (2008) identifica os mesmos tecidos como simples,
cesto, cetim e sarja respectivamente, conforme figura 7, classificação que será dotada para
este trabalho.
Figura 7: Tipos de arranjos de tecidos tramados: a) simples; b) cesto; c) cetim e d) sarja.
(a)
Fonte: HOA, 2009
O espaçamento entre os fios, que determina a densidade; a torção, a dimensão, o tipo de
arranjo e a natureza do tecido são parâmetros que regem as propriedades mecânicas dos
tecidos tramados. Dentre as quatro subdivisões dos tecidos tramados já citados, os mais
freqüentes são os tipos simples obtidos pelo cruzamento alternado de fios perpendiculares e o
tipo sarja que consiste no cruzamento alternado de três ou mais fios. Os tecidos técnicos
unidirecionais apresentam arranjos de fios distribuidos em uma única direção, podendo conter
os fios transversais apenas para manter os fios longitudinais unidos. São estes tecidos
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utilizados em aplicações estruturais principalmente quandos as tensões aplicadas são
conhecidas e quando é conveniente alinhar os fios na direção das tensões garantindo assim
melhor otimização das propriedades das fibras. (CARVALHO, 2005; THOMAS, 2010).
2.4. MATRIZ POLIMÉRICA
A fase matriz de um compósito tem por objetivo manter unir as fibras permitindo uma
transferência e distribuição da tensão aplicada para a fase fibra, responsável pela resistência
do conjunto. Fornece uma barreira de proteção contra intempéries. Outra função é evitar a
propagação de trincas por permitir um isolamento das fibras umas das outras, ou seja, mesmo
que haja uma falha individual de uma fibra o compósito total em si não irá sofrer danos em
virtude desse isolamento proporcionado pela matriz (CALLISTER, 2012).
Assim, as funções da fase matriz podem ser resumidas em manter a coesão das fibras,
proteger as fibras do meio externo e contra danos durante o processamento, distribuir o
carregamento pelas fibras e redistribuir o carregamento caso haja ruptura.
Os polímeros divididos em duas categorias denominada termoplástico e termofixo. No
termoplástico as moléculas não são quimicamente unidas umas as outras são mantidas
ligações secundárias fracas ou ligações intermoleculares do tipo Vander Waals e ligações de
hidrogênio. Com aplicação de calor essas ligações são rompidas temporariamente, porém, o
processo pode ser revertido e as ligações podem voltar se consolidarem, ou seja, com a
aplicação do calor elas amolecem, como o processo é reversível, retirada a fonte de calor ela
volta ao estado endurecido. Nos polímeros termofixo as moléculas são quimicamente unidas
por ligações formando uma rede rígida com estrutura tridimensional. Como esses retículos
são formados durante reação de polimerização (reação de cura) o processo é irreversível, ou
seja, com o aumento da temperatura não há mudança de estado permanecendo endurecido
(MALLICK, 2008). Na a figura 8 é possível verificar a estrutura molecular das ligações dos
termoplásticos e dos termofixo.
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Figura 8: Representação esquemática de polímeros: a) termoplástico e b) termofixo.
a) b)
Fonte: MALLICK, 2008.
Os polímeros termofíxos, em geral, apresentam elevado desempenho mecânico, são mais
resistentes ao fogo, a ataques químicos e a fadiga e tornam-se permanentemente duros quando
submetidos à aplicação de calor e não amolecem com o aquecimento subsequente. Assim,
geralmente se utiliza as resinas termofixas como matriz de componentes estruturais
(CALLISTER, 2012).
Os poliésteres são formados pela polimerização por condensação de um diácido e um diálcool
e quando comparados com as resinas epóxi são mais baratos (HOA, 2009).
Os poliésteres podem ser classificados como resinas saturadas ou insaturadas, dependendo
especificamente dos tipos de ácidos utilizados, que irão caracterizar o tipo de ligação entre os
átomos de carbono da cadeia molecular.
- Poliéster Saturado: resulta da reação entre um biálcool e um biácido saturado, originando
num produto termoplástico, de cadeia molecular composta apenas por simples ligação entre
os átomos de carbono, o que torna o composto flexível. Em geral é utilizada para
componentes não estruturais. O uso é diversificado e pode ser feito por meio de reforço ou
sem: filmes, fibras sintéticas, plastificantes (poliméricos) e até produtos de engenharia como
tampa de tanque de combustível etc. (EMBRAPOL, 2012).
- Poliéster Insaturado: constituição basicamente composta de um polímero alquídico,
contendo insaturações vinílicas dissolvidas em um monômero reativo normalmente o
monômero de estireno. Sua reação é obtida entre um ácido insaturado, um ácido saturado e
um biálcool dando origem a um produto termofixo, cuja cadeia molecular é composta por
simples e duplas ligações entre os átomos de carbono. Para facilitar sua utilização é diluído
num monômero vinílico inibido. A adição de promotores permite a transformação do poliéster
insaturado do estado líquido para o estado sólido irreversível, caracterizando uma estrutura
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termofixa irreversível. Pode ser utilizado com ou sem reforço, porém, uma vez reforçado se
transforma em um plástico com ótimas propriedades físico-mecânicas, podendo ser utilizado
em componente estrutural, bastante visado na engenharia, substituindo muitas vezes materiais
como ferro, aço e concreto (EMBRAPOL, 2012).
