MAYARA DE OLIVEIRA ANÁLISE EXPERIMENTAL DE VIGAS DE BAMBU DA ESPÉCIE DENDROCALAMUS ASPER SUBMETIDAS À FLEXÃO Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel, em Engenharia Civil, no Centro de Ciências Tecnológicas, da Universidade do Estado de Santa Catarina. Orientadora: Drª. Marianna Coelho Lorencet JOINVILLE – SC 2019 Termo de Aprovação Mayara de Oliveira Análise experimental de vigas de bambu da espécie Dendrocalamus asper submetidas à flexão. Monografia julgada para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Estado de Santa Catarina. Aprovada no dia 14 de junho de 2019. Banca Examinadora: ___________________________________________________________ Prof.ª Drª Marianna Coelho Lorencet Orientadora (Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC) ___________________________________________________________ Prof. Dr. Ricardo de Medeiros (Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC) ___________________________________________________________ Prof(a). Me. Sandra Denise Krüger Alves (Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC) Joinville, Junho RESUMO A construção civil é responsável por uma intensa degradação ambiental, sendo foco de inúmeras pesquisas que buscam o desenvolvimento sustentável do setor. Diante do exposto, este trabalho apresenta o estudo do bambu da espécie Dendrocalamus Asper como material não convencional para construção civil. Classificado como uma gramínea gigante com mais de 1300 espécies, o bambu se destaca tanto em aspectos ambientais, por ser um material renovável e grande sequestrador de carbono, quanto produtivos, por apresentar alta taxa de crescimento e atingir a maturidade após 3 ou 4 anos do seu plantio. Tais fatores aliados ao fato da planta possuir elevada resistência mecânica, flexibilidade e baixo peso específico, estimulam um alto número de pesquisas para consolidar seu potencial uso na construção civil. Inicialmente, foram realizados ensaios de tração e compressão em corpos de prova do bambu Dendrocalamus Asper, com e sem a presença de nós para avaliar a resistência mecânica deste vegetal. A resistência à tração média obtida foi de 166,73 MPa e 84,97 MPa, e o módulo de elasticidade de 35,71 GPa e 18,74 GPa, para corpos de prova sem nó e com nó respectivamente. A resistência à compressão encontrada foi de 36,79 MPa para a região nodal e 33,85 MPa para a região internodal. Por fim, foram realizados ensaios de flexão de 4 pontos em vigas formadas por colmos de bambu inteiros de aproximadamente 3 metros de comprimento. A resistência à flexão média encontrada foi de 53,81 MPa, de forma que a partir dos deslocamentos da viga foi possível estimar o módulo de elasticidade médio de 19,67 GPa. A tensão máxima média obtida no ensaio de flexão se mostrou semelhante aos resultados encontrados para a resistência à compressão, estando de acordo com o observado durante o ensaio, onde as vigas romperam na região comprimida. Os resultados encontrados confirmam o elevado potencial do bambu para o uso na construção civil, de forma que estudos nesta área são de fundamental importância para consolidar este vegetal no setor. Palavras chave: Bambu na construção civil. Vigas de bambu. Ensaio de Flexão. Dendrocalamus Asper. ABSTRACT The construction industry is responsible for an intense environmental degradation, being the focus of countless researches that aim at the sustainable development of the sector. Therefore, this work aims to presente a study of the bamboo species Dendrocalamus Asper as unconventional material for civil construction. Classified as a giant grass with more than 1300 species, it a renewable material and great carbon kidnapper. Also, it is very productive for having a high rate of growth and reaching maturity after 3 or 4 years of planting. These factors, together with the high mechanical strength, flexibility, and low specific weight, stimulate a high number of researches to consolidate its potential use in civil construction. For that, tensile and compression strength tests were performed on specimens of Dendrocalamus asper. They were considering samples with and without nodes to evaluate the mechanical properties. The average tensile strength obtained was 166,73 MPa and 84,97 MPa for the samples without and with node, respectively. The elastic modulus was 35,71 GPa and 18,74 GPa, for the samples without and with node, respectively. The compressive strength was 36,79 MPa for the nodal region and 33,85 MPa for the internodal region. Finally, four-point bending tests were performed on beams formed by whole bamboo culms with a length of approximately 3 meters. The average flexural strength was 53,81 MPa, and with the displacements of the beam, it was possible to calculate the average of elastic modulus as 19,67 GPa. The average maximum stress obtained in the bending test was similar to the results for the compressive strength in agreement with the experimental test, where the beams broke in the compressed region. The results confirm the high potential of bamboo for the use in construction. So, studies in this area are fundamental to consolidate this plant in the sector. Key words: Bamboo in civil construction. Bamboo beam. Bending test. Dendrocalamus Asper. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Força por unidade de área. ....................................................................................... 11 Figura 2 - Diagramas de tensão-deformação convencional e real para um material dúctil (aço)(não está em escala). ......................................................................................................... 12 Figura 3 - Partes do Bambu. ..................................................................................................... 15 Figura 4 - Bambus entouceirantes (esquerda) e alastrantes (direita). ....................................... 16 Figura 5 - Deslocamento de carga para colmos de bambu (base-meio-topo) da amostra A. ... 20 Figura 6 - Aplicação do Bambu conforme idade. ..................................................................... 22 Figura 7 - Ponte pedonal de Jorg Stamm, Colômbia. ............................................................... 24 Figura 8 - Catedral construída em bambu do arquiteto Simón Veléz, Colômbia. .................... 24 Figura 9 - Corpos de prova de tração com nó e sem nó. .......................................................... 27 Figura 10 - Paquímetro. ............................................................................................................ 28 Figura 11 - Dimensões do corpo de Prova. .............................................................................. 28 Figura 12 - Corpos de prova com strain gauges. ..................................................................... 29 Figura 13 - Montagem do ensaio de tração. ............................................................................. 30 Figura 14 - Dimensões do Corpo de Prova para o ensaio de compressão. ............................... 31 Figura 15 - Corpos de prova de compressão com nós e sem nós. ............................................ 32 Figura 16 - Montagem do equipamento para ensaio à compressão. ......................................... 33 Figura 17 - Esquema utilizado para obter as dimensões da viga. ............................................. 34 Figura 18 - Pistões hidráulicos (a) e célula de Carga (b).......................................................... 35 Figura 19 - (a) apoio 1 e (b) apoio 2. ........................................................................................ 35 Figura 20 - Configuração do ensaio de flexão. ......................................................................... 36 Figura 21 - Montagem do ensaio com o equipamento de correlação de imagem. ................... 37 Figura 22 - Padrão aplicado na viga para medir a deformação. ............................................... 38 Figura 23 - Curvas Tensão versus Deformação dos corpos de prova com nó. ........................ 40 Figura 24 - Curvas Tensão versus Deformação dos corpos de prova sem nó. ......................... 40 Figura 25 - Concentração de tensões na transição para a porção central. ................................ 43 Figura 26 - Rompimento do corpo de prova de tração na parte central. .................................. 44 Figura 27 - Aparência dos corpos de prova rompidos: (a) com nó, (b) sem nó. ...................... 46 Figura 28 - Ruptura da viga de bambu número 1. .................................................................... 48 Figura 29 - Ruptura da viga de bambu número 2. .................................................................... 48 Figura 30 - Ruptura da viga de bambu número 4. .................................................................... 49 Figura 31 - Ruptura da viga de bambu número 3. .................................................................... 49 Figura 32 - Ajuste de foco das câmeras antes do ensaio. ......................................................... 52 Figura 33 - Eixos x, y e z. ......................................................................................................... 53 Figura 34 - Perfil 3D da viga número 4, no início (a) e final do ensaio (b). ............................ 53 Figura 35 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 1.......................................................... 54 Figura 36 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 2.......................................................... 54 Figura 37 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 3.......................................................... 55 Figura 38 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 4.......................................................... 55 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Razão entre tensão de tração e a massa específica de alguns materiais. ................. 19 Tabela 2 - Propriedades mecânicas do bambu Dendrocalamus giganteus. ............................. 19 Tabela 3 - Dimensões dos corpos de Prova de Tração com nó. ............................................... 29 Tabela 4 - Dimensões dos corpos de Prova de Tração sem nó................................................. 29 Tabela 5 - Dimensões dos corpos de Prova de Compressão com nó. ...................................... 31 Tabela 6 - Dimensões dos corpos de Prova de Compressão sem nó. ....................................... 32 Tabela 7 - Dimensões dos colmos ensaiados à flexão. ............................................................. 34 Tabela 8 - Dimensões do vão ensaiado. ................................................................................... 36 Tabela 9 - Tensão máxima nos corpos de prova com nó.......................................................... 39 Tabela 10 - Tensão máxima nos corpos de prova sem nó. ....................................................... 39 Tabela 11 - Deformação dos corpos de prova com nó. ............................................................ 41 Tabela 12 - Deformação dos corpos de prova sem nó. ............................................................. 41 Tabela 13 - Módulo de Elasticidade à tração dos corpos de prova com nó. ............................ 42 Tabela 14 - Módulo de Elasticidade à tração dos corpos de prova sem nó. ............................. 43 Tabela 15 - Umidade dos corpos de prova de tração. ............................................................... 45 Tabela 16 - Tensão máxima nos corpos de prova com nó e sem nó. ....................................... 46 Tabela 17 - Umidade dos corpos de prova à compressão. ....................................................... 47 Tabela 18 - Forças aplicadas nas vigas. .................................................................................... 