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ARMANDO DE OLIVEIRA MENDES NETO

PLACAS DE SINALIZAÇÃO EM MATRIZ POLIMÉRICA

COM REFORÇO DE FIBRAS DE SISAL

Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, da Universidade Federal Fluminense, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil, área de concentração Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Protasio Ferreira e Castro, Ph.D.

Niterói, 2008

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Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF

M538 Mendes Neto, Armando de Oliveira.

Placas de sinalização em matriz polimérica com reforço de

fibras de sisal / Armando de Oliveira Mendes Neto. – Niterói, RJ : [s.n.], 2008.

213 f.

Orientador: Protasio Ferreira e Castro .

Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Universidade Federal Fluminense, 2008.

1. Engenharia civil. 2. Compósito polimérico. 3. Resina poliéster.

4. Fibra de sisal. 5. Sinais e sinalização. I. Título. CDD 624

ARMANDO DE OLIVEIRA MENDES NETO

PLACAS DE SINALIZAÇÃO EM MATRIZ POLIMÉRICA COM REFORÇO DE

FIBRAS DE SISAL

Tese de doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, da Universidade Federal Fluminense, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil, área de concentração Engenharia Civil.

Aprovada por:

__________________________________________________________

Prof Protasio Ferreira e Castro, Ph.D. (orientador) Universidade Federal Fluminense

__________________________________________________________

Prof Felipe José da Silva, D.Sc.

__________________________________________________________ Prof Henrique Innecco Longo, D.Sc.

__________________________________________________________

Prof Normando Perazzo Barbosa,

__________________________________________________________ Prof Rodrigo Moysés Costa, D.Sc.

Niterói, RJ 2008

"Felicidade é uma viagem, não um destino”.

AGRADECIMENTOS

A Deus

Aos meus familiares pela compreensão, apoio, amor e paciência, minha esposa

Fernanda Carolina, meu pai Armando, minha mãe Eleonora e meus irmãos Renata e Daniel. Á

minha vó Beatriz.

Ao professor Protasio Ferreira e Castro, pela orientação consistente e segura, pelo

vasto conhecimento transmitido e pelo apoio e amizade demonstrados ao longo de todo o

trabalho.

Aos professores componentes da banca de exame.

Ao amigo Miguel da Fonseca Amaral Ribeiro pela valiosa disposição em contribuir

para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao professor Normando Perazzo pela atenção dedicada ao meu trabalho.

Aos professores do Laboratório de Solidificação Rápida do Departamento de

Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Paraíba, em especial ao professor Silvio de

Barros pela ajuda prestada.

Ao amigo Evandro José de Oliveira Bastos pelos ensinamentos estatísticos que

contribuíram para a realização deste trabalho.

Ao engenheiro Leonardo Perazzo pela grande contribuição e ensinamento passado dia-

a-dia.

Aos amigos José Homero Mancebo Ribeiro e Fausto Batista Mendonça.

À FIBRASA pelo apoio e fornecimento de material para à realização deste trabalho.

Ao Programa de Doutorado em Engenharia Civil da Universidade Federal Fluminense

pelo apoio fornecido durante a realização do trabalho.

Aos amigos do Instituto Nacional da Propriedade Industrial – INPI.

RESUMO

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de placas de sinalização fabricadas em matriz de resina poliéster reforçada com fibras de sisal. Inicialmente, foram realizados ensaios de tração, flexão e absorção nos corpos-de-prova reforçados com manta de fibra de sisal que utilizam carga de talco mineral nas proporções de 20%, 30% e 40% em relação ao peso de resina. Em seguida foi analisada a influência do tratamento térmico da manta de fibra de sisal nas propriedades mecânicas de compósitos poliméricos. Para tanto, as mantas de sisal foram colocadas em estufa, a uma temperatura de 140ºC por 04 horas. Também foi observada a influência da exposição das placas às intempéries. Após o tratamento estatístico das amostras, realizou-se a análise das tensões produzidas nas placas em função da atuação de diferentes pressões de vento. Os resultados obtidos indicaram a possibilidade do uso de compósitos que incorporam fibras de sisal a uma matriz polimérica para a fabricação de placas de sinalização. O estudo também comprovou a eficiência da secagem das fibras de sisal em estufa para a melhoria das propriedades mecânicas do compósito.

ABSTRACT

The present work consists of the development of traffic signal plates manufactured in resin polyester strengthened with sisal fibers. Initially, mechanical properties such as tensile strength, flexure and absorption were determined to study the effect of the addition of the talco in the ratios of 20%, 30% and 40% in relation to the weight of resin. After that, the influence of the thermal treatment of the sisal fiber in the mechanical properties of composite was analyzed. For in such a way, the sisal fiber had been placed into the oven, to a temperature of 140ºC for 04 hours. Also the influence of the exposition of the plates to open environment was observed. After the statistical treatment of the samples, the analysis of the tensions produced in the plates in function of the performance of different pressures of wind was performed. The results indicate the possibility of the use of composites that incorporate sisal fibers to a polyester matrix for the manufacture of traffic signal plate. The study also proved the efficiency of the drying of staple fibers of sisal into the oven for the improvement of the mechanical properties of the composites.

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS .............................................................................................................4

RESUMO...................................................................................................................................5

ABSTRACT ..............................................................................................................................6

SUMÁRIO.................................................................................................................................7

LISTA DE ILUSTRAÇÕES..................................................................................................10

LISTA DE TABELAS............................................................................................................14

1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................16 1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS .........................................................................................16 1.2. JUSTIFICATIVA ..............................................................................................................17 1.3. OBJETIVOS......................................................................................................................20 1.3.2. Objetivos específicos.....................................................................................................20 1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ......................................................................................21

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..........................................................................................23 2.1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................23 2.2. MATERIAIS COMPÓSITOS ...........................................................................................24 2.2.1 Generalidades ................................................................................................................24 2.2.2. Constituição dos materiais compósitos .......................................................................25 2.2.3. Fabricação dos materiais compósitos .........................................................................39 2.3. O USO DO PLÁSTICO REFORÇADO POR FIBRAS NA ENGENHARIA .................44 2.3.1. Placas verticais de sinalização viária ..........................................................................45 2.3.2. Dispositivos anti-ofuscamento / barreiras acústicas..................................................46

3. A FIBRA DE SISAL...........................................................................................................50 3.1 CULTIVO E BENEFICIAMENTO ...................................................................................52 3.2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO....................................................................................54 3.1.1. Fiação.............................................................................................................................54 3.1.2. Tecelagem......................................................................................................................55 3.1.3. Inspeção .........................................................................................................................56

4. ESTUDO DA POTENCIALIDADE DO COMPÓSITO DE FIBRA DE SISAL .........57 4.1. CONFINAMENTO DE CILINDROS DE CONCRETO COM O USO DO PRFS .........57 4.2. REFORÇO DE VIGAS DE CONCRETO FLETIDAS COM O USO DO PRFS ............62 4.3. ENSAIOS DE TRAÇÃO NOS PRODUTOS DE FIBRA DE SISAL..............................64 4.3.1 Ensaio de tração no fio de sisal.....................................................................................64 4.3.2 Ensaio de tração no tecido de fibra de sisal ................................................................66

4.4. PLACAS REFORÇADAS COM FIBRAS CURTAS DE SISAL....................................67 4.4.1 Ensaio de tração.............................................................................................................68 4.4.2 Ensaio de flexão .............................................................................................................71

5. PLACA EM RESINA POLIESTÉR COM TECIDO DE SISAL ..................................73 5.1 RESISTÊNCIA AOS ESFORÇOS DE VENTO ...............................................................75 5.1.1 Placas para sinalização vertical....................................................................................78 5.1.2 Placas para barreiras viárias........................................................................................96

6. METODOLOGIA EXPERIMENTAL.............................................................................99 6.1. MATÉRIAS-PRIMAS ......................................................................................................99 6.1.1 Resina poliéster ..............................................................................................................99 6.1.2 Catalisador .....................................................................................................................99 6.1.3 Componente de reforço ...............................................................................................100 6.1.4 Componente de carga..................................................................................................100 6.1.5 Desmoldante .................................................................................................................100 6.2. PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS ...........................................................................100 6.2.1 Composição e nomenclatura das amostras ...............................................................102 6.3 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS..............................................103 6.3.1. Resistência à tração (ASTM D 638) ..........................................................................104 6.3.2. Ensaio de flexão ..........................................................................................................106 6.3.3. Ensaio de absorção .....................................................................................................106

7. RESULTADOS DOS ENSAIOS DAS PLACAS DE PRFS..........................................108 7.1. TRATAMENTO ESTATISTICO ...................................................................................108 7.2 ANÁLISE DA HOMOGENEIDADE DAS AMOSTRAS ..............................................108 7.2.1 Teste de Dixon..............................................................................................................109 7.2.2 Critério da NBR-7215 – CIMENTO PORTLAND – determinação da resistência à compressão ............................................................................................................................110

8. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS................................................................................114 8.1 ENSAIO DE TRAÇÃO....................................................................................................114 8.1.1 Placas sem reforço (CONTROLE).............................................................................114 8.1.2 Placas reforçadas com tecido de sisal ........................................................................118 8.1.3 Placas reforçadas com tecido de fibra de vidro ........................................................125 8.2 ENSAIO DE FLEXÃO ....................................................................................................126 8.2.1 Placas sem reforço (CONTROLE).............................................................................126 8.2.2 Placas reforçadas com tecido de sisal ........................................................................129 8.2.3 Placas reforçadas com tecido de fibra de vidro ........................................................134 8.3 ENSAIO DE ABSORÇÃO ..............................................................................................135 8.4 CARACTERIZAÇÃO DA AMOSTRA R30+T..............................................................137 8.4.1 Tratamento térmico das fibras de sisal......................................................................139 8.4.2 Exposição às intempéries – 300h ................................................................................147 8.4.3 Módulo de elasticidade................................................................................................150 8.4.4 Alongamento na ruptura ............................................................................................152 8.4.5 Avaliação estrutural ....................................................................................................153 8.4.6 Requisitos para as placas em PRFS ...........................................................................154

9. CONCLUSÕES.................................................................................................................155 9.1 TEOR DE TALCO ...........................................................................................................155 9.2 TRATAMENTO TÉRMICO DO TECIDO DE SISAL...................................................155 9.3 EXPOSIÇÃO ÀS INTEMPÉRIES...................................................................................155 9.4 ABSORÇÃO ....................................................................................................................156

9.5 APLICABILIDADE DO PRFS........................................................................................156

10. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................................157

11. REFERÊNCIAS .............................................................................................................159

APÊNDICES .........................................................................................................................165

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 01: Classificação das fibras ......................................................................................28 FIGURA 02 - Padrão de deformação na matriz de um compósito submetido à tração ...........30 FIGURA 03 - Tensão - perfis de posição quando o comprimento de fibra "L" é: (a) igual ao tamanho crítico, (b) maior que o tamanho crítico e (c) menor que o tamanho crítico para um FRC que é sujeito a uma tensão igual à resistência tênsil da fibra σf; Fonte: Carvalho [11] .....30 FIGURA 04 - Representação esquemática de (a) compósito contínuo e alinhado (b) descontínuo e alinhado e (c) descontínuo e aleatoriamente orientada; Fonte: O autor ............32 FIGURA 05 - Ilustração esquemática do processo hand-lay-up; Fonte: Carvalho[09] .............39 FIGURA 06 - Ilustração esquemática do processo de spray-up; Fonte: Carvalho[09] ..............40 FIGURA 07 - Ilustração esquemática do processo de cold press moulding; Fonte: Carvalho[09]

..................................................................................................................................................40 FIGURA 08 - Ilustração esquemática do processo de hot press moulding; Fonte: Carvalho[09]

..................................................................................................................................................41 FIGURA 09 - Ilustração esquemática do processo de resin transfer moulding; Fonte: Carvalho[09] ...............................................................................................................................41 FIGURA 10 - Ilustração esquemática do processo de prepreg moulding; Fonte: Carvalho[09]42 FIGURA 11 - Ilustração esquemática do processo de filament winding; Fonte: Carvalho[09] .43 FIGURA 12 - Representação esquemática de uma pultrusora; Fonte: Carvalho[09].................44 FIGURA 13 – Barreira acústica em Hanover, Alemanha; ......................................................47 FIGURA 14 – Aspecto de barreira acústica instalada em fábrica..........................................47 FIGURA 15 – Seção transversal de barreira acústica instalada em pista simples; .................48 FIGURA 16 – Seção transversal de barreira acústica instalada em pista dupla;.....................48 FIGURA 17 – Detalhe 01 de barreira acústica ou anti-ofuscamento ......................................48 FIGURA 18 – Detalhe 02 de barreira acústica ou anti-ofuscamento ......................................49 FIGURA 19 – Aspecto do fio de sisal antes do processo de barbeamento ..............................55 FIGURA 20 – Rejeito de sisal no compartimento da “barbeadora”.........................................55 FIGURA 21 – Tear do tecido de sisal ......................................................................................55 FIGURA 22 – Aspecto do fio de sisal......................................................................................58 FIGURA 23 – Aspecto do tecido de fibra de sisal bidirecional ...............................................58 FIGURA 24- Processo de encamisamento com o uso do fio de sisal ......................................58 FIGURA 25- Processo de encamisamento com o uso do fio de sisal ......................................59 FIGURA 26- Processo de encamisamento com o uso do fio de sisal ......................................59 FIGURA 27 - Processo de encamisamento com tecido de sisal...............................................59 FIGURA 28 - Processo de encamisamento tecido de sisal ......................................................60 FIGURA 29 - Processo de encamisamento com tecido de sisal...............................................60 FIGURA 30- Processo de encamisamento com tecido de sisal................................................60 FIGURA 31 – Comparação dos resultados obtidos para a mistura A ......................................61

FIGURA 32 – Comparação dos resultados obtidos para a mistura B ......................................62 FIGURA 33 – Laminação do tecido; Fonte: O autor ...............................................................63 FIGURA 34 – Esquema do ensaio. ..........................................................................................63 FIGURA 35 – Viga de controle na ruptura ..............................................................................64 FIGURA 36 – Ruptura da viga reforçada.................................................................................64 FIGURA 37 – Ensaio de tração no fio de sisal ........................................................................65 FIGURA 38 – Corpo-de-prova fixado a máquina de tração ....................................................66 FIGURA 39 – Aspecto da curva do ensaio à tração para amostras com fibras curtas de sisal 68 FIGURA 40 – Aspecto da ruptura da amostra reforçada com fibras curtas de sisal ................69 FIGURA 41 – Plano de ruptura da amostra - MEV .................................................................69 FIGURA 42 – Resistência à tração da amostras com adição de fibras curtas de sisal .............70 FIGURA 43 – Efeito do tratamento térmico na resistência à tração ........................................70 FIGURA 44 – Aspecto da curva do ensaio à flexão para amostras com fibras curtas de sisal 71 FIGURA 45 – Ruptura da placa com fibras curtas de sisal durante ensaio de flexão..............71 FIGURA 46 – Efeito do tratamento térmico na resistência à flexão........................................72 FIGURA 47 – Placa de sinalização – Forma circular ..............................................................78 FIGURA 48 – Esquema de fixação da placa circular para postes simples...............................79 FIGURA 49 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s....................................................................................................79 FIGURA 50 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s....................................................................................................80 FIGURA 51 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s....................................................................................................80 FIGURA 52 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s .................................................................81 FIGURA 53 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s .................................................................81 FIGURA 54 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s .................................................................82 FIGURA 55 – Placa de sinalização – Forma octogonal...........................................................82 FIGURA 56 – Esquema de fixação da placa octogonal ...........................................................82 FIGURA 57 – Tensões na placa octogonal fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s....................................................................................................83 FIGURA 58 – Tensões na placa octogonal fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s....................................................................................................84 FIGURA 59 – Tensões na placa octogonal fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s....................................................................................................84 FIGURA 60 – Tensões na placa octogonal fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s .................................................................85 FIGURA 61 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s .................................................................85 FIGURA 62 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s .................................................................86 FIGURA 63 – Placa de sinalização – Forma quadrada ............................................................86 FIGURA 64 – Esquema de fixação da placa quadrada ............................................................87 FIGURA 65 – Tensões na placa quadrada fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s....................................................................................................87 FIGURA 66 – Tensões na placa quadrada fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s....................................................................................................88

FIGURA 67 – Tensões na placa quadrada fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s....................................................................................................88 FIGURA 68 – Tensões na placa quadrada fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s .................................................................89 FIGURA 69 – Tensões na placa quadrada fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s .................................................................89 FIGURA 70 – Tensões na placa quadrada fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s .................................................................90 FIGURA 71 – Placa de sinalização ..........................................................................................90 FIGURA 72 – Esquema de fixação da placa............................................................................91 FIGURA 73 – Tensões na placa fixada diretamente ao suporte, produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s ..............................................................................................................91 FIGURA 74 – Tensões na placa fixada diretamente ao suporte, produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s ..............................................................................................................92 FIGURA 75 – Tensões na placa fixada diretamente ao suporte, produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s ..............................................................................................................92 FIGURA 76 – Tensões na placa fixada ao suporte com cantoneiras horizontais, produzidas pela ação de um vento básico de 50m/s....................................................................................93 FIGURA 77 – Tensões na placa fixada ao suporte com cantoneiras horizontais, produzidas pela ação de um vento básico de 40m/s....................................................................................93 FIGURA 78 – Tensões na placa fixada ao suporte com cantoneiras horizontais, produzidas pela ação de um vento básico de 30m/s....................................................................................94 FIGURA 79 – suporte para placa de sinalização com braço projetado....................................94 FIGURA 80 – esquema de fixação da placa com braço projetado...........................................95 FIGURA 81 – suporte de placa do tipo treliçado - semipórtico...............................................95 FIGURA 82 – Detalhes da barreira acústica ............................................................................96 FIGURA 83 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica Para uma velocidade básica de 50m/s ......................................................................................................97 FIGURA 84 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica para uma velocidade básica de 40m/s ......................................................................................................97 FIGURA 85 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica para uma velocidade básica de 30m/s ......................................................................................................98 FIGURA 86 – Processo de moldagem por prensagem...........................................................101 FIGURA 87 – Aspecto das réplicas fabricadas ......................................................................101 FIGURA 88 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0 – Ensaio de Tração................................................................................................................................................115 FIGURA 89 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R20 – Ensaio de Tração................................................................................................................................................115 FIGURA 90 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R30 – Ensaio de Tração................................................................................................................................................116 FIGURA 91 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R40 – Ensaio de Tração................................................................................................................................................116 FIGURA 92 – Resistência média à tração das amostras em função do teor de talco.............117 FIGURA 93 – Placa com trincas ao longo do eixo longitudinal – Domínio 02.....................119 FIGURA 94 – Aspecto da placa no instante da ruptura do tecido – Domínio 03 ..................119 FIGURA 95 – Definição dos domínios de deformação no gráfico tensão x deformação ......120 FIGURA 96 – Gráfico tensão x deformação corrigido ..........................................................121 FIGURA 97 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0+T – Ensaio de Tração................................................................................................................................................122