Segundo Mano; Nunes (1990), a cura do poliéster inicia-se com a adição do catalisador metil
etil cetona (MEKP) ao polímero. O catalisador adicionado consome os inibidores, que são
substâncias que foram adicionadas ao poliéster comercializado, a fim de reagir com os
radicais livres e impedir a gelificação prematura da resina, ou seja, torna-se gel, iniciando
assim o processamento da reação de cura. A cura do poliéster começa, então, quando na
presença de radicais livres. Na tabela 2 são apresentadas as características mecânicas do
Poliéster, à temperatura ambiente.
Tabela 2: Propriedades mecânicas do poliéster.
Densidade Relativa
Módulo de Tração [GPa]
Resistência à Tração [MPa]
Limite de Escoamento
[MPa]
Alongamento na Fratura
[%]
1,29 – 1,40
2,8 – 4,1
48,3 – 72,4
59,3
30 - 300
Fonte: Adaptada de CALLISTER, 2012.
A produtora brasileira de intermediários químicos (ELEKEIROZ) define biopoliésteres como
resinas sustentáveis de poliéster insaturado, formados a partir, de matérias primas de fontes
renováveis. Este material proporciona uma economia de 20% dos recursos fósseis não
renováveis usados nas resinas poliéster tradicionais, por serem produzidos por uso de
oleaginosas de ciclo curto (3 a 4 meses) e de óleos transerestificados (como a soja e o milho).
O material utilizado neste trabalho para exercer a função de matriz do compósito será o
biopoliéster, que consiste em um polímero insaturado termofixo.
2.5. CONFORMAÇÃO POR INFUSÃO À VÁCUO
As lâminas do reforço são dispostas em uma forma macho-fêmea, selada, é usada uma bomba
de vácuo em que o ar é succionado e a pressão atmosférica é aplicada para consolidar a
19
impregnação da resina na fase reforço do laminado. O vácuo deve permanecer até que haja a
impregnação total da resina no laminado conforme esquema representado na figura 9.
Figura 9: Esquema do processo de infusão a vácuo
O processo de infusão à vácuo origina compósitos de alta qualidade, é bem difundido na
industria de energia eólica e marinha. Casos de barcos, decks, pisos são elementos que podem
ser desenvolvidos por meio do processo de infusão a vácuo, mas podem também ser
utilizados no setor da construção e transporte terrestre e produção de grandes estruturas.
Apresentam como vantagens baixos índices de emissão de estireno quando comparados com o
processo hand lay up (figura 10), os laminados apresentam maior resistência já que não há a
formação de bolhas de ar responsáveis pela diminuição da resistência dos compósitos
(OSBORNE, 2013).
Figura 10: Comparação de típica emissão de estireno de laminados feitos por hand lay
up (HLU) e laminados feitos por infusão a vácuo (IV).
Fonte: OSBORNE, 2014
20
2.6. LIGAÇÕES MECÂNICAS EM MATERIAIS COMPÓSITOS
As ligações são caracterizadas como estruturais quando a integridade é fator fundamental para
o funcionamento e segurança da estrutura. A união entre membros poliméricos reforçados
com fibras (PRF) pode dar-se por juntas mecânicas (“mechanical joint”), juntas coladas
(“bonded joints”), juntas inter travadas (“interlocking joint”) ou uma combinação destas
(DUTHINH, 2000).
Para o desenvolvimento deste trabalho serão abordadas conexões por juntas mecânicas em
CPRTS, que consistem em uniões mecânicas através de rebites, parafusos, pinos entre outros
para aderir componentes ou membros na formação de uma estrutura ou produto.
Segundo Messler (2004) as uniões mecânicas consistem no método mais antigo utilizado pelo
homem para unir componentes, como por exemplo, a primeira ferramenta primitiva que
consistiu em uma pedra fixada em uma forquilha através de uma tira de fibra vegetal ou
animal. A expansão da utilização de métodos de fixação mecânica em diversas indústrias
vêem provocando uma crescente demanda e expectativas por melhor desempenho dessas
conexões.
Em estruturas ou no desenvolvimento de produtos finais nota-se a necessidade de unir os
componentes ou membros utilizando-se de mecanismos de ligação. Essas uniões têm a função
primordial de transferir as cargas aplicadas de um elemento para o outro ou criar movimentos
relativos entre si. Em geral são locais propensos a falhas por representar uma descontinuidade
no material promovendo concentrações de tensão nestas regiões. Assim sendo, esse conjunto
deve ser analisado cuidadosamente (AGARWAL et al., 2006; VALENTE, 2012).