50 Tabela 19 - Momento de Inércia das vigas de bambu. ............................................................. 50 Tabela 20 - Tensão máxima suportada pelas vigas de bambu no ensaio de flexão. ................. 51 Tabela 21 - Análise do aumento da espessura e área das vigas 3 e 4 em relação as vigas 1 e 2. .................................................................................................................................................. 52 Tabela 22 - Deslocamentos nas vigas de bambu nas direções x, y e z. .................................... 56 Tabela 23 - Módulo de Elasticidade à flexão das vigas de bambu no ensaio de flexão. .......... 57 Tabela 24 - Umidade dos corpos de prova de compressão....................................................... 58 Tabela 25 - Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de tração, compressão e flexão. ....... 58 Tabela 26 - Umidade média obtida nos ensaios de tração, compressão e flexão. .................... 59 Tabela 27 - Comparativo das resistências e módulo de elasticidade para o ensaio de tração. . 60 Tabela 28 - Comparativo das resistências à compressão. ......................................................... 60 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9 2 REVISÃO DE LITERATURA ........................................................................... 11 2.1 Resistência dos Materiais .................................................................................... 11 2.2 Bambu ................................................................................................................... 14 2.2.1 Características Anatômicas .................................................................................... 15 2.2.2 Ficha Técnica: Espécie Dendrocalamus asper ...................................................... 17 2.2.3 Características Mecânicas ...................................................................................... 18 2.2.4 Bambu na Construção Civil ................................................................................... 21 2.3 Normatização ....................................................................................................... 24 3 METODOLOGIA ................................................................................................ 26 3.1 Ensaio de Tração Paralela às Fibras .................................................................. 27 3.2 Ensaio de Compressão Paralela às fibras .......................................................... 31 3.3 Ensaio de Flexão da Viga de Bambu .................................................................. 33 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 38 4.1 Ensaio de Tração ................................................................................................. 38 4.1.1 Umidade dos corpos de prova de tração ................................................................ 44 4.2 Ensaio de Compressão ......................................................................................... 45 4.2.1 Umidade dos corpos de prova à compressão ......................................................... 46 4.3 Ensaio à Flexão .................................................................................................... 47 4.3.1 Umidade dos corpos de prova à flexão .................................................................. 57 4.4 Análise dos Resultados obtidos ........................................................................... 58 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 62 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 64 9 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta uma análise experimental sobre o comportamento do bambu como material não convencional para estruturas de engenharia civil. O bambu é uma gramínea encontrada em quase todos os continentes do planeta, sendo, segundo Pereira (2012), uma cultura predominantemente tropical, renovável, perene, dotada de alta produtividade e rápido crescimento. Conforme Pereira e Beraldo (2008), após os 3 anos de idade o bambu pode ser considerado maduro, estando no ápice de sua resistência dos 3 aos 7 anos, e com vida útil variando de 10 a 12 anos. De acordo com Soares (2013), no início da civilização, os materiais utilizados em estruturas da construção eram os que se encontravam na natureza, como a madeira, pedra e o bambu. Com a evolução da tecnologia foram desenvolvidos novos materiais, como o aço e o concreto, que por suas caraterísticas rapidamente se tornaram protagonistas no cenário da construção civil, apesar de terem custos de produção e ambientais mais elevados que a madeira e o bambu. Padovan (2010) acrescenta que a atividade madeireira ilegal e predatória, assim como as queimadas e o desmatamento ilegal, no âmbito nacional, tem provocado a destruição da Amazônia. Em menos de 50 anos, quase 20% da cobertura florestal da região já desapareceu. Até 2008, mais de 720.000 km² da Amazônia já tinham sido desmatados. O desmatamento da Amazônia, além de colocar em risco sua sobrevivência, contribui para fazer do país o quarto maior emissor de gases de efeito estufa do planeta, já que 75% das emissões são provenientes do uso do solo e do desmatamento de florestas brasileiras. Pereira (2012) afirma que o bambu é considerado um sequestrador de carbono atmosférico, composto por centenas de espécies espalhadas por todo o planeta que possuem características físicas e mecânicas que o tornam apto a diversos usos. Apesar de muitas espécies de bambu, como a espécie Dendrocalamus asper estudada nesta pesquisa, não serem nativas do Brasil, tem-se vantagens do ponto de vista ambiental na sua plantação. As plantações de bambu não necessitam de agrotóxicos ou fertilizantes como outras culturas, sendo um bom agente contra a erosão do solo. E ainda, quando comparado com outros materiais amplamente usados na construção civil, o bambu demanda menos energia na sua produção, e os resíduos gerados pela planta, que são poucos, são biodegradáveis. Segundo Peixoto (2008), o bambu possui inúmeras aplicações: móveis, utensílios, moradia, alimento, vestuário, instrumentos musicais, estruturas arquitetônicas e de engenharia, entre outros. Pereira e Beraldo (2008) revelam que dependendo da idade do colmo existem 10 diferentes tipos de aproveitamento propostos, compreendendo desde o seu uso como broto comestível à usos estruturais. No entanto, para o uso do bambu em grande escala como material de engenharia, economicamente viável e com possível industrialização, faz-se necessário um estudo científico sistemático sobre sua propagação, plantação, colheita, cura, tratamento e pós-tratamento, além de uma completa análise estatística das propriedades físicas e mecânicas do colmo do bambu inteiro. A partir desses estudos, será possível criar critérios confiáveis de dimensionamento e fazer- se o emprego de processos industriais, viabilizando economicamente o uso do bambu em grande escala (GHAVAMI; BARBOSA, 2007, p.1560). Dessa forma, esse trabalho se justifica pelos ganhos ambientais e econômicos que a introdução do bambu na construção civil pode acarretar. Além disso, o bambu possui forma tubular lisa, é estruturalmente estável, apresenta baixo peso específico e resistência mecânica elevada, sendo assim compatível com diversas aplicações construtivas (tubos, vigas, pilares, estrutura de telhados, entre outros). Assim, o objetivo principal é analisar o comportamento de vigas de bambu da espécie Dendrocalamus asper submetidas à flexão. Os objetivos específicos são: determinar a resistência à tração e compressão do bambu e analisar o comportamento do bambu em relação a esses esforços. 11 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1 Resistência dos Materiais No projeto de qualquer estrutura ou máquina, em primeiro lugar, é necessário usar os princípios da estática para determinar as forças que agem sobre os vários elementos, bem como no seu interior. O tamanho dos elementos, sua deflexão e estabilidade dependem não só das cargas internas, mas também do tipo de material de que são feitos (HIBBELER, 2012, p. 1). Garcia, Spim e Santos (2010) afirmam que os ensaios mecânicos permitem a determinação de propriedades mecânicas que se referem ao comportamento do material quando sob ação de esforços e que são expressas em função de tensões e/ou deformações. Uma força aplicada perpendicularmente à área da seção transversal de um corpo-de- prova é definida como tensão normal (Figura 1). Se a força normal tracionar o elemento de área, ela provocará uma tensão de tração, e se comprimir o elemento de área, ela provocará uma tensão de compressão. Figura 1 - Força por unidade de área. Fonte: Hibbeler (2012). Quando uma amostra de material solicitado por uma força sofre uma deformação e, após a retirada da força aplicada, recupera suas dimensões originais, esta deformação é definida 12 como deformação elástica. A deformação elástica de um corpo de prova é dada pela lei de Hooke, que descreve uma relação linear entre tensão e deformação, definida como, , (1) Sendo: = tensão, (MPa); = deformação, (MPa); E = módulo de elasticidade, (GPa). Através de “[...] um ensaio de tração ou compressão, é possível calcular vários valores da tensão e da deformação correspondentes no corpo de prova e, então, construir um gráfico com esses resultados” (HIBBELER, 2012, p. 58). Conforme Beer e Johnston Jr. (1995), o diagrama tensão-deformação (Figura 2) é obtido marcando-se os valores de , no entanto, os resultados podem ser variáveis em diferentes ensaios, dependendo da temperatura do corpo de prova ou da velocidade de carregamento. Figura 2 - Diagramas de tensão-deformação convencional e real para um material dúctil (aço)(não está em escala). Fonte: Hibbeler (2012). 13 Segundo Hibbeler (2012), a equação 1 representa a porção inicial em linha reta do diagrama até o limite de proporcionalidade, sendo o módulo de elasticidade a inclinação dessa reta. “Quando submetido a uma força de tração axial, um corpo deformável não apenas se alonga, mas também se contrai lateralmente.” (HIBBELER, 2012, p. 88). Da mesma forma, o autor, descreve corpos sujeitos a força de compressão que apresentam contração na direção axial e expansão na direção transversal. Esse fenômeno, dentro da faixa elástica, caracteriza o denominado coeficiente de Poisson ‘v’, sendo determinado pela razão constante entre essas deformações, conforme, n e e , (2) Sendo: n = coeficiente de Poisson, adimensional; et = deformação transversal, (mm); ea = deformação longitudinal, (mm). “Elementos delgados que suportam carregamentos aplicados perpendicularmente a seu eixo longitudinal são denominados vigas. Em geral, vigas são barras longas e retas com área de seção transversal constante e classificadas conforme o modo como são apoiadas” (HIBBELER, 2012, p. 181). Hibbeler (2012) esclarece que por conta dos carregamentos aplicados, as vigas desenvolvem uma força de cisalhamento interna (força cortante) e momento fletor. Para projetar uma viga corretamente, em primeiro lugar, é necessário determinar a força de cisalhamento e o momento máximo que age na viga. Uma vez determinado o momento interno em uma seção, a tensão de flexão pode ser calculada. De acordo com Beer e Johnston Jr. (1995), a Equação 3 é conhecida como equação da flexão em regime elástico, , (3) Onde: = tensão normal, também denominada de tensão de flexão, (Mpa); M = momento interno resultante, (N.mm); 14 I = momento de inércia, (mm4); y = distância da fibra onde o elemento se encontra até a linha neutra, (mm). Segundo Hibbeler (2012), essa equação é usada para determinar a tensão normal em um elemento reto, com seção transversal simétrica em relação a um eixo, e momento aplicado perpendicularmente a esse eixo. Embora tenhamos considerado que o elemento seja prismático, na maioria dos projetos de engenharia também podemos usar a fórmula da flexão para determinar a tensão normal em elementos que tenham ligeira conicidade. Ainda, de acordo com Hibbeler (2012), a seção transversal de uma viga reta permanece plana quando a viga se deforma por flexão, provocando uma tensão de tração de um lado da viga, uma tensão neutra no eixo nulo e uma tensão de compressão do outro lado. Se o material é homogêneo, e a lei de Hooke se aplica, a tensão e a deformação variam linearmente na seção transversal. 