FIGURA 98 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R20+T – Ensaio de Tração .....................................................................................................................................122 FIGURA 99 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R20+T – Ensaio de Tração .....................................................................................................................................123 FIGURA 100 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R20+T – Ensaio de Tração .....................................................................................................................................123 FIGURA 101 – Resistência à tração das amostras com tecido de sisal .................................124 FIGURA 102 – Comparação Fibra de Sisal X Fibra de Vidro – Ensaio de Tração...............126 FIGURA 103 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0 – Ensaio de Flexão................................................................................................................................................126 FIGURA 104 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R20 – Ensaio de Flexão................................................................................................................................................127 FIGURA 105 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R30 – Ensaio de Flexão................................................................................................................................................127 FIGURA 106 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R40 – Ensaio de Flexão................................................................................................................................................127 FIGURA 107 – Resistência à flexão – amostras sem reforço ................................................128 FIGURA 108 – Ruptura da resina da amostra com tecido de sisal ........................................130 FIGURA 109 – Detalhe da ruptura da resina da amostra com tecido de sisal .......................130 FIGURA 110 – Aspecto da face comprimida da amostra após ensaio de flexão...................130 FIGURA 111 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R0+T – Ensaio de Flexão......131 FIGURA 112 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R20+T – Ensaio de Flexão....131 FIGURA 113 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R30+T – Ensaio de Flexão....131 FIGURA 114 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R40+T – Ensaio de Flexão....132 FIGURA 115 – Deformação da amostra com tecido de sisal – ensaio de flexão...................132 FIGURA 116 – Resistência à flexão – amostras com tecido de sisal.....................................133 FIGURA 117 – Comparação Fibra de Sisal X Fibra de Vidro – Ensaio de Flexão ...............135 FIGURA 118 – Valores do ensaio de absorção......................................................................135 FIGURA 119 – Aspecto da amostra com tecido de sisal após 24h de imersão .....................136 FIGURA 120 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R30+T(e) – Ensaio de Tração140 FIGURA 121 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Tração...................140 FIGURA 122 – Variação da resistência à tração para as amostras com 30% de teor de talco................................................................................................................................................141 FIGURA 123 – Área correspondente a amostra R30.............................................................142 FIGURA 124 – Área correspondente a amostra R30+T ........................................................142 FIGURA 125 – Área correspondente a amostra R30+T(e)....................................................143 FIGURA 126 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Flexão ...................144 FIGURA 127 – Influência do tratamento térmico na resistência à flexão .............................144 FIGURA 128 – Área correspondente a amostra R30.............................................................145 FIGURA 129 – Área correspondente a amostra R30+T ........................................................146 FIGURA 130 – Área correspondente a amostra R30+T(e)....................................................146 FIGURA 131 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Tração...................148 FIGURA 132 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Tração...................148 FIGURA 133 – Resistência à tração das amostras em função da exposição às intempéries .149 FIGURA 134 – Gráfico de dispersão – Amostra R30............................................................151 FIGURA 135 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T.......................................................151 FIGURA 136 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T(e)...................................................151 FIGURA 137 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T_300 ...............................................152 FIGURA 138 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T(e)_300...........................................152

LISTA DE TABELAS

TABELA 01 – Resistência à tração de alguns compósitos poliméricos com fibras vegetais ..24 TABELA 02 – Composição química de fibras vegetais...........................................................51 TABELA 03 – Características físicas das fibras ......................................................................51 TABELA 04 – Propriedades mecânicas das fibras ..................................................................51 TABELA 05 – Propriedades mecânicas das fibras reportadas em estudos diversos................52 TABELA 06: Área colhida e produção na lavoura do sisal no Nordeste - 1975 a 1995..........53 TABELA 07 – Resultados das resistências à compressão .......................................................61 TABELA 08 – Resultado do programa experimental ..............................................................63 TABELA 09 – Resultados do ensaio de tração no fio de sisal.................................................65 TABELA 10 – Resultados de ensaio de tração no tecido.........................................................67 TABELA 11 – Escala de Beaufort ...........................................................................................77 TABELA 12 – Cargas nas placas em função da velocidade do vento .....................................77 TABELA 13 – Tensões máximas de flexão atuantes nas placas propostas .............................95 TABELA 14– Tensões máximas de flexão atuantes nas placas das barreiras acústicas ..........98 TABELA 15 – Características da resina...................................................................................99 TABELA 16 – Nomenclatura das amostras ensaiadas...........................................................102 TABELA 17 – Características da fibra de vidro – NBR13275 ..............................................104 TABELA 18 – Valores críticos para o Teste de Dixon..........................................................109 TABELA 19 – Teste de Dixon – Amostra R0 – 05 réplicas ..................................................110 TABELA 20 – Teste de Dixon – Amostra R0 – 04 réplicas ..................................................110 TABELA 21 – Critérios da NBR-7215 – Amostra R0 – 05 réplicas .....................................111 TABELA 22 – Critérios da NBR-7215 – Amostra R0 – 04 réplicas .....................................111 TABELA 23 – Critérios da NBR-7215 – Amostra R0 – 03 réplicas .....................................112 TABELA 24 – Resistência à tração média das amostras calculada após exclusão de outliers

................................................................................................................................................112 TABELA 25 – Resistência à flexão média das amostras calculada após exclusão de outliers

................................................................................................................................................113 TABELA 26 – Análise para o ensaio de tração das amostras em função do teor de talco ....118 TABELA 27 – Teste para o ensaio de tração das amostras em função do teor de talco ........118 TABELA 28 – Análise para o ensaio de tração das amostras com tecido de sisal ................124 TABELA 29 – Teste para o ensaio de tração das amostras com tecido de sisal ....................125 TABELA 30 – Análise para o ensaio de flexão das amostras em função do teor de talco ....129 TABELA 31 – Teste para o ensaio de flexão das amostras em função do teor de talco........129 TABELA 32 – Análise para o ensaio de flexão das amostras com tecido de sisal ................133 TABELA 33 – Teste para o ensaio de flexão das amostras com tecido de sisal....................133 TABELA 34 – Teor de umidade médio .................................................................................136 TABELA 35 – Teor de umidade – amostras com selador......................................................137

TABELA 36 – Características da amostra R30+T .................................................................138 TABELA 37 – Características a serem determinadas para a amostra R30+T........................139 TABELA 38 – Análise para o ensaio de tração em função do tratamento térmico do sisal ..141 TABELA 39 – Teste de Tukey para as amostras em função do tratamento térmico do sisal 141 TABELA 40 – Análise para o ensaio de tração em função do tratamento térmico do sisal ..145 TABELA 41 – Teste de Tukey para as amostras com 30% de teor de talco..........................145 TABELA 42 – Dados da temperatura ambiente no período de exposição das amostras .......147 TABELA 43 – análise para o ensaio de tração em função da exposição às intempéries .......149 TABELA 44 – Teste para o ensaio de tração em função da exposição às intempéries..........150 TABELA 45 – Valores dos módulos de elasticidades para as amostras R30 ........................152 TABELA 46 – alongamento na ruptura para as amostras R30 ..............................................153 TABELA 47 – Resistência à flexão das amostras com 30% de teor de talco ........................153 TABELA 48 – Características das placas...............................................................................154

1. INTRODUÇÃO

1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Ao longo da história da humanidade o ser humano sempre buscou evoluir no sentido

de garantir a continuidade da espécie e, paralelamente, obter uma melhor condição de vida

para a população. Neste período, os sistemas estruturais construtivos e as técnicas de

beneficiamento da matéria-prima evoluíram à medida em que os estudos científicos

alastraram-se por todo o planeta.

Entretanto, a evolução dos materiais de construção agregou características extrativistas

que foram minando as reservas minerais do planeta e acentuando os problemas ambientais.

No século passado observou-se a afirmação do concreto armado como material de construção

e o crescimento da utilização das ligas metálicas, como o aço. Em ambos os casos, o sistema

construtivo exige matéria prima obtida de fontes não renováveis, o que sugere a escassez

progressiva destes materiais, o que é diretamente proporcional à destruição das jazidas

minerais. Este fato contraria um conceito de evolução auto-sustentável que deve ser almejado

por sociedades conscientes.

Desta maneira, pesquisadores e instituições de ensino buscam alternativas de produção

que utilizem materiais de fontes renováveis, possibilitando a utilização por tempo

indeterminado da técnica construtiva, além de garantir a conservação das condições de vida

para futuras gerações.

Neste contexto, tem-se assistido ao crescimento da utilização dos materiais

compósitos, amplamente empregados na área militar, aeroespacial e nas indústrias em geral.

Entre os compósitos mais difundidos, pode-se citar o plástico reforçado por fibras

(PRF), que se origina da mistura de uma matriz, no caso a resina polimérica, com fibras

dispostas de diversas maneiras, otimizando as propriedades deste material. Além das

aplicações mais comuns, o plástico reforçado pode ser uma alternativa aos materiais

17

convencionais, como o concreto, a madeira e as ligas metálicas. Pode-se encontrá-lo em

vários setores produtivos, desde a construção civil até a indústria automobilística,

proporcionando a confecção de placas, painéis, grades e tanques que serão utilizados na

fabricação de barcos, automóveis, computadores e eletrodomésticos.

Na área de sinalização de rodovias e vias públicas, em especial a sinalização vertical,

as placas atualmente utilizadas são feitas em material metálico ou de plástico reforçado por

fibras de vidro. Ambos os materiais utilizam-se de matérias primas obtidas com técnicas de

extrativismo mineral.

Ainda no setor rodoviário, os materiais plásticos e metálicos podem ser encontrado na

fabricação de dispositivos de proteção dos sistemas viários, em especial para confecção de

dispositivos anti-ofuscamento e de barreiras acústicas. Estes elementos são indicados para

minimizar os riscos de acidentes e para reduzir os problemas gerados pelo ruído no que diz

respeito à qualidade do meio onde está inserida a população.

Assim sendo, pretende-se apresentar um material que utiliza fibras vegetais, no caso a

fibra de sisal, incorporadas em uma matriz polimérica para produção de placas com potencial

de utilização no setor rodoviário. Entende-se que tais fibras são naturais, renováveis e

possuem capacidade de atuar em conjunto com a resina de forma a fornecer um produto de

funcionalidade superior aos existentes atualmente.

1.2. JUSTIFICATIVA

O problema ecológico tem se apresentado como um dos grandes desafios da

humanidade, sendo tema marcante na vida cotidiana. Pensar no desenvolvimento tecnológico

associado ao ambiente urbano e natural agrega o despertar de uma compreensão e

sensibilidade nova da degradação do meio ambiente e das conseqüências desse processo para

a qualidade da vida humana e para o futuro da espécie como um todo. O desenvolvimento

econômico estabelece prioridades e define o que a sociedade deve produzir, como deve

produzir e como será distribuído o produto social. Neste instante entende-se que os centros de

pesquisa desempenham papel fundamental na preservação do meio ambiente. Cabe aos

pesquisadores o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas e materiais eco-eficientes.

No caso particular das barreiras longitudinais para uso em rodovias, o compósito a ser

desenvolvido tem potencial para ser utilizado como matéria-prima dos elementos superficiais,

no caso placas, que irão oferecer conforto e segurança à população.

Segundo Mendes[31], no atual contexto dos espaços urbanos os níveis de pressão

sonora existentes são bastante elevados e as perspectivas de crescimento são evidentes. Desta

18

forma, faz-se necessário o controle do ruído emitido, ou seja, tomar medidas no sentido de

atenuar o efeito do ruído sobre as pessoas.

De acordo com Bistafa[07], todo problema de controle de ruído envolve uma fonte

sonora, a trajetória de transmissão e o receptor. Portanto, de um modo geral o controle do

ruído pode ser executado tomando-se as seguintes medidas: controle do ruído na fonte,

controle do ruído no meio de propagação e controle do ruído no receptor.

Ao tratar-se de ruído de tráfego, torna-se inviável o controle do ruído na fonte, tendo

em vista sua origem. O controle no receptor é dificultado por caracterizar a utilização de

protetores auriculares. Logo, o controle de ruído no meio de propagação torna-se o mais

adequado, sendo a barreira acústica uma alternativa exeqüível.

Comuns na Europa, Estados Unidos, Austrália e leste asiático - principalmente no

Japão e em Hong Kong -, as barreiras acústicas estão presentes ao longo das rodovias que

cortam áreas residenciais. No Brasil a instalação desses sistemas não está disseminada porque,

na maioria dos casos, a construção das rodovias é anteriores à preocupação ambiental

relacionada a elas. Além dos fatores culturais, o custo, geralmente expressivo, é mais uma

outra razão que explica tal fenômeno. É consenso entre as concessionárias e especialistas que

a implantação das barreiras é mais econômica durante a construção da rodovia.

Com relação à sinalização vertical das rodovias, o seu objetivo é transmitir aos

usuários as condições, proibições, obrigações ou restrições no uso das vias urbanas e rurais,

fornecendo informações que permitam aos usuários das vias adotar comportamentos

adequados, de modo a aumentar a segurança, ordenar os fluxos de tráfego e orientar os

usuários da via.

Desta maneira, torna-se claro que a sinalização é fator fundamental para a segurança

dos usuários das rodovias, devendo manter sua condição de entrega para manter sua

funcionalidade. Para tanto, as placas de sinalização vertical devem ser capazes de resistir às

solicitações a que são expostas, basicamente às provenientes das intempéries.

No entanto, além dos fatores naturais, atos de vandalismo têm sido freqüentemente

registrados, resultando no furto das placas ou causando a simples perda de função por quebra

ou furos provocados por tiros. Tal problema não afeta só a fluidez e a segurança viárias, mas

se traduz também em danos materiais e financeiros ao patrimônio público.

De acordo com a Coordenação de Segurança/ Operações Rodoviárias do

Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes – DNIT, somente para repor placas

de sinalização danificadas por vandalismo, acidentes ou furto, é preciso investir R$ 20

milhões por ano. Segundo estimativas da autarquia, nos 50 mil quilômetros de rodovias

19

federais pavimentadas, existem 450 mil placas de sinalização implantadas. São nove em cada

quilômetro, das quais duas são danificadas a cada ano. [77]

Segundo o Departamento de Estradas de Rodagem do Estado do Rio de Janeiro (DER-

RJ), no ano de 2007 foram investidos cerca de R$ 3 milhões em placas de sinalização vertical,

que são as placas indicativas, e horizontal, que são a pintura das faixas, em toda a malha

rodoviária. Ao todo foram colocadas 5.600 placas nas rodovias estaduais. Desse total, 1.200

placas foram recolocadas ao longo do ano devido a ações de vandalismo que variam de

pixações a tiros e furtos. Esse tipo de crime nas rodovias aumenta em época de férias e

feriados prolongados, quando o fluxo de motoristas aumenta em até 30% nas estradas

fluminenses. O prejuízo de um único final de semana pode chegar a até R$ 15 mil. Somente

este ano, o DER gastou R$ 970 mil para repor sinalização destruída por vândalos[78].

O Departamento Nacional de Infra-Estrutura Terrestre de Sergipe (DNIT-SE) relata

que mais de 50% das placas colocadas ao longo da BR-101, no trecho do estado já foram

roubadas. O vandalismo é tão acentuado que o DNIT hoje fotografa as placas nos lugares e

depois fotografa o mesmo local sem placas, para servir de provas na hora da prestação de

contas[79].

Desta maneira, os produtos em plásticos reforçados com fibras (PRF) podem ser uma

solução para o furto e a posterior venda de placas em material metálico. Ademais, em

ambientes agressivos aos materiais metálicos, a utilização deste tipo de compósito pode

reduzir os custos de manutenção e aumentar a vida útil das placas de sinalização.

Pode-se afirmar que a Universidade Federal Fluminense iniciou trabalhos de pesquisas

com materiais poliméricos por meio da dissertação de Moura[35] (1991), que analisou produtos

expoxídicos contra a corrosão aplicados como pintura de proteção de barras de armação. O

tema plástico reforçado por fibras foi objeto de duas teses[11-12], aprovadas em concurso para

Professor Titular, elaboradas pelo Professor Protasio Ferreira e Castro, no ano de 1994. Em

seguida, Castro publicou, no Brasil, um dos primeiros trabalhos sobre aplicação de mantas de

fibras de carbono no confinamento de corpos-de-prova de concreto, para simular elementos

do tipo pilar[15]. Reis (1995) estudou a potencialidade do uso de chapas de fibra de vidro

coladas em pilares curtos de concreto[41]. Os estudos prosseguiram com a dissertação de

mestrado de Furtado (1998), que estudou o uso de laminados de fibras de vidro na

recuperação de vigas em concreto armado[21]. Outros estudos realizados na UFF foram as

dissertações de mestrado de Carvalho[10] (1999), Ragone[40] (2000), Curcio[17] (2000) e

Alves[02] (1998) que, junto aos trabalhos realizados por Castro e Furtado, são considerados

base para o prosseguimento da pesquisa em plástico reforçado por fibras na UFF.

20

A dissertação de Ribeiro[42] (2005) apresenta um estudo sobre a utilização do rejeito do

corte de rochas ornamentais como carga em produto de matriz polimérica reforçadas por

fibras de sisal. Ribeiro executou o ensaio de tração nas placas. Nesse caso, a resina utilizada é

comum no mercado de plásticos. Entretanto, o pó do corte de rochas ornamentais é um rejeito

industrial e sua utilização, como carga, tornou-se uma alternativa para programas de

preservação do meio ambiente. Note-se que as cargas são utilizadas para reduzir os custos de

produção.

Portanto, as pesquisas na UFF têm se dedicado aos materiais e produtos e não ao

processo de produção. Nesse caso, os produtos estudados são aqueles colocados no mercado

da indústria da construção.

Atualmente, as fibras utilizadas nos produtos em plástico reforçado, em geral, são de

vidro, de carbono ou de aramida. As propriedades das fibras e das resinas e o teor fibra/resina

caracterizam os produtos compósitos com elas elaborados.

1.3. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é desenvolver uma placa em matriz polimérica com reforço

de fibras de sisal, como alternativa às fibras minerais a fim de obter meios de se reduzir os

impactos ambientais e, paralelamente, disseminar a cultura dos produtos eco-eficientes.

Com isto, pretende-se desenvolver e aperfeiçoar o uso de matérias-primas

provenientes de fontes renováveis. Paralelamente, busca-se baixar os custos de fabricação de

produtos feitos com material compósito, reduzindo o consumo da resina polimérica.

1.3.2. Objetivos específicos

Com base nos avanços tecnológicos destes materiais existentes é que será feito o

estudo das fibras vegetais. Deve-se perceber que, em certas condições, os produtos de plástico

reforçado podem ter grandes vantagens sobre os obtidos a partir de materiais convencionais.

As estruturas sujeitas a agentes agressivos, por exemplo, podem ter sua durabilidade reduzida

em função das condições existentes. Desta forma, se justifica a opção por um material

inovador, não oxidante, que garantirá uma maior durabilidade do material.

A partir desse cenário, surge a presente proposta de se estudar o aproveitamento de

materiais compósitos reforçados com tecido de fibras de sisal como alternativa ao uso dos

materiais metálicos e de fibras sintéticas na fabricação de placas para uso em rodovias.

Assim, a partir dos componentes que irão formar o compósito – fibra vegetal e resina–,

será verificado o comportamento do material obtido. É importante salientar que as variações

21

irão ocorrer em função do tratamento do material de reforço e do teor de carga utilizada para

reduzir os custos de produção.

Desta maneira, deve-se:

- obter as propriedades físicas e mecânicas dos compósitos;

- verificar o efeito da inclusão de carga de talco na resina polimérica;

- verificar a influência do tratamento térmico das fibras nas propriedades do

compósito;

- verificar a influência da exposição às intempéries nas propriedades do compósito;

- analisar as tensões atuantes nas placas para as dimensões propostas;

Com a obtenção das propriedades deste material compósito de matriz polimérica,

espera-se que as fibras vegetais e os produtos com elas elaborados, se tornem mais uma

alternativa para a engenharia no futuro.

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho consta de nove capítulos, incluindo a introdução.

Consta no Capítulo 2, de forma resumida, o resultado da revisão bibliográfica acerca

de assuntos que capacitaram o estudo e as pesquisas com os materiais compósitos. São

apresentadas também contribuições sobre os processos de fabricação dos plásticos de

engenharia, além dos principais conceitos sobre produtos feitos com materiais compósitos.

No Capítulo 3 são destacadas as principais características das fibras de sisal,

enfocando-se os dados referentes ao setor produtivo e aos processos de produção existentes

atualmente nas indústrias de beneficiamento.

O Capítulo 4 é destinado à apresentação dos ensaios realizados com o objetivo de

verificar a potencialidade da fibra de sisal. São descritos os procedimentos experimentais que

foram realizados com o intuito de compreender melhor o comportamento da fibra, em

particular após a manufatura do tecido de fibra de sisal. Descrevem-se ensaios para

determinação de propriedades mecânicas das fibras e de alguns compósitos utilizando resina

poliéster com fibras de sisal. Por fim, este capítulo apresenta o resultado do ensaio de tração e

flexão em placas de resina poliéster reforçadas com fibras curtas de sisal.

O Capítulo 5 é destinado a uma descrição detalhada do material compósito

denominado PRFS – Plástico Reforçado por Fibra de Sisal. São expostas as definições

necessárias para o desenvolvimento de um produto, as aplicações propostas para as placas

22

com tecido de sisal e, as cargas que atuam no material em função da utilização escolhida. É

mostrada a modelagem computacional que definiu as solicitações no material para as

condições de suporte especificadas.

No Capítulo 6 é apresentada a metodologia experimental, definindo as características

dos materiais utilizados, a moldagem dos corpos-de-prova, a nomenclatura das amostras e os

fundamentos para definição dos ensaios realizados.

O Capítulo 7 apresenta o desenvolvimento do tratamento estatístico para exclusão das

amostras dispersas.