A presença de defeitos tais como poros, trincas, imperfeições, entalhes ou furos em um
material faz com que a tensão aplicada aumente a sua intensidade provocando concentração
de tensões, localizada na extremidade do defeito. Pelo fato destes defeitos provocarem o
aumento de tensões em suas proximidades são chamados de concentradores de tensão e que
essa concentração dependerá da orientação e geometria da trinca. (CALLISTER, 2012;
MALLICK, 2008). A figura 11 mostra os efeitos provocados na região de descontinuidade,
ou seja, a tensão aumenta a medida que aproxima da extremidade da trinca e quanto mais
distantes da trinca a tensão tende a se aproximar da tensão nominal.
21
Figura 11: Perfil de tensões ao redor de um furo ao longo da secção transversal
Fonte: MALLICK, 2008
Conforme Mallick (2008) a junção mecânica ocorre mediante abertura de furo no material
base para posterior fixação de parafuso, rebite ou pino como conectores da ligação. Sendo
este método considerado com um redutor da resistência do compósito podendo causar uma
falha estrutural por força da alta concentração de tensão que surge na região de junta.
Assim sendo, faz-se imprescindível o estudo dos efeitos causados na resistência e danos
provocados nestas regiões.
As ligações parafusadas são amplamente utilizadas entre componentes metálicos pelas
indústrias automotivas, aeroespaciais, aeronáutica, ferroviária e aplicações da engenharia civil
principalmente em virtude da facilidade que oferece na montagem e inspeção (DE
BENEDETTI et.al, 2007; DRAVID et. al, 2014; LAW et.al, 2004; OLMEDO; SANTIUSTE,
2012).
Para Duthinh (2000) durante certo período houve relutância na utilização de ligações
parafusadas em membros de PRF por causa das perfurações para a realização de furos nos
laminados, por receio de cortar as fibras causando delaminações. Em virtude disso
pesquisadores vêem desenvolvendo métodos de projetos de junta mais apropriados para PRF,
o que não ocorre com muitos materiais isotrópicos que exibem certa plasticidade que aliviam
as concentrações de tensão diminuindo seus efeitos nestas regiões.
Sanjay (2002) classifica as configurações de junta como junta simples “single lap joint”,
juntas duplas “double lap joint” e juntas de topo “butt joints” conforme figura 12.
22
Figura 12: Tipos de juntas mecânicas, a) juntas simples b) junta dupla e c) junta de
topo.
Fonte: SANJAY, 2002
Assim como qualquer processo utilizado para unir peças as ligações mecânicas apresentam
vantagens e desvantagens que são apresentadas na tabela 3, a seguir.
Tabela 3: Vantagens e Desvantagens das ligações mecânicas
Vantagens Desvantagens
Permite desmontagem sem causar danos às partes
envolvidas.
Permite desmontagem acidental sem as devidas precauções.
Apresenta facilidade de manutenção, serviço, reparações,
aprimoramentos, descarte final e portabilidade.
Concentração de tensão nas regiões em que são introduzidos
os fixadores (parafusos, rebites e pinos).
Permite movimento intencional (com certo grau de
liberdade) em estruturas dinâmicas.
Alguns materiais não suportam regiões com concentração de
tensões com perda de eficácia ou falha das partes.
Não altera a composição e micro-estrutura do material. Permitem à introdução de fluidos (umidade, água e ar), esses
vazamentos podem acelerar a corrosão.
Permite a união entre materiais fundamentalmente diferentes
uns dos outros.
A tensão aplicada para a montagem de alguns fixadores
mecânicos pode ser elevada para evitar o afrouxamento da
ligação em serviço.
a)
b)
c)
23
Fornece meio de transferir integridade estrutural com
tolerância a danos.
Os fixadores mecânicos pode adicionar peso quando
comparados com outros processos de união.
Envolve pouca ou nenhuma preparação especial das juntas. Alguns métodos de fixação mecânica (instalação dos
parafusos) podem ser difíceis de serem automatizados.
Custo relativamente baixo e requerendo apenas habilidade
limitada do operador.
A eficiência das juntas para a maioria dos métodos é alta.
Fonte: MESSLER, 2004
Dentre essas vantagens apresentadas por Messler (2004) as que mais favorecem as atividades
industriais e por isso, muito enfatizadas por diversos autores são a facilidade de montagem,
desmontagem, inspeção para fins de manutenção, o fato de não ser necessário à preparação
prévia da superfície para a utilização dessas ligações e o baixo custo (OLMEDO,
SANTIUSTE, 2012; ROSALES et. al, 2005; SRINIVASA et al., 2009; ASHRAFI et al.,
2012; TSOUVALIS, KARATZAS, 2011).
Estudos vêem sendo desenvolvidos nas investigações do impacto das ligações parafusadas em
compósitos PRF. Tang et.al (2014) investigou as propriedades mecânicas e mecanismos de
falha de juntas parafusadas em compósitos reforçados com fibras trançadas de carbono-
carbono (C-Cs) numericamente e experimentalmente. Tentou encontrar uma correlação entre
o ensaio experimental e o modelo numérico através do Método dos Elementos Finitos (MEF).