2.2 Bambu De acordo com Ghavami e Barbosa (2007), os bambus são gramíneas gigantes, pertencentes a família Poaceae e à subfamília Bambusoide formando parte da ordem Graminales que pertencem às Angiospermae. “Existem mais de 90 gêneros e mais de 1300 espécies de bambu no mundo inteiro, que se encontram em maior abundância nos trópicos e subtrópicos” (SOARES, 2013, p. 2). “O bambu nativo pode ser encontrado em todos os continentes, à exceção da Europa e da Antártida, desenvolvendo-se em toda a zona tropical da terra e em parte da zona subtropical” (GHAVAMI; BARBOSA, 2007, p. 1562). Conforme Pereira e Beraldo (2008), eles se distribuem naturalmente desde os trópicos até as regiões temperadas e são distribuídos desde o nível do mar até em grandes altitudes, sendo mais frequentes em áreas quentes e que apresentem chuvas abundantes, na Ásia tropical e subtropical, na América do Sul e na África. Filgueiras e Viana (2017) classificam os bambus (Bambusoideae) como uma das 12 subfamílias de Poaceae e em três tribos, duas das quais, Olyreae e Bambuseae, ocorrem no Brasil. Atualmente no país são conhecidas 258 espécies de bambus nativos e 35 gêneros. A tribo Olyreae, de bambus herbáceos, é constituída por 17 gêneros e 93 espécies. A tribo Bambuseae, com bambus de colmos lignificados ou lenhosos, constitui-se de 18 gêneros e 165 espécies. 15 Padovan (2010) cita os gêneros encontrados no Brasil de bambus lenhosos, dentre as espécies endêmicas destacam-se os gêneros: Merostachys, Chusquea e Guadua, e dentre as espécies introduzidas pode-se citar: Bambusa, Pseudosasa, Sasa, Sinoarundinaria e Dendrocalamus (espécies: giganteus, asper, latiflorus, strictus). A espécie Dendrocalamus asper é o objeto de estudo desse trabalho. 2.2.1 Características Anatômicas “A planta bambu (Figura 3) é constituída por um eixo subterrâneo e outro acima do solo. O eixo subterrâneo é composto de rizomas, raízes e gemas. O eixo acima do solo é composto de hastes, ramos e folhagem” (KIGOMO, 2007, p. 3). “As raízes do bambu normalmente saem dos rizomas e ajudam a fixar a planta no solo absorvendo água e nutrientes que são transportados para toda planta” (GHAVAMI; BARBOSA, 2007, p. 1564). Figura 3 - Partes do Bambu. Fonte: Kigomo (2007, tradução nossa). Pereira e Beraldo (2008) explicam que o nascimento de novos colmos anualmente se efetua assexuadamente por ramificação destes rizomas. Esta ramificação ocorre de duas maneiras distintas, dando origem aos dois principais grupos de bambu (Figura 4): o grupo alastrante, no qual os colmos nascem e se desenvolvem separados uns dos outros (gêneros Arundinaria e Phyllostachys), e o grupo entouceirante, no qual os colmos nascem e se 16 desenvolvem agrupados uns aos outros (gêneros Bambusa, Guadua, Dendrocalamus e Gigantochloa). Figura 4 - Bambus entouceirantes (esquerda) e alastrantes (direita). Fonte: Kigomo (2007). Peixoto (2008) afirma que a forma de proliferação do bambu auxilia sua propagação e torna a planta um excelente agente no combate à erosão. As plantações de bambu não precisam de fertilizantes ou agrotóxicos sendo menos agressivas ao meio ambiente que outras culturas, e só dependem do homem para o corte e remoção de colmos velhos. A produção varia conforme a espécie, solo, clima e tratos culturais, podendo alcançar 10 a 100 toneladas por hectare/ano em cortes arrasantes e de 2 a 5 toneladas por hectare/ano em cortes seletivos. De acordo com Lima Jr. e Dias (2001), a planta apresenta longos colmos, ocos no interior, os quais são fechados a intervalos mais ou menos regulares por um diafragma nas regiões dos nós. Kigomo (2007) afirma que os internós são vazios na maioria dos bambus, mas podem ser sólidos em algumas espécies. “Os bambus têm diminuição gradual, no sentido da base para o topo, no diâmetro do colmo, na espessura da parede e no comprimento intermodal” (GHAVAMI; MARINHO, 2005, p. 110). Pereira e Beraldo (2008) constatam que o tecido do colmo é composto por células de parênquima (50%), pelos feixes vasculares (10%) e pelos feixes de fibras (40%). Cada um deles tem uma função determinada: o tecido parenquimatoso é aquele que envolve as fibras e os vasos, é mais denso na parede interna e sua função é a de estocar os nutrientes e a água. “Os feixes vasculares (ou vasos) são os tecidos condutores e as fibras são as principais responsáveis pela resistência mecânica do colmo [...]” (BENAVIDES, 2012, p.38). De acordo com Ghavami 17 e Barbosa (2007), as fibras se concentram na camada externa do colmo, onde são mais solicitadas pela ação do vento no bambuzal. Kigomo (2007) salienta que à medida que o colmo amadurece, o bambu se torna lignificado e cada vez mais forte, não apresentando aumento do diâmetro com o passar dos anos e, ao contrário das árvores, os bambus não têm nenhum crescimento secundário. “O colmo de qualquer espécie de bambu completa seu crescimento poucos meses após o surgimento do broto, alcançando sua altura máxima em um mínimo de 30 dias para espécies de pequeno porte e num máximo de 180 dias para espécies gigantes” (PEREIRA; BERALDO, 2008, p. 60). O crescimento do colmo ocorre muito rapidamente, aumentando alguns centímetros por dia (de 15cm a 20cm), no entanto a literatura reporta recordes de mais de um metro em um único dia, afirmam Ghavami e Barbosa (2007). “A vida de um colmo varia conforme a espécie, sendo que a maioria das espécies atinge a maturidade após 3 ou 4 anos” (KIGOMO, 2007, p. 4). “O rápido crescimento do bambu permite seu aproveitamento contínuo após cinco anos do seu plantio, tornando-o uma alternativa ao uso de madeiras na construção” (BENAVIDES, 2012, p. 31). De acordo com Pereira e Beraldo (2008), os colmos diferem-se em altura, diâmetro, espessura de parede e forma de crescimento, conforme a espécie que pertençam. Assim, enquanto alguns colmos alcançam apenas alguns centímetros de altura e alguns poucos milímetros de diâmetro, sendo arbustivos ou ornamentais (algumas espécies dos gêneros Sasa e Pseudosasa), outros bambus podem atingir alturas de até 30m e diâmetros de até 30 cm, como nas espécies gigantes (gênero Dendrocalamus, principalmente). He et al. (2015) elucidam que é uma longa história para o bambu natural ser usado como membro estrutural em edifícios, especialmente para as espécies de grande porte. Segundo eles uma das espécies que ganhou popularidade na construção civil hoje em dia é o bambu Dendrocalamus giganteus comum na província de Yunan, na China, uma das maiores espécies de bambu chegando a alturas de 30 m, com um diâmetro de cerca de 20–30cm. 2.2.2 Ficha Técnica: Espécie Dendrocalamus asper Pereira e Beraldo (2008) apresentam as principais características da espécie Dendrocalamus asper: · Descrição: espécie de bambu gigante entouceirante e de grande porte; · Altura dos colmos: 24-40m; · Diâmetro dos colmos: 10-20cm; 18 · Espessura da parede: parede espessa, 1-3cm; · Clima e Solo: regiões tropicais úmidas até regiões subtropicais; preferindo solos ricos; · Temperatura mínima para que a planta sobreviva: -2 ºC. · Distribuição natural: SriLanka, Bangladesh, Nepal, Tailândia, China, sendo uma espécie introduzida na Malásia e Filipinas; · Usos mais comuns: construções e confecção de laminado colado, polpa, papel, utensílios domésticos e alimento; · Uso potencial: produção de brotos e expansão da indústria de laminado colado; · Necessidade de trabalhos: manejo, agronomia e melhoramento. 2.2.3 Características Mecânicas Segundo Krause (2015), todo material natural como o bambu tem alterações em suas características mecânicas devido a diversos fatores, dos quais podem-se citar: espécie, idade da planta, tempo de corte, condições climáticas, teor de umidade das amostras e solo do bambuzal, sendo a idade, a espécie e região do colmo importantes variáveis para a determinação de suas propriedades. Padovan (2010) cita que o que diferencia o bambu de outros materiais vegetais estruturais é sua alta produtividade. Dois anos e meio após ter brotado do solo, o bambu possui resistência mecânica elevada, não havendo, portanto, neste aspecto, nenhum concorrente no reino vegetal. Somam-se às características favoráveis, uma forma tubular acabada e estruturalmente estável, baixo peso específico, uma geometria circular oca, resultando em uma excelente relação entre o peso específico e a resistência à tração. Ghavami e Barbosa (2007) destacam que as propriedades físicas importantes do bambu incluem distância entre os nós, diâmetro, espessura da parede, peso específico, entre outras. Já as propriedades mecânicas relacionadas diretamente a parâmetros de engenharia incluem resistência à flexão, resistência à tração, resistência à compressão e resistência ao cisalhamento, todas paralelas às fibras. Lee, Odlin e Yin (2014) definem o bambu como um material natural com gradação funcional cujo módulo de elasticidade aumenta gradualmente das superfícies internas para as externas. Pereira e Beraldo (2008) alegam que a resistência à tração do bambu é elevada, e para algumas espécies pode atingir até 370MPa, tornando atrativo o uso do bambu como um 19 substituto para o aço, especialmente quando for considerada a razão entre sua resistência à tração e sua massa específica aparente. É possível notar que a razão R entre a resistência à tração do bambu e seu peso específico (σ/γ) é mais do que 2,34 vezes aquela obtida para o aço CA50 (Tabela 1). Em geral, a resistência à tração do bambu situa-se entre 40 e 215 MPa, e o seu módulo de elasticidade à tração varia entre 5,5 e 18 GPa. Tabela 1 - Razão entre tensão de tração e a massa específica de alguns materiais. Tipo de material Resistência à tração σt (MPa) Peso Específico γ (N/mm³x10-¹) R = x10-¹ R/Raço Aço CA 50 500 7,83 0,64 1,00 Alumínio 300 2,79 1,07 1,67 Ferro fundido 280 7,70 0,39 0,61 Bambu 120 0,80 1,50 2,34 Fonte: Ghavami (2002 apud PEREIRA; BERALDO, 2008). Ferreira (2002) realizou uma comparação entre o bambu e a madeira de construção, concluindo que o bambu apresenta elevada resistência à compressão em relação ao seu baixo peso específico, que apresenta valores na faixa de 5 a 9kN/m³. A resistência à compressão é, em geral, 30% menor que a resistência à tração, estando entre 20 MPa a 120 MPa e variando muito com a espécie, de acordo com Ghavami e Barbosa (2007). Lima Jr. et al. (2010) com o intuito de analisar o comportamento de pilares mistos (bambu-concreto) realizaram estudos das propriedades mecânicas da espécie Dendrocalamus giganteus. Foram utilizados colmos cortados com idades entre quatro e cinco anos e secos em temperatura ambiente por três meses. As peças apresentavam comprimento médio de 20 m e foram divididas em três trechos de comprimento igual (basal, intermediário e topo), sendo que os trechos basais e intermediários foram utilizados. As propriedades mecânicas do bambu utilizado são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 - Propriedades mecânicas do bambu Dendrocalamus giganteus. Ensaio de Tração Ensaio de Compressão Espaçamento entre nós (cm) Diâmetro Externo (cm) Com nó Sem nó Com nó Sem nó Resistência (MPa) 97 277 58 58 48,3 15,2 Módulo de Elasticidade (GPa) 13 23 19 22 Fonte: Lima Jr. et al. (2010, adaptado). 