No Capítulo 8 são discutidos os resultados para cada uma das amostras ensaiadas. São

apresentadas as observações feitas durante a experimentação do material com o objetivo de

definir a aplicabilidade do PRFS.

O Capítulo 9 é destinado às conclusões acerca da pesquisa, incluindo as conclusões em

relação ao material PRFS. São trazidas sugestões para o prosseguimento de pesquisas que

tenham o objetivo de desenvolver materiais de engenharia eco-eficientes.

Este texto técnico para exame de Tese de Doutorado se encerra com a lista de

referências e os Apêndices.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. INTRODUÇÃO

O objetivo deste segundo Capítulo é descrever os conceitos referentes aos materiais

compósitos, apresentando suas principais vantagens e desvantagens, bem como suas atuais

formas de utilização.

Os estudos sobre fibras vegetais embebidas em matrizes poliméricas têm

proporcionado um conhecimento cada vez maior sobre o comportamento dos compósitos

vegetais, tornando cada vez mais possível o uso de fibras naturais na produção de peças de

uso na engenharia civil.

Desta maneira, pretende-se potencializar a fabricação de placas de sinalização a partir

do uso das fibras de sisal. Como será tratado no Capítulo 3, este tipo de fibra é abundante no

Nordeste do Brasil e a produção de placas feitos em plástico reforçado por fibras de sisal pode

surgir como uma alternativa eco-eficiente de produção.

Como exemplo da diversidade de possibilidades de combinação entre matrizes e

fibras, a Tabela 01 apresenta as resistências à tração de alguns compósitos poliméricos com

fibras vegetais.

24

TABELA 01 – Resistência à tração de alguns compósitos poliméricos com fibras vegetais

Além disto, outros exemplos de compósitos naturais que utilizam fibras de sisal

podem ser encontrados na literatura.

De acordo com Kuruvilla[24], pesquisas investigaram a viabilidade do desenvolvimento

de compósitos poliméricos de baixo custo reforçados por fibras de sisal pois estas fibras se

prestam a vários processos de conformação de compósitos como por enrolamento ou

laminação. Também foram avaliadas as propriedades de compósitos epóxi/sisal que

reportaram que a incorporação do sisal à matriz epóxi gera produtos rígidos e resistentes.

Ainda de acordo com Kuruvilla[24], Kalaprasad e colaboradores, reportaram a influência da

adição de fibras curtas de vidro nas propriedades mecânicas de compósitos de polietileno de

baixa densidade reforçado por sisal. Observaram que a adição de um pequeno teor (3% em

volume) de fibras de vidro levou a um aumento de mais de 80% na resistência longitudinal

(fibras orientadas) do compósito. Observaram também que a tendência à absorção de água

destes compósitos decresceu com a hibridização.

Monteiro[34] estudou o comportamento mecânico e as características estruturais de

compósitos poliméricos reforçados com fibras contínuas e alinhadas de curauá, reportando

que o uso de 30% em peso apresenta maior resistência à flexão que à obtida por outros

pesquisadores em compósitos com fibras curtas e não-orientadas.

2.2. MATERIAIS COMPÓSITOS

2.2.1 Generalidades

Os compósitos têm emergido como uma valiosa classe de materiais de engenharia por

oferecer características que não estão presentes em outros materiais. A tecnologia moderna

requer, muitas vezes, materiais com combinações incomuns de propriedades que os materiais

25

convencionais (ex.: metais, cerâmicas) não possuem. Leveza, elevada resistência e

propriedades que podem ser adequadas às distintas necessidades de produtos, têm favorecido

o seu uso em uma grande variedade de aplicações, desde edifícios e pontes, até naves

espaciais e componentes eletrônicos. Esta ascensão dos materiais compósitos tem sido

facilitada pela introdução de novos materiais, melhorias nos processos de fabricação e

desenvolvimento de novos métodos analíticos de teste. Por exemplo, a engenharia

aeroespacial está continuamente procurando por materiais que tenham baixas densidades,

exibam elevado módulo de elasticidade e resistência mecânica, notadamente à fadiga, sejam

resistentes à abrasão e ao impacto e não sejam facilmente corroídos. Freqüentemente,

materiais resistentes são relativamente densos; contudo, aumentando-se a densidade,

geralmente resulta-se em uma diminuição da resistência ao impacto.

A denominação compósito está associada à idéia de qualquer produto formado a partir

de dois ou mais constituintes distintos. Desta forma, algumas ligas metálicas podem ser

consideradas compósitos quando são formadas por grupamentos atômicos distintos. Um

plástico reforçado por fibras de vidro, perceptíveis macroscopicamente, também pode ser

considerado um compósito. A madeira é considerada como um compósito de fibras

celulósicas resistentes e flexíveis unidas por um material mais rígido chamado de lignina.

Segundo Carvalho[09], “Um material compósito é formado por uma mistura ou

combinação de dois ou mais micro ou macro constituintes que diferem na forma e na

composição química e que, na sua essência, são insolúveis uns nos outros”.

Mendonça[33] define os compósitos como sendo “um conjunto de dois ou mais

materiais diferentes, combinados em escala macroscópica, para funcionarem como uma

unidade, visando obter um conjunto de propriedades que nenhum dos componentes

individualmente apresenta”.

2.2.2. Constituição dos materiais compósitos

Materiais compósitos são importantes porque permitem a combinação de propriedades

de dois ou mais materiais diferentes para se obter um novo material com propriedades

distintas, podendo inclusive ser superiores em alguns aspectos às propriedades dos seus

componentes individuais.

É possível aliar as principais propriedades dos constituintes metálicos, cerâmicos e

poliméricos para gerar materiais especiais. A maioria dos compósitos é desenvolvida para

gerar produtos mais rígidos, tenazes e com alta resistência a temperaturas elevadas.

26

Muitos compósitos são materiais bifásicos, isto é, são constituídos por apenas duas

fases; uma é denominada de matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada de fase

dispersa.

2.2.2.1 A Matriz

A matriz pode ser um metal, um polímero ou uma cerâmica. A matriz é responsável

pela aparência do produto e pelas suas características superficiais, e tem por função envolver,

separar e proteger o reforço de ataques externos como resultado de abrasão mecânica ou de

reações de substâncias químicas com o ambiente. Tais interações podem introduzir falhas

superficiais capazes de formar trincas que podem conduzir a falhas por concentração de

tensão. A matriz em compósitos reforçados por fibras também é responsável por transmitir as

tensões aplicadas no compósito para o reforço. No caso de fibras sintéticas, o módulo elástico

da fibra empregada é, geralmente, muito mais alto que o da matriz, e só uma porção muito

pequena dessa carga aplicada é suportada pela matriz.

Segundo Lopes, et.al.[26] é essencial que as forças de adesão entre a fibra e a matriz

minimizem possíveis incompatibilidades entre a fibra e a matriz. De fato, a força de adesão é

uma consideração importante na escolha da combinação matriz/fibra, pois uma boa interação

é essencial para maximizar a transmissão de tensão da matriz (fraca) para as fibras (fortes)

resultando num compósito com propriedades mecânicas otimizadas. Parte da melhoria das

propriedades de compósitos de fibras contínuas deriva da natureza contínua do reforço, mas

em parte é uma conseqüência das fibras altamente orientadas, do processamento ou

pretensiosamente para aumentar o grau de anisotropia. Pela adição satisfatória de fibras e

controlando fatores como proporção, dispersão e orientação de fibras e a adesão fibra/matriz,

melhorias significativas nas propriedades podem ser alcançadas.

As matrizes poliméricas mais comuns são as resinas termofixas e as termoplásticas. De

acordo com Machado[27], as termofixas são resinas formadas por uma ligação cruzada de

cadeias poliméricas, não podendo ser fundida ou reorganizada por meio da aplicação de calor.

No caso das resinas termoplásticas, onde não ocorrem as ligações cruzadas, a aplicação de

calor permite que a matriz seja repetidamente fundida ou reorganizada.

Entre as termofixas, as mais utilizadas são os poliésteres insaturados, as resinas

epoxídicas e as resinas fenólicas em pó para moldagem por injeção. As resinas poliéster, na

forma de um líquido viscoso, solidificam ao serem misturadas com catalisadores e

aceleradores, podendo a cura ser feita à temperatura ambiente. Os termofixos são

27

particularmente adequados como materiais para a fabricação de compósitos, por sua

facilidade de fabricação e sua capacidade de adesão com a fibra.

As matrizes termoplásticas podem ser reforçadas por fibras curtas ou cargas minerais

de vários tipos e os compósitos termoplásticos estão disponíveis comercialmente para

moldagem por injeção ou produtos para setores de engenharia de alto desempenho.

Quanto ao tipo da resina a ser utilizada, esta é uma escolha que pode permitir a

alteração das características finais do compósito, e deve-se, portanto, realizar estudos do

comportamento do conjunto, para, só então, indicar aquela que melhor se adapte.

2.2.2.2. O REFORÇO

A fase dispersa ou reforço tem função basicamente estrutural, sendo responsável pela

resistência do compósito. As propriedades dos compósitos são formadas em função das

propriedades das fases constituintes, suas proporções, interações, formas, tamanhos,

distribuição e o grau de orientação da fase dispersa (fibras contínuas ou curtas, cargas, e etc.).

Os reforços podem ser caracterizados de acordo com sua constituição em particulados

ou fibrosos.

- Reforços particulados (Cargas): incluem materiais particulados (esferas, cubos,

blocos, plaquetas). A incorporação destes reforços em matrizes poliméricas leva a

um aumento moderado da rigidez e redução da tenacidade, podendo ou não

aumentar a resistência do compósito. As propriedades mecânicas podem ser

melhoradas através de modificações químicas na superfície das partículas

aumentando sua adesão (tratamentos superficiais). As cargas típicas mais comuns

são as cargas inorgânicas, tais como: carbonato de cálcio, talco, mica, caulim etc.

- Reforços fibrosos: este tipo de reforço pode ser utilizado como fibras longas ou

curtas. Há uma gama de fibras prontamente disponíveis para uso como reforços de

matrizes poliméricas e que podem ser classificadas de acordo com sua origem e

com suas características físicas.

Em função de sua origem, as fibras são classificadas em dois grandes grupos: naturais

e manufaturadas (Figura 01). Denomina-se fibra natural àquela encontrada na natureza que,

para adequar-se as solicitações requeridas, sofre pequenos tratamentos químicos. As fibras

28

manufaturadas, ou artificiais, são aquelas obtidas a partir de grandes transformações

mecânicas e/ou químicas.

FIBRA

NATURAL

MANUFATURADA

Mineral

Org â nica

Met á lica

Sint é tica

ARTIFICIAL

FIBRA

NATURAL

MANUFATURADA

Mineral

Org â nica

Met á lica

Sint é tica

ARTIFICIAL

FIGURA 01: Classificação das fibras

As vantagens das fibras artificiais sobre as naturais estão associadas à maior

uniformidade dimensional e controle das suas propriedades. Já as fibras naturais apresentam a

vantagem de serem obtidas a partir de fontes renováveis, o que permite a conservação das

reservas naturais do planeta. A própria extração da matéria-prima vegetal, por ser uma

atividade agrícola, acarreta menor degradação do meio ambiente.

Segundo Kuruvilla et.al.[24], o uso do sisal é particularmente interessante já que seus

compósitos possuem elevada resistência ao impacto além de moderada resistência à tração e à

flexão quando comparados a compósitos reforçados por outras fibras vegetais.

A incorporação de fibras de sisal em compósitos híbridos foi reportada por Iozzi[23].

Martins et.al.[30] fez a caracterização mecânica e térmica de compósitos de poli (cloreto de

vinila) reforçados com fibras vegetais.

2.2.2.3. Compósitos poliméricos

Compósitos podem ser classificados de várias maneiras. Uma das mais simples inclui

os compósitos particulados, fibrosos e híbridos. Há pelo menos duas subdivisões para cada

uma destas classes. Assim, os compósitos particulados podem ser reforçados por partículas

grandes ou por dispersão de partículas; os fibrosos podem ser de fibras contínuas ou

descontínuas (alinhadas ou não) e os estruturais em laminados ou compósitos sanduíche.

Há duas subclasses de compósitos particulados:

a) compósitos de partículas grandes, e

b) compósitos reforçados por dispersão.

A diferença entre os dois tipos de compósitos particulados está associada ao seu

mecanismo de reforço. O termo “grande” indica que as interações partícula/matriz não podem

29

ser analisadas a nível atômico ou molecular, mas devem ser tratadas de acordo com a

mecânica do contínuo.

Na grande maioria dos casos, a fase particulada é mais dura e rígida do que a matriz. A

partícula então tende a restringir o movimento da matriz na sua vizinhança. A matriz transfere

parte da tensão para a partícula, que suportará parte da carga aplicada. O grau de melhora no

comportamento mecânico do compósito será função da interface partícula/matriz. Quanto

maior a interação e mais forte a interface, melhores serão as propriedades mecânicas do

compósito.

Compósitos reforçados por dispersão contêm partículas muito menores, com diâmetros

na faixa de 10 a 100 nm, e as interações partícula/matriz ocorrem a nível atômico ou

molecular. O mecanismo de reforço é similar ao endurecimento por precipitação em metais,

ou seja, a matriz suporta a maior parte da carga aplicada enquanto as pequenas partículas

impedem ou dificultam o seu deslocamento, reduzindo a deformação plástica. Deste modo, a

resistência à tração no escoamento é máximizada.

As combinações de propriedades dos materiais foram, e ainda continuam sendo,

estendidas pelo desenvolvimento de materiais compósitos. Um compósito exibe uma

proporção significativa das propriedades de suas fases constituintes, resultando numa

combinação dessas propriedades.

2.2.2.4. Compósitos reforçados por fibras (CRF)

Tecnologicamente, os compósitos mais importantes são aqueles em que a fase dispersa

é composta por fibras. Nas condições de projeto, os compósitos reforçados por fibras

freqüentemente devem possuir alta resistência e/ou rigidez por unidade de massa. Essas

características são expressas em termos da resistência específica e do módulo de elasticidade

específico, que correspondem respectivamente à razão entre a resistência à tração e a massa

específica e entre o módulo de elasticidade e a massa específica. Compósitos reforçados por

fibras (CRF) com resistências e módulos específicos excepcionalmente elevados têm sido

produzidos por fibras e matrizes de baixa densidade.

Compósitos de matriz polimérica são constituídos por uma matriz e um reforço, sendo

estes materiais utilizados na maior diversidade de aplicações, como também nas mais diversas

quantidades, levando-se em conta suas propriedades, temperaturas de uso, facilidade de

fabricação e custos.

30

2.2.2.5. Influência do comprimento da fibra

As propriedades mecânicas de compósitos fibrosos não dependem unicamente das

propriedades das fibras, mas também da extensão em que a carga aplicada é transmitida às

fibras. A matriz é quem transfere a carga aplicada ao compósito para as fibras e estas

suportam a maior parte do esforço. Para que a carga possa ser transmitida eficientemente, a

interação ou ligação interfacial entre a fibra e a matriz tem de ser eficiente. Sob uma tensão

aplicada, a transmissão do esforço fibra/matriz deixa de ocorrer nas extremidades das fibras,

como mostrado esquematicamente na figura 02.

FIBRA

MATRIZ

s

FIGURA 02 - Padrão de deformação na matriz de um compósito submetido à tração

A transmissão de carga aumenta à medida em que se afasta das extremidades da fibra,

assumindo um valor máximo no centro da fibra ou a uma distância suficientemente grande a

partir da sua extremidade, conforme mostrado na Figura 03.

(a) (b) (c)

FIGURA 03 - Tensão - perfis de posição quando o comprimento de fibra "L" é: (a) igual ao tamanho

crítico, (b) maior que o tamanho crítico e (c) menor que o tamanho crítico para um FRC que é sujeito a

uma tensão igual à resistência tênsil da fibra σf; Fonte: Carvalho [11]

Para que o reforço seja efetivo, ou seja, para que o compósito se torne mais rígido e

resistente, é necessário que um comprimento crítico de fibra seja atingido. Este comprimento

crítico (Lc) é dependente do diâmetro da fibra (d), de sua resistência final (ou máxima) σf e da

aderência entre a fibra e a matriz (ou a resistência máxima de cisalhamento) τc, de acordo com

a seguinte equação:

31

c

f

τ

2σLc = [eq.01]

Em geral, segundo Machado[38], o comprimento crítico para várias combinações

fibra/matriz com fibras de vidro ou de carbono é de cerca de 1mm, equivalente de 20 a 150

vezes o diâmetro das fibras.

Para fibras com exatamente o tamanho crítico e sujeitas a tensões iguais ao máximo da

capacidade da fibra, a carga máxima será atingida somente no centro do seu eixo. À medida

em que o comprimento da fibra (L) aumenta, o reforço obtido torna-se mais eficaz. Fibras

com L>>Lc (normalmente > 15Lc) são chamadas de fibras contínuas. Fibras curtas ou

descontínuas têm comprimentos menores do que este. No caso de fibras descontínuas de

comprimentos significativamente menores do que Lc, a matriz deforma-se ao redor da fibra de

tal modo que virtualmente não há transferência de tensões e o efeito de reforço promovido

pela fibra é muito pequeno – equivalente ao de compósitos particulados. Para que um

aumento significativo na resistência dos compósitos seja obtido, as fibras devem ser longas.

Kuruvilla e outros [24], indicam que as propriedades de tração aumentam com o

comprimento das fibras de sisal e que o comprimento crítico para as fibras de sisal situa-se na

faixa de 35-45mm. Fibras mais longas emaranham-se e curvam-se severamente, reduzindo

seu comprimento efetivo. Os valores do módulo de elasticidade e do alongamento na ruptura

dos compósitos não sofreram variação em função do comprimento das fibras.

2.2.2.6. Influência da orientação e concentração de fibras

O arranjo ou orientação das fibras relativa uma a outra, a concentração de fibras e a

distribuição, tudo isso, influencia na resistência e em outras propriedades dos CRF. Com

respeito à orientação, dois extremos são possíveis: (1) alinhamento paralelo ao eixo

longitudinal das fibras numa única direção e (2) um arranjo totalmente desordenado. As fibras

contínuas são geralmente alinhadas, enquanto que as fibras descontínuas podem ser alinhadas,

orientadas aleatoriamente ou parcialmente orientadas. Melhores propriedades são obtidas para

os compósitos quando a distribuição das fibras é uniforme, isto é, quando não há aglomerados

ou vazios.

32

DireçãoLongitudinal

DireçãoTransversal

(a) (b) (c)

FIGURA 04 - Representação esquemática de (a) compósito contínuo e alinhado (b) descontínuo e

alinhado e (c) descontínuo e aleatoriamente orientada; Fonte: O autor

2.2.2.7. Compósitos de fibras contínuas e alinhadas

As propriedades de compósitos reforçados por fibras alinhadas dependem diretamente

da direção do carregamento, ou seja, são fortemente anisotrópicas. De acordo com o descrito

por Carvalho[9], considerando uma tensão aplicada na direção do alinhamento, carregamento

longitudinal, e assumindo uma boa adesão interfacial fibra-matriz, tem-se uma situação de

isoalongamento, ou seja, quando o compósito é solicitado, a matriz e as fibras apresentam

alongamentos iguais. Neste caso, a carga total suportada pelo compósito (Fc) é igual à soma

das cargas suportadas pela matriz (Fm) e das cargas suportadas pelas fibras (Ff), ou seja:

Fc = Fm + Ff [eq.02]

Tensão, por definição é a razão entre a força aplicada e a área de aplicação e, portanto,

F = σ A . Desta forma, substituindo na expressão acima as forças no compósito, matriz e

fibras em termos de suas respectivas tensões, tem-se :

ffmmcc AAA σσσ += [eq.03]

onde:

σm - tensão na matriz

σf - tensão na fibra

σc - tensão convencional no compósito

Am - área da seção resistente da matriz

Af - área da seção resistente da fibra

33

Ac - área da seção resistente do compósito

Dividindo todos os termos pela área da seção transversal do compósito, Ac tem-se:

c

f

f

c

mmc

A

A

A

Aσσσ +=

[eq.04]

Onde Am/Ac e Af/Ac são as frações da área do compósito correspondente às fases da

matriz e da fibra, respectivamente. Se os comprimentos da fibra e da matriz são equivalentes

no compósito, tem-se que Am/Ac equivale à fração volumétrica da matriz e Af/Ac à fração

volumétrica das fibras. Portanto, a equação acima se torna:

ffmmc VV σσσ += [eq. 05]

onde:

Vm - volume da matriz

Vf - volume de fibras

Na suposição acima, presume-se um estado de isodeformação, ou seja :

fmc εεε += = fmc εεε += = [eq. 06]

onde:

εm - deformação da matriz

εf - deformação da fibra

εc - deformação do compósito

Mendonça[33] reporta a “regra das misturas” aplicada às tensões longitudinais,

afirmando que, não havendo deslizamento entre fibra e resina, as deformações da fibra, da

matriz e do composto são idênticas.