Primeiramente as propriedades mecânicas das juntas e mecanismos de falha foram obtidos
através de experimentos. Experimentalmente caracterizou os mecanismos de falha das juntas
simples unicamente parafusada (SUP), com um parafuso, e juntas simples multi parafusadas
(SMP), com dois parafusos, para fornecer dados suficientes a projetos de juntas em larga
escala. Foram fixados os valores de espessura (t) igual 5 mm, diâmetro do furo (D) igual 10
mm e L = 150 mm. Para as juntas SUP foram variados a largura (W) e a distância da boda ao
centro do furo (e) nas seguintes relações W/D = 3 e e/D = 3. Para as juntas SMP foram
utilizadas as seguintes relações W/D = 3; e/D = 3 e p/D = 2, sendo p a distância entre
parafusos. Os efeitos do parâmetro de geometria, através da variação desses parâmetros, o
modo de falha e as propriedades mecânicas das juntas foram analisados através de modelo
numérico. Concluiu-se que as cargas de falha das juntas analisadas previstas pelo MEF foram
próximas dos valores experimentais, porém os valores numéricos foram ligeiramente maiores
que o experimental, provavelmente devidos a defeitos de fabricação dos compósitos que não
foram considerados na simulação numérica.
24
Yun et.al (2014) avalia a resistência de juntas dupla “double lap” multi parafusadas (DMP)
(com cinco parafusos) em compósitos carbono/epóxi experimentalmente e utilizando análise
numérica por MEF. Experimentalmente foram produzidos e analisados dois grupos de DMP
com diferentes seqüência de empilhamento [0/45/0/-45/90/0/90/]s e [0/45/0/-45/90/0/-
45/0/45/0/90/0]s com espessura de 2 mm e 3 mm.
Wankhade; Jadhao (2014) examinou a distribuição de tração e de tensão de esmagamento de
juntas parafusadas single lap em dois tipos de materiais: compósitos de fibras de vidro e
placas de aço leve com um e quatro parafusos usando a análise numérica através do MEF. Os
resultados mostraram que a tensão de tração e de esmagamento é menor para os compósitos
laminados quando comparado com o aço e que a redução de peso da esrtutura favorece
também os compósitos reforçados com fibras de vidro. Concluiu-se também que a
concentração de tensão dos compósitos laminados foram menores que as apresentadas pelo
aço o que favorece a resistência da estrutura.
Turvey; Wang (2007) investigou experimentalmente os efeitos da temperatura e da umidade
nas falhas das juntas simples “single lap” unicamente parafusadas de compósitos reforçados
com fibras de vidro na resistência do material. Observou-se a redução da capacidade de carga
das juntas devidos as condições de temperatura e umidade, houve uma perda de resistência à
carga de tração de 60%, nas juntas de tração de juntas SUP submetidas à submersão de 65
semanas em água e 60ºC de temperatura.
Valente (2012) investigou os danos causados na furação de compósitos reforçados com fibras
de vidro e a influência na capacidade de resistência estrutural. Foram estudados dois métodos,
o de furação convencional, furo simples com broca no eixo axial e o de furação por orbital,
em que o furo é executado radialmente. Concluiu que a furação por orbital apresentou uma
delaminação inferior à furação convencional. Para a medição da extensão da deliminação
presente no material foram utilizados dois métodos para aquisição das imagens: a radiografia
e a inspecção ultra sônica (C-Scan).
2.6.1. Escolha dos Fixadores
Fixadores mecânicos consistem em dispositivos mecânicos complementares que são
utilizados para inter travar macroscopicamente dois ou mais elementos causando interferência
em cada elemento que compõe a junta para transferir carga de um elemento ao outro em
cisalhamento ou em tração. Sua finalidade é manter as partes ou elementos estruturais com
bom arranjo, proximidade e orientação para permitir que a estrutura global possa exercer suas
25
funções sem separação indesejada, ou no extremo, a desmontagem. Os tipos de fixadores
utilizados para compósitos são os mesmos utilizados para materiais monolíticos como é o
caso do aço, porém, com algumas especificações (MESSLER, 2004).
Os parafusos auto- perfurantes são pouco utilizados em PRF, pois, tendem a puxar e remover
a fibra da matriz, que são responsáveis pela resistência do compósito já que a matriz possui
baixa resistência. Os rebites com tamanho maior que o normal nas extremidades são
empregados para distribuir carga e evitar o fluxo frio. Os parafusos de grandes diâmetros são
utilizados amplamente com porcas ou com anilhas e muitas vezes com buchas e inserções,
para evitar o fluxo frio através do aperto, tensões e força de embutimento. Os pinos são
usados geralmente com inserções no furo, buchas e mangas para evitar o fluxo frio induzido
por embutimento. Na figura 13 esses fixadores são ilustrados.