20 Bortot (2018), analisou a resistência mecânica à tração e compressão da espécie Dendrocalamus giganteus, sendo que foram ensaiados corpos de prova com e sem nó. Para o ensaio de tração foi encontrada uma resistência de 122 MPa e 62,5 MPa, para corpos de prova com nó e sem nó, respectivamente, módulo de elasticidade à tração encontrado foi de 25,6 GPa para região com nós e 18,8 GPa para região sem nós. E tensão de compressão foi de 39,30 MPa para região internodal e 38,87 MPa para nodal. Sá Ribeiro, R., Sá Ribeiro, M. e Miranda (2017) investigaram a densidade, rigidez e resistência à flexão da espécie Bambusa vulgaris (Vittata) de 4 anos de idade. As amostras de resistência à flexão foram cortadas em segmentos de 3m, esses foram separados conforme a parte do colmo à que pertenciam: base (B), meio (M) e topo (T). Foram realizados ensaios no terceiro ponto com um vão livre de 2,71m até a ruptura. O resultado obtido para cada um dos segmentos é mostrado na Figura 5. O teor médio de umidade e a densidade dos colmos testados foram de 12,95% e 646 kg/m³, respectivamente. Os resultados obtidos por Sá Ribeiro, R., Sá Ribeiro, M. e Miranda (2017) são os seguintes: carga máxima média 7,9 kN; tensão de ruptura 88 MPa; módulo de elasticidade à flexão 9,6 GPa. Eles concluíram que a densidade do colmo de bambu e o módulo de elasticidade dinâmico podem ser usados para determinar sua resistência e rigidez. Embora a densidade média da espécie Bambusa vulgaris de diferentes locais apresentem valores semelhantes, as propriedades de resistência à flexão variam muito devido os diferentes procedimentos que podem ser utilizados para determiná-las. Figura 5 - Deslocamento de carga para colmos de bambu (base-meio-topo) da amostra A. Fonte: Sá Ribeiro, R., Sá Ribeiro, M. e Miranda (2017). 21 Segundo Pereira (2012), geralmente os resultados observados na literatura disponível situam a resistência do bambu à flexão estática entre 30 e 170 MPa. Beraldo (1987) apud Pereira (2012), afirmam que a resistência encontrada para corpos de prova cilíndricos, estado natural, da espécie Dendrocalamus giganteus, é de 86 MPa para o limite elástico, a tensão de ruptura de 151 MPa, e módulo de elasticidade à flexão é de 12 GPa. Padovan (2010) enumera algumas razões para as variações obtidas em resultados de testes à flexão estática: · posição dos corpos-de-prova para ensaios; · forma irregular do colmo semelhante à de um tronco de cone; · espessura não uniforme das paredes do colmo e variação na orientação das fibras na região dos nós; · presença do diafragma, atuando como estribos em uma armação de ferragem; · esmagamento prematuro das paredes do colmo pela compressão do cutelo, antes do rompimento da peça como um todo; · metodologia aplicada aos testes. 2.2.4 Bambu na Construção Civil Segundo Peixoto (2008), o bambu possui inúmeras aplicações como: móveis, utensílios, moradia, alimento, vestuário, instrumentos musicais, estruturas arquitetônicas e de engenharia, entre outros. Pereira e Beraldo (2008) revelam que dependendo da idade do colmo existem diferentes tipos de aproveitamento propostos, compreendendo desde o seu uso como broto comestível à usos estruturais e os usos do bambu conforme a idade são mostrados na Figura 6. De forma geral, os colmos são considerados novos até um ano, jovens entre um e dois anos e maduros após os 3 anos de idade. Para uso estrutural é indicado o uso de colmos com idade entre três e sete anos, período em que ocorre a maior resistência mecânica do bambu, uma vez que, após esse período o bambu começa a secar na touceira e torna-se quebradiço, sendo que a vida útil da planta está na ordem de 10 a 12 anos. 22 Figura 6 - Aplicação do Bambu conforme idade. Fonte: Hidalgo Lopes (1974 apud PEREIRA; BERALDO, 2008, adaptado). Existem mais de mil usos do bambu como planta e especialmente como colmo, como sugerem Liese, Welling e Tang (2015). Sua ampla distribuição e disponibilidade, sua rápida taxa de crescimento, propriedades tecnológicas superiores e fácil manuseio fazem do bambu um material ideal para inúmeros usos. Os colmos inteiros de bambu são usados para construir todos os tipos de edifícios, por exemplo, casas, abrigos, salões. Sendo usados como componentes estruturais (pilares, colunas, armações de telhado ou vigas), em versões divididas como coberturas (telhas, revestimento de parede e outras aplicações) e como elementos de carga para construir pontes e torres. Ghavami e Barbosa (2007) enumeram características favoráveis ao uso do bambu na arquitetura e na engenharia: · baixa energia de produção se comparada a outros materiais como aço, concreto e madeira, o que pode resultar em baixo custo da construção; · curto ciclo de crescimento com grande e constante produtividade por bambuzal; · baixo peso específico reduzindo o custo com manuseio e transporte; · forma tubular acabada, estruturalmente estável para as mais diversas aplicações construtivas, inclusive como tubos hidráulicos; · resistência mecânica compatível com os esforços solicitantes a que estaria submetido o bambu em estruturas adequadamente dimensionadas; · aproveitamento quase total, sendo que os poucos resíduos gerados com seu emprego são biodegradáveis, reincorporando-se facilmente à natureza; 23 · possibilidade de se curvar o colmo (caule); · superfície lisa e coloração atrativa; · durabilidade dentro das expectativas normais de vida dos materiais convencionais, relativamente às condições ambientais onde é utilizado, seja ao ar livre ou envolvido por outros materiais. Além dessas vantagens, Flynn et al. (2017) destacam que atualmente existe um interesse crescente no papel das florestas de bambu como sumidouros de carbono, uma vez que a planta pode facilmente competir com a maioria das espécies de madeira em termos de sua capacidade de sequestro de carbono. O bambu é ainda um valioso recurso ecológico para restauração de terras degradadas e conservação do solo e água. Padovan (2010) afirma que tradicionalmente os países asiáticos são ligados à ampla cultura de utilização do bambu, com belos exemplos de edificações vernaculares, utilizando o material em sua forma natural. Mais recentemente, na América Latina, em países como a Colômbia, Costa Rica e Equador, observam-se projetos bem sucedidos – desde habitações populares com fins de interesse social, até prédios de grande porte como pavilhões de exposições, hotéis e edifícios verticais multifamiliares. Benavides (2012) cita algumas das desvantagens do bambu na construção civil como a variação do seu comportamento estrutural conforme espécie, idade, umidade e parte do colmo utilizada, a vulnerabilidade do material a água, raios ultravioletas, fungos e insetos precisando de tratamentos de prevenção, devido a facilidade com que a seção circular pode rachar pois a ausência de fibras transversais ocasiona uma baixa resistência a esforços longitudinais. E principalmente a falta de conhecimento técnico e de normas regulamentadores. Pereira e Beraldo (2008) afirmam que o bambu por ser um material biológico, está sujeito a se deteriorar pela ação de fungos e insetos, podendo apresentar vida útil de três anos quando não for tratado, e dentre dez e quinze anos ou mais quando for convenientemente tratado. O bambu apresentará maior durabilidade quando estiver protegido por um projeto adequado, por exemplo, a presença de beirais e a eliminação do contato com o solo são práticas simples e até mais eficazes do que os diversos tipos de tratamento posteriores aplicáveis ao colmo. Ghavami e Barbosa (2007) citam algumas obras exibidas nas Figuras 7 e 8 que mostram o grande potencial do material na construção civil: Ponte pedonal de Jorg Stamm localizada em Bali, Colômbia (Figura 7); Catedral construída em bambu na Colômbia pelo arquiteto Simón Veléz e pelo construtor Marcelo Vilegas (Figura 8). 24 Figura 7 - Ponte pedonal de Jorg Stamm, Colômbia. Fonte: Minke, G. (2012). Figura 8 - Catedral construída em bambu do arquiteto Simón Veléz, Colômbia. Fonte: VÉLEZ, S. (2009). 2.3 Normatização Harries, Sharma e Richard (2012) afirmam que no contexto da infraestrutura civil, os materiais de construção convencionais, como aço e concreto armado, já foram materiais não convencionais e não comprovados que através de décadas de testes, análises e experiências 25 foram padronizados e aceitos pela comunidade. Neste sentido, cresce o foco na padronização de alternativas de construção sustentáveis, como o bambu. Ghavami e Barbosa (2007) explicam que a busca por materiais de menor impacto ambiental está se difundindo e que se faz necessário a criação de normas para seu uso seguro e aceitação no meio técnico. A International Network for bamboo and Rattan – INBAR, Rede internacional de Bambu e Vime, em 2000 elaborou propostas de normas que foram analisadas pela International Conference of Building Officials – ICBO, Conferência Internacional dos Funcionários da Construção, e publicadas no relatório Aceptance Criteria for Structural Bamboo – AC 162, Critérios de aceitação para bambu estrutural. Essa norma está sendo traduzida para a língua portuguesa pelo grupo de Materiais Não Convencionais da Pontifica Universidade Católica do Rio de Janeiro, PUC-RJ. Em 2004, foi lançada pela International Organization for Standardization – ISO, Organização Internacional para Padronização, o documento ISO 22156 – Design Estrutural em Bambu ou “Bamboo Structural Design” em conjunto com um documento que especifica como devem ser determinadas as propriedades físicas e mecânicas do bambu - ISO 22157:1 - e um manual para o laboratório - ISO 22157:2. O pedido tinha dado entrada na INBAR e em 2001 tinham sido lançadas as pré-normas (ISO, 2001c), (ISO, 2001a) e (ISO, 2001b), de acordo com Soares (2013). 26 3 METODOLOGIA Para a realização dessa pesquisa foram ensaiados bambus da espécie Dendrocalamus asper, fornecidas pela empresa Bambu Show localizada em Wenceslau Braz – Paraná (SC). Foram compradas varas de bambu de 3 metros de comprimento com diâmetro variando entre 10 a 15 cm. Quatro colmos inteiros foram usados como vigas de bambu e submetidos à flexão, além disso, foram confeccionados 12 corpos de prova que foram submetidos a testes de tração e 7 corpos de prova submetidos a testes de compressão. Foram ensaiados colmos de bambu maduros, pois são mais indicados para o uso em estruturas devido a sua melhor resistência mecânica. Os colmos tinham idade de aproximadamente 4 anos e foram submetidos a um tratamento por imersão em octoborato e sulfato de cobre durante período de 10 a 15 dias, com o intuito de aumentar a proteção do bambu contra a ação dos agentes químicos, físicos e biológicos, como ataques de cupins e fungos. Para confiança nos resultados dos ensaios foi analisada a qualidade e integridade dos colmos utilizados, e verificou-se a existência de manchas, rachaduras e outras patologias que poderiam interferir nos resultados. Os ensaios de tração, compressão e flexão foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica, Laboratório de Materiais e Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil, todos pertencentes ao Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade do Estado de Santa Catarina, CCT – UDESC, no município de Joinville. Os ensaios seguiram os procedimentos dispostos na norma ISO 22157-1 de 2004. Antes de cada teste, as dimensões de cada amostra foram medidas com o auxílio de um paquímetro. O diâmetro foi medido 2 vezes em cada seção de corte, em direções perpendiculares, e a espessura de parede foi medida 4 vezes nos mesmos locais da medição do diâmetro. Os ensaios foram realizados em ambientes com temperatura igual a 22ºC ± 2ºC. Ao fim de cada ensaio foi realizado um ensaio de umidade de amostras quadradas com lados de aproximadamente 30mm e espessura aproximadamente igual à do colmo utilizado, retiradas de todos os corpos de prova o mais próximo possível de onde ocorreu a falha nos ensaios, essas amostras foram secadas em estufa a uma temperatura de 103ºC ± 2ºC. Após 24h de secagem as amostras foram pesadas em intervalos de 2 horas até o momento em que a massa permanecesse constante. Após a realização dos ensaios de tração, compressão e flexão, foram avaliados os resultados do comportamento mecânico do bambu diante dos esforços aos quais foi submetido. 