Portanto, se cada termo da equação 05 for dividido por sua respectiva deformação

tem-se:

f

f

f

m

m

m

c

c VVε

σ

ε

σ

ε

σ+= [eq.07]

34

Além disto, se a deformação na fibra e na matriz forem elásticas, então se pode

substituir as razões acima por seus respectivos módulos, isto é, pelo módulo elástico de cada

fase, de modo que:

ffmmc VEVEE += [eq.08]

Ou

ffmc VE) V-(1EE f += [eq.09]

onde:

Em - módulo de elasticidade da matriz

Ef - módulo de elasticidade da fibra

Ec - módulo de elasticidade do compósito

Já que o compósito consiste unicamente das fases matriz e fibra, ou seja:

Vm + Vf = 1 [eq.10]

Portanto, o módulo de elasticidade de um compósito reforçado por fibras contínuas e

alinhadas, na direção do alinhamento, é igual à média ponderada (em fração volumétrica) dos

módulos de elasticidade das suas fases constituintes (fibra e matriz). Este resultado é análogo

à expressão obtida para o limite superior do módulo de compósitos particulados. A resistência

à tração, além de outras propriedades, exibe este tipo de dependência.

No caso de carregamento longitudinal, pode ser demonstrado que a razão da carga

suportada pelas fibras em relação à suportada pela matriz é:

mm

ff

m

f

VE

VE

F

F=

[eq.11]

Um compósito reforçado por fibras contínuas e orientadas também pode ser

carregado na direção transversal, isto é, com a carga aplicada a um ângulo de 90° em

relação ao alinhamento das fibras. Neste caso, a tensão a que o compósito e suas fases

constituintes são expostos é a mesma, ou seja, tem-se uma situação de isotensão e, neste caso,

o módulo do compósito é dado por:

σσσσ === fmc [eq.12]

35

Neste caso, a deformação do compósito é dada por:

ffmmc VV εεε += [eq.13]

Mas, já que ε = σ / E, tem-se :

f

f

m

mc

VE

VEE

σσσ+=

[eq.14]

Ou seja, (dividindo-se por σ):

f

f

m

m

c E

V

E

V

E+=

1

[eq.15]

Que se reduz a :

mfff

fm

mffm

fm

cEVEV

EE

EVEV

EEE

+−=

+=

)1( [eq.16]

onde:

Em - módulo de elasticidade da matriz

Ef - módulo de elasticidade da fibra

Ec - módulo de elasticidade do compósito

Vm - volume da matriz

Vf - volume da fibra

Esta equação equivale à expressão para o limite inferior do módulo de compósitos

particulados.

2.2.2.8 Compósito com fibras descontínuas e alinhadas

As propriedades mecânicas de compósitos reforçados por fibras descontínuas são

inferiores às dos reforçados por fibras contínuas. Mesmo assim, o desenvolvimento de

compósitos reforçados por fibras descontínuas e alinhadas vem crescendo e se tornando cada

vez mais importante, pois compósitos com valores de módulo de elasticidade e resistência à

36

tração de 90% e 50% dos seus equivalentes reforçados por fibras contínuas, respectivamente,

têm sido produzidos.

As fibras curtas mais utilizadas em matrizes poliméricas são as fibras de vidro (mais

empregadas),de carbono e de aramida.

Segundo Carvalho[9], para um compósito de fibras descontínuas e alinhadas tendo uma

distribuição de fibras em que L>Lc, a resistência longitudinal scd é dada por:

)V(1 2

L1V fm

c

ffcd −′+

−= σσσ [eq.17]

onde: sf e s’m representam, respectivamente, a resistência de fratura da fibra e a tensão na

matriz quando o compósito falha.

Se o comprimento é menor que o crítico (L<Lc), então a resistência longitudinal é dada

por:

)V(1Vd

Lτfmf

cdc −′+=′ σσ [eq.18]

onde: d é o diâmetro da fibra e τc é a resistência ao cisalhamento máxima da matriz.

2.2.2.9. Compósitos de fibras descontínuas e orientadas aleatoriamente

Normalmente, quando a orientação da fibra é aleatória, fibras curtas e descontínuas

são usadas. Sob estas circunstâncias, Carvalho[9] mostra uma expressão de “regra-das-

misturas” para módulo elástico transversal, similar à Eq.08, pode ser utilizada como segue:

mmffcd VEVKEE += [eq.19]

Nesta expressão, K é um parâmetro de eficiência da fibra, que depende de Vf e da

razão Ef/Vm. Naturalmente, sua magnitude será menor que a unidade, usualmente na faixa de

0,1 a 0,6. Então, para um reforço de fibras aleatórias (assim como para fibras orientadas), o

módulo de elasticidade aumenta com a fração volumétrica de fibras.

Na direção transversal ao carregamento, o reforço de fibra é “virtualmente inexistente”

e a fratura normalmente aconteceria a relativamente baixas forças de tração.

Kuruvilla e colaboradores [24] avaliaram que, no que se refere à orientação das fibras

de sisal, a resistência de compósitos reforçados por fibras longas unidirecionais, e testados

longitudinalmente ao reforço, foi 10 vezes maior do que quando testados transversalmente ao

reforço, e 3 vezes maior do que a de compósitos reforçados por fibras de sisal orientadas ao

37

acaso. Segundo os autores, o módulo de elasticidade e o alongamento na ruptura dos

compósitos praticamente não foi afetado pelo comprimento das fibras. Os autores mostram

que a resistência à tração dos compósitos aumenta com teores de fibra entre 20 e 50%.

Reportaram, ainda, que para teores menores do que 20% o carregamento é ineficiente e, acima

de 50%, “em peso”, há excessiva interação entre as fibras, diminuindo as propriedades dos

compósitos. Os resultados indicaram que as propriedades mecânicas de tração do compósito

aumentaram com o comprimento das fibras, e que o comprimento crítico situa-se na faixa de

35-45mm.

2.2.2.10 Interface fibra – matriz

A estrutura e as propriedades de interface fibra/matriz são de fundamental importância

nas propriedades físicas e mecânicas dos compósitos. Em particular, as grandes diferenças

entre as propriedades elásticas da matriz e das fibras devem se compatibilizar através da

interface, sendo fundamental que os esforços que atuam sobre a matriz sejam transmitidos

para as fibras através da interface.

A adesão inadequada entre as fases envolvidas na interface poderá provocar o início

das falhas, comprometendo o desempenho do compósito, ou seja, a interface deve ser a mais

adequada possível para otimizar a combinação das propriedades envolvidas. A maior

dificuldade no processo de compatibilização entre os componentes do compósito na região

interfacial é combinar suas diferentes características químicas.

A preocupação com a interface fez com que a tecnologia de fabricação dos compósitos

desenvolvesse processos e/ou produtos para facilitar o acoplamento dos componentes na

região interfacial, esses produtos são chamados de agentes de acoplamento. Tais agentes

possuem características bi ou polifuncionais e amenizam as diferenças entre os coeficientes de

expansão térmica dos constituintes do compósito.

Compósitos com interface fraca têm relativamente baixa resistência e baixa rigidez,

mas alta tenacidade. Por outro lado, compósitos com interface forte têm alta resistência e

rigidez, mas são frágeis.

2.2.2.11. Mecanismos de adesão entre os constituintes do compósito

• Adsorsão e molhamento: o molhamento eficiente da carga pelo polímero remove o ar

incluso e cobre todas as protuberâncias. Este mecanismo, que depende das tensões

38

superficiais dos componentes, fica impossibilitado de ocorrer quando há falhas na

superfície da carga, fato comum em cargas hidrofílicas.

• Interdifusão: é possível formar uma ligação entre duas superfícies poliméricas pela

difusão de moléculas de uma fase para outra. Em compósitos isto pode ocorrer quando

as fibras são pré-cobertas com um polímero antes de incorporar a matriz. A resistência

da ligação depende do grau de emaranhamento molecular gerado, que é facilitado com

a presença de solventes.

• Atração eletrostática: ocorre quando as superfícies possuem cargas opostas. A

resistência da ligação depende da densidade de cargas elétricas. Possui grande

importância em alguns tipos de tratamentos superficiais do reforço.

• Ligação química: é a força de adesão em compósitos. Ocorre geralmente com a

aplicação de agentes de acoplamento na superfície do reforço, que servem de ponte

entre o polímero e o reforço, como resultado de sua dupla funcionalidade. A

resistência da interface depende do número e tipo de ligações químicas presentes.

• Adesão mecânica: é o resultado do preenchimento da superfície do reforço pela

matriz. Na verdade, o aspecto da superfície da fibra é geralmente rugosa, com cantos

vivos, cavidades e outras irregularidades. A resistência dessa ligação tende a ser baixa

a menos que haja um grande número de ângulos de reentrância na superfície do

reforço.

2.2.2.12. Agentes de acoplamento

Considerando-se a possibilidade de que ocorra a falta de afinidade entre certos

polímeros e seus reforços, os agentes de acoplamento possuem grande importância no

desenvolvimento de compósitos, promovendo a união química entre as fases ou reduzindo a

tensão superficial do reforço, permitindo um molhamento eficiente.

O termo agente de acoplamento designa um agente químico que é usado para tratar os

reforços com o objetivo de melhorar as suas propriedades físicas. São moléculas que possuem

funcionalidade múltipla, no mínimo dupla, de modo que uma parte da molécula adere ao

polímero e outra ao reforço, formando uma ponte entre os dois materiais.

Os agentes de acoplamento podem trazer benefícios que ajudam no processamento de

compósitos de matriz polimérica. Reduções significativas podem ocorrer na viscosidade de

alguns polímeros no estado fluido, com alto teor de reforço, quando uma quantidade

39

relativamente pequena de um agente de acoplamento é adicionada à formulação, contribuindo

para formação de uma interface mais homogênea entre a matriz e o reforço.

2.2.3. Fabricação dos materiais compósitos

As técnicas de processamento de compósitos termofixos reforçados por fibras curtas

ou por cargas minerais são análogas às utilizadas na fabricação de produtos termoplásticos.

Diferenças e adaptações ao processamento são necessárias quando fibras longas são

utilizadas.

Nas técnicas de processamento que estão disponíveis para os termofixos reforçados

por fibras, utilizam-se resinas de baixa viscosidade para impregnar e aderir o reforço fibroso.

Os principais métodos de fabricação de compósitos reforçados por fibras longas são

apresentados a seguir.

2.2.3.1 Moldagem manual por contato (HAND-LAY-UP)

Neste processo, a resina líquida, de baixa viscosidade, e o reforço são colocados num

molde aberto e são unidos com um pincel ou rolo. O reforço é usualmente fibras na forma de

mantas que são classificados de acordo com o comprimento da fibra e com o peso por unidade

de área; o comprimento da fibra nas mantas varia normalmente entre 50 e 100mm. A Figura

05 apresenta uma ilustração esquemática do processo.

As etapas deste processo são:

- revestimento;

- aplicação da camada de gel de superfície;

- aplicação da resina;

- cura;

- desmoldagem.

FIGURA 05 - Ilustração esquemática do processo hand-lay-up; Fonte: Carvalho[09]

40

2.2.3.2 Moldagem a pistola (SPRAY-UP)

Este é um processo onde a resina e as fibras são depositadas simultaneamente no

molde através de uma pistola de aplicação. O comprimento da fibra é usualmente entre 20 a

30mm. O processo "spray-up", mostrado na Figura 06, é mais rápido e apresenta maior custo

de aplicação. O molde utilizado é do mesmo tipo.

FIGURA 06 - Ilustração esquemática do processo de spray-up; Fonte: Carvalho[09]

2.2.3.3 Moldagem por prensagem a frio (COLD PRESS MOULDING)

Este é um processo lento que utiliza moldes fechados para modelar os materiais

compósitos. Porém, se realizado a baixas pressões e a temperatura ambiente, é um processo

que apresenta produtividade elevada e um tempo de processamento de 20 minutos pode ser

facilmente alcançado. A Figura 07 ilustra o processo de moldagem por prensagem a frio.

FIGURA 07 - Ilustração esquemática do processo de cold press moulding; Fonte: Carvalho[09]

2.2.3.4. Moldagem por prensagem a quente (HOT PRESS MOULDIN )

Este método consiste na aplicação de resina em pasta, cargas e reforços fibrosos

inseridos entre placas emparelhadas em molde de metal, sendo a peça moldada por

compressão, conforme mostrado na Figura 08, em temperatura e pressão elevadas.

41

FIGURA 08 - Ilustração esquemática do processo de hot press moulding; Fonte: Carvalho[09]

2.2.3.5. Moldagem por transferência (RESIN TRANSFER MOULDING)

Neste processo, ilustrado esquematicamente na Figura 09, a resina é injetada em

molde fechado contendo o reforço. Esta resina pode ser injetada sob pressão ou introduzida

sob vácuo. É uma técnica identificada como um dos processos mais adequados para a

produção em massa de vários artigos estruturais. As principais vantagens deste processo de

fabricação são:

- baixos custos em comparação com os métodos anteriores;

- podem ser adicionados insertos;

- requer baixas pressões;

- arranjo preciso das fibras e oportunidade para reforço seletivo;

- possibilidades de automação;

- técnica versátil.

FIGURA 09 - Ilustração esquemática do processo de resin transfer moulding; Fonte: Carvalho[09]

2.2.3.6. Moldagem por pré-impregnação (PREPREG MOULDING)

As fibras são pré-impregnadas na resina produzindo uma folha flexível contendo uma

alta fração volumétrica de fibras. O reforço é, portanto, na forma de fibras contínuas ou de um

42

tecido. As folhas impregnadas podem ser reunidas num molde e moldadas por compressão a

temperaturas elevadas usando-se moldes metálicos. Neste processo, conforme mostra

Nogueira e outros[36] , a escolha adequada dos parâmetros temperatura e pressão é necessária,

pois estes alteram a qualidade do pré-impregnado obtido. A Figura 10 ilustra

esquematicamente o processo.

FIGURA 10 - Ilustração esquemática do processo de prepreg moulding; Fonte: Carvalho[09]

Uma outra alternativa usa uma bolsa de vácuo flexível para dar o formato do molde à

forma pré-impregnada. Uma diferença de pressão é criada pelo vácuo, que pode ser

aumentada por pressão positiva e o conjunto curado em autoclave aquecida. O vácuo quando

usado sozinho não gera artigos bem acabados.

A técnica da bolsa de vácuo é particularmente apropriada para componentes de

protótipos e para produção de itens de grandes áreas superficiais.

2.2.3.7. Moldagem por bobinamento (FILAMENT WINDING)

Este processo, mostrado na Figura 11, é útil para a fabricação de componentes ocos

que possuem eixo de simetria e requerem uma elevada fração volumétrica de fibra com um

controle cuidadoso da orientação de fibra. A fibra contínua é passada por um banho de resina

e então irá ao redor de um mandril giratório. Uma colocação precisa da fibra é alcançada

controlando-se a velocidade do bobinado e suas operações intermediárias. Para a produção de

seções circulares, o mandril deve ser levemente afilado para permitir que seja removido

facilmente ao término desta operação. Para artigos ocos como vasilhas de pressão, um mandril

desmontável com seções segmentadas é usado. No entanto, apesar de ser uma técnica

relativamente simples, tem limitações em só fabricar artigos que possuam eixo de simetria,

mas estão sendo desenvolvidos métodos modernos para aperfeiçoamento deste processo e

produzir vários tipos de produtos com as mais diversas formas.

43

FIGURA 11 - Ilustração esquemática do processo de filament winding; Fonte: Carvalho[09]

2.2.3.8. Pultrusão (PULTRUSION)

A pultrusão é um processo contínuo de fabricação de compósitos usado para produzir

produtos de seção transversal constante. O processo consiste na passagem de fibras

impregnadas através de um molde pré-aquecido. Sob condições normais de processamento, o

calor é conduzido da parede ao centro do pultrudado, promovendo desta forma as reações de

cura da matriz termofixa. A estabilidade dimensional deve ser alcançada para que o

compósito deixe o molde. Desta forma, a resina deverá alcançar seu ponto de reticulação

dentro do molde.

O processo de pultrusão, conforme mostrado na Figura 12, está, geralmente, dividido

em três zonas: a primeira zona é onde a mistura resina/reforço entra no molde e produz o

fluxo de retrocesso da resina que provoca um aumento na pressão. Na segunda zona, a resina

é aquecida pela parede do molde e o aumento de pressão é causado pela expansão volumétrica

da resina. No entanto, o sistema químico começa a reagir e curar a partir de um líquido

viscoso, convertendo-se em gel e, logo em seguida, em um material de textura gomosa. À

medida que a resina cura e se transforma num material sólido, etapa que ocorre na terceira

zona, a contração volumétrica faz com que a pressão interna diminua, podendo o produto ser

desmoldado com facilidade. Se a resina permanecer no estado gel por um longo tempo, há

uma grande possibilidade de que uma capa de resina se forme na parede do molde e deixe as

fibras expostas à superfície da peça.

Reforços de fibra usados em pultrusão incluem vidro, aramida, fibras vegetais e

carbono em várias formas; por exemplo: carretéis (rovings), tecido e mantas. As matrizes

usadas mais comuns são geralmente poliésteres insaturados e resinas fenólicas.

44

FIGURA 12 - Representação esquemática de uma pultrusora; Fonte: Carvalho[09]

2.3. O USO DO PLÁSTICO REFORÇADO POR FIBRAS NA ENGENHARIA

Devido a estas propriedades, as diversas vertentes tecnológicas vêm procurando cada

vez mais o uso dos compósitos na execução de seus projetos.

Empresas de construções navais e aeronáuticas utilizam materiais fabricados com

compósitos devido ao baixo peso específico e a facilidade de transporte que estes materiais

proporcionam. As resinas e as fibras apresentam baixo peso e os materiais fabricados a partir

delas também apresentam baixo peso, sem contar com a resistência à umidade, ao vento, às

oscilações térmicas e também com a resistência mecânica, pois uma variedade de

combinações pode ser realizada entre as resinas e os materiais de reforço.

Os compósitos apresentam também uma excepcional resistência química, o que

permite a sua aplicação em ambientes agressivos, como, por exemplo, em tanques para

armazenamento de produtos químicos.

Desta maneira, os materiais compósitos são indicados para aplicações em locais onde a

estabilidade dimensional e a resistência aos ataques químicos e à corrosão são

imprescindíveis. Podem ser citados, por exemplo, o uso de materiais compósitos na fabricação

e reparo de barcos. Também têm sido largamente utilizados na confecção de perfis

pultrudados, onde apresentam a vantagem do peso reduzido e resistência à corrosão.

Na construção civil os compósitos de fibra de vidro começam a ganhar impulso com a

utilização de novos componentes das edificações. Cita-se como exemplo as caixas d’água em

fibra de vidro, telhas e até barras de armadura para concreto.

Os materiais compósitos têm uma grande aplicação na recuperação de elementos

estruturais, podendo ser citado o confinamento de pilares e o reforço de vigas e lajes

deformadas, com o uso dos compósitos de fibra de carbono.

Outro material bastante utilizado na formação dos compósitos é a aramida, que, por

não conduzir eletricidade, é indicada para serviços subaquáticos. Essas características tornam

45

este material uma boa opção para serviços de reforço junto a linhas de transmissão ou de

comunicação, além de não oferecer interferência eletromagnética às ondas de rádio e de

instrumentação. A aramida apresenta uma boa resistência química, já que não entra em

processo de corrosão na presença da maioria dos produtos químicos, solventes ou detergentes.

2.3.1. Placas verticais de sinalização viária

O DENATRAN – Departamento Nacional de Trânsito – define a sinalização vertical

como um subsistema da sinalização viária, que utiliza sinais apostos sobre placas fixadas na

posição vertical, ao lado ou suspensas sobre a pista, transmitindo mensagens de caráter

permanente ou, eventualmente, variável, mediante símbolos e/ou legendas preestabelecidas e

legalmente instituídas.

