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ANÁLISE DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE PERFIS RETANGULARES DE MADEIRA PLÁSTICA.... 47

ANÁLISE DO COMPORTAMENTOMECÂNICO DE PERFIS RETANGULARES

DE MADEIRA PLÁSTICA(WOOD PLASTIC COMPOSITE)

Julio Cesar MolinaMarcelo Rodrigo Carreira

Carlito Calil JuniorDepartamento de Engenharia de Estruturas, EESC-USP,

e-mails: [email protected], [email protected], [email protected]

ResumoNo Brasil, o uso de perfis de madeira plástica vem ganhando espaço no cenário da construção civil. Esse material éformado basicamente pela mistura de madeira, materiais plásticos recicláveis e fibras vegetais, cujo produto finalapresenta características visuais semelhantes à madeira convencional. Neste artigo analisa-se o comportamento deperfis de madeira plástica através de ensaios de caracterização. São determinados os valores do módulo de elasticidadena flexão, das resistências à compressão, à tração e ao cisalhamento, além da densidade do material que compõe osperfis. Os resultados apresentados mostram que a madeira plástica analisada é uma boa alternativa técnica, principalmentecom relação às solicitações de tração normal e cisalhamento, quando comparada com as madeiras sólidas de coníferase folhosas listadas na norma brasileira de madeiras NBR 7190/1997, podendo assim ser utilizada em diversas aplicações.

Palavras-chave: madeira plástica, ensaios de caracterização, resistência do material.

IntroduçãoCom os avanços tecnológicos e a competitividade

do mercado torna-se necessária a busca de melhorias naqualidade dos produtos industrializados, destinados àconstrução civil. Nesse cenário, voltado para a modernidadee maior qualidade dos materiais, observa-se que a tecnologiatem ampliado a gama de novos produtos derivados damadeira, seja em diferentes formas ou na combinaçãocom outros materiais, associada à busca de benefíciosambientais, mas sempre visando ao melhor desempenhodo produto para o fim a que se destina. A madeira plástica,também conhecida no meio técnico como wood plasticcomposite, corresponde a uma dessas tecnologias e, segundoseus fabricantes, pode-se dizer que é um produto modernoe ecologicamente correto. Trata-se de um composto queenvolve duas ou mais matérias-primas, originado da misturade madeira, materiais recicláveis como resíduos de diversostipos de plásticos e fibras vegetais. Essa mistura é obtidaa partir da utilização de tecnologia industrial. Desse processoresultam peças que podem imitar e, em alguns casos,substituir a madeira natural, reduzindo o corte de árvorese permitindo o uso de resíduos, contribuindo, neste segundocaso, para a limpeza do meio ambiente. A madeira plásticaé comercializada na forma de perfis com seções transversaiscom tipos e dimensões diferenciadas, podendo apresentarcaracterísticas diferentes de um fabricante para outro.As propriedades físicas e mecânicas dos perfis de madeira

plástica dependerão da quantidade de resíduos, fibrasvegetais e de madeira utilizada em sua composição. Portanto,a madeira plástica nasce e se desenvolve como produtoda preocupação com o meio ambiente. É importante ressaltarque esse material já é utilizado em outros países,principalmente nos EUA.

Principais Características, Vantagens eAplicações da Madeira Plástica

Segundo Tavares et al. (2007), a madeira plásticapode ser cortada, pregada, parafusada e fixada a partirda utilização de resinas epóxi. Apresenta algumas vantagensem comparação com a madeira serrada convencional:não racha, não solta ferpas, é resistente a corrosão, éimune a pragas, cupins e roedores, não requer elementosde proteção como vernizes e seladores e pode ser limpacom água e sabão. Além disso, a madeira plástica apresentaexcelente performance em ambientes úmidos por nãoabsorver umidade. Nesse contexto, observa-se que, noâmbito da construção civil, a madeira plástica podeser perfeitamente utilizada como elemento de sustentação,decks, pallets, entre outras aplicações como formas,móveis, batentes, portões e cercas. A madeira plástica,de maneira geral, é recomendada para estruturas quenecessitem de praticidade, resistência e pouca manutenção.Na Figura 1 estão apresentadas algumas aplicações damadeira plástica.