27 3.1 Ensaio de Tração Paralela às Fibras O ensaio de tração paralela às fibras tem como objetivo avaliar a resistência à tração final do bambu pela aplicação sobre o corpo de prova de uma carga com aumento gradual. Segundo a ISO 22157-1 de 2004, utilizada como base para os ensaios desse trabalho, devem ser ensaiadas amostras com direção geral das fibras paralela ao eixo longitudinal da porção de calibre do corpo de prova. Para a confecção dos corpos-de-prova, foi contratado o serviço da empresa Marcenaria Lima da cidade de Joinville. A ISO 22157-1 fornece os seguintes direcionamentos para a confecção dos corpos de prova: possuir seção retangular, com dimensões iguais a espessura da parede ou menor na direção radial, mínimo de 10 mm na direção tangencial e comprimento de 50 a 100mm na porção central do corpo de prova. Além disso, as extremidades devem ser moldadas de modo a assegurar que a falha ocorra no centro do corpo de prova e na medida do possível minimizar a concentração de tensão na área de transição. Foram ensaiados 12 corpos de prova de bambu da espécie Dendrocalamus asper, sendo 6 corpos de prova com nós e 6 corpos de prova com ausência de nós. Na Figura 9, podemos ver os corpos de prova confeccionados e devidamente numerados. Os corpos de prova com numeração de 1 a 6 possuem nó na região central, enquanto os CP’s com numeração de 7 a 12 não apresentam. Figura 9 - Corpos de prova de tração com nó e sem nó. Fonte: A autora. 28 Para determinação das medidas utilizou-se um paquímetro (Figura 10) e uma régua de escala comum, sendo obtidos: o comprimento das extremidades (C1 e C3), o comprimento central (C2), a largura das extremidades (L1 e L3), largura central (L2), a espessura nas extremidades (t1 e t3) e a espessura central (t2), conforme Figura 11. Figura 10 - Paquímetro. Fonte: A autora. Figura 11 - Dimensões do corpo de Prova. Fonte: A autora. Os corpos de prova possuem comprimento total de aproximadamente 30 cm, sendo que cada parte constituinte do corpo de prova (C1, C2, C3) apresenta 10 cm cada, largura de 3 cm (L1, L2 e L3) e espessura próxima a espessura do colmo utilizado com uma redução na parte central (t2). Nas Tabelas 3 e 4 são exibidos apenas as dimensões obtidas da parte central do corpo de prova, pois é essa a seção transversal que será analisada no ensaio. 29 Tabela 3 - Dimensões dos corpos de Prova de Tração com nó. CP (c/ nó) L2 (mm) C2 (mm) t2 (mm) A (mm²) 1 29,70 96,20 6,70 198,99 2 29,45 96,65 6,45 189,95 3 29,92 95,90 6,38 190,77 4 29,75 96,88 6,45 191,89 5 29,65 96,55 6,18 183,09 6 30,25 96,45 6,20 187,55 Fonte: A autora. Tabela 4 - Dimensões dos corpos de Prova de Tração sem nó. CP (s/ nó) L2 (mm) C2 (mm) t2 (mm) A (mm²) 7 29,70 96,50 6,70 198,99 8 31,60 96,65 7,85 248,06 9 31,72 96,52 5,35 169,73 10 31,00 96,85 5,12 158,88 11 31,42 96,32 4,72 148,48 12 31,32 97,00 5,10 159,76 Fonte: A autora. Em todos os corpos de prova foram colados strain gauges na direção paralela as fibras, para a medição da deformação da peça, conforme Figura 12. Figura 12 - Corpos de prova com strain gauges. Fonte: A autora. 30 O equipamento utilizado foi a máquina de tração universal EMIC DL30000N pertencente ao Laboratório de Ensaios Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica da UDESC, conforme Figura 13. Inicialmente optou-se por seguir a velocidade de afastamento das garras, V=0,01mm/s, indicada pela ISO 22157-1. Essa velocidade foi aplicada no ensaio do corpo de prova número 1, levando aproximadamente 60 min para o rompimento da peça e obteve-se uma grande quantidade de pontos para análise. Dessa forma, devido a limitação de tempo para a realização dos ensaios as demais amostras foram ensaiadas até a carga de ruptura utilizando 0,05mm/s como velocidade de afastamento das garras, nesse caso os ensaios possuíram duração entre 15 e 20 min. Com esse aumento na velocidade do ensaio, não observou-se diferenças na forma de ruptura das peças. Figura 13 - Montagem do ensaio de tração. Fonte: A autora. Por fim, foram analisadas as resistências à tração obtidas, e as curvas tensão versus deformação. 31 3.2 Ensaio de Compressão Paralela às fibras O objetivo do ensaio de compressão paralela às fibras consiste em analisar a resistência à compressão do bambu. Foram confeccionados 7 corpos de prova em formato cilíndrico, sendo um campo amostral composto por 3 corpos de provas com nós e outro com 4 corpos de prova sem nós. Segundo a ISO 22157-1 a altura do corpo de prova deve ser igual ou maior ao diâmetro externo e optou-se então por corpos de prova de 15 cm de altura, conforme apresentado na Figura 14. Com o auxílio do paquímetro foram realizadas duas medidas do diâmetro externo em direções perpendiculares à seção transversal. A espessura e a altura da peça foram medidas em cada um desses pontos, sendo que essas medidas foram feitas em ambas as extremidades do corpo de prova. A média dos resultados é exibida nas Tabelas 5 e 6. Figura 14 - Dimensões do Corpo de Prova para o ensaio de compressão. Fonte: A autora. Tabela 5 - Dimensões dos corpos de Prova de Compressão com nó. CP (c/ nó) DEXT (mm) t (mm) DINT (mm) A (mm²) 1 115,71 8,88 97,94 2980,47 2 126,06 9,33 107,41 3419,77 3 129,21 9,88 109,46 3702,13 Fonte: A autora. 32 Tabela 6 - Dimensões dos corpos de Prova de Compressão sem nó. CP (c/ nó) DEXT (mm) t (mm) DINT (mm) A (mm²) 4 148,59 10,47 127,66 4541,14 5 149,59 10,98 127,63 4783,05 6 148,51 10,43 127,64 4525,94 7 132,18 10,80 110,57 4119,12 Fonte: A autora. Para evitar interferências no ensaio os colmos foram cortados e lixados, buscando-se o melhor nivelamento possível da superfície do topo e da base. Na Figura 15, é possível visualizar os corpos de prova com nós e sem nós submetidos à compressão. Figura 15 - Corpos de prova de compressão com nós e sem nós. Fonte: A autora. Foi utilizado no ensaio o equipamento PMX de aquisição de dados, da marca HBM, disponível no Laboratório de Materiais pertencente ao Departamento de Engenharia Civil da UDESC. A carga foi aplicada continuamente no centro móvel da máquina de teste. Entre as placas de aço da máquina e ambas as extremidades da amostra, foi utilizada uma placa de neoprene para reduzir o contato com as imperfeições reduzindo a concentração de tensões. A montagem do ensaio é mostrada na Figura 16. A ISO 22157-1 indica que a velocidade do equipamento deve ser de 0,01mm/s, no entanto o equipamento utilizado não permitia que a velocidade fosse regulada conforme a ISO, dessa forma não foram testadas amostras nessa velocidade. 33 Figura 16 - Montagem do equipamento para ensaio à compressão. Fonte: A autora A deformação axial e tangencial dos corpos de prova foi acompanhada por meio de strain gauges. Por fim, os resultados desse ensaio consistem nas tensões e deformações máximas suportadas pelo bambu no ensaio. 3.3 Ensaio de Flexão da Viga de Bambu No ensaio de flexão é determinada a resistência à flexão das vigas de bambu. Foram ensaiadas vigas bi-apoiadas com dois pontos de carga, esse tipo de ensaio recebe o nome de ensaio de quatro pontos. Foram ensaiados 4 colmos de bambu Dendrocalamus asper no laboratório de Estruturas pertencente ao Departamento de Engenharia Civil da UDESC. O diâmetro (D) das vigas situa- se entre 10 e 14 cm, e a espessura (t) média entre 9 e 12 mm. As dimensões das vigas foram obtidas usando-se um paquímetro, o diâmetro foi medido duas vezes em duas direções perpendiculares na seção transversal, e a espessura foi medida duas vezes em cada um dos quatro pontos utilizados para obter o diâmetro. O esquema utilizado para obter as dimensões da 34 viga ensaiada pode ser observado na Figura 17. As dimensões das vigas ensaiadas são apresentadas na Tabela 7. Figura 17 - Esquema utilizado para obter as dimensões da viga. Fonte: A autora. Tabela 7 - Dimensões dos colmos ensaiados à flexão. CP Dtopo (mm) ttopo (mm) Dbase (mm) tbase (mm) Dmed (mm) tmed (mm) 1 121,15 8,46 130,98 10,96 126,06 9,71 2 108,35 8,08 123,85 11,22 116,10 9,65 3 124,00 9,61 138,02 12,31 131,01 10,96 4 113,46 10,09 123,35 12,62 118,41 11,36 Fonte: A autora. O equipamento utilizado era constituído de uma plataforma com dois pistões hidráulicos, que foram utilizados como duas cargas aplicadas. Em cada pistão foi posicionada uma célula de carga, Figura 18. A ISO 22157-1 indica que o ensaio deve ser realizado com velocidade de 0,5 mm/s, no entanto, o equipamento não permitia ajustes de velocidade. 35 Figura 18 - Pistões hidráulicos (a) e célula de Carga (b). Fonte: A autora. Para apoiar a viga foram usados dois apoios de metal, posicionados sobre dois blocos de concreto. Na Figura 19, pode-se visualizar os apoios utilizados, o apoio 1 mostrado na Figura 19 (a) é composto por duas placas de metal separadas, uma delas com um cilindro soldado não permitindo translação, na montagem a segunda placa é colocada sobre a primeira conforme a Figura. No apoio 2, Figura 19 - b), tem-se três peças, as duas placas e mais o cilindro que não é soldado nas placas podendo assim fazer o movimento de translação, o apoio é montado da mesma forma que o apoio 1. Os eixos considerados como x, y e z são indicados na Figura 19. Figura 19 - (a) apoio 1 e (b) apoio 2. Fonte: A autora. 36 As vigas foram ensaiadas de forma que as cargas aplicadas ficassem sobre os nós do centro, sendo que as distâncias de cada apoio até a carga aplicada mais próxima eram as mesmas. A configuração utilizada no ensaio é mostrada na Figura 20, e as dimensões do vão ensaiado na Tabela 8, sendo “A” o comprimento do apoio até a carga concentrada mais próxima, e “B” a distância entre as cargas concentradas. As cargas pontuais serão tratadas neste trabalho como carga 1 e carga 2, conforme a Figura 18. Figura 20 - Configuração do ensaio de flexão. Fonte: A autora. Tabela 8 - Dimensões do vão ensaiado. CP A (mm) B (mm) Comprimento Total (mm) 1 1100 540 2740 2 1190 570 2950 3 1130 570 2830 4 1080 570 2730 Fonte: A autora. A fim de medir a deformação foi realizado um ensaio de correlação de imagem digital, essa metodologia analisa a deformação e os deslocamentos da amostra através de imagens 37 consecutivas que posteriormente são analisadas por meio de um software que trata as imagens com um algoritmo de correlação. A imagem inicial é dividida em várias seções denominadas blocos, esses blocos são procurados na imagem seguinte. Cada bloco é um conjunto de pixels e o objetivo do algoritmo é determinar a sua nova posição. Então, o algoritmo calcula o movimento que esse bloco de pixels realizou de uma imagem para outra, dentro de uma área pré-determinada, denominada região de interesse, obtendo assim os deslocamentos e deformações. Para o registro do ensaio foi utilizado o equipamento Digital Image Correlation – DIC (Correlação de Imagem Digital), da marca Dantec Dynamics, composto por duas câmeras que registraram o ensaio com uma frequência de uma foto a cada 0,2 segundos. A Figura 21, mostra o equipamento de imagem utilizado e a posição do mesmo em relação à viga. Figura 21 - Montagem do ensaio com o equipamento de correlação de imagem. Fonte: A autora. Para que os blocos estabelecidos na imagem sejam diferentes entre si, sendo assim possível encontrar esses blocos nas próximas imagens, a amostra deve ser preparada anteriormente com um padrão de cor de alto contraste. Sendo assim, foi necessário pintar de branco a parte central da viga, região entre os nós onde as cargas foram aplicadas, e depois criar um padrão com pequenos pontos na cor preta, Figura 22. Utilizou-se para o tratamento das imagens o Software Instra, da Dantec. 