De acordo com o manual brasileiro de sinalização de trânsito elaborado pelo

CONTRAN[16], a sinalização vertical é classificada segundo sua função, que pode ser de:

• regulamentar as obrigações, limitações, proibições ou restrições que governam

o uso da via;

• advertir os condutores sobre condições com potencial risco existentes na via ou

nas suas proximidades, tais como escolas e passagens de pedestres;

• indicar direções, localizações, pontos de interesse turístico ou de serviços e

transmitir mensagens educativas, dentre outras, de maneira a ajudar o condutor

em seu deslocamento.

Os materiais atualmente utilizados como substratos para a confecção das placas de

sinalização são o aço, o alumínio, o plástico reforçado e a madeira imunizada. Entretanto, o

CONTRAN[80] regulamenta que poderão ser utilizados outros materiais que venham a surgir a

partir de desenvolvimento tecnológico, desde que possuam propriedades que garantam as

características essenciais do sinal, durante toda sua vida útil, em quaisquer condições

climáticas, inclusive após execução do processo de manutenção. Neste sentido, as placas de

sinalização sem conservação ou com conservação precária perdem sua eficácia como

dispositivos de controle de tráfego, podendo induzir ao desrespeito e dificultar a ação

fiscalizadora do órgão ou entidade executivo de trânsito. As placas de sinalização devem ser

mantidas em posições apropriadas, sempre limpas e legíveis.

Devem ser tomados cuidados especiais para assegurar que vegetação, mobiliário

urbano, placas publicitárias e materiais de construção não prejudiquem a visualização da

sinalização, mesmo que temporariamente.

46

De acordo com o Ministério dos Transportes[80], as placas de sinalização devem ter

suas dimensões especificadas em função do local em que serão fixadas, sendo classificadas de

acordo com as suas funções, em um dos seguintes grupos:

• sinalização de regulamentação;

• sinalização de advertência;

• sinalização de indicação.

O Apêndice 1 contém as dimensões recomendadas pelo Ministério dos Transportes

para as placas de sinalização e regulamentação. Tais características geométricas serão

adotadas para a verificação das tensões atuantes nas placas em função das solicitações

consideradas.

2.3.2. Dispositivos anti-ofuscamento / barreiras acústicas

De acordo com a Diretoria de Engenharia do Departamento Estadual de Estradas e

Rodagens de São Paulo, DER-SP, o dispositivo anti-ofuscamento é um conjunto de peças ou

elementos instalados no canteiro central da rodovia que promovem vedação ou difusão da luz.

Seu objetivo é eliminar ou minimizar o ofuscamento nos motoristas provocado pelos faróis

dos veículos que circulam na outra pista, em sentido oposto.

Ainda de acordo com o DER-SP[82], em rodovias dotadas de duas pistas, recomenda-se

a instalação de sistemas anti-ofuscamento em canteiros ou faixas de segurança centrais com

largura entre 12 m e 18 m. Para largura igual ou inferior a 12 m a sua instalação é

indispensável. No caso de não ser prevista a instalação de defensas ou barreiras, deve-se

utilizar como dispositivo anti-ofuscamento as barreiras de vegetação.

Circunstâncias especiais de projeto podem justificar a instalação de sistema anti-

ofuscamento em canteiros centrais mais largos. Os sistemas anti-ofuscamentos devem ser

instalados, de preferência, sobre defensas. Atualmente estão em uso os dispositivos fabricados

em telas de aço soldadas, telas expandidas de aço e de alumínio, redes de poliéster e os

dispositivos feitos com o uso de vegetação.

Com relação às barreiras acústicas, sua instalação tem a finalidade de impedir a livre

propagação do som, levando-o a decair mais intensamente do que em condições normais.

Assim, sempre que o ruído de tráfego representar um incômodo aos que residem e aos que se

47

encontram instalados nas imediações ou proximidades da rodovia, recomenda-se estudar a

viabilidade de implantação de uma barreira acústica.

O DER-SP define a barreira como sendo um dispositivo de proteção contra os efeitos

da poluição sonora ao longo das rodovias, construído entre a pista e as áreas a serem

protegidas, levando o ruído a um nível decrescente, conforme o material construtivo utilizado.

As Figuras 13 e 14 ilustram a configuração de barreiras acústicas instaladas em

rodovias. Em todos os casos a instalação da barreira deverá obedecer sempre a um projeto

estrutural de fundações e pilares, elaborado tendo em conta o tipo de painéis e o local onde a

barreira será implantada.

FIGURA 13 – Barreira acústica em Hanover, Alemanha;

Fonte: Revista Techne

FIGURA 14 – Aspecto de barreira acústica instalada em fábrica

Fonte: acusticateoria.com.br

As Figuras 15 e 16 apresentam seções transversais de soluções típicas de barreiras

acústicas para pistas simples e pistas duplas sem canteiro central. Nas Figuras 17 e 18, pode-

se visualizar a vista frontal de barreiras acústicas, destacando a geometria das placas, no caso,

2,00m x 1,00m e 1,00 x 2,00m, respectivamente.

48

É importante salientar que o tecido de sisal é facilmente confeccionado nas medidas

apresentadas em função das máquinas de beneficiamento existentes, conforme será mostrado

no item 3.1.

FIGURA 15 – Seção transversal de barreira acústica instalada em pista simples;

Fonte: DER-SP

FIGURA 16 – Seção transversal de barreira acústica instalada em pista dupla;

Fonte: DER-SP

FIGURA 17 – Detalhe 01 de barreira acústica ou anti-ofuscamento

Fonte: DER-SP

49

FIGURA 18 – Detalhe 02 de barreira acústica ou anti-ofuscamento

Fonte: DER-SP

3. A FIBRA DE SISAL

Entre as fibras naturais orgânicas estão inclusas as de origem vegetal como o sisal, a

juta, o algodão, o coco entre outras. Neste grupo são encontradas matérias-primas muito

importantes para a indústria em geral, e também muito usadas na fabricação de artigos

artesanais, como é o caso do Agave Sisalana.

De acordo com Fonseca[20], fisicamente as fibras vegetais são compostas de várias

fibrilas, unidas pelo material ligante da planta, constituídas por um número de células que

apresentam um tubo de polígonos irregulares com uma cavidade central oca, cujo espaço é

ocupado por um protoplasma celular denominado lúmen. Estas células representam a última

divisão da fibra, repousando lado a lado e sobrepostas. Quimicamente, as fibras vegetais são

constituídas essencialmente por celulose associada a outros materiais em pequenas

quantidades descritos como:

a) Celulose: é a mais abundante substância polimérica natural, existindo em maior

proporção nas plantas, sua estrutura elementar é a anidro-d-glicose. O grau de

polimerização da celulose depende da sua origem e particularmente do método

usado na sua separação e purificação. Contudo, existem forças

intermoleculares provenientes de pontes de hidrogênio, formadas pelos grupos

hidroxilas, resultando em uma estrutura cristalina inerte em solventes comuns,

podendo ser dissolvida através de sistemas complexos de soluções aquosas

metal-complexo ou em ácidos minerais concentrados.

b) Hemi-celulose: é um termo genérico dado aos polissacarídeos das fibras

vegetais. São polímeros de glicose, maltose, xilose, galactose e outras hexoses

e pentoses, cujo grau de polimerização é inferior ao da celulose.

c) Pectina: é encontrada em todas os vegetais superiores, sendo um termo

genérico usado para grupos de polissacarídeos, caracterizado pelo alto

conteúdo de ácido úrico e presença de grupos éster-metil.

51

d) Lignina: é uma substância polimérica amorfa, encontrada nos tecidos de todas

as plantas, com exceção do algodão. É quase impossível separar a lignina das

fibras detendo a alteração ou degradação de sua estrutura. Como resultado, sua

estrutura é desconhecida. Admite-se a lignina como um polímero de fenil-

propano com uma variedade de grupos funcionais.

e) Extrativos vegetais: são substâncias que podem ser extraídas por solventes

consistindo em mono e dissacarídeos, graxas, gorduras, e ésteres ácidos de alto

peso molecular.

A Tabela 02 apresenta as composições de algumas fibras; os valores analíticos são

considerados típicos, apesar de existirem variações em função da origem das fibras e/ou

tratamento a que as mesmas são submetidas.

TABELA 02 – Composição química de fibras vegetais

CELULOSE HEMI- CELULOSE PECTINA LIGNINA EXTRATIVOS GRAXAS E

PÓ OUTROS

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) SISAL 73,10 13,30 0,90 11,00 1,30 0,30 0,10 LINHO 71,20 18,50 2,00 2,20 4,30 1,60 0,20 JUTA 71,50 13,30 0,20 13,10 1,20 0,60 0,10

ALGODÃO 91,80 6,30 1,10 0,70 0,10

FIBRAS

Fonte: Science Reseach Development,(1994)

Segundo Fonseca[20], comparada com outras, a fibra de sisal possui as características

físicas e mecânicas indicadas nas Tabelas 03 e 04.

TABELA 03 – Características físicas das fibras

comprimento da fibra diâmetro (mm) (mm)

SISAL 600 a 1000 0,2 a 0,8 COCO 15 a 35 0,3 a 1,0 JUTA 150 a 360 0,6 A 0,8

FIBRAS


TABELA 04 – Propriedades mecânicas das fibras

Densidade volumétrica Resistência à tração Módulo de elasticidade Deformação máxima

(g/cm 3 ) ( M Pa) (GPa) (%) SISAL 1,2 - 1,46 8 0 - 84 0 15,0 2,9 - 6,8 JUTA 1,46 22 0 - 53 0 13,0 1,5 - 2,0 COCO 1,15 - 1,33 13 0 - 180 1,0 - 5,0 15,0 - 40,0 VIDRO 2,20 - 2,73 1 700 - 3 500 70,0 4,8

FIBRAS


52

Em outro estudo, Li[25] também reportou diversos valores atribuídos às propriedades

mecânicas da fibra de sisal obtidas em pesquisas distintas. O resultado é mostrado na Tabela

05.

TABELA 05 – Propriedades mecânicas das fibras reportadas em estudos diversos

Densidade volumétrica Resistência à tração Módulo de elasticidade Deformação máxima

(g/cm3) (MPa) (GPa) (%)

ESTUDO 1 1,45 604 9,4 - 15,8ESTUDO 2 1,45 530 - 640 9,4 - 22,0 3,0 - 7,0ESTUDO 3 347 14,0 5,0ESTUDO 4 1,03 500 - 600 16,0 - 21,0 3,6 - 5,1ESTUDO 5 1,41 400 - 700 9,0 - 20,0 5,0 - 14,0ESTUDO 6 1,40 450 - 700 7,0 - 13,0 4,0 - 9,0ESTUDO 7 530 - 630 17,0 - 22,0 3,64 - 5,12ESTUDO 8 1,45 450- 700 7,0 - 13,0 4,0

FIBRA DE SISAL

3.1 CULTIVO E BENEFICIAMENTO

O sisal dá origem à principal fibra vegetal dura produzida no mundo, contribuindo

com mais da metade da produção comercial de todas as fibras desse tipo. Sua exploração, no

Brasil, concentra-se na região Nordeste, geralmente em áreas onde as condições de clima e o

solo são pouco favoráveis, ou de escassas alternativas para a exploração de outras culturas que

ofereçam resultados econômicos satisfatórios.

É importante observar que a fibra de sisal compõe um importante setor da economia

agrícola brasileira, sendo, portanto, fundamental a procura por alternativas de consumo que

assegurem seus cultivos. Deve-se lembrar que esta cultura agrícola também se destaca pela

capacidade de geração de empregos, mantendo diversas famílias na zona rural, o que reduz a

migração para os grandes centros urbanos.

Os dados estatísticos oficiais, Tabela 06, demonstram que a área cultivada com o sisal,

quase inteiramente localizada no interior dos estados da Bahia (78%) e da Paraíba (20%), vem

decrescendo nos últimos anos, a ponto de alguns municípios e mesmo outros estados terem

deixado de cultivá-lo.

53

TABELA 06: Área colhida e produção na lavoura do sisal no Nordeste - 1975 a 1995

QÜINQÜÊNIOS

ÁREA

COLHIDA

1.000 ha

PRODUÇÃO

1.000 t

1975/76 - 1979/80 286,02 211,27

1980/81 - 1984/85 323,48 237,41

1985/86 - 1989/90 282,31 204,68

1990/91 - 1994/95 211,71 161,86

fonte: aprosics (1997).

A Embrapa, empresa federal, demonstra preocupação com a situação do setor primário

de produção, conforme apresenta Oashi (2000) em tese de doutorado do programa de pós-

graduação em engenharia de produção da Universidade Federal de Santa Catarina. O que se

observa, segundo Oashi, é o declínio da produção, do rendimento e da área cultivada. Os

próprios produtores não têm encontrado motivação para criar uma logística que melhore a

qualidade e a competitividade da fibra de sisal. A falta de padronização nas técnicas de

plantio e o uso de máquinas de desfibramento obsoletas são fatores que acarretam a queda do

preço final do produto.

Industrialmente, os principais produtos feitos a partir do agave são os fios, as telas e os

tecidos de sisal. Parte da produção de fios destina-se ao mercado americano e canadense,

sendo utilizado para a amarração de fardos de feno. A partir da tela de sisal são fabricados

discos, empregados em máquinas de polimento de peças de metal, dos quais grandes

indústrias de produção de metais são as principais compradoras. Os tapetes de sisal, que são o

principal produto da empresa, sendo vendidos no Brasil e no exterior, possuem textura

peculiar, remetendo a produtos artesanais.

Um fato a se destacar é que novos produtos, cores e texturas são freqüentemente

pesquisados e estudados. A indústria não se atém a um único modelo de fio, corda, tapete ou

tela, e está em constante busca pela inovação, tirando proveito das mais diversas maneiras de

transformação do sisal.

Atualmente, grande parte da produção tem como destino o mercado exterior, gerando

divisas da ordem de 80 milhões de dólares/ano, demonstrando que o setor, além de ser um

grande empregador de mão-de-obra não qualificada, participa, também, do esforço brasileiro

em gerar divisas. Aproximadamente 70% do sisal beneficiado no Brasil destinam-se aos

mercados europeu e asiático, sendo 50% desse volume para Portugal, que dispõe de grande

54

parque manufatureiro da fibra, apesar de possuir a proteção de uma tarifa alfandegária de

25%. Já o sisal manufaturado tem como principais importadores os Estados Unidos (86%) e o

Canadá (5%), além de outros dezessete países em pequenas proporções. Este cenário mantém

a agroindústria sisaleira sujeita às mudanças nas políticas comercial e cambial.

Países do oeste da África, como Quênia e Tanzânia, são concorrentes internacionais

em exportação, apesar de serem menos desenvolvidos tecnologicamente. É tradição africana

empregar fibras na construção de habitações. Na Índia, o emprego da juta, fibra semelhante ao

sisal brasileiro, é comum em esquadrias de janelas e até em caixas de ferramentas.

A FIBRASA – Fiação Brasileira de Sisal S.A – é uma das indústrias de

beneficiamento da fibra de sisal existentes no Brasil. A fábrica está localizada na cidade de

Bayeux, no estado da Paraíba. A partir de contatos de acordos de cooperação estabelecidos

durante a elaboração do Projeto de Tese, a empresa tornou-se colaboradora do projeto,

fornecendo as fibras vegetais, permitindo o acompanhamento da linha de produção da

empresa e a avaliação dos produtos fabricados.

Atualmente, a FIBRASA vem trabalhando para manter o nível de padronização dos

seus produtos. Este item é de fundamental importância para o desenvolvimento de um estudo

comparativo capaz de avaliar a potencialidade de um produto, no caso, a fibra de sisal.

3.2. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

3.1.1. Fiação

O processo de fiação tem início com o trabalho das fiadeiras, que transformam a

mecha de sisal em fio através da estiragem e torção. As torcedeiras desempenham o papel de

envolver duas ou mais fibras formando um só fio. Em seguida, um equipamento denominado

“barbeadora” promove a retirada das pontas de fibras de sisal salientes vista na Figura 19. É

com base nesse rejeito que surgiu a idéia de produção de compósitos reforçados por fibras

curtas de sisal.

A Figura 20 mostra o compartimento da “barbeadora” que armazena o rejeito de fibra

de sisal após o barbeamento da corda. No instante da visita, a corda tratada apresentava

pigmentação na cor vermelha, por isso o aspecto mostrado na Figura 20.

55

FIGURA 19 – Aspecto do fio de sisal antes do processo de barbeamento

FIGURA 20 – Rejeito de sisal no compartimento da “barbeadora”

As bobinadeiras finalizam o estágio, fazendo a bobina de fio que será utilizado no

estudo exploratório, como se verá adiante.

3.1.2. Tecelagem

Este estágio é composto por teares e máquinas chamadas de espuladeiras. O tear tem a

função de tecer o fio e a espuladeira prepara as fibras que serão utilizadas no tear no sentido

transversal, conforme visto na Figura 21. Nesta fase se originam os tecidos e tapetes de sisal.

FIGURA 21 – Tear do tecido de sisal

56

3.1.3. Inspeção

Todos os tecidos de sisal passam por este estágio em que se realiza uma inspeção

visual por toda extensão do produto, identificando possíveis defeitos que não foram

percebidos nas etapas de produção.

4. ESTUDO DA POTENCIALIDADE DO COMPÓSITO DE FIBRA DE SISAL

Os ensaios apresentados neste capítulo direcionaram-se ao estudo preliminar do

comportamento de materiais compósitos utilizando fibras de sisal e foram realizados com o

intuito de embasar a pesquisa. Serão descritos os testes realizados para verificação da

potencialidade do compósito para o reforço externo de elementos de concreto e os ensaios

aplicados com o objetivo de avaliar as propriedades mecânicas e a homogeneidade dos

materiais combinados.

Entende-se que a inclusão deste capítulo tem o objetivo de divulgação das atividades

exercidas, tendo sido fundamental as primeiras experimentações com os produtos de fibra de

sisal para definição da metodologia a ser adotada.

O desenvolvimento das placas em plástico reforçado com fibras de sisal, objetivo da

pesquisa, está apresentado no Capítulo 5.

4.1. CONFINAMENTO DE CILINDROS DE CONCRETO COM O USO DO PRFS

A técnica de confinamento de peças axialmente solicitadas a partir do uso de sistemas

compósitos tem sido utilizada com freqüência no reforço de pilares. O uso da fibra de carbono

para o encamisamento de colunas já é consagrado no meio da engenharia, proporcionando um

aumento substancial na resistência à compressão das peças. O cintamento dos corpos-de-

prova foi realizado por dois produtos:

• fios de sisal como mostrado na Figura 22;

• tecidos de sisal como mostrado na Figura 23.

58

FIGURA 22 – Aspecto do fio de sisal

FIGURA 23 – Aspecto do tecido de fibra de sisal bidirecional

Os cilindros foram reforçados com o fio de sisal (F1 e F2), sem qualquer tipo de

tratamento, como na seqüência apresentada nas Figuras 24, 25 e 26. Outro grupo recebeu a

aplicação do tecido de fibras de sisal (T1 e T2) – Figuras 27, 28, 29 e 30, também sem

tratamento térmico. O material de reforço foi aplicado ao cilindro com o uso de resina

epoxídica fornecida por dois fabricantes distintos.

FIGURA 24- Processo de encamisamento com o uso do fio de sisal

59



FIGURA 27 - Processo de encamisamento com tecido de sisal

60

FIGURA 28 - Processo de encamisamento tecido de sisal

FIGURA 29 - Processo de encamisamento com tecido de sisal

FIGURA 30- Processo de encamisamento com tecido de sisal

Os resultados obtidos com o programa experimental estão limitados às idades de

ensaio, à quantidade de corpos-de-prova moldados e aos tipos de resina que proporcionaram

as resistências do concreto. Os valores do ensaio de resistência à compressão axial estão

apresentados na Tabela 07.

61

TABELA 07 – Resultados das resistências à compressão

Comparando o resultado dos corpos-de-prova de controle com os demais, percebe-se

um acréscimo no valor da resistência à compressão para todas as amostras reforçadas com a

fibra vegetal. Observa-se que, no caso da mistura A, este acréscimo foi superior a 50%. Para a

mistura B a melhoria foi mais discreta, obtendo-se um acréscimo entre 17% e 20% no valor

da resistência do concreto à compressão.

As Figuras 31 e 32 estão divididas em função da mistura com que foram dosados. Para

cada mistura pode-se visualizar o valor da resistência à compressão de cada cilindro em

função das características de confinamento a que estão submetidos. Compara-se o

desempenho do cilindro de controle com os reforçados pelo compósito de fio de sisal e pelos

que utilizaram o de tecido de sisal como material de reforço.