Figura 13: Intertravamento por meio de a) rebite, b) parafusos e c) pinos.
a) b) c)
Fonte: MESSLER, 2004; SANJAY, 2002
2.6.2. Modos de falhas nas juntas mecânicas
Os modos de falhas em juntas de compósitos poliméricos reforçados com fibras são
semelhantes às apresentadas às ligações metálicas, podendo ocorrer à falha por: falha por
tração, falha por cisalhamento, falha por embutimento, falha por clivagem e falha por pull-
out. Sendo os dois últimos modos de falha falhas específica em materiais compósitos
(DUTHINH, 2000; MESSLER, 2004). Já para LIE et al., 2000 Os fixadores mecânicos
fornecem o principal meio para transferência de carga entre os componentes do compósitos,
porém criam regiões de concentração de tensão que conduzem a modos de falhas: net-section
tension, bearing e shear-out nos compósitos. Os mecanismos de falhas em PRF dependem do
tipo de reforço e orientação das fibras, tratamento da superfície, projeto de junta, qualidade do
26
furo e tipo de matriz (MESSLER, 2004). Na figura 14 se encontramos modos de falhas
apresentados por Duthin, 2000 em CPRF que serão adotados neste trabalho.
Figura 14: Modos de Falha em CPRF
Fonte: DUTHINH, 2000
2.6.3. Parâmetros geométricos da ligação
Conforme Sanjay (2002) existem alguns fatores que afetam a resistência de uma junta
mecânica tais como, relacionados com a produção do compósito, a orientação das fibras, ou
seja, a seqüência de empilhamento e a natureza das fibras. Qualidade da furação para fixação
dos conectores, aspecto relacionado com à delaminação existente no furo. Força aplicada no
aperto do conector e por fim os parâmetros que serão estudados neste item os parâmetros de
junta (diâmetro de furo e distância do centro e a borda).
Os parâmetros geométricos das ligações mecânicas unicamente parafusadas deste trabalho
serão baseados nas normas ASTM D 5961/D e ASTM D 5961 M-10 conforme ilustração na
figura 15.
27
Figura 15: geometria da junta single lap unicamente parafusada
Fonte: ASTM D 5961/D e ASTM D 5961 M-10, 2003
Sendo,
e: distância do centro do parafuso e a borda livre (distância longitudinal às bordas)
W: Largura
L: Comprimento
D: diâmetro do furo
d: diâmetro do parafuso
t: espessura
28
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste item serão descritos as atividades experimentais desenvolvidas, assim como os
materiais, ensaios e equipamentos que serão utilizados para alcançar os objetivos deste
trabalho. O procedimento experimental desta pesquisa será constituído em quatro etapas,
sendo a primeira a produção dos compósitos laminados a partir de tecido unidirecional de
sisal, confeccionado em máquina de tear manual, impregnado por resina termofixa poliéster
através de moldagem por infusão a vácuo, e variação da orientação das laminas de tecido. A
segunda etapa consiste na caracterização mecânica do material, através de corpos de prova
denominado grupo referência, através de ensaio de tração com extensiometria para obtenção
do módulo de elasticidade longitudinal (E11), do módulo de elasticidade transversal (E12), do
coeficiente de poisson e do amortecimento e análise da superfície através da Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV). A terceira etapa analisará os efeitos da presença de furos nos
compósitos, através de caracterização mecânica por ensaio de tração, a utilização do MEV
permitirá a identificação dos possíveis danos da presença de furos no material e a análise de
tensões identificará as áreas que houve predominância de concentração de tensão. A quarta
etapa serão analisados os efeitos da variação dos parâmetros geométricos de ligação (W/D e
W/e) das ligações mecânicas parafusadas nos compósitos através do ensaio de tração. O
fluxograma do procedimento experimental deste trabalho pode ser visualizado na figura 16.
29
Figura 16: Fluxograma experimental
Fonte: O Autor
30
2.7. REFORÇO - TECIDO DE SISAL
O tecido de sisal utilizado como reforço para a matriz polimérica, utilizado neste trabalho,
será o tramado do tipo simples (TSI) desenvolvido por Caldas (2014). A confecção do tecido
está sendo realizada no laboratório Timoshenko da UFBA, utilizando-se de um tear manual
para o entrelaçamento dos fios de sisal. No tipo TSI os fios de sisal (trama) passam
alternadamente por cima e por baixo da linha de algodão (urdume) conforme figura 17.
Figura 17: a) Desenvolvimento do tecido (TSI) em tear manual e b) alinhamento dos
fios de sisal no tecido (TSI)
a) b)
Fonte: O autor, 2014.
O tecido está sendo desenvolvido com fios naturais de sisal fornecido pela Hamilton Rios
Indústria Comércio e Exportação Ltda, com titulação de 700 m/Kg, produzido a partir da fibra
de sisal “in natura” (figura 18).
Figura 18: Fio de sisal natural 700 m/Kg .
Fonte: O autor, 2014.
31
2.8. MATRIZ: RESINA TERMOFIXA INSATURADA DE POLIÉSTER
A matriz utilizada na conformação do compósito deste trabalho será uma resina de poliéster,
tixotrópica, insaturada, pré-acelerada, e de baixa viscosidade, obtida parcialmente a partir de
matérias-primas de fontes renováveis de ciclo curto e matérias-primas oriundas de pós-uso,
fornecida pela ELEKEIROZ Ltda, a BIOPOLI BP 290 - 35. Será utilizado como catalisador o
peróxido de metil etil cetona (MEKP) em uma proporção de 1% em peso da resina.