38 Figura 22 - Padrão aplicado na viga para medir a deformação. Fonte: A autora. O resultado do ensaio de flexão consiste em determinar à resistência à flexão do bambu e a curva tensão versus deformação utilizada para o cálculo do módulo nominal de elasticidade à flexão. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Ensaio de Tração A partir da força máxima aplicada ao corpo de prova é possível estimar a tensão máxima de acordo conforme, , (4) Onde: = tensão máxima, (MPa); F = força, (N); A = área da seção transversal no centro do corpo de prova, (mm²); Houve uma grande diferença nos valores de tensão máxima encontrados para os corpos de prova com e sem nós, confirmando que a região do nó é uma área de fraqueza do bambu em relação à tração. A tensão máxima média obtida para os corpos de prova com nós foi de 84,97 MPa e para os sem nós 166,73 MPa. A variação entre os valores obtidos para cada amostra foi 39 maior nos corpos de prova sem nó onde a menor tensão obtida foi de 118,79 MPa e a maior foi de 246,34 MPa. Considerando todas as amostras sem nó o desvio padrão foi de 50,56 MPa. Os corpos de prova com nó obtiveram menor variação de resultados, com desvio padrão de 12,69 MPa. Nas Tabelas 9 e 10 são exibidas as tensões máximas obtidas para cada corpo de prova, a tensão máxima média e o desvio padrão da tensão das amostras. Tabela 9 - Tensão máxima nos corpos de prova com nó. CP (c/ nó) Área - A (mm²) Força Máxima F - (N) Tensão Máxima - máx (MPa) Tensão Média - med (MPa) Desvio Padrão 1 198,99 12694 63,79 84,97 12,69 2 189,95 18091 95,24 3 190,77 19659 103,05 4 191,89 16734 87,21 5 183,09 13920 76,03 6 187,55 15850 84,51 Fonte: A autora. Tabela 10 - Tensão máxima nos corpos de prova sem nó. CP (s/ nó) Área - A (mm²) Força Máxima F- (N) Tensão Máxima - máx (MPa) Tensão Média - med (MPa) Desvio Padrão 7 198,99 23639 118,79 166,73 50,76 8 248,06 31207 125,80 9 169,73 29479 173,68 10 158,88 39137 246,34 11 148,48 17428 117,37 12 159,76 34886 218,37 Fonte: A autora. Pelo fato de o bambu ser um material com alta capacidade de deformação os strain gauges usados para a medição da deformação chegaram ao seu limite de deformação antes do rompimento do material. Dessa forma, para alguns corpos de prova a deformação máxima encontrada não corresponde a tensão máxima suportada pela amostra. As deformações sofridas por cada amostra dos corpos de prova com nó e sem nó podem ser observadas nas Figuras 23 e 24, respectivamente. 40 Figura 23 - Curvas Tensão versus Deformação dos corpos de prova com nó. Fonte: A autora. Figura 24 - Curvas Tensão versus Deformação dos corpos de prova sem nó. Fonte: A autora. 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 (M P a) (‰) CP 01 CP 02 CP 03 CP 04 CP 05 CP 06 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 (M P a) (‰) CP 07 CP 08 CP 09 CP 10 CP 11 CP 12 41 Pode-se perceber nas curvas a existência de um ruído, ou seja, diminuições no valor da tensão aplicada, isso ocorre pois o bambu é um material composto por fibras que podem romper durante o ensaio, quando uma dessas fibras sofre ruptura ocorre uma pequena queda na tensão, que volta a subir pois as demais fibras que compõe o material passam a realizar um maior esforço para suprir a falha dessas fibras, dessa forma o ensaio continua até a ruptura do corpo de prova. As curvas de tensão versus deformação dos corpos de prova apresentaram o mesmo comportamento para ambos os casos, com e sem nós. Sendo que, a deformação não ultrapassou 5‰, o que indica o limite de deformação do material. No entanto os corpos de prova com nó alcançaram essas deformações com valores menores de tensão, no intervalo de 50 MPa à 100 MPa, do que os corpos de prova sem nó, com tensões entre 100 MPa e 190 MPa. A deformação máxima registrada do corpo de prova e a tensão correspondente são exibidos nas Tabela 11 e Tabela 12. Tabela 11 - Deformação dos corpos de prova com nó. CP (c/ nó) Tensão - (MPa) Deformação - ε (‰) 1 55,81 4,44 2 49,05 4,66 3 103,05 3,56 4 74,17 4,58 5 58,41 4,63 6 84,14 4,25 Fonte: A autora. Tabela 12 - Deformação dos corpos de prova sem nó. CP (s/ nó) Tensão - (MPa) Deformação - ε (‰) 7 99,09 4,22 8 118,55 4,79 9 129,92 4,40 10 180,29 4,79 11 116,83 2,61 12 189,93 4,68 Fonte: A autora. Por meio das curvas tensão versus deformação, foi obtido o módulo de elasticidade conforme a NBR 8851 - Projeto de estruturas de madeira. Segundo a norma, o módulo de 42 elasticidade à tração representa a inclinação da reta secante definida pelos pontos (σ10%; ε10%) e (σ50%; ε50%) correspondentes, respectivamente, a 10% e 50% da resistência à tração máxima suportada pela amostra, sendo dado por, , (5) Sendo: σ10% = 10% da tensão máxima encontrada no ensaio, (MPa); ε10% = deformação correspondente à σ10%, (‰); σ50% = 50% da tensão máxima encontrada no ensaio, (MPa); ε50% = deformação correspondente à σ50%, (‰). O módulo de elasticidade à tração encontrado para os corpos de prova, média e o desvio padrão são apresentados nas Tabelas 13 e 14. Tabela 13 - Módulo de Elasticidade à tração dos corpos de prova com nó. CP (c/ nó) Porcentagem (10% ou 50%) Tensão - (MPa) Deformação - ε (‰) Módulo de Elasticidade - E (GPa) EMédio (GPa) Desvio Padrão (GPa) 1 50% 31,90 2,06 15,56 18,74 5,82 10% 6,38 0,42 2 50% 47,62 4,50 10,32 10% 9,52 0,81 3 50% 51,52 1,94 26,81 10% 10,30 0,41 4 50% 43,60 2,34 18,91 10% 8,72 0,49 5 50% 38,01 2,46 15,31 10% 7,60 0,47 6 50% 42,26 1,60 25,50 10% 8,45 0,27 Fonte: A autora. 43 Tabela 14 - Módulo de Elasticidade à tração dos corpos de prova sem nó. CP (s/ nó) Porcentagem (10% ou 50%) Tensão - (MPa) Deformação - ε (‰) Módulo de Elasticidade - E (GPa) EMédio (GPa) Desvio Padrão (GPa) 7 50% 59,40 2,24 27,15 35,71 7,32 10% 11,88 0,49 8 50% 62,90 2,52 24,70 10% 12,58 0,49 9 50% 86,84 2,11 42,72 10% 17,37 0,48 10 50% 123,17 3,36 36,31 10% 24,63 0,64 11 50% 58,69 1,36 43,44 10% 11,74 0,28 12 50% 109,18 2,70 39,93 10% 8,45 0,27 Fonte: A autora. No entanto, durante o ensaio de tração foi observado a abertura do corpo de prova na porção em contato com as garras, antes do rompimento da peça na parte central, conforme Figura 25. Tal fenômeno deve-se ao fato que a região de transição de espessura para a parte central do corpo de prova, se apresenta sem suavização, gerando uma região de concentração de tensão. Uma vez que esse fenômeno se inicia, observa-se uma pequena queda no valor da tensão aplicada, que retorna a aumentar de forma progressiva até a ruptura do corpo de prova na parte central, Figura 26. Figura 25 - Concentração de tensões na transição para a porção central. Fonte: A autora. 44 Figura 26 - Rompimento do corpo de prova de tração na parte central. Fonte: A autora. 4.1.1 Umidade dos corpos de prova de tração O ensaio de umidade foi realizado com amostras quadradas de aproximadamente 30mm por 30mm, retiradas da região onde ocorreu a ruptura do corpo de prova. As amostras foram secas em estufa e pesadas de 2 em 2 horas até que o peso se estabilizasse. Todas as amostras mantiveram o peso constante no primeiro intervalo de 2 horas após as 24 horas na estufa. A umidade foi calculada conforme, , (6) Sendo: h = a umidade, (%); Mh = a massa da amostra antes de seca, (Kg); Ms = a massa da amostra após a secagem, (Kg). A umidade das amostras variou de 10% a 33,33%, com umidade média de 24,39% para os corpos de prova com nó e 25,28% para os corpos de prova sem nó. Percebe-se que a umidade média foi similar para os corpos de prova com e sem nó, variando 1% apenas. Além disso, o 45 desvio padrão também foi similar, em torno de 7%. A umidade de cada corpo de prova, média e desvio padrão são exibidos na Tabela 15. Tabela 15 - Umidade dos corpos de prova de tração. CP Massa úmida - Mh (Kg) Massa seca (24h) - Ms1 (Kg) Massa seca (26h) - Ms2 (Kg) Umidade - h (%) hmédia (%) Desvio Padrão (%) (c/ nó) 1 0,008 0,006 0,006 33,33 24,39 7,01 2 0,009 0,007 0,007 28,57 3 0,009 0,008 0,008 12,50 4 0,005 0,004 0,004 25,00 5 0,005 0,004 0,004 25,00 6 0,007 0,006 0,006 16,67 (s/ nó) 7 0,004 0,003 0,003 33,33 25,28 7,78 8 0,011 0,01 0,01 10,00 9 0,004 0,003 0,003 33,33 10 0,01 0,008 0,008 25,00 11 0,005 0,004 0,004 25,00 12 0,005 0,004 0,004 25,00 Fonte: A autora. 4.2 Ensaio de Compressão A tensão máxima de compressão foi estimada por meio da força máxima aplicada ao corpo de prova utilizando o mesmo procedimento aplicado no ensaio de tração. A tensão máxima média obtida para os corpos de prova com e sem nó foram muito próximas. Para os corpos de prova com nó a tensão média foi de 33,85 MPa e desvio padrão de 3,56 MPa e para os sem nó média de 36,79 MPa e desvio padrão de 10,24 MPa. Percebe-se que apesar das tensões máximas médias serem muito próximas, para os corpos de prova sem nó houve uma grande variação nos valores de tensão obtidos, variando de 15,22 MPa a 43,43 MPa. O desvio padrão total das amostras, foi de 8,66 MPa. Na Tabela 16, são exibidas as tensões máximas obtidas para cada corpo de prova, a média das tensões, o desvio padrão das tensões máximas encontradas para as amostras com e sem nó, e também o desvio padrão total. No ensaio de compressão os corpos de prova sofreram achatamento e romperam através da descolagem das fibras. Os corpos de prova sem nó sofreram uma ruptura completa, 46 resultando na abertura de uma fenda. Já os corpos de prova com nó sofreram uma fratura mais discreta. A aparência dos corpos de prova após o rompimento pode ser observada na Figura 27. Tabela 16 - Tensão máxima nos corpos de prova com nó e sem nó. CP Área A - (mm²) Força máx. F - (kN) Tensão máx. - máx (MPa) Tensão Méd. - (MPa) Desvio Padrão Desvio Padrão Total (c/nó) 1 2980,47 87,96 29,51 33,85 3,56 8,66 2 3419,77 115,67 33,82 3 3702,13 141,52 38,23 (s/ nó) 4 4541,14 69,11 15,22 36,79 10,24 5 4783,05 113,07 23,64 6 4525,94 127,06 28,07 7 4119,12 178,87 43,43 Fonte: A autora. Figura 27 - Aparência dos corpos de prova rompidos: (a) com nó, (b) sem nó. Fonte: A autora. Devido a um problema com o equipamento utilizado para a leitura das deformações dos strain gauges, não foi possível obter os resultados das deformações para o ensaio à compressão e os valores foram descartados. Sendo assim, não foi possível traçar os diagramas tensão versus deformação e o módulo de elasticidade não foi calculado. 4.2.1 Umidade dos corpos de prova à compressão 47 O ensaio de umidade para os corpos de prova à compressão foi realizado com o mesmo procedimento descrito para os corpos de prova à tração. Novamente, todas as amostras mantiveram o peso constante no primeiro intervalo de 2 horas após as 24 horas na estufa. A umidade das amostras variou de 10% a 28,57%, com umidade média de 17,02% para os corpos de prova com nó, cerca de 3% superior do que a umidade obtida para os corpos de prova sem nó, 13,96%. A umidade de cada corpo de prova, média e desvio padrão são exibidos na Tabela 17. Tabela 17 - Umidade dos corpos de prova à compressão. CP Massa úmida - Mh (kg) Massa seca (24h) - Ms1 (kg) Massa seca (26h) - Ms2 (Kg) Umidade - h (%) hmédia (%) Desvio Padrão (%) (c/ nó) 1 0,011 0,010 0,010 10,00 17,02 8,23 2 0,009 0,008 0,008 12,50 3 0,009 0,007 0,007 28,57 (s/ nó) 4 0,011 0,010 0,010 10,00 13,96 4,85 5 0,009 0,008 0,008 12,50 6 0,010 0,009 0,009 11,11 7 0,011 0,009 0,009 22,22 Fonte: A autora. 