RESINA A

22,93

37,5335,20

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

CORPO DE PROVA

RE

SIS

TÊ

NC

IA À

CO

MP

RE

SS

ÃO

Controle

Fio

Tecido

FIGURA 31 – Comparação dos resultados obtidos para a mistura A

62

RESINA B

48,54

41,16

49,10

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

CORPO DE PROVA

RE

SIS

TÊ

NC

IA À

CO

MP

RE

SS

ÃO

Controle

Fio

Tecido

FIGURA 32 – Comparação dos resultados obtidos para a mistura B

4.2. REFORÇO DE VIGAS DE CONCRETO FLETIDAS COM O USO DO PRFS

Foram executadas vigas de concreto armado com altura de 30 cm, largura de 10 cm e

comprimento de 200 cm. As vigas foram armadas com estribos de Ø5 mm espaçados de 12

cm, armadura positiva composta por duas barras de Ø6,3 mm e armadura de montagem com

duas barras de Ø5 mm. A Figura 34 apresenta as características das vigas usadas no programa

experimental.

A resistência característica do concreto utilizado nas vigas foi de 25 MPa. As fôrmas

utilizadas foram cantoneiras de aço com 10 cm de largura. As vigas foram concretadas aos

pares, isto é, uma viga de controle e outra para receber o reforço.

O tecido de sisal foi utilizado como reforço para uma das faces da viga, face que seria

submetida aos esforços de tração durante a execução do ensaio. O tecido foi cortado com uma

largura de 9 cm e com 160 cm de comprimento. Nessas condições, evitou-se que os apoios da

viga esmagassem o tecido no momento do ensaio.

A colagem do material compósito na face inferior da viga a ser reforçada foi realizada

por meio de adesivo epoxídico, sikadur 32. Aplicou-se uma camada de epóxi na superfície da

face inferior da viga. Sobre essa camada de epóxi foi aplicado o produto, em fibra de sisal,

pressionado-o para que fossem embebidas as tramas do tecido. Para que o reforço trabalhasse

de forma monolítica foi aplicada uma segunda camada de adesivo sobre o tecido.

A Figura 33 mostra aspectos da colagem de tecido em fibra de sisal na face da viga.

Nesta figura, nota-se a parte da viga destinada ao apoio, o tecido de sisal e a parte do tecido

que já recebeu a demão final de resina epoxídica.

63

FIGURA 33 – Laminação do tecido; Fonte: O autor

As condições de ensaio, aplicação de carga e distância entre apoios, estão mostradas

na Figura 34.

1900 mm

460mm50mm 50mm

720mm 720mm

1900 mm

460mm50mm 50mm

720mm 720mm

FIGURA 34 – Esquema do ensaio.

Os valores mostrados na Tabela 08 indicam o aumento da capacidade portante do

elemento estrutural ensaiado. O incremento de carga alcançado com o reforço foi de

aproximadamente 21%.

TABELA 08 – Resultado do programa experimental

Viga Armadura fc (MPa) Pu (kgf) Modo de Ruptura

Reforçada 2 φ 6.3 mm 25 2300 Esmagamento do

Concreto

Controle 2 φ 6.3 mm 25 1900 Escoamento da

Armadura

A ruptura da viga de controle, Figura 35 ocorreu pelo escoamento da armadura,

indicado por meio de uma ruptura do tipo dúctil.

64

FIGURA 35 – Viga de controle na ruptura

No caso das vigas reforçadas, a ruptura foi do tipo frágil. Foi observado que o

processo de ruptura apresentou fissuras indicativas de escoamento da armadura, com

transferência de carga para o reforço em material compósito. No momento do colapso da viga,

ocorreu a ruptura frágil do tecido em fibra de sisal. A Figura 36 mostra a ruptura de uma viga

reforçada com tecido de fibra de sisal. As vigas reforçadas também apresentaram

esmagamento do concreto na região da aplicação das cargas. Por fim, não foram observadas

fissuras de cisalhamento nas vigas ensaiadas como esperado no dimensionamento

previamente estabelecido.

FIGURA 36 – Ruptura da viga reforçada

4.3. ENSAIOS DE TRAÇÃO NOS PRODUTOS DE FIBRA DE SISAL

4.3.1 Ensaio de tração no fio de sisal

Os ensaios para determinação da resistência à tração do fio de sisal fornecido pela

FIBRASA, foram realizados no laboratório de ensaios mecânicos da Universidade Estadual

do Rio de Janeiro – UERJ (Figura 37).

65

FIGURA 37 – Ensaio de tração no fio de sisal

O fio de sisal, que é obtido a partir da torção de fibras longas, foi ensaiado na máquina

de tração a partir da fixação de suas extremidades em garras cilíndricas próprias do

equipamento. Todas as amostras foram cortadas com o mesmo comprimento e foi feita a

medição de sua seção transversal com o auxílio de um micrômetro.

Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 09.

TABELA 09 – Resultados do ensaio de tração no fio de sisal

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

( MPa )

1 8,9

2 10,2

3 9,6

4 9,4

5 9,9

6 9,4

7 9,6

8 9,5

AMOSTRA

Como observado na Tabela 09, o fio de sisal apresentou ruptura com cargas reduzidas

se comparadas com os valores conhecidos para as fibras de sisal, como mostrado na Tabela

04. Tal fato se justifica pela existência de emendas frágeis ao longo do eixo longitudinal do

fio conformado a partir de fibras torcidas. Desta maneira, optou-se por excluir os fios de sisal

dos estudos desenvolvidos nesta pesquisa.

66

4.3.2 Ensaio de tração no tecido de fibra de sisal

O tecido utilizado no ensaio foi obtido de dois lotes diferentes. Destes lotes foram

retiradas amostras com dimensões de 250mm x 20mm x 1,5mm para serem preparados

corpos-de-prova a serem ensaiados à tração.

Para transferir a carga da garra ao corpo-de-prova, foi executada uma “zona de

transição”. Desta forma, evitou-se o esmagamento e conseqüente ruptura do corpo-de-prova

na seção da garra.

Esta zona de transição foi executada com a colocação de camadas de compósito em

cada extremidade do corpo-de-prova. A Figura 38 mostra o corpo-de-prova fixado às garras

da máquina.

FIGURA 38 – Corpo-de-prova fixado a máquina de tração

Estes corpos-de-prova foram ensaiados à tração em máquina universal com velocidade

de deslocamento das garras de 1mm/min. à temperatura ambiente de 27,3ºC e umidade do ar

de 68%.

Os resultados obtidos nos ensaios são os apresentados na Tabela 10, de onde se

realizou a análise estatística de homogeneidade, o que indicou que a amostra é homogênea

para os critérios estabelecidos. A tensão foi calculada dividindo-se a carga aplicada pela área

da seção bruta do tecido de sisal.

67

TABELA 10 – Resultados de ensaio de tração no tecido

Ensaio de tração TECIDO Amostra Tensão de Ruptura (MPa)

1 53,47 2 54,35 3 56,54 4 59,46 5 60,53 6 73,74

Média 59,68

4.4. PLACAS REFORÇADAS COM FIBRAS CURTAS DE SISAL

Foram fabricadas placas reforçadas com fibras curtas de sisal nas quantidades de 20%,

30% e 40%, em volume. Para todas as amostras a matriz foi preparada com adição de 30% de

talco, em peso. Para o volume de 30% de fibras também foram fabricadas placas em que as

fibras de sisal foram secas em estufa. Foram feitas 06 (seis) réplicas para cada uma das

amostras. Para o cálculo da média, os valores obtidos para cada réplica foram tratados

estatisticamente para exclusão de valores dispersos.

Não foi possível a utilização de proporções diferentes de teor de talco, combinados

com a variação do teor de fibras, em função da pouca quantidade de material obtido junto à

empresa Fibrasa. Ocorre que, durante o desenvolvimento deste estudo, problemas financeiros

culminaram em encerrar as atividades de parte da empresa, paralisando a fabricação dos

produtos que utilizavam as máquinas denominadas “barbeadores”. A partir desta situação

optou-se em utilizar o tecido de sisal para caracterização das placas, o que será mostrado a

partir do Capítulo 05. Os resultados para fibras curtas de sisal serão apresentados com o

intuito de contribuir para o desenvolvimento dos compósitos de fibra vegetal.

A nomenclatura utilizada para identificar as amostras fabricadas segue a seguinte

construção:

R30 + REJ30(e)

1 2 3 54

R30 + REJ30(e)

11 22 33 5544

Onde:

1 → Resina poliéster;

2 → 30% de teor de talco adicionado à resina poliéster (% em peso);

3 → Indica que o tipo de reforço utilizado foi REJeito de fibras curtas de sisal;

68

4 → Indica a porcentagem de fibras de sisal adicionado à matriz (em volume)

podendo assumir os valores de 20%, 30% e 40%;

5 → Indica que as fibras de sisal foram secas em estufa;

A seguir são apresentados os ensaios mecânicos realizados para as placas em PRFS,

sendo o reforço as fibras curtas de sisal.

4.4.1 Ensaio de tração

Todas as amostras reforçadas com fibras curtas de sisal ensaiadas à tração

apresentaram ruptura brusca da resina. A Figura 39 será tomada como representativa para

ilustrar o comportamento da placa durante o ensaio. A Figura 40 mostra o aspecto da amostra

após a ruptura. Na Figura 41 é possível verificar a distribuição das fibras na superfície da

seção transversal da placa ensaiada. O plano de ruptura da amostra é apresentado a partir da

observação feita com o auxílio do microscópio eletrônico de varredura do Laboratório de

Solidificação Rápida do departamento de engenharia mecânica da Universidade Federal da

Paraíba.

AMOSTRA R30+REJ30 - Réplica A

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

DEFORMAÇÃO (mm)

TE

NS

ÃO

(M

Pa)

FIGURA 39 – Aspecto da curva do ensaio à tração para amostras com fibras curtas de sisal

69

FIGURA 40 – Aspecto da ruptura da amostra reforçada com fibras curtas de sisal

FIGURA 41 – Plano de ruptura da amostra - MEV

A Figura 42 apresenta os valores das resistências à tração média para as amostras

reforçadas com fibras curtas de sisal, nas quantidades de 20%, 30% e 40% da quantidade de

resina, em volume. Observa-se a redução da resistência à tração das placas com o aumento da

quantidade de fibras incorporadas à matriz. A adição de 40% de fibras reduz em

aproximadamente 23% a resistência à tração das placas quando comparada com a amostra que

possui 20% fibras.

MATRIZ

70

Ensaio de Tração

14,17

12,15

14,92

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

R30+REJ20 R30+REJ30 R30+REJ40

Amostra - % Fibras Curtas de Sisal (Volume)

Res

istê

nci

a à

Tra

ção

(M

Pa)

FIGURA 42 – Resistência à tração da amostras com adição de fibras curtas de sisal

A Figura 43 apresenta o comportamento da resistência à tração das placas em função

do tratamento térmico das fibras de sisal. Os resultados indicam que a secagem das fibras em

estufa aumentou em cerca de 30% o valor da resistência à tração do material.

Ensaio de Tração

14,17

18,57

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

R30+REJ30 R30+REJ(e)30

Amostras - Comparação: Fibras X Fibras Seca em Estufa

Res

istê

nci

a à

Tra

ção

(M

Pa)

FIGURA 43 – Efeito do tratamento térmico na resistência à tração

Obteve-se um aumento de cerca de 30% na resistência à tração média do material em

que as fibras de sisal foram secas em estufa. O aumento da resistência à tração do material

compósito em PRFS indica que o tratamento térmico das fibras de sisal, no caso secagem em

estufa por 4 horas a 400°C é um procedimento eficaz na melhoria das propriedades do

produto final. Neste caso, entende-se que a secagem em estufa elimina a água contida na

fibra, permitindo melhor absorção da resina pela fibra de sisal.

71

4.4.2 Ensaio de flexão

As amostras reforçadas com fibras curtas de sisal apresentaram resistência máxima à

flexão no instante de ruptura da resina. Em seguida observou-se uma redução gradativa da

resistência à flexão das amostras, justificada pela presença das fibras curtas incorporadas à

matriz. Entende-se que as solicitações foram transmitidas para as fibras que resistiram às

solicitações até a ruptura final. Neste caso, o comprimento reduzido das fibras permitiu a

perda total de aderência entre a matriz e o reforço provocando o escorregamento da fibra e,

conseqüentemente, a incapacidade das placas em resistir aos esforços de flexão. A Figura 44

será tomada como representativa para ilustrar o comportamento da placa durante o ensaio. A

Figura 45 mostra a ruptura da placa.

Amostra R30+REJ30 - Réplica A

0

5

10

15

20

25

30

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Deformações (mm)

Ten

são

(M

Pa)

FIGURA 44 – Aspecto da curva do ensaio à flexão para amostras com fibras curtas de sisal

FIGURA 45 – Ruptura da placa com fibras curtas de sisal durante ensaio de flexão

72

A Figura 46 indica que a secagem das fibras curtas de sisal em estufa aumenta a

resistência à flexão do material. O aumento de cerca de 50% na tensão admissível do material

indica que o tratamento térmico das fibras de sisal é um procedimento eficaz na melhoria das

propriedades do produto final.

De forma análoga ao ensaio de tração, entende-se que a secagem em estufa elimina a

água contida na fibra, permitindo melhor absorção da resina pela fibra de sisal.

ENSAIO DE FLEXÃO

39,10

26,42

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

R30+REJ30 R30+REJ(e)30

DEFORMAÇÃO (mm)

TE

NS

ÃO

(M

Pa)

FIGURA 46 – Efeito do tratamento térmico na resistência à flexão

5. PLACA EM RESINA POLIESTÉR COM TECIDO DE SISAL

Com base nas observações feitas nos Capítulos anteriores, decidiu-se por desenvolver

um compósito formado pela adição de tecido de fibras de sisal à uma matriz polimérica. O

material compósito obtido será denominado Plástico Reforçado com Fibras de Sisal, ou

simplesmente, PRFS.

O compósito em PRFS será utilizado na elaboração de um produto capaz de substituir,

em alguns casos particulares, àqueles em plástico reforçado com fibras sintéticas.

Será estudado o comportamento do PRFS quando usado para a confecção de placas de

sinalização vertical viária e placas para barreiras acústicas e antiofuscamento utilizadas em

rodovias.

Para isto será necessário avaliar as propriedades deste compósito em particular,

promovendo ensaios que caracterizem o PRFS a partir de uma proporção de mistura pré-

determinada.

Desta maneira, esta pesquisa passa a convergir para a determinação das propriedades

do compósito a fim de obter placas com confiabilidade para a utilização no setor de

sinalização e segurança rodoviária.

Vai-se partir de um conceito em que desenvolver este material, e, então, criar um

produto, agrega uma série de fatores relevantes que devem ser considerados. Deve-se

determinar como e onde as placas serão utilizadas, qual a melhor forma geométrica e quais

propriedades que precisam atender.

Na criação das placas em material compósito, a pesquisa deve superar a tarefa de

encontrar e selecionar a combinação correta dos materiais. Precisam ser consideradas as

variáveis que irão conduzir às condições apropriadas de utilização do compósito.

Deve-se entender que a compatibilidade química da resina, no caso a matriz, é

dependente de fatores como: tempo de exposição, temperatura, tensões internas no material e

qualquer tipo de solicitação externa a que a aplicação esteja submetida.

74

A resistência dos plásticos a diversos produtos depende dos seguintes fatores:

− tempo de contato com o agente agressivo;

− temperatura ambiente;

− tensão (tensão gerada durante a moldagem e tensões externas as quais a peça

está sujeita);

− concentração do agente agressivo.

A exposição aos agentes agressivos pode resultar em:

− degradação física - fissuração sob tensão, fibrilamento, amolecimento, inchaço,

descoloração;

− ataque químico - reação entre o agente químico e o polímero com conseqüente

perda das propriedades do termoplástico.

Assim, como os polímeros são materiais susceptíveis à degradação física, deve-se

considerar a possibilidade de degradação das placas em função do ambiente de serviço ao

qual o compósito estará exposto.

Com relação à fabricação das placas é fundamental o conhecimento de conceitos

básicos que influenciam na obtenção do produto final. Para tanto é necessário observar se o

material utilizado e o processo de moldagem atendem às exigências básicas do projeto, tais

como forma, tamanho, complexidade e tolerância. Deve-se considerar:

− a possibilidade de produção;

− a funcionalidade das placas;

− a capacidade de carga do produto;

− a forma de utilização das placas;

− o processo de moldagem que atende às exigências de produção;

− a durabilidade.

Desta maneira, o sucesso do uso de um material compósito para aplicações na área de

engenharia exige que a maioria das diretrizes de projeto seja seguida e que o melhor processo

75

de manufatura seja utilizado. Para atingir a melhor performance deve-se considerar que a

tensão deve ser a menor possível, e a tensão deve ser distribuída uniformemente.

Para atingir tensões baixas e uniformes é necessário que as peças tenham

características geométricas uniformes, possuindo uma espessura adequada aos esforços

atuantes.

5.1 RESISTÊNCIA AOS ESFORÇOS DE VENTO

Uma placa apoiada nos seus quatro lados e submetida a uma carga de vento pode ter

um comportamento linear (teoria dos pequenos deslocamentos). Entretanto, se a deformação

da placa for maior que a metade da sua espessura, desenvolvem-se tensões que levam a um

comportamento não linear (teoria dos grandes deslocamentos).

O dimensionamento das placas pode ser feito adotando-se uma série de simplificações,

baseada na teoria de placas e lâminas de Timoshenko. Estas simplificações aceitam as

seguintes hipóteses:

• as secções mantêm-se planas depois da deformação por flexão (hipótese de

Navier);

• a superfície média não sofre deformações longitudinais, correspondendo à

superfície neutra da chapa;

• os deslocamentos verticais da superfície média (flechas da chapa) são pequenos

em comparação com as dimensões da mesma;

• a espessura da paca é pequena em comparação com o raio de curvatura da

superfície média deformada;

• as cargas são normais à superfície média e uniformemente distribuídas;

• são desprezadas as tensões perpendiculares à superfície média da placa;

• são desprezadas as deformações devidas a esforços cortantes.

No entanto, no caso de placas delgadas com grandes deformações, estas hipóteses não

são aplicáveis e a sua consideração em cálculo poderá levar a erros importantes. Com o

objetivo de prever este fenômeno será apresentado um estudo em elementos finitos para

fundamentar a proposta de utilização das placas de resina poliéster com tecido de sisal

incorporado.

76

Para qualquer hipótese as placas devem ser capazes de suportar as cargas de vento,

repassando estas para os montantes da estrutura principal. A carga será calculada

considerando o que preconiza a NBR 6123 (1990) – Pressão dinâmica nas edificações, sendo

determinada pela Equação [21].

q =Vk

2

16q =

Vk2

16 [eq.21]

onde:

• q – carga distribuída devido ao vento (kgf/m2);

• Vk – velocidade característica do vento (m/s).

Segundo Venegas[50], o processo que a norma brasileira apresenta para a determinação

da ação estática do vento é baseado no método de vibração aleatória proposto por Davenport.

Nas análises estáticas da ação do vento, a NBR6123 define a pressão do vento em função da

velocidade média sobre rajadas de 3 segundos. Essa velocidade é definida na Equação [22].

Vk = V0 x S1 x S2 x S3

[eq.22] onde:

• Vk – velocidade característica do vento (m/s);

• Vo é a velocidade básica (m/s) – velocidade de uma rajada de 3 s, a 10m acima do

terreno de categoria II, com um período médio de recorrência de 50 anos;

• S1: fator topográfico, que considera a influência da topografia nas vizinhanças da

construção, no caso particular, na cota de utilização das placas;

• S2: fator que considera o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação

da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da

edificação ou parte da edificação em consideração, no caso particular, das placas;

• S3: fator probabilístico, que considera o grau de segurança requerido e a vida útil

da construção, no caso particular, a segurança das placas.

A velocidade básica do vento (V0) depende da região e é fornecido pelo gráfico de

isopletas (ver Apêndice 2). A velocidade básica do vento é medida em superfícies planas a

10,00 m de altura, em um intervalo de 3 segundos. Estatisticamente existe 63% de

possibilidade de ocorrer em 50 anos.

77

De acordo com o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, os ventos podem

ser classificados pela Escala de Beaufort apresentada de forma resumida na Tabela 11.