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Os ensaios de caracterização apresentados nesteartigo foram realizados em perfis de madeira plásticano Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeirasda Escola de Engenharia de São Carlos da Universidadede São Paulo (EESC-USP). Os referidos perfis foramfornecidos pela empresa Deutschsul Ecowood Indl Ltda.A partir dos ensaios de caracterização realizados, foramdeterminados os valores médios das seguintes propriedadespara o material analisado: módulo de elasticidade (MOE)na flexão na direção de menor inércia do perfil, resistênciamédia à compressão (fc0) na direção longitudinal doperfil, resistências à tração (ft0 e ft90) para as duas maioresdireções ortogonais do perfil, resistências ao cisalhamento(fv0, fv90 e fvh) nas três direções ortogonais do perfil edensidade (ñ) do material. Os valores característicosde resistência também foram determinados para cadacaso analisado. Os resultados apresentados neste artigoenriquecerão a literatura nacional sobre o assunto que,atualmente, no Brasil, encontra-se em fase de desen-volvimento.

Materiais e MétodosTodos os ensaios de caracterização do material foram

realizados em um total de seis amostras retiradas de seisperfis de madeira plástica, de seção transversal retangular,com dimensões de 25 mm × 100 mm e comprimento de3000 mm. Os detalhes dos referidos perfis, com suasdimensões reais, estão apresentados na Figura 2.

Segundo a empresa Deutschsul Ecowood Indl Ltda.,fornecedora dos perfis de madeira plástica analisadosneste artigo, os materiais utilizados na composição dosmesmos são serragem, polímeros de polietileno,polipropileno, poliestireno e outros com característicassemelhantes na ordem de 60% a 70%, agregados a umacarga vegetal (casca de arroz) na ordem de 30% a 40%,produzidos termoplasticamente por alta pressão. A massaoriunda do processo é comprimida com até 1000 kg/cm2 em um molde para dar a forma desejada ao perfil. Omolde, uma vez preenchido, passa para a fase deresfriamento, na qual se obtém a termofixação das moléculas,tendo-se assim um perfil formado e estável.

Execução dos ensaios e equipamentos utilizadosPara a condução dos ensaios de flexão estática, de

compressão, de tração na direção da largura “b” da seçãotransversal (conforme indicado na Figura 4) e decisalhamento nas três direções ortogonais do perfil, foiutilizada a máquina AMSLER, com capacidade de 25kN (2500 kgf).

As medidas das flechas, no meio dos vãos dasamostras, nos ensaios de flexão estática, foram feitascom um transdutor de deslocamento (relógio comparador)com precisão de 0,01 mm e percurso máximo de 50 mm.

Os ensaios de tração, na direção longitudinal dosperfis, foram realizados na máquina METRIGUARD,com capacidade de 80 kN (8000 kgf).

a) Pallets industriais b) Deck para piscina c) Móveis para áreas externas

Figura 1 Exemplos da aplicação da madeira plástica. Fonte: Tavares et al., 2007.

a) Perfis de madeira plásticafornecidos para caracterização

b) Detalhes da seção transversaldos perfis e textura do material

Figura 2 Perfis de madeira plástica com dimensões 25 × 100 × 3000 mm para os ensaios de caracterização.

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Para a determinação da densidade do material utilizou-se uma balança eletrônica de precisão, da marca ACATEC,com capacidade de 3x10-2 kN (3 kgf). As medidas dasdimensões das amostras para cada um dos diferentes ensaiosrealizados foram efetuadas com utilização de um paquímetrodigital, da marca MITUTOYO, com percurso máximode 15 cm e também a partir da utilização de uma trenamétrica.