4.3 Ensaio à Flexão A ISO 22157-1 recomenda que o ensaio à flexão seja realizado com amostras de comprimento tal que o vão livre seja de pelo menos 30 vezes o diâmetro do colmo. Segundo a norma, isso aumenta as chances de o rompimento da peça ocorrer por flexão. No entanto, o equipamento disponível para o ensaio no Laboratório de Estruturas pertencente ao Departamento de Engenharia Civil da UDESC possui um vão de apenas 3,5 m, dessa forma optou-se por colmos de aproximadamente 3 metros de comprimento, valor inferior ao recomendado para colmos com diâmetros entre 10 e 14 cm. Apesar das vigas ensaiadas não atenderem essa recomendação, observou-se que a ruptura das vigas ocorreu por flexão. De modo geral, as vigas sofreram ruptura na parte comprimida do colmo pelas cargas aplicadas. O processo se iniciou com o aparecimento de fissuras longitudinais paralelas as fibras, próxima a região de aplicação das cargas, e estendeu- se pela viga. 48 O rompimento da viga de número 1 ocorreu próximo ao ponto de aplicação da segunda carga (Figura 28), na região superior da viga, que estava comprimida. As vigas de numeração 2 e 4 romperam na região entre a aplicação das cargas, de forma similar a viga número 1, conforme Figuras 29 e 30. As vigas de número 1 e 4 também tiveram fissuras longitudinais na parte tracionada da viga, mas essas não se estenderam por toda a viga, permanecendo apenas na região de aplicação das cargas. Figura 28 - Ruptura da viga de bambu número 1. Fonte: A autora. Figura 29 - Ruptura da viga de bambu número 2. Fonte: A autora. 49 Figura 30 - Ruptura da viga de bambu número 4. Fonte: A autora. A viga número 3, Figura 31, sofreu uma rápida ruptura de forma que não foi possível identificar como começou o processo de rompimento. A ruptura caracterizou-se por uma rachadura na parte de cima por toda a extensão da viga, e ocorreram fissuras concentradas na região entre a aplicação das cargas na parte inferior da viga. Figura 31 - Ruptura da viga de bambu número 3. Fonte: A autora. 50 Como é possível observar na imagem foram aplicadas duas cargas pontuais nas vigas, cada uma em cima de um nó localizado no centro da viga. A força máxima aplicada nas cargas 1 e 2 e a força total são exibidas na Tabela 18. Tabela 18 - Forças aplicadas nas vigas. CP Carga 1 – (N) Carda 2– (N) Carga total – (N) 1 5086,44 3016,35 8102,79 2 3602,40 2910,68 6513,08 3 8433,90 8178,33 16612,23 4 6938,74 7029,26 13968,00 Fonte: A autora. Observa-se na Tabela 16 que os valores das cargas aplicadas 1 e 2 não são iguais. Isso ocorre devido a geometria da viga, por se tratar de um tronco de cone e como os atuadores das cargas se movem igualmente, um atuador vai encostar antes na viga do que o outro. Portanto haverá uma diferença nos valores das cargas. Quanto mais a geometria diferir entre os pontos de aplicação da carga, maior será essa diferença. A ISO 22157-1 traz os procedimentos necessários para que sejam obtidas as tensões máximas suportadas pelas amostras e o módulo de elasticidade à flexão. Primeiramente, deve- se calcular o valor do momento de inércia, conforme, (7) Sendo: IB = momento de inércia, (mm4); D = diâmetro, (mm); t = espessura, (mm). Na Tabela 19, são exibidos os resultados do momento de inércia para cada amostra. Tabela 19 - Momento de Inércia das vigas de bambu. CP Dmédio (mm) tmédio (mm) Área (mm²) Ib (mm4) L (mm) 1 126,06 9,71 3550,05 6049310,77 2740 2 116,10 9,65 3228,03 4609814,92 2950 3 131,01 10,96 4134,37 7510388,32 2830 4 118,41 11,37 3819,30 5533379,84 2730 Fonte: A autora. 51 Segundo a ISO 22157-1, a tensão máxima, , suportada pela amostra deve ser calculada conforme, , (8) Sendo: F = força máxima aplicada na amostra, soma das duas cargas aplicadas, (N); L = comprimento do vão livre, (mm); D = diâmetro do colmo de bambu, (mm); IB = momento de inércia, (mm4). A Tabela 20, traz as tensões máximas de flexão suportadas por cada amostra, a média e o desvio padrão da tensão máxima. A tensão máxima média obtida no ensaio de flexão foi de 53,81 MPa, com desvio padrão de 14,38 MPa. É interessante notar que as vigas número 1 e 2 obtiveram tensões muito semelhantes em torno de 40 MPa e as vigas 3 e 4 também alcançaram tensões muito próximas, mais de 68 MPa. Tabela 20 - Tensão máxima suportada pelas vigas de bambu no ensaio de flexão. CP Força máxima – Fmáx (N) Tensão máxima – máx (MPa) Tensão média – méd (MPa) Desvio Padrão (MPa) 1 8102,79 38,56 53,81 14,38 2 6513,08 40,33 3 16612,23 68,34 4 13968,00 68,01 Fonte: A autora. Analisando as propriedades das vigas, Tabela 17, com o objetivo de justificar esse fenômeno, percebeu-se que as vigas 3 e 4 possuíam espessuras 13,3% maiores que as outras duas vigas, e como consequência uma maior área de seção transversal (14,78%), embora essas diferenças sejam em proporções muito pequenas. Destaca-se que essas vigas são amostras da mesma espécie, Dendrocalamus asper, pertencentes ao mesmo lote. Essa análise pode ser vista na Tabela 21. 52 Tabela 21 - Análise do aumento da espessura e área das vigas 3 e 4 em relação as vigas 1 e 2. CP Espessura – t (mm) tmédio (mm) Percentual entre as espessuras Área – A (mm²) Amédia (mm²) Percentual entre as áreas 1 9,71 9,68 13,30% 3550,05 3389,04 14,78% 2 9,65 3228,03 3 10,96 11,16 4134,37 3976,84 4 11,37 3819,30 Fonte: A autora. Foi realizado um ensaio de correlação de imagem, com fotografias a cada 5Hz, ou seja, 0,2 segundos. Na Figura 32, pode ser observado o ajuste de foco realizado nas câmeras no início do ensaio. Percebe-se uma mancha vermelha no centro do colmo de bambu, que é consequência de pontos de saturação da imagem. Na região saturada as imagens não possuem qualidade suficiente para a calibração. Embora as vigas tenham sido pintadas com tinta fosca para evitar reflexos, esse padrão se repetiu em todas as amostras ensaiadas. Figura 32 - Ajuste de foco das câmeras antes do ensaio. Fonte: A autora. O software correlaciona as imagens formando um perfil 3D, do qual é possível obter os deslocamentos nas direções x, y e z. A Figura 33 exibe os eixos x, y e z considerados durante o ensaio. E a Figura 34 mostra o perfil 3D da viga de número 4 no início do ensaio e ao fim do ensaio usado para obter os deslocamentos em y. 53 Figura 33 - Eixos x, y e z. Fonte: A autora. Figura 34 - Perfil 3D da viga número 4, no início (a) e final do ensaio (b). Fonte: A autora. O polígono colorido, é a região de interesse da imagem utilizada para acompanhar os deslocamentos. Este polígono é demarcado pela região da imagem com qualidade suficiente para obter essas informações na parte superior, e na parte inferior os limites foram demarcados manualmente com pinos pretos. Para extrair os deslocamentos, em vez de traçar blocos na região de interesse, foi traçada uma linha no meio do vão, que é demarcada pelos pinos vermelhos. Então, o algoritmo do software foi programado para acompanhar a movimentação da linha de uma imagem para a outra. Esse processo foi realizado em todas as amostras. Através dos resultados de deslocamentos obtidos pelas imagens, observou-se que nesse ensaio houve movimento de corpo rígido na direção “z”. Esse movimento pode ser observado nas curvas força versus deslocamento apresentadas nas Figuras 35, 36, 37 e 38, que exibem os deslocamentos em x, y e z para cada viga. 54 Figura 35 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 1. Fonte: A autora. Figura 36 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 2. Fonte: A autora. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 F (N ) δ(mm) Desl. X Desl. Y Desl. Z 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 F (N ) δ(mm) Desl. X Desl. Y Desl. Z 55 Figura 37 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 3. Fonte: A autora. Figura 38 - Curva Força x Deslocamentos para a viga 4. Fonte: A autora. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 -20 -15 -10 -5 0 5 F (N ) δ(mm) Desl. X Desl. Y Desl. Z 0 2000 4000 6000 8000 10000 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 F (N ) δ(mm) Desl. X Desl. Y Desl. Z 56 Analisando as curvas, percebe-se que em pequenas proporções houve movimento de todas as vigas na direção z. Isso ocorreu pois o bambu foi colocado sobre os apoios sem nenhum tipo de travamento na direção z. Em decorrência dessa movimentação, não foi possível obter a deformação das vigas de bambu, para que fossem traçadas as curvas tensão versus deformação. Além disso, nota-se que o deslocamento na direção y seguiu um padrão em todas as vigas, aumentando linearmente com a carga e que apenas para a viga número 2 foram registrados os deslocamentos após o rompimento da viga. O acompanhamento da evolução dos deslocamentos depende da qualidade das imagens registradas pelas câmeras, entretanto, as informações das imagens correspondentes à parte final do ensaio não apresentaram qualidade suficiente para registro. Por isso, com exceção da viga número 2, não foi possível identificar os máximos deslocamentos mediante aplicação da força máxima. Acredita-se que ao decorrer do ensaio as imagens perderam a qualidade devido às regiões de saturação exibidas anteriormente nesse trabalho. A Tabela 22, exibe os últimos valores de deslocamentos (δX, δY, δZ) e a respectiva força aplicada nesse momento. Além disso, foi inserida na tabela a força máxima aplicada sobre a amostra, para que seja possível comparar esses valores. Tabela 22 - Deslocamentos nas vigas de bambu nas direções x, y e z. CP Fmáx (N) F (N) δX (mm) δy (mm) δz (mm) 1 8102,79 7896,82 -3,053 -38,97 -5,33 2 6513,08 6513,08 1,82 -31,80 1,55 3 16612,23 7706,94 -0,44 -17,34 2,02 4 13968,00 8730,08 -0,16 -25,41 -0,32 Fonte: A autora. Verifica-se que as câmeras não conseguiram registrar os deslocamentos das vigas após a força ultrapassar valores entre 6000 e 8000 N. Salienta-se que as vigas que possuíam maiores espessuras, 3 e 4, apresentaram menores deslocamentos na direção y e, consequentemente, resistiram a valores maiores de tensão comparadas às demais. O módulo de elasticidade à flexão, de acordo com a ISO 22157-1, representa uma relação entre a força aplicada e o deslocamento na direção y no meio do vão, e pode ser obtido conforme, 57 , (9) Sendo: Et = módulo de elasticidade à flexão, (MPa); F = força aplicada na amostra, (N); L = comprimento do vão livre, (mm); Δ = deslocamento no meio do vão livre, (mm); IB = momento de inércia, (mm4). Na Tabela 23, são exibidos os resultados do módulo de elasticidade à flexão calculados com a equação (8), o módulo de elasticidade à flexão médio e o desvio padrão. Os valores de módulo de elasticidade à flexão resultantes não apresentaram variação significativa, resultando em um desvio padrão de 4,48 GPa. A média do módulo de elasticidade obtida no ensaio de flexão foi de 19,67 MPa. Tabela 23 - Módulo de Elasticidade à flexão das vigas de bambu no ensaio de flexão. CP F – (N) δy – (mm) Ef - (GPa) EfMédio - (GPa) Desvio Padrão (GPa) 1 7896,82 -38,97 12,23 19,67 4,48 2 6513,08 -31,80 20,24 3 7706,94 -17,34 23,80 4 8730,08 -25,41 22,42 Fonte: A autora. 4.3.1 Umidade dos corpos de prova à flexão O ensaio de umidade para os corpos de prova à flexão foi realizado com o mesmo procedimento descrito para os corpos de prova à tração e compressão. Todas as amostras mantiveram o peso constante no primeiro intervalo de 2 horas após as 24 horas na estufa. A umidade das amostras variou de 10% a 20%, com umidade média de 13,57% e desvio padrão de 3,82%. A umidade de cada corpo de prova, média e desvio padrão são exibidos na Tabela 24. 58 Tabela 24 - Umidade dos corpos de prova de compressão. CP Massa úmida - Mh (kg) Massa seca (24h) - Ms1 (kg) Massa seca (26h) - Ms2 (Kg) Umidade - h (%) hmédia (%) Desvio Padrão (%) 1 0,018 0,016 0,016 12,50 13,57 3,82 2 0,011 0,010 0,010 10,00 3 0,019 0,017 0,017 11,76 4 0,012 0,010 0,010 20,00 Fonte: A autora. 