TABELA 11 – Escala de Beaufort

Assim, com base no gráfico da isopletas, a carga de pressão nas placas será calculada

para velocidades básicas de 30 m/s, 40 m/s e 50 m/s, o que já seria considerado um vento de

força 12, furacão, de acordo com a Escala de Beaufort.

O fator topográfico S1 é utilizado na avaliação das variações do relevo do terreno, e

será adotado igual a 1,0 para simular a ação direta do vento, sem nenhum impedimento de sua

incidência sobre as placas.

O valor de S2, considerado para classe A, categoria I equivale a 1,10.

O fator estatístico S3, que avalia o grau de segurança e a vida útil da estrutura,

consideradas as barreiras e placas de sinalização foi tomado igual a 0,88 que corresponde aos

valores da norma para vedação (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.).

As tabelas e procedimentos para determinação dos fatores S1, S2 e S3 são mostrados

no Apêndice 2.

Desta maneira a carga (q) que atua nas placas, obtidas com a aplicação das equações

21 e 22, está indicada na Tabela 12.

TABELA 12 – Cargas nas placas em função da velocidade do vento

V0 (m/s) S1 S2 S3 Vk (m/s) q (KN/m2)

50 1 1,1 0,88 48,4 1,46

40 1 1,1 0,88 38,72 0,94

30 1 1,1 0,88 29,04 0,53

78

5.1.1 Placas para sinalização vertical

O material a ser utilizado para fabricação das placas, no caso o PRFS, deve ser capaz

de resistir aos esforços de vento que irão solicitar as placas.

Para a modelagem computacional das placas serão adotadas as dimensões

recomendadas pelo Ministério dos Transportes[16]. Objetiva-se determinar as tensões máximas

atuantes no material para as cargas de vento apresentadas na Tabela 12. No dimensionamento

foi considerado o comportamento linear e não-linear das placas, não sendo, no entanto,

mobilizado o comportamento não-linear do material para as condições propostas.

5.1.1.1 Sinalização de regulamentação

As placas de sinalização de regulamentação, conforme Apêndice 01, apresentam

basicamente as formas circular, triangular e octogonal.

A Figuras 47 e 48 detalham um modelo de placa circular. Observa-se na face anterior

que as placas são apoiadas em duas travessas fixadas ao suporte principal.

Na modelagem computacional das placas circulares foi adotado um diâmetro de 1,00

m, que é a maior dimensão recomendada pelo Ministério dos Transportes. As cargas adotadas

foram as mostradas na Tabela 12, obtidas de acordo com a velocidade do vento.

FIGURA 47 – Placa de sinalização – Forma circular

79

FIGURA 48 – Esquema de fixação da placa circular para postes simples

As Figuras 49, 50 e 51 referem-se as tensões produzidas pelo efeito de ventos com

velocidades básicas de 50m/s, 40m/s e 30m/s, respectivamente. Nestas Figuras considera-se

que a placa está fixada diretamente ao suporte, sem a utilização de elementos transversais de

fixação.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa circular apoiada apenas no suporte

vertical, provocadas por um vento básico de 50m/s, são de aproximadamente 10,5 kN/cm2 ou

105 MPa (Figura 49).

FIGURA 49 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento

básico de 50m/s



70 MPa (Figura 50).

80

FIGURA 50 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um

vento básico de 40m/s



38,5 MPa (Figura 51).

FIGURA 51 – Tensões na placa circular fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um vento

básico de 30m/s



que a placa está fixada ao suporte com o auxílio de duas cantoneiras horizontais.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa circular fixada ao suporte por duas

cantoneiras, provocadas por um vento básico de 50m/s, são de aproximadamente 3,50 kN/cm2

ou 35 MPa (Figura 52).

81

FIGURA 52 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas pela

ação de um vento básico de 50m/s



ou 22,5 MPa (Figura 53).






82



Para análise das placas de forma octogonal foram consideradas as configurações

mostradas nas Figuras 55 e 56. Na face anterior deste tipo de placas é utilizada uma única

travessa para fixação ao suporte principal. As placas octogonais têm face com dimensão linear

máxima de 0,35m, conforme apresentado no Apêndice 1.

FIGURA 55 – Placa de sinalização – Forma octogonal

FIGURA 56 – Esquema de fixação da placa octogonal

83



que as placas octogonais estão fixadas diretamente ao suporte, sem a utilização de elementos

transversais de fixação.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa octogonal, apoiada apenas no

suporte vertical, provocadas por um vento básico de 50m/s, são de aproximadamente 4,2

kN/cm2 ou 42 MPa (Figura 57).

FIGURA 57 – Tensões na placa octogonal fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um


As tensões máximas atuantes na superfície da placa na forma octogonal, apoiada

apenas no suporte vertical, provocadas por um vento básico de 40m/s, são de

aproximadamente 2,8 kN/cm2 ou 28 MPa (Figura 58).

84



As tensões máximas atuantes na superfície da placa na forma octogonal, apoiada

apenas no suporte vertical, provocadas por um vento básico de 30m/s, são de






que a placa está fixada ao suporte com o auxílio de uma cantoneira colocada na direção

horizontal.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa octogonal fixada ao suporte com o

auxílio de uma cantoneira na direção horizontal, provocadas por um vento básico de 50m/s,

são de aproximadamente 2,25 kN/cm2 ou 22,5 MPa (Figura 60).

85

FIGURA 60 – Tensões na placa octogonal fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas

pela ação de um vento básico de 50m/s



são de aproximadamente 1,40 kN/cm2 ou 14 MPa (Figura 61).





são de aproximadamente 0,80 kN/cm2 ou 8 MPa (Figura 62).

86

FIGURA 62 – Tensões na placa circular fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas


5.1.1.2 Sinalização de advertência

As placas de advertência apresentam basicamente a forma quadrada, devendo uma das

diagonais ficar na posição vertical, conforme mostrado nas Figuras 63 e 64. A dimensão do

maior lado deste tipo de placa mede 0,60 m (sessenta centímetros).

FIGURA 63 – Placa de sinalização – Forma quadrada

Na face anterior deste tipo de placas é utilizada uma única travessa para fixação ao

suporte principal, conforme mostrado na Figura 64.

87

FIGURA 64 – Esquema de fixação da placa quadrada



que as placas quadradas são fixadas diretamente ao suporte, sem a utilização de elementos

transversais de fixação.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa quadrada, apoiada apenas no



FIGURA 65 – Tensões na placa quadrada fixada diretamente ao suporte produzidas pela ação de um




kN/cm2 ou 31,5 MPa (Figura 66).

88










que as placas quadradas são fixadas ao suporte com o auxílio de uma cantoneira na direção

horizontal.

89




FIGURA 68 – Tensões na placa quadrada fixada ao suporte com o auxílio de cantoneiras produzidas










90



5.1.1.3 Sinalização de indicação

Será analisado o comportamento da placa de dimensão igual a 2,50m x 1,00m, que é a

maior dimensão constante no Apêndice 01. A Figura 71 mostra um exemplo de placa de

sinalização de indicação. A Figura 72 mostra a configuração das travessas que auxiliam na

fixação da placa aos suportes verticais. Tais elementos aumentam a rigidez da placa,

reduzindo o valor das tensões geradas pela carga de vento no material.

�

FIGURA 71 – Placa de sinalização

�PAGE �91��

FIGURA 72 – Esquema de fixação da placa



que as placas de indicação são fixadas diretamente ao suporte, sem a utilização de

elementos transversais de fixação.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa, apoiada apenas nos suportes

verticais, provocadas por um vento básico de 50m/s, são de aproximadamente 17,5 kN/cm2


�

FIGURA 73 – Tensões na placa fixada diretamente ao suporte, produzidas pela ação de um vento

básico de 50m/s


verticais, provocadas por um vento básico de 40m/s, são de aproximadamente 10,5 kN/cm2


�


básico de 40m/s



59 MPa (Figura 75).

�


básico de 30m/s



�PAGE �92�que as placas de indicação são fixadas ao suporte com o auxílio de cantoneiras na direção

horizontal, enrijecendo a superfície da placa de sinalização.

As tensões máximas atuantes na superfície da placa, apoiada nos suportes verticais

com o auxílio de cantoneiras, provocadas por um vento básico de 50m/s, são de


�

FIGURA 76 – Tensões na placa fixada ao suporte com cantoneiras horizontais, produzidas pela ação

de um vento básico de 50m/s




�






�



Outros exemplos de suportes de fixação das placas são mostrados nas Figuras 79, 80

e 81. Observa-se que em todos os casos a placa de sinalização é fixa na sua face anterior

por elementos de suporte que aumentam a rigidez das placas, reduzindo as solicitações que

as cargas de vento produzem na superfície da placa.

Neste caso é importante perceber que a utilização de placas de sinalização

utilizando PRFS pode ser viabilizada pela especificação de elementos de fixação que

contribuam para a redução das tensões despertadas no material.

�

FIGURA 79 – suporte para placa de sinalização com braço projetado

�PAGE �93� �

FIGURA 80 – esquema de fixação da placa com braço projetado

�

FIGURA 81 – suporte de placa do tipo treliçado - semipórtico

A Tabela 13 apresenta um resumo dos valores das tensões de flexão que atuam nas

placas em função da forma da placa, do tipo de suporte e da intensidade do vento básico

considerado.

TABELA 13 – Tensões máximas de flexão atuantes nas placas propostas

�

5.1.2 Placas para barreiras viárias

As barreiras acústicas e anti-ofuscamento apresentadas no item 2.3.2 têm a função

de impedir a livre propagação do som e promover a vedação ou difusão da luz,

respectivamente. Nos dois casos o material a ser utilizado para fabricação das barreiras

deve ser capaz de resistir aos esforços de vento que irão solicitar as placas.

Assim, foi modelada uma placa retangular em elementos finitos de 3 mm de

espessura e apoiada nos seus 4 lados. Tomar-se-á as dimensões das placas como sendo de

1,00 x 1,00m conforme mostrado na Figura 82. O modelo estrutural foi analisado com a

aplicação de carregamentos perpendiculares às placas nos valores de 1,46 kN/m2, 0,94

kN/m2 e 0,53 kN/m2, calculados com base nas variáveis já apresentadas na Tabela 12.

�

FIGURA 82 – Detalhes da barreira acústica

As Figuras 83, 84 e 85 apresentam o resultado da análise estrutural para as placas

das barreiras acústicas, mostrando as tensões produzidas pelo efeito de ventos com

velocidades básicas de 50m/s, 40m/s e 30m/s, respectivamente. O modelo estrutural admite

que as placas estão fixadas aos montantes metálicos de suporte através de cantoneiras que

enrijecem as laterais das placas em todo seu perímetro.

�PAGE �94�As tensões máximas atuantes na superfície da placa, provocadas por um vento

básico de 50m/s, são de aproximadamente 4,9 kN/cm2 ou 49 MPa (Figura 83).

�

FIGURA 83 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica Para uma velocidade

básica de 50m/s

As tensões máximas atuantes na superfície da placa, provocadas por um vento

básico de 40m/s, são de aproximadamente 3,3 kN/cm2 ou 33 MPa (Figura 84).

�

FIGURA 84 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica para uma velocidade

básica de 40m/s

As tensões máximas atuantes na superfície da placa, provocadas por um vento

básico de 30m/s, são de aproximadamente 1,84 kN/cm2 ou 18,4 MPa (Figura 85).

�

FIGURA 85 – Tensões na placas 1,0 x 1,0m que compõe a barreira acústica para uma velocidade

básica de 30m/s

A Tabela 14 apresenta um resumo dos valores das tensões de flexão que atuam nas

placas das barreiras acústicas para as intensidades de ventos básicos considerados.

TABELA 14– Tensões máximas de flexão atuantes nas placas das barreiras acústicas

�

�PAGE �95�

6. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

6.1. MATÉRIAS-PRIMAS

6.1.1 Resina poliéster

Neste trabalho utilizou-se a resina ortoftálica de poliéster insaturado pré-acelerada,

fabricada pela Hutchinson do Brasil S/A, de nome comercial Polydyne 4004, possuindo as

características descritas pelo fabricante, através de certificado de análise, conforme

apresentado na Tabela 15.

TABELA 15 – Características da resina

�

6.1.2 Catalisador

Como catalisador utilizou-se o peróxido metil-etil-cetona (MEKP), de nome

comercial Butanox de procedência da Fiber Center.

6.1.3 Componente de reforço

Como componente de reforço foi utilizada a fibra de sisal (Agave Sisalana), em

forma de tecido e em forma de fibras curtas, proveniente de Bayeux/Pb, fornecida pela

empresa FIBRASA – Fiação Brasileira de Sisal S.A

As fibras fornecidas em tecido foram cortadas no comprimento do molde. A

densidade da fibra de sisal foi considerada 1,45g/cm3 com base no estado da técnica

constante no Capítulo 03.

�PAGE �96�6.1.4 Componente de carga

Como componente de carga foi utilizado o talco industrial, com estado físico

característico de pó fino, na cor branca, densidade aparente: 0,70 g/cm3.

6.1.5 Desmoldante

Foi aplicado na superfície do molde um desmoldante, de fabricação artesanal,

preparado à base de cera de carnaúba e dissolvida em solvente aromático comercial

(thinner), objetivando facilitar a retirada do compósito do molde.

6.2. PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS

O processo de moldagem dos compósitos foi desenvolvido pelo método de

moldagem por prensagem a frio (cold press moulding), em molde fechado e comprimido

com auxílio de uma prensa.

Para cada uma das misturas, a resina e a carga foram dosadas com o auxílio de uma

balança eletrônica. Em seguida, o tecido de sisal foi colocado na fôrma. A carga foi

adicionada à resina e misturada até se obter uma mistura homogênea. Em seguida,

adicionou-se o catalisador à resina e despejou-se o material na fôrma confeccionada.

Utilizou-se uma prensa para a obtenção de placas com uma espessura homogênea, Figura

86.

�

FIGURA 86 – Processo de moldagem por prensagem

Após 3 horas, as placas foram desmoldadas e estocadas à temperatura ambiente

durante 28 dias, para o processo de pós-cura e posterior corte dos corpos-de-prova. Os

corpos de prova para os ensaios de tração, flexão-em-três-pontos e absorção foram cortados

utilizando-se um disco com fio de corte diamantado. O processo foi idêntico para as

amostras fabricadas com tecido de fibra de sisal e tecido de fibra de vidro.

Das placas produzidas com as diversas formulações e reforços foram extraídos

corpos de prova com as seguintes dimensões: 250 mm x 25 mm x 3 mm, conforme mostra

a Figura 87.

�

�PAGE �97�FIGURA 87 – Aspecto das réplicas fabricadas

Todos os corpos de prova foram analisadas sob inspeção visual e as que possuíam o

menor número de vazios e não apresentavam trincas ou ranhuras foram aprovadas para a

realização dos ensaios mecânicos. Para cada formulação foi moldada uma placa de onde

foram ensaiados seis corpos de prova.

6.2.1 Composição e nomenclatura das amostras

Neste item serão descritos os tipos de compósitos fabricados. A quantidade de talco,

o tipo de reforço, o tratamento da fibra e a exposição das placas às intempéries são as

variáveis que determinarão a nomenclatura escolhida para as peças.

Assim, os diferentes tipos de amostras obedecem ao mostrado a seguir.

�

Onde:

1 → Indica que a matriz é de resina poliéster (ocorre em todas as amostras);

2 → Indica o teor de talco adicionado à resina poliéster (% em peso);

3 → Indica o tipo de reforço utilizado, T = tecido de sisal;

4 → Indica que o tecido de sisal seco em estufa;

5 → Indica que a amostra foi exposta às intempéries por 300 horas.

Assim, para facilitar a compreensão da nomenclatura adotada tem-se a configuração

apresentada na Tabela 16. O tratamento em estufa e a exposição às intempéries foram

realizados apenas para a amostra com 30% de teor talco. Como será visto, 30% foi o teor de

talco especificado para proposta de confecção do material em PRFS deste estudo, baseado

nos ensaios de tração, flexão e absorção, apresentados no Capítulo 4.

TABELA 16 – Nomenclatura das amostras ensaiadas

�

6.3 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS

Os testes podem ser definidos como critérios, normas ou procedimentos usados na

determinação de propriedades, composição ou performance de materiais, produtos, sistemas

e serviços que possam ser especificados. Um teste pode medir uma única propriedade, ou

�PAGE �98�várias propriedades ao mesmo tempo. A elaboração de testes constitui-se em uma ciência

dinâmica, sempre receptiva a novos aprimoramentos. Para realizar testes mais precisos e

mais reprodutíveis, as indústrias e as universidades estão continuamente aperfeiçoando os

procedimentos já existentes e preenchendo os espaços remanescentes, frutos do contínuo

desenvolvimento da ciência.

Como esta pesquisa procura determinar as propriedades mecânicas do material

compósito, e não existem normas específicas para as fibras naturais, tomar-se-á a

NBR13275 como parâmetro para determinação dos ensaios que devem ser realizados.

Desta maneira, alguns ensaios podem ser considerados imprescindíveis para a determinação

das propriedades relevantes do material compósito em PRFS.

A NBR13275 - Sinalização vertical viária – Chapas planas de poliéster reforçado

com fibras de vidro, para confecção de placas de sinalização – Requisitos e métodos de

ensaio, editada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), especifica os

requisitos mínimos e estabelece os métodos de ensaio para o recebimento de chapas de

poliéster reforçado com fibra de vidro. Entende-se que a NBR13275 foi elaborada de forma

a estabelecer valores de aceitação para o material reforçado com fibras de vidro, sendo

apresentada a Tabela 17 de forma a projetar as características que devem ser determinadas

no caso das placas de fibra de sisal. Não se pretende que os valores limites da tabela sejam

parâmetros para aceitação ou rejeição das placas deste estudo.

�PAGE �99�TABELA 17 – Características da fibra de vidro – NBR13275

�

6.3.1. Resistência à tração (ASTM D 638)

A resistência à tração constitui-se em um importante indicador da resistência

mecânica de um material compósito à base de polímeros. A força necessária para alongar

um corpo-de-prova é determinada juntamente com a quantidade total de material estirada

na quebra do referido corpo.

O termo resistência à tração é um termo amplo. Na realidade devem-se distinguir

três diferentes fenômenos:

• a tensão de escoamento, no caso de material dúctil;

• a tensão no ponto de ruptura, para o caso de fratura dúctil;

• a máxima tensão, para o caso de fratura frágil.

O módulo de elasticidade é essencialmente uma medida da rigidez do material,

sendo muito útil na escolha de um polímero para uma dada aplicação. Pode-se estabelecer

que o material ideal para um certo produto deve exibir comportamento, quando em uso

normal, idêntico ao observado na região em que o módulo é medido. Desta forma, seria

possível garantir a manutenção das características elásticas, em condições de serviço.

As propriedades de tração podem variar devido à(o):

• forma de preparação dos corpos de prova;

• velocidade de realização do ensaio;

• ambiente no qual o teste é realizado.

Neste estudo, o ensaio de tração foi realizado no Laboratório de Solidificação

Rápida do departamento de engenharia mecânica da Universidade Federal da Paraíba. Foi

utilizada uma máquina de ensaio universal da marca Shimadzu, série Servopulser, com

velocidade de carregamento de 0,05mm min-1, tendo como objetivo a determinação da

�PAGE �100�resistência à tração, do alongamento na ruptura e do módulo de elasticidade à tração dos

compósitos.

A resistência de ruptura foi definida como sendo a tensão originada pela carga

necessária para a produzir a primeira fissura no corpo-de-prova. Os resultados obtidos

consistem na média aritmética das réplicas aceitas após o tratamento estatístico. Tal

procedimento é fundamental para a confiabilidade do ensaio devido à grande dispersão dos

resultados obtidos. Tais diferenças são determinadas pela distribuição aleatória das fibras

curtas na matriz, pela variabilidade da espessura do tecido de sisal e pelas micro-bolhas

formadas durante o processo de fabricação dos compósitos.

Os dados relativos às forças aplicadas e deformações sofridas pelo corpo de prova

até a ruptura permitem traçar o diagrama tensão-deformação.

Para o cálculo das tensões de tração, utilizadas nos gráficos de tensão x deformação,

foi considerada a seção bruta das placas para todas as amostras. Os valores foram obtidos

através da equação [23].

�

[eq.23]

onde,

s = tensão normal gerada por uma força normal;

F = força normal aplicada à placa;

A = área da seção transversal da placa, tomada como a seção bruta.