Os valores de referência para as amostras dos ensaiosde caracterização da madeira plástica foram determinadospreviamente a partir de ensaios em amostras gêmeas,como sugerido pela norma de madeiras NBR 7190/1997.

Ensaios de flexão estáticaInicialmente, verificou-se a possibilidade de

determinação do módulo de elasticidade (MOE) na flexão,a partir do ensaio não destrutivo de vibração transversal.No entanto, observou-se, neste caso, que a frequênciade vibração do perfil de madeira plástica não atingiu ovalor mínimo necessário para a determinação do referidomódulo, inviabilizando o ensaio. A opção inicial peloensaio de vibração transversal, na determinação do módulode elasticidade do material, teve por principal objetivoa estimativa preliminar do referido parâmetro, a partirda consideração das dimensões originais do perfil 25 x100 × 3000 mm e da grande flexibilidade do materialanalisado.

O módulo de elasticidade (MOE) foi posteriormenteobtido por meio do ensaio de flexão estática, sendo que

Figura 3 Detalhes do ensaio de vibração transversal do perfil com dimensões originais 25 × 100 × 3000.

a) Esquema geral do ensaiode vibração transversal

b) Perfil biapoiado, posicionadopara o ensaio de vibração

c) Sistema de aquisição dedados do ensaio de vibração

os referidos ensaios, neste caso, foram realizados emamostras com dimensões aproximadas de 25 x 100 x 60mm. Essas dimensões foram admitidas para as amostrascom a finalidade de eliminar o efeito da deformação porcisalhamento na parcela total do deslocamento vertical(flecha) no meio do vão da amostra. Neste caso, a distânciaentre os apoios da amostra foi de aproximadamente vintevezes a altura do perfil. O carregamento, no ensaio deflexão estática, concentrado no meio do vão, foi aplicadoa uma taxa de 10 MPa/min, conforme indicações da NBR7190/1997. O módulo de elasticidade (MOE), para o ensaiode flexão estática, foi obtido a partir da equação (1).

(1)

em que:ΔP = variação da carga concentrada aplicada no meiodo vão;L = distância entre apoios;Δf = variação da flecha no meio do vão;I = momento de inércia da seção transversal da amostra(b × h3/12, ver Figura 4).

Um esquema geral do ensaio de flexão estática,realizado para determinação do módulo de elasticidade(MOE), está apresentado na Figura 4. A distância “L”(correspondente à direção longitudinal do perfil), entreos apoios, considerada neste caso foi de 50 cm. A distânciaentre cada apoio da amostra e sua respectiva extremidadefoi de aproximadamente 10 cm.

h

b

Seção do perfil

P

Transdutor de deslocamento

L

Figura 4 Esquema geral do ensaio de flexão estática com carga aplicada no centro do vão da amostra.

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Durante os ensaios de flexão estática foramregistradas nove diferentes medidas de deslocamentovertical no meio do vão “L”, para cada uma das amostrasanalisadas, sendo essas medidas correspondentes a cadaum dos níveis de força “P” aplicados no ensaio. Aforça “P” máxima, aplicada neste caso, correspondeua 1429,60 N (142,9 kgf), e os deslocamentos verticais,

no meio do vão, foram medidos a cada 158,8 N (15,88kgf). As amostras utilizadas para a determinação domódulo de elasticidade, a partir dos ensaios de flexãoestática, e as amostras utilizadas para a determinaçãoda densidade do material foram as mesmas. As dimensõesobtidas para as referidas amostras estão apresentadasna Tabela 1.

a) Amostras para os ensaios deflexão estática com dimensões

25 x 100 x 60 mm

b) Aplicação da força e medida dosdeslocamentos verticais no meio do

vão da amostra

Figura 5 Detalhes das amostras utilizadas e da realização dos ensaios de flexão estática.

Tabela 1 Dimensões das amostras para os ensaios de flexão estática e densidade.