2.9. CONFORMAÇÃO DOS COMPÓSITOS
Os compósitos serão moldados por infusão a vácuo, em dispositivo que está sendo
desenvolvido no laboratório Timoshenko, composto por duas placas de acrílico de 50 cm x 50
cm que serão separadas por silicone para fins de vedação. Foram feitas duas aberturas de
acesso às mangueiras para entrada de resina e saída do vácuo, localizadas nas diagonais de
uma das placas de acrílico (figura 19).
Figura 19: Desenvolvimento de dispositivo para infusão a vácuo.
Fonte: O autor, 2014.
Será utilizado álcool desmoldante em líquido para facilitar a desmoldagem das placas dos
laminados após a cura, evitando, assim, a adesão entre o compósito e a placa de acrílico.
Os tecidos de sisal “in natura” (TSI) serão cortados em dimensões de 30 cm x 30 cm e serão
utilizadas quatro camadas para a conformação do compósito, segundo as seguintes
orientações de configurações do laminado: [0º/0º/0º/0º]; [0º/±45º/0º] e [0º/90º/90º/0º]. O
tempo de moldagem será limitado em função do tempo de gel (tgel) do poliéster.
32
2.10. CARACTERIZAÇÃO DOS COMPÓSITOS
O ensaio de tração seguirá as diretrizes da norma ASTM D 3039, realizado na máquina de
ensaio universal EMIC DL 2000 (figura 20), com as seguintes condições: célula de carga SV
com capacidade de 2 toneladas, velocidade de ensaio 2 mm/min velocidade de retorno 200
mm/min, comprimento de base de 200 mm. Serão ensaiados 6 corpos de prova para cada
amostra com dimensões de 254 mm x 25,4 mm.
Figura 20: máquina de ensaio universal EMIC DL 2000
Fonte: O autor, 2014.
2.11. EFEITOS DOS FUROS
As amostras de CPRTS com as seguintes orientações dos tecidos: [0º/0º/0º/0º]; [0º/±45º/0º] e
[0º/90º/90º/0º] com furos concêntricos de 10 mm (figura 21) serão analisadas segundo ensaio
de tração para se identificar os efeitos da furação na resistência desses materiais.
Figura 21: Esquema dos furos concêntricos em corpos de prova.
Fonte: O autor, 2014.
33
Para as análises da morfologia das regiões próximas ao furo serão utilizadas as imagens
geradas pelo MEV.
2.12. COMPORTAMENTO DAS LIGAÇÕES MECÂNICAS PARAFUSADAS
A geometria e o ensaio segue a norma ASTM sandard D5961/D 5961M-10. Para as amostras
do tipo junta sigle lap unicamente parafusada serão analisadas as seguintes relações
geométricas: W/D = 2, W/D = 4 e W/D = 6 e e/D = 2, e/D = 4 e e/D = 6. Foram fixados os
seguintes parâmetros: t = 5 mm referente à quantidade de laminas (quatro) adotada para a
confecção do laminado, L = 254 mm e D = 10 mm. Na figura 22 se encontra o diagrama
esquemático dos parâmetros que serão analisados. Todas essas amostras serão ensaiadas sob
tração, na máquina de ensaio universal EMIC DL 2000.
Figura 22: Diagrama esquemático da ligação single lap unicamente parafusada
Fonte: O autor, 2014.
Sendo, e: distância do centro do parafuso a borda livre (distância longitudinal às bordas), W:
largura, L: comprimento, D: diâmetro do furo, d: diâmetro do parafuso e t: espessura.
Matriz - Poliéster
Reforço - tecido de sisal
W
L
e
D
d
t
34
4. VIABILIDADE E FINANCIAMENTO
O poliéster biodegradável foi fornecido pela empresa ELEKEIROZ. O tecido de sisal será
confeccionado nas dependências do laboratório Timoskhenko – UFBA. Os experimentos
serão realizados nos laboratórios da Escola Politécnica da UFBA, o Timoshenko.
A conclusão do projeto está estimada em 24 meses, sendo que 8 meses serão destinados a
revisão bibliográfica e 8 meses para execução de ensaios em laboratório e 8 meses análises
de resultados e conclusões.
35
CRONOGRAMA FÍSICO FINANCEIRO
ANO I ANO II
ITEM ATIVIDADES 1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Revisão Bibliográfica x x x x x x
2 Revisão Bibliográfica x x
3 Ensaios em Laboratório
4 Ensaios em Laboratório x x x X
5 Tratamento de dados e análise de
resultados
x x x x X x x x
6 Produção Textual x x x x x x x x x x x x x x x X x x x x X x x x
7 Apresentação de Seminário x
8 Qualificação x
9 Defesa do Projeto x
36
5. RESULTADOS ESPERADOS
Após confecção dos corpos de prova sem e com ligações e realizados os ensaios de tração,
espera-se caracterizar o comportamento mecânico e os modos de falhas característicos dos
corpos de prova submetidos às ligações mecânicas. Pretende-se estabelecer estudos
comparativos para uma melhor compreensão do comportamento do material estudado e
possibilitar a definição de parâmetros que possam viabilização do uso de conexões mecânicas
em CPRTS e utilização deste material para utilização em larga escala na construção civil.