4.4 Análise dos Resultados obtidos A Tabela 25 resume as propriedades mecânicas encontradas nos ensaios realizados. Tabela 25 - Resumo dos resultados obtidos nos ensaios de tração, compressão e flexão. Ensaio de Tração Ensaio de Compressão Ensaio de Flexão Com nó Sem nó Com nó Sem nó Resistência (MPa) 84,97 166,73 33,85 36,79 53,81 Módulo de Elasticidade (GPa) 18,74 35,71 - - 19,67 Fonte: A autora. Durante o ensaio à flexão das vigas, estas romperam na região comprimida, o que era esperado pois a resistência à compressão é inferior à resistência à tração. No entanto, a resistência máxima média à flexão encontrada é de aproximadamente 20 MPa superior à resistência à compressão, diferença está decorrente do conjunto de propriedades do bambu atuando ao mesmo tempo. Ou seja, sua elevada resistência à tração cooperou para que o bambu suportasse tensões maiores e também os nós que contribuíram para a resistência ao cisalhamento. Observando-se o rompimento das vigas percebeu-se que a ruptura da viga é mais acentuada na região do nó, que de acordo com os resultados obtidos é uma região de fraqueza do material. O módulo de elasticidade no ensaio de flexão foi de 19,67 GPa, que é um valor próximo ao obtido no ensaio de tração para corpos de prova com nó, comprovando a forte influência do nó sobre o comportamento mecânico do bambu. A resistência encontrada no ensaio de flexão também tem maior proximidade com as resistências obtidas para os corpos de prova com nó no ensaio de tração. 59 Analisando a umidade média obtida nos ensaios de tração, compressão e flexão, Tabela 26, percebeu-se que a umidade encontrada para os corpos de prova ensaiados à compressão e as vigas ensaiadas à flexão são similares, e que a umidade para os corpos de prova de tração é aproximadamente 10% superior. Acredita-se que isso ocorreu pois os corpos de prova para o ensaio de compressão sofreram menos usinagem, sendo apenas cortados com altura de 15 cm, sendo assim, respeitando o formato original do colmo. Já os corpos de prova ensaiados à tração, tem um formato completamente diferente, além disso, todos os corpos de prova foram lixados por toda sua superfície, o que pode ter removido a proteção natural do material, e ocasionado o aumento de absorção de umidade. Ainda é preciso destacar, que os ensaios de umidade com as amostras de tração, compressão e flexão foram realizados em dias diferentes e os resultados podem ter sido influenciados pela umidade relativa do ar do dia em questão. Tabela 26 - Umidade média obtida nos ensaios de tração, compressão e flexão. Umidade (%) Sem nó Com nó Ensaio de Tração 25,28 23,51 Ensaio de Compressão 13,96 17,02 Ensaio de Flexão 13,57 Fonte: A autora. Infelizmente não foram encontradas pesquisas com o objetivo de caracterizar as propriedades mecânicas do bambu da espécie Dendrocalamus asper. Optou-se então, por fazer uma comparação dos resultados obtidos nos ensaios de tração, compressão e flexão com pesquisas focadas em outras espécies de bambu. Os resultados dos ensaios de tração e compressão, exibidos nas seções 4.1 e 4.2 deste trabalho, respectivamente, mostraram-se satisfatórios quando comparados com os resultados indicados pela literatura existente. Segundo Pereira e Beraldo (2008), a resistência à tração do bambu situa-se entre 40 e 215 MPa, e o seu módulo de elasticidade à tração varia entre 5,5 e 18 GPa. Os resultados para a resistência à tração encontrados nesta pesquisa foram de 85 MPa para corpos de prova com nó e 166,73 MPa na região sem nó, dentro do intervalo proposto pelos autores. A Tabela 27, exibe os resultados à tração encontrados nesta pesquisa e na literatura. 60 Tabela 27 - Comparativo das resistências e módulo de elasticidade para o ensaio de tração. Autores Tração - (MPa) Sem nó Tração - (MPa) Com nó E (GPa) Sem nó E (GPa) Com nó Lima Jr. et al. (2010) 277 97 23 13 Bortot (2018) 122 62,5 25,6 18,8 A autora 166,73 84,97 35,27 17,97 Fonte: A autora. As pesquisas realizadas por Lima Jr. et al. (2010) e por Bortot (2018) tem como objeto de estudo bambus da espécie Dendrocalamus giganteus, um bambu com características próximas da espécie Dendrocalamus asper. Os resultados encontrados no ensaio de tração estão condizentes com os encontrados pelos autores, estando mais próximos dos resultados encontrados por Bortot (2018). Pode-se ver que em todas as pesquisas a região do nó influenciou negativamente a resistência à tração do bambu. A Tabela 28, exibe os resultados de resistência à compressão encontrados nesta pesquisa, e os resultados encontrados na literatura. Tabela 28 - Comparativo das resistências à compressão. Autores Compressão (MPa) Sem nó Compressão (MPa) Com nó Lima Jr. et al. (2010) 58 58 Bortot (2018) 39,30 38,87 A autora 36,79 33,85 Fonte: A autora. Segundo a Tabela 28, a pesquisa realizada por Lima Jr. et al. (2010), indica que a resistência à compressão do bambu Dendrocalamus giganteus é a mesma para a região nodal e internodal. Neste trabalho, a resistência à compressão do bambu para as regiões com nó e sem nó, apesar de não ser a mesma, possuem valores muito próximos. Além disso, os valores de resistência obtido pelos autores são aproximadamente o dobro dos obtidos nesta pesquisa. Já os resultados de Bortot (2018), situaram-se mais próximos dos encontrados nesta pesquisa, e também apresentaram pequenas variações em relação aos corpos de prova com nó e sem nó. Segundo Ghavami e Barbosa (2007), a resistência à compressão situa-se entre 20 MPa a 120 MPa, intervalo que abrange os resultados encontrados nesta pesquisa. Conclui-se pelas comparações com a literatura existente que os valores de resistência à compressão encontrados são condizentes com as características do material indicadas pela literatura. 61 Em relação à flexão é importante ressaltar que são poucos os estudos sobre as propriedades mecânicas do bambu submetido à flexão, e entre as pesquisas existentes a maioria utiliza bambu laminado colado em seus ensaios. Dito isto, os resultados obtidos foram comparados com duas pesquisas com foco em espécies diferentes de bambu, mas que também usaram ensaiados colmos de bambu in natura. Nessa pesquisa, a resistência obtida foi de 53,81 MPa, e o módulo de elasticidade à flexão foi de 19,67 GPa. Pereira (2012), afirma que a resistência à flexão do bambu está entre 30 e 170 MPa, logo a resistência média encontrada situa-se dentro do intervalo definido pelo autor. Sá Ribeiro, R., Sá Ribeiro, M. e Miranda (2017) estudaram as propriedades mecânicas da espécie Bambusa vulgaris, utilizando vigas de 3 metros, com vão livre de aproximadamente 2,71 no terceiro ponto. Os resultados foram os seguintes: tensão de ruptura 88 MPa e módulo de elasticidade à flexão 9,6 GPa. Percebe-se que os resultados relatados por eles possuem diferenças acentuadas em relação aos encontrados nesta pesquisa. Além disso, os deslocamentos registrados pelos autores, Figura 5, do item 2.23 deste trabalho, estão entre 180 mm a 280 mm, consideravelmente maiores do que os deslocamentos registrados neste caso, que não ultrapassaram 40mm. Beraldo (1987) apud Pereira (2012), afirmam que a resistência encontrada para corpos de prova cilíndricos, estado natural, da espécie Dendrocalamus giganteus, é de 151 MPa para a tensão de ruptura, e módulo de elasticidade à flexão de 12 GPa. A tensão encontrada na pesquisa citada foi muito superior aos resultados observados, no entanto o módulo de elasticidade está próximo do obtido. Os resultados obtidos no ensaio de flexão podem ser influenciados pela metodologia adotada, infelizmente nas pesquisas citadas não havia uma descrição detalhada do procedimento utilizado. Além disso, nessas pesquisas não estava especificado se o procedimento adotado era semelhante ao proposto pela ISO 22157-1, que serviu como base para a metodologia aplicada nesta pesquisa. Como já mencionado neste trabalho, as propriedades mecânicas do bambu dependem da região onde ele foi cultivado, umidade, e da integridade da amostra. Esses fatores influenciam os resultados obtidos, e também podem ser algumas das causas das diferenças encontradas entre os resultados e a biografia existente. 62 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O bambu é um material renovável, com alto potencial para o uso na construção civil devido as suas propriedades mecânicas, principalmente sua resistência à tração. O objetivo principal deste trabalho foi analisar as propriedades mecânicas do bambu da espécie Dendrocalamus asper quando ensaiado à flexão, com o intuito de difundir as pesquisas relacionadas a materiais sustentáveis e seu uso na construção civil. Foram realizados ensaios de tração e compressão em corpos de prova com nó e sem nó. E também ensaios de flexão em colmos de bambu in natura com vãos de aproximadamente 3 metros. No ensaio de tração foi obtida uma tensão máxima compreendida entre 84,97 MPa e 166,73 MPa, e módulo de elasticidade de 18,74 GPa e 35,71 GPa, para os corpos de prova com nó e sem nó respectivamente. O módulo de elasticidade foi obtido através da inclinação das curvas tensão versus deformação. Esses resultados demonstram que a região do nó é um ponto de fraqueza para o material e reduz consideravelmente a sua resistência à tração. Já para a resistência à compressão a presença do nó não influenciou nos resultados consideravelmente. A resistência à compressão média foi de 33,85 MPa para a região nodal e 36,79 para a internodal. Infelizmente, devido a um problema no equipamento utilizado no ensaio de compressão não foi possível traçar as curvas tensão versus deformação, sendo assim, não foram encontrados os módulos de elasticidade para esse ensaio. Os resultados encontrados nos ensaios de tração e compressão foram considerados condizentes com os resultados encontrados por outros autores em suas pesquisas. Por fim, foram ensaiadas quatro vigas à flexão, em um ensaio de quatro pontos, sendo obtida uma resistência à flexão média de 53,81 MPa. Os deslocamentos obtidos pelas vigas foram acompanhados por um ensaio de correlação de imagem, com imagens a cada 0,2 segundos. Com o deslocamento e a força aplicada na amostra foi possível calcular o módulo de elasticidade médio que resultou em 19,67 GPa, através de uma equação indicada pela ISO 22157-1. Observou-se que durante o ensaio ocorreu movimento de corpo rígido na direção z, o que acredita-se ser o motivo para as imagens não terem conseguido registrar a deformação da viga. Em consequência, não foi possível traçar os diagramas tensão versus deformação. A ruptura das vigas ensaiadas ocorreu na região comprimida, além disso, a resistência à flexão encontrada é mais próxima da resistência à compressão obtida. Logo, pode-se afirmar que a resistência à compressão é um valor muito importante para o uso de vigas de bambu na 63 construção civil, e que como o aço, o bambu possui melhor desempenho quando submetido à tração. Comparando os resultados obtidos no ensaio de flexão com a literatura existente observou-se diferenças acentuadas. Existem poucas pesquisas com foco em bambus da espécie Dendrocalamus asper, ou com o objetivo de estudar o bambu submetido à flexão. Dessas, poucas utilizam colmos de bambu in natura, sendo mais comum o estudo em bambu laminado colado. Além disso, as pesquisas não informaram qual o procedimento seguido para os ensaios. Por fim, é importante ressaltar que as propriedades do bambu ainda estão sendo estudadas, e existem muitas espécies que foram pouco exploradas, dentre essas o Dendrocalamus asper foco desta pesquisa. Apesar das diferenças encontradas no ensaio de flexão com a literatura existente, os resultados encontrados indicam o elevado potencial do bambu para o uso na construção civil. As resistências observadas à tração, compressão e flexão se tornam ainda mais expressivas quando se pensa no baixo peso que o bambu possui, quando comparado com outros materiais utilizados na construção civil. Como sugestão para trabalhos futuros propõe-se: · realização de ensaios de tração com corpos de prova onde a transição para região central seja mais suave, evitando concentração de tensões; · rea