6.3.2. Ensaio de flexão

O ensaio de flexão foi realizado no Laboratório de Solidificação Rápida do

departamento de engenharia mecânica da Universidade Federal da Paraíba. Foi utilizada

uma máquina de ensaio universal da marca Shimadzu, série Servopulser, com velocidade

de carregamento de 0,05mm min-1, tendo como objetivo a determinação da resistência à

flexão e o módulo de elasticidade na flexão.

�PAGE �101�Os resultados obtidos consistem na média aritmética das réplicas aceitas após

tratamento estatístico.

Para o cálculo das tensões de flexão, utilizadas nos gráficos de tensão x deformação,

foi considerada a seção bruta das placas para todas as amostras. Os valores foram obtidos

através da equação [24].

�

[eq.24]

onde,

s = tensão normal gerada por um momento fletor;

M = momento fletor, calculado em função da distância entre apoios na máquina

de ensaio universal, e da carga aplicada;

I = momento de inércia da seção da placa, considerando a seção bruta;

y = distância da linha neutra à fibra mais afastada, tomado como metade da

espessura da placa;

6.3.3. Ensaio de absorção

De acordo com a metodologia de ensaio descrita pela ASTM D570, primeiramente

determina-se a massa do corpo-de-prova seco. Feito isso, mergulha-se a amostra em água,

deixando-a submersa por um determinado período de tempo. Desta vez, mede-se a massa

do corpo-de-prova úmido. Através da diferença entre os dois valores encontrados, obtém-se

o percentual de água absorvido pela amostra.

Analisando os resultados do ensaio de absorção de umidade por imersão durante 24

horas, pode-se verificar o quanto as amostras absorvem umidade. Desse modo, pode-se

avaliar possíveis alterações que as propriedades mecânicas dos compósitos podem sofrer

quando utilizados em um ambiente com alta umidade.

Os ensaios de absorção foram realizados no Laboratório de Materiais de Construção

do departamento de engenharia civil da Universidade Santa Úrsula. Foi utilizada uma

balança eletrônica da marca Marte, modelo AS 5500C, com capacidade máxima de 500g,

sensibilidade de 0,01g e tempo de estabilização de 3s.

�PAGE �102�

7. RESULTADOS DOS ENSAIOS DAS PLACAS DE PRFS

7.1. TRATAMENTO ESTATISTICO

Antes de se interpretar uma série de resultados obtidos a partir de uma ou mais

amostras, é necessário verificar a existência de valores que, eventualmente, possam ser

considerados como discrepantes (outliers), ou seja, valores que muito provavelmente não

pertençam ao mesmo conjunto de resultados.

Para tanto, é possível a utilização de diversos testes de estatística para determinar se

uma observação deve ser rejeitada; em todas essas, um intervalo é estabelecido com uma

determinada significância estatística. Neste caso, é imperativo o uso do mesmo critério

durante o estudo de todas as amostras ensaiadas para melhor definição das propriedades das

placas.

Existem várias maneiras de verificar se um ou mais valores podem ser considerados

dispersos, e os mais comuns são os testes de Chauvenet, Cochran e Dixon.

7.2 ANÁLISE DA HOMOGENEIDADE DAS AMOSTRAS

Neste estudo será adotado o Teste de Dixon para verificação da homogeneidade das

réplicas. Também será utilizado o critério de exclusão de réplicas dispersas adotado pela

NBR-7215 para determinação da resistência à compressão do cimento Portland. Tal

comparação será feita para determinar o nível de significância a ser utilizado no teste de

Dixon.

A comparação dos testes pôde indicar o uso de um nível de significância de 0,20

para o teste de Dixon. Os resultados obtidos nos ensaio de tração e flexão serão testados.

�PAGE �103�7.2.1 Teste de Dixon

É um teste bilateral, de distribuição normal, que utiliza critérios de rejeição de

valores discrepantes para avaliar a homogeneidade de uma amostra.

Para tanto, ordenam-se as réplicas de uma amostra em ordem crescente e, em

seguida, calculam-se os valores dos limites inferior (X’1) e superior (X’n) através das

seguintes equações ajustadas para amostras entre 03 e 07 réplicas:

�

onde,

X1 = Réplica de valor mais baixo;

X2 = Réplica de valor imediatamente maior que a réplica X’1;

Xn = Réplica de valor mais alto;

Xn-1 = Réplica de valor imediatamente menor que a réplica X’n;

Em seguida deve-se rejeitar os valores referentes a X’1 ou X’n caso estes sejam

superiores aos valores críticos mostrados na Tabela 18.

TABELA 18 – Valores críticos para o Teste de Dixon

�

As Tabelas 19 e 20 são representativas do teste de Dixon, apresentando a aplicação

do teste para aceitação ou rejeição das réplicas da amostra R0. Na Tabela 19, foram

consideradas as 05 réplicas ensaiadas sendo determinado que a amostra não é homogênea

para os critérios de significância estabelecidos para o teste. Desta maneira, o resultado

discrepante foi rejeitado e aplicou-se o teste mais uma vez para as réplicas mostradas na

Tabela 20. Os valores de X1 e Xn menores que o valor de referência estabelecido pelo teste

indicam que a amostra é homogênea para os critérios de significância adotados.

A média da resistência à tração é determinada com os valores aceitos pelo teste.

Os resultados para as demais amostras estão apresentados no Anexo 1.

TABELA 19 – Teste de Dixon – Amostra R0 – 05 réplicas

�

�PAGE �104�TABELA 20 – Teste de Dixon – Amostra R0 – 04 réplicas

�

7.2.2 Critério da NBR-7215 – CIMENTO PORTLAND – determinação da resistência

à compressão

Para exclusão dos valores discrepantes, a norma determina que a média das

resistências, em megapascais, das réplicas ensaiadas deve ser calculada. Em seguida, deve-

se calcular o desvio relativo máximo, dividindo-se o valor absoluto da diferença entre a

resistência média e a resistência individual que mais se afaste desta média, para mais ou

para menos, pela resistência média e multiplicando-se este quociente por 100. Quando o

desvio relativo máximo for superior a 6% deve-se calcular nova média, desconsiderando o

valor discrepante.

As Tabelas 21, 22 e 23, referentes à amostra R0, são representativas do teste de

exclusão baseado nos critérios da NBR-7215. Na Tabela 21, foram consideradas as 05

réplicas ensaiadas, com o valor do desvio relativo maior que 6% indicando que a amostra

não é homogênea. O resultado discrepante foi rejeitado e aplicou-se o teste mais uma vez

para as réplicas mostradas na Tabela 22. Como se manteve a não homogeneidade da

amostra foi excluída outra réplica discrepante e o teste foi refeito. O desvio relativo menor

que 6% mostrado na Tabela 23 indica que a amostra R0 é homogênea para as 03 (três)

réplicas aceitas. A média da resistência à tração é determinada com os valores aceitos pelo

teste.

Os resultados para as demais amostras estão apresentados no Anexo 1.

TABELA 21 – Critérios da NBR-7215 – Amostra R0 – 05 réplicas

�


�

�PAGE �105�


�

As Tabelas 24 e 25 apresentam os valores das resistências médias à tração e flexão

de cada uma das amostras ensaiadas. As médias foram obtidas após a exclusão das réplicas

discrepantes. Observa-se que para diversas amostras os resultados foram idênticos, o que

demonstra que os critérios utilizados podem ser considerados similares, conforme proposto

no item 7.2.

Assim sendo, utilizar-se-á as médias determinadas pelo teste de Dixon para a análise

de variância que indicará a existência de diferenças estatísticas significativas entre as

amostras.

TABELA 24 – Resistência à tração média das amostras calculada após exclusão de outliers

�

�PAGE �106�TABELA 25 – Resistência à flexão média das amostras calculada após exclusão de outliers

�

�PAGE �107�

8. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Nesta etapa será analisada a influência do teor de talco adicionado à resina. As

placas foram fabricadas com 0%, 20%, 30% e 40% de teor de talco. Será utilizado a análise

de variância – ANOVA – para verificar a existência de diferenças estatisticamente

significativas entre as médias das amostras ensaiadas. Havendo diferenças, o método de

comparações múltiplas de Tukey será aplicado para verificar quais amostras são diferentes

e quais amostras são iguais entre si. Com a aplicação deste teste pretende-se identificar

diferenças nas propriedades mecânicas das amostras para se definir a proporção de material

com maior potencial para utilização nas placas de PRFS.

8.1 ENSAIO DE TRAÇÃO

8.1.1 Placas sem reforço (CONTROLE)

Será observada a influência das adições de talco nas propriedades das placas

fabricadas sem reforço de sisal. Foram preparadas placas utilizando a resina poliéster com

adições de talco nas proporções de 0%, 20%, 30% e 40%, em peso.

Todas as amostras sem reforço submetidas ao ensaio de tração apresentaram ruptura

frágil da matriz de resina. Para o cálculo dos valores das tensões de tração foi considerada a

seção bruta do material compósito. Desta maneira, dividiu-se o valor da força aplicada no

material, registrada pelo equipamento, pela área da seção transversal da placa de PRFS,

medida uma a uma com o auxílio de um paquímetro digital.

As Figuras 88, 89, 90 e 91 ilustram o comportamento das placas em função do teor

de talco no decorrer do ensaio de resistência à tração. Observa-se que a resistência à tração

�PAGE �108�das placas ensaiadas diminui com o aumento do teor de talco. As réplicas da amostra com

0% de teor de talco sofreram ruptura da matriz com tensões acima de 30 MPa, as réplicas

das amostras R20 e R30 com tensões entre 20 MPa e 25 MPa, e as das amostras com adição

de 40% de carga de talco sofreram ruptura frágil para tensões abaixo de 20 MPa.

�

FIGURA 88 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0 – Ensaio de Tração

�


�


�


Com relação às curvas dos gráficos de tensão x deformação, percebe-se que o

traçado referente às réplicas das amostras R20 e R30 tem configuração bem similar,

inclusive com a deformação no instante da ruptura assumindo valores entre 2,0mm e

2,5mm. As amostras sem carga de talco, R0, apresentaram deformação acima de 3,0mm no

instante da ruptura da matriz. As amostras com o máximo teor de talco testado, no caso

40%, registraram as menores deformações referentes ao momento de ruptura da matriz,

estando seus valores abaixo de 1,5mm.

Desprende-se dos gráficos que o aumento do percentual de carga de talco

adicionada à resina poliéster reduz a ductilidade do material, o que também significa a

diminuição da capacidade de deformação das placas moldadas.

A Figura 92 apresenta o gráfico com os valores médios de resistência à tração das

amostras com diferentes teores de talco. Para a interpretação do gráfico deve-se verificar se

há intersecção do prolongamento horizontal das extremidades das barras verticais de erro.

Se houver, significa que as médias são iguais estatisticamente, com um nível de confiança

de 95% ou de significância de 5%.

Assim, pode-se afirmar que R20 e R30 são estatisticamente iguais e que a

resistência à tração de R0 > R20 = R30 > R40.

�PAGE �109�Com base na análise da Tabela 26 também pode-se verificar a existência de

diferença significativa entre as médias das amostras, indicando que o teor de talco

influencia na resistência à tração das placas fabricadas.

�

FIGURA 92 – Resistência média à tração das amostras em função do teor de talco

Pela leitura da Tabela 27, de comparação das médias pelo teste de Tukey, tem-se

como referência as probabilidades anotadas nas células. A intersecção entre linhas e

colunas determina a comparação entre as amostras. Probabilidades maiores que 0,05

indicam igualdade entre as amostras, o contrário indicará amostras estatisticamente

diferentes.

TABELA 26 – Análise para o ensaio de tração das amostras em função do teor de talco

�

TABELA 27 – Teste para o ensaio de tração das amostras em função do teor de talco

�

Assim sendo, tem-se que as amostras R20 e R30 são estatisticamente iguais. As

demais amostras são diferentes entre si. Tal constatação permite afirmar que a adição de

talco à resina reduz a resistência à tração das placas. De 0% para 20% de adição de talco as

placas perdem cerca de 33% de sua resistência à tração. Para adições de 20% e 30% foi

notado que não houve perda de resistência estatisticamente significativa. Para adições de

40% observa-se a tendência de queda na resistência à tração, representando uma perda

próxima a 50% do valor das placas sem adição de talco.

�PAGE �110�8.1.2 Placas reforçadas com tecido de sisal

Neste item, será observado o comportamento à tração das placas reforçadas com

tecido de sisal. Foram preparadas placas utilizando a resina poliéster com adições de talco

nas proporções de 0%, 20%, 30% e 40%, em peso, todas reforçadas com tecido de sisal.

Inicialmente, é interessante observar que todas as placas em PRFS que utilizam o

tecido de sisal como reforço apresentaram três domínios de deformação distintos no gráfico

de resistência à tração em função da deformação.

Em um primeiro intervalo, Domínio 01, o conjunto formado pela matriz polimérica

e pelo tecido de sisal resiste às cargas normais aplicadas. Então, para um determinado

carregamento, ocorre a ruptura da resina em uma das seções transversais da placa. Neste

instante, o tecido transfere, por aderência, as tensões ao longo da placa até que ocorram

novas rupturas da seção mais solicitada. A transferência de tensão entre as seções

transversais ocorre para vários valores de carregamento, sendo este intervalo denominado

Domínio 02 (Figura 93). Quando ocorre o esgotamento da matriz, a carga passa a ser

resistida apenas pelo tecido de sisal da seção mais solicitada, definindo o início do Domínio

03 que se prolonga até a ruptura do material de reforço (Figura 94).

�

FIGURA 93 – Placa com trincas ao longo do eixo longitudinal – Domínio 02

�

FIGURA 94 – Aspecto da placa no instante da ruptura do tecido – Domínio 03

A Figura 95, gráfico Tensão x Deformação, será tomada como representativa para

ilustrar o comportamento do material compósito ensaiado à tração. Como a pesquisa

considera que a ruptura da resina indica um estado de deterioração da placa, os valores

adotados para resistência à tração do material são os que representam o final do Domínio

01, no caso, 14,18 MPa.

�

FIGURA 95 – Definição dos domínios de deformação no gráfico tensão x deformação

�PAGE �111� É importante notar, a título de informação, que no gráfico da Figura 95 é observada

uma resistência à tração última do compósito de 19,31 MPa para a placa de PRFS. Esta

tensão representa o final do Domínio 03.

No entanto, conforme mostrado no Capítulo 4, a resistência à tração última do

tecido de sisal varia entre 50 MPa e 60 MPa. Como o gráfico da Figura 95 é representativo

do comportamento do material compósito, os cálculos das tensões normais foram feitos

considerando a espessura total do compósito, em todos os domínios, o que não reflete as

reais condições de serviço do material.

Ocorre que no Domínio 03 apenas o tecido de sisal resiste ao carregamento

aplicado, sendo necessário um cálculo das tensões normais que considere a espessura como

sendo apenas o valor referente ao tecido de sisal.

Assim sendo, é necessário a plotagem do gráfico da Figura 96, denominado gráfico

tensão x deformação corrigido, considerando a espessura total do compósito até o final do

Domínio 02 e a espessura do tecido de sisal durante o Domínio 03. Para esta nova

configuração, a resistência à tração do material tem valor superior a 50 MPa para as

deformações que representam o final do Domínio 03.

�

FIGURA 96 – Gráfico tensão x deformação corrigido

Por fim, deve-se observar que a resistência última à tração da placa, que ocorre com

a ruptura do tecido, apresenta valor maior do que o adotado como resistência à tração

admissível do material compósito, considerado como o valor da tensão de tração no instante

da primeira ruptura da matriz.

Vantajosamente, a placa permanece funcional durante todo o Domínio 02,

mantendo as condições de serviço até a identificação da anomalia e a especificação da

substituição da placa danificada.

Com relação aos valores das resistências à tração das amostras ensaiadas, os

gráficos das Figuras 97, 98, 99 e 100 são apresentados para discussão dos valores obtidos.

Para melhor visualização do comportamento do material PRFS ensaiado à flexão são

�PAGE �112�mostrados apenas os intervalos correspondentes ao Domínio 01, que representa o intervalo

de deformação que vai do início do ensaio até o instante da primeira ruptura na matriz.

�

FIGURA 97 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0+T – Ensaio de Tração

�


�


�


Observa-se que a resistência à tração das placas reforçadas com tecido de sisal

diminui com o aumento do teor de talco. As réplicas da amostra com 0% de teor de talco

sofreram a primeira ruptura da matriz com tensões acima de 15 MPa. Para as amostras

R20+T e R30+T a ruptura da matriz se iniciou com tensões entre 10 MPa e 15 MPa. Por

fim, as amostras com adição de 40% de carga de talco sofreram ruptura inicial da resina

com tensões abaixo de 10 MPa.

Com a presença do tecido de sisal incorporado à matriz, tem-se que a deformação

do material no instante da ruptura da matriz foi da ordem de 1,5 mm para todas as amostras.

O gráfico da Figura 101 apresenta uma comparação do comportamento da

resistência à tração das placas reforçadas com tecido de fibras de sisal em relação às placas

de controle, sem reforço.

Os valores da abscissa do gráfico estão agrupados em seqüência, de acordo com o

teor de talco adicionado. Assim, tem-se que os dois primeiros valores mostrados na

abscissa referem-se às amostras sem carga de talco (R0) e sem talco com tecido (R0+T),

permitindo a observação para uma mesma condição de teor de talco. Os valores seguintes

�PAGE �113�referem-se às amostras com 20%, 30% e 40% de teor de talco para as mesmas condições de

reforço.

�

FIGURA 101 – Resistência à tração das amostras com tecido de sisal

Observa-se que quanto maior o teor de talco, menor a resistência à tração das

amostras. Para todos os teores de talco (0%, 20%, 30% e 40%) a incorporação do tecido de

sisal à matriz reduz o valor da resistência média à tração das placas de forma

estatisticamente significativa, o que é comprovado pela observação da Tabela 28.

TABELA 28 – Análise para o ensaio de tração das amostras com tecido de sisal

�

Pela análise do gráfico da Figura 101, observa-se que o comportamento da

resistência à tração das placas com tecido de sisal é similar ao das placas sem reforço.

Desprende-se deste gráfico que a resistência à tração da amostra R20+T e R30+T são

estatisticamente iguais.

O teste de Tukey da Tabela 29 apresenta numericamente a igualdade entre as

amostras. Os valores em destaque indicam amostras estatisticamente iguais. Nota-se não

haver diferença estatística entre as placas fabricadas com 20% e 30% de teor de talco, com

probabilidade muito próxima de 1,0 (hum).

TABELA 29 – Teste para o ensaio de tração das amostras com tecido de sisal

�

8.1.3 Placas reforçadas com tecido de fibra de vidro

Foram fabricadas placas em plástico reforçado de fibra de vidro – PRFV – para

permitir a comparação com os valores obtidos para o material compósito em PRFS. Os dois

materiais foram ensaiados sobre as mesmas condições. As placas em PRFV foram

produzidas com adição de 30% de talco à matriz. Foi utilizado tecido de fibras de vidro

orientado nas duas direções principais.

�PAGE �114�O gráfico da Figura 102 compara a resistência à tração entre as amostras com 30%

de talco reforçadas com tecido de fibra de sisal e tecido de fibra de vidro.

Como esperado, as amostras fabricadas com PRFV apresentaram resistência à

tração maior do que o PRFS. No entanto, o valor da resistência à tração média de 42,95

MPa é inferior aos 85 MPa proposto pela NBR13275 para aceitação da amostra.

Neste caso, atribui-se a redução da resistência à tração das amostras reforçadas com

fibra de vidro à adição de carga de talco mineral à matriz de resina poliéster.

�

FIGURA 102 – Comparação Fibra de Sisal X Fibra de Vidro – Ensaio de Tração

8.2 ENSAIO DE FLEXÃO

8.2.1 Placas sem reforço (CONTROLE)

Todas as amostras ensaiadas à flexão apresentaram ruptura frágil da resina. As

Figuras 103, 104, 105 e 106 descrevem o comportamento das placas em resina poliéster no

decorrer do ensaio de flexão, para cada um dos teores de talco propostos na pesquisa.

�

FIGURA 103 – Gráfico tensão x deformação das réplicas da amostra R0 – Ensaio de Flexão

�


�


�


Desprende-se dos gráficos de tensão x deformação que o teor de talco reduz de

forma estatisticamente significante a resistência à flexão das placas.

Pode-se observar que as réplicas da amostra R0 sofreram ruptura frágil com uma

tensão de próxima a 100 MPa. Para as amostras R20 e R30 a ruptura ocorreu com tensões

�PAGE �115�entre 55 MPa e 70 MPa