Tabela 2 Flechas obtidas nos ensaios de flexão estática para as forças “P” aplicadas.

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Ensaios de compressãoOs ensaios de compressão, na direção longitudinal

dos perfis, foram realizados em amostras com comprimentosaproximados de 75 mm (três vezes a altura h da seçãotransversal do perfil) e seção transversal com dimensõesaproximadas de 25 × 100 mm. A força de compressãofoi aplicada, neste caso, até a perda total de resistênciada amostra, o que caracterizou a sua ruptura. A resistênciaà compressão (fc0) foi obtida pela relação entre a forçade ruptura (Pc0), obtida no ensaio de compressão, e aárea (Ac0) da seção transversal da amostra.

Ensaios de traçãoOs ensaios de tração, na direção longitudinal dos

perfis, foram realizados em amostras com comprimentosaproximados de 2000 mm e seção transversal comdimensões aproximadas de 25 mm x 100 mm. O equi-

pamento utilizado no ensaio, neste caso, trabalhabasicamente por atrito e pressão, aplicados nas garrasdas amostras, de modo que a ruptura do material ficacondicionada à região central da amostra, como apresentadona Figura 7b. A resistência à tração (ft0), neste caso, foiobtida pela relação entre a força de ruptura (Pt0), obtidano referido ensaio, e a área (At0) da seção transversalconsiderada para a amostra.

Os ensaios de tração, na direção da largura “b” doperfil, foram realizados em amostras com áreas da seçãotransversal (At90) com trecho central cujas dimensõessão aproximadamente de 25 mm × 30 mm. A direçãoindicada na amostra da Figura 8a corresponde à direçãolongitudinal do perfil. A resistência à tração (ft90), nestecaso, foi obtida pela relação entre a força de ruptura (Pt90),obtida no ensaio de tração na referida direção, e a área(At90) da seção transversal considerada para a amostra.

(a) Equipamento utilizado no ensaiode tração das amostras analisadas

(b) Vista superior da amostra de 2000 mmposicionada para o ensaio de tração

Figura 6 Amostras utilizadas no ensaio de compressão na direção longitudinal do perfil.

Tabela 3 Dimensões e áreas das amostras para os ensaios de compressão longitudinal

Figura 7 Detalhes da realização do ensaio de tração na direção longitudinal do perfil.

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Tabela 4 Dimensões e áreas das amostras para os ensaios de tração longitudinal.

(a) Amostra utilizadano ensaio de tração na

direção “b” do perfil

(b) Detalhe do ensaiode tração na direção da

largura “b” do perfil

Figura 8 Detalhes da amostra utilizada e da realização do ensaio de tração na direção da largura “b”que é normal à direção longitudinal L do perfil.

Tabela 5 Áreas das amostras para os ensaios de tração na direção da largura “b”.

Determinação da densidadePara a determinação da densidade do material,

as amostras foram pesadas e suas dimensões medidas.Alguns detalhes da quantificação dos parâmetrosnecessários à determinação da densidade estão apresen-tados na Figura 9.

As densidades das amostras dos perfis foram obtidasa partir da equação (2).

(2)

em que m = massa da amostra; V = volume da amostra.

(a) Pesagem das amostras (b) Medida das dimensões das amostras

Figura 9 Quantificação dos parâmetros necessários à determinação da densidade do material.

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Tabela 6 Massas e volumes das amostras para determinação da densidade.