37
6. REFERÊNCIAS
AGARWAL, B.D.; BROUTMAN L.J.; CHANDRASHEKHARA, K. Analysis na
performance of fiber composites. Editora: Terceira edição. Canadá, 2006.
ALVES, M.O; SANTIAGO, E.G. Tecnologia e Relações Sociais de Produção no Setor
Sisaleiro Nordestino. Artigo. Ribeirão Preto, 2005.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D3039 / D3039M –
95a. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite
Materials.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D5961 / D3039M –
03a. Standard test method for bearing response of polymer matrix composite laminates.
ANDRADE, R.; OMELAS, J. ; BRANDÃO, W. Situação atual do sisal na Bahia e suas
novas possibilidades de utilização e aproveitamento. Artigo. 2011.
ASHRAFI, M.; AJDARI, A.; RAHBAR N., PAPADOPOULOS, J., NAYEB-HASHEMI, H.;
VAZIRI, A. Adhesively bonded single lap joints with non-flat interfaces. Int. J. Adhes.,
v.32, p.46–52.
BALZER, P.S. Estudo das Propriedades Mecânicas de um Composto de PVC
Modificado com Fibras de Bananeira. Polímeros: Ciência e Tecnologia, Vol.17, Nº 1, p.1-
4, 2007.
BARBOSA, F. M. Propriedades do sistema epoxídico DGEBA/TETA modificado com
fibras naturais de bagaço de cana-de-açúcar. Dissertação de Mestrado - Universidade
Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, 2010.
BLEDZKI, A. K.; GASSAN, J. Composites Reinforced with Cellulose Based Fibres,
38
CALDAS, B. G. S. Estrutura Sanduíche de Matriz Poliéster Reforçado com Tecido de
Sisal Conformado por Infusão a Vácuo. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental
e Urbana - UFBA, Salvador, 2014.
CALLISTER, W. D. Jr. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Editora:
LTC, oitava edição. Rio de Janeiro, 2012.
CARVALHO, J. M. F. C.; PINHEIRO, M. P. N.; SILVA, D. M. S. Otimização da
multiplicação de bulbo de sisal in vitro. Embrapa Algodão - Circular Técnica, 107.
Campina Grande, 2007.
CARVALHO, R. F. Compósitos de fibras de sisal para uso em reforço de estruturas de
madeira. Tese de doutorado apresentada à área interunidades em Ciência e Engenharia de
Materiais da USP, Escola de Engenharia de São Carlos, Instituto de Física de São Carlos e
Instituto de Química de São Carlos. São Carlos, 2005.
CASTRO, B. F. M. Estudo e Caracterização Mecânica de Compósitos Reforçados com
Fibras Naturais. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica – Instituto Superior de
Engenharia do Porto, 2013.
CERCHIARO, J. R. Comportamento mecânico de compósitos com poliéster e tecidos de
sisal por moldagem manual. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental e Urbana -
UFBA, Salvador, 2010.
CIULIK, C. B. Modificação química de celulose para utilização em mistura com
polietileno de alta densidade. Dissertação para pós-graduação em Química - UFP. Paraná,
2010.
DE BENEDETTI, M.; GAROFALO, G.; ZUMPANO, M.; BARBONI, R. On the damping
effect due to bolted junctions in space structures subjected to pyro-shock. Acta
Astronaut, v.60, p.543-552, 2007.
39
DRAVID, S.; TRIPATHI, K.; CHOUKSEY, M. Role of Washers in Controlling loosening
of Full Threaded Bolted Joints. Procedia Technology, v. 14, p. 543 – 552, 2014.
DUTHINH, D. Connections of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Structural Members: A
Review of the State of the Art, United States Department of Commerce Technology
Administration (NISTIR 6532), 2000.
ELEKEIROZ Ltda. Disponível em: < // http//: www.elekeiroz.com.br > acesso em setembro
de 2014.
HILL, C.; HUGHES, M. Natural fibre composites: Opportunities and challenges.
Biobased Mater. Bioenergy, Vol. 4, No. 2 1556-6, 2010.
HOA, S.V. Principles of the Manufacturing of Composite Materials. Editora: DEStech
Publications, Inc. Canadá, 2009.
HOLLAWAY, L.C. The evolution of and the way forward for advanced polymer
composites in the civil infrastructure, Construct. Build. Mater., 17:365, 2003.
JOHN, M. J.; THOMAS, S.; Biofibers and biocomposites.Carbohydrate Polymers, v.71,
p.343–364, 2008.
Jr. MESSLER, R. W. Joining of Materials and Structures – From Pragmatic Process to
Enabling Technology. Editora: Elsevier Inc., USA, 2004.
LAW, S.S.; WUB, Z. M.; CHAN, S. L. Joint vibration control study of a suspension foot
bridge using hybrid slotted bolted connection elements. Engineering Structures, v.26,
p.107-116, 2004.