Ensaios de cisalhamentoOs ensaios de cisalhamento foram realizados

inicialmente em amostras com plano de seção de cortecrítica, na direção do comprimento “L” do perfil. A áreade corte (Av0) considerada foi de aproximadamente 10cm2. A resistência (fv0), neste caso, foi obtida pela relaçãoentre a força de ruptura (Pv0), obtida no respectivo ensaiode cisalhamento, e a área (Av0) do plano de corte consideradopara a amostra. Para a segunda direção ortogonal do perfil(direção “b”), perpendicular à direção longitudinal, aresistência ao cisalhamento (fv90) foi obtida pela relaçãoentre a força de ruptura (Pv90) obtida no ensaio de cisalhamento

a) Amostra para o ensaio nadireção longitudinal do perfil “L”

b) Amostra para o ensaio nadireção da largura “b”

c) Amostra para o ensaio nadireção da altura “h”

na referida direção e a área (Av90) do plano de corte nadireção da largura “b”, considerado, neste caso, para aamostra. Para a terceira e menor das três dimensões doperfil, correspondente à altura “h”, a resistência aocisalhamento (fvh) foi obtida pela relação entre a força deruptura (Pvh), obtida no ensaio de cisalhamento na direção“h”, e a área (Avh) do plano de corte considerado na direção“h”. Os detalhes das amostras utilizadas nos ensaios decisalhamento, para as três direções ortogonais do perfil,estão apresentados na Figura 10. Os detalhes dos ensaiosde cisalhamento em andamento, para as três direçõesortogonais do perfil, estão apresentados na Figura 11.

a) Cisalhamento da amostrana direção longitudinal L do perfil

b) Cisalhamento da amostrana direção b do perfil

b) Cisalhamento da amostrana direção h do perfil

Figura 11 Detalhes do ensaio de cisalhamento das amostras nas três direções ortogonais do perfil.

Figura 10 Detalhes da amostras para os ensaios de cisalhamento nas três direções ortogonais do perfil.

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Resultados e DiscussõesOs comportamentos das amostras, a partir das forças

aplicadas nos ensaios estáticos de flexão estática, estãoapresentados na Figura 12.

A madeira plástica analisada apresentou compor-tamento não-linear com grande deformabilidade na flexãoe, mesmo quando ultrapassado o estado limite de utilizaçãode L/200, dado para a madeira convencional segundo aNBR7190/1997, não foi observada ruptura do materialpor flexão. Além disso, o material analisado apresentoudeformação residual quando da retirada do máximocarregamento “P” aplicado na flexão.

O valor médio obtido para o módulo de elasticidadeda madeira plástica, nos ensaios de flexão estática, a partirda equação (1), foi de aproximadamente 1314 MPa.

O valor médio da resistência à compressão (fc0), nadireção longitudinal dos perfis de madeira plástica, foi deaproximadamente 40 MPa, sendo o valor característico (fc0k),neste caso, igual a 28MPa. As rupturas das amostras dosperfis de madeira plástica, ensaiadas na compressão, se derampor esmagamento na direção da aplicação da força.

O valor médio da resistência à tração (ft0), para adireção longitudinal dos perfis analisados, foi de aproxi-madamente 18,43 MPa. O valor da resistência característica(ft0k), neste caso, foi de aproximadamente 12,90 MPa. Paraa direção da largura “b” (perpendicular à direção longitudinal“L”), a resistência à tração (ft90) foi de aproximadamente14,13 MPa, sendo a resistência característica (ft90k) de 10,00MPa. Observou-se, para ambos os ensaios de traçãorealizados, ruptura frágil do material.

Tabela 7 Áreas do plano de corte das amostras para os ensaios de cisalhamento.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3

Flecha no meio do vão (cm)

Forç

aaplic

ada

(kgf) Amostra 01

Amostra 02

Amostra 03

Amostra 04

Amostra 05

Amostra 06

a) Deformação do perfil para aforça máxima aplicada no ensaio

b) Vista superior da amostraapós a retirada do carregamento

c) Deformação residual após aretirada do carregamento

Figura 12 Comportamentos das amostras dos perfis ensaiadas nos ensaios de flexão estática.

Figura 13 Detalhes das deformações das amostras obtidas a partir dos ensaios de flexão estática.

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Tabela 8 Forças de ruptura e resistências obtidas nos ensaios de compressão.

Figura 14 Detalhes do ensaio de compressão na direção longitudinal “L” do perfil.