LEÃO, M.A; AQUINO, E. M. F; TINÓ, S. R. L.; FONTES, R. S. Licuri Fibers: Alternative
Reinforcement to Polymeric Composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites.
Vol. 11, Nº6, p. 516-523, 2011.
40
LIE, S. T.; YU, G.; ZHAO, Z. Analysis of mechanically fastened composite joints by
boundary element methods. Composites: Part B, v.31, p.693-705, 2000.
MALLICK, P. K. Fiber-Reinforced Composites – Materials, Manufacturing, and Design.
Editora: Taylor & Francis Group, LLC, 2008.
MANO, E. B.; NUNES, R. C. R. Compósitos. Rev. Quim. Industrial, v. 59, n. 68, p. 19-20,
1990. Rio de Janeiro.
MENDES, H. A Construção Civil e seu Impacto no Meio Ambiente. Disponível em: <
http: // greendomus.com.br >, publicado em março, 2013.
OLMEDO, A.; SANTIUSTE, C. On the Prediction of Bolted Single-Lap Composite
Joints. Composites Structures, v. 94, p. 2110-2117, 2012
OSBORNE, T. An Introduction to vacuum infusion. Reinforced Plastics Magazine, 2014.
PADILHA, A. F. Materiais de Engenharia – microestrutura e propriedades. Editora:
HEMUS. Curitiba, 2000.
PARDINI, L. C. Compósitos Estruturais: Ciência e Tecnologia. São Paulo, SP: Edgard
Blücher, 2006.
REZENDE, M.C.; COSTA, M.L.; BOTELHO, E.C. Compósitos Estruturais – Tecnologia e
Prática. Artliber Editora, São Paulo, 2011.
ROSALES I.F., FELLOWS N.A., DURODOLA J.F. Experimental evaluation of the effect
of clamping force and hole clearance on carbon composites subjected to bearing
ROWELL, ROGER M.; HAN, JAMES S.; ROWELL, JEFFREY S. Characterization and
Factors Effecting Fiber Properties. in: Natural Polymers and Agrofibers Composites. São
Carlos, 2000.
41
SANJAY K. M., Composite Manufacturing, Materials, Product and Process
Engineering. CRC Press LLC, 2002
SPINACÉ, M. A. S.; JANEIRO, L. G.; BERNARDINO, F. C.; GROSSI, T. A., PAOLI, M.
A. D. Poliolefinas Reforçadas com Fibras Vegetais Curtas: Sisal vs. Curauá. Polímeros,
Vol.21, Nº 3, p.168-174, 2011.
SRINIVASA D.T., FINEGAN J., RONALD F.G. Mechanics of mechanically fastened
joints in polymer–matrix composite structures – a review. Composite Science
Technology, v.69, p.301–29, 2009.
TANG, Y.; ZHOU, Z.; PAN, S.; XIONG, J.; GUO, Y. Mechanical property and failure
mechanism of 3D Carbon–Carbon braided composites bolted joints under
unidirectional tensile loading. Materials and Design, v. 65, p. 243-253, 2014.
THOMAS, N. I. R. Compósitos de Poliéster Reforçados com Tecidos de Fibras de Licuri
Tratadas para a Construção Civil. Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental e
Urbana - UFBA, Salvador, 2011.
TSOUVALIS, N.G.; KARATZAS, V.A. An investigation of the tensile strength of a
composite-to-metal adhesive joint. Appl. Compos. Mater., v.18, p.149–63, 2011. TURVEY,
G. J.; WANG, P. Failure of Pultruded GRP Single-Bolt Tension Joints under Hot–Wet
Conditions, Composite Structures, v. 77, p.514-520, 2007.
UNITED NATIONS ENVIRONMENT PROGRAMME – UNEP. Disponível em: <http://
www.unep.org.> acesso em novembro, 2014.
VALENTE, P. A. L. Juntas Mecânicas em Material Compósito. Dissertação de Mestrado
em Engenharia Mecânica - UFBA, Lisboa, 2012.
versus bypass loading. Composite Structures, v.93, p.1096–102, 2011.
WANKHADE, A. P.; JADHAO, K. K. Design and Analysis of Bolted Joint in Composite
Laminated. International Journal of Modern Engineering Research, v. 4, p. 20 a 24, 2014.
42
WESTMAN, M. P.; FIFIELD, L. S.; SIMMONS, K. L.; LADDHA, S. G.; KAFENTZIS, T.
A. Natural Fiber Composites: A Review. United States Department of Energy under
Contract DE-AC05-76RL01830, 2010.
YAHO, L.; ALDERLIESTEN, R.; ZHAO, M.; BENEDICTUS, R. Bridging effect on mode
I fatigue delamination behavior in composite laminates. Composites: Part A, 63, p. 103-
109, 2014.
YUN, J. H.; CHOI, J. H.; KWEON, J. H. A study on the strength improvement of the
multi-bolted joint. Composite Structures, v.108, p. 409-416, 2014.