Tabela 9 Forças de ruptura e resistências obtidas a partir dos ensaios de tração.

(a) Ruptura para solicitaçãode tração na direção

longitudinal L do perfil

(b) Ruptura para solicitaçãode tração na direção da

largura “b” do perfil

Figura 15 Modos de ruptura observados nos dois ensaios de tração realizados.

Tabela 10 Valores das densidades das amostras de madeira plástica ensaiadas.

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O valor médio, obtido para a densidade da madeiraplástica, foi de aproximadamente 930 kgf/m3.

Os resultados de resistência obtidos a partir dos ensaiosde cisalhamento para as três direções ortogonais dos perfisde madeira plástica estão apresentados na Tabela 11.

Os valores médios das resistências ao cisalhamento(fv0, fv90 e fvh) nas direções longitudinais, na largura “b”e na direção da altura “h” foram, respectivamente, de19,58 MPa, 17,32 MPa e 16,76 MPa, sendo os valorescaracterísticos (fv0k, fv90k e fvhk) correspondentes a cadauma dessas resistências de 13,71MPa, 12,12 MPa e 11,73MPa, respectivamente. A madeira plástica apresentouruptura dúctil para os três casos de cisalhamento analisados.

A resistência característica ao cisalhamento damadeira plástica foi praticamente homogênea para astrês direções ortogonais do material, com valor médiocaracterístico aproximado de 12,52 MPa.

A partir dos valores comparativos apresentadosnas Tabelas 12 e 13, e tomando por base a classe deresistência C20, tanto para as coníferas quando para asdicotiledôneas, observou-se que os valores característicosde resistência, obtidos para a madeira plástica, forammaiores na compressão e no cisalhamento. O valor médioobtido para a densidade da madeira plástica tambémfoi maior quando comparado aos valores fornecidospara as madeiras sólidas. Porém, o valor da densidadeestá relacionado com a resistência específica (resistência/peso) do material. Além disso, o valor médio obtido

para o módulo de elasticidade na flexão da madeiraplástica foi menor que o módulo de elasticidade médiodas coníferas e dicotiledôneas na direção das fibras dasmadeiras.

Considerações FinaisOs perfis de madeira plástica analisados apresentaram

elevada deformabilidade na flexão. Portanto, o dimen-sionamento dos perfis de madeira plástica na flexão deveser condicionado a limitações da flecha. Para os estadoslimites de utilização, a flecha do perfil deve ser limitadaem L/360.

Com relação à resistência à compressão, a madeiraplástica analisada correspondeu à classe de resistênciaC25, no caso das coníferas, e à classe C20, no caso dasdicotiledôneas. A madeira plástica apresentou, ainda,resistência específica equivalente às dicotiledôneas declasse C20.

Com relação à resistência ao cisalhamento, a madeiraplástica apresentou bom comportamento, com homoge-neidade da resistência nas três direções ortogonais domaterial e ruptura do tipo dúctil. Nas coníferas edicotiledôneas, a ruptura, no caso da solicitação aocisalhamento, é do tipo frágil. A resistência do cisalhamentoda madeira plástica foi da ordem de três vezes maiorque a resistência das coníferas e dicotiledôneas de classeC20, sendo, portanto, indicada em situações de solicitaçõescríticas ao cisalhamento.

Tabela 11 Forças de ruptura e resistências obtidas nos ensaios de cisalhamento.

a) Cisalhamento na direçãolongitudinal “L”do perfil

b) Cisalhamento nadireção “b” do perfil

c) Cisalhamento nadireção “h” do perfil

Figura 16 Modos de ruptura observados nos dois ensaios de cisalhamento realizados.

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Tabela 13 Comparação entre as classes de resistência das dicotiledôneas (folhosas).

Tabela 12 Comparação entre as classes de resistência das coníferas.

Agradecimentos – Agradecemos a Deutschsul EcowoodIndl Ltda. pelo fornecimento das amostras dos perfis demadeira plástica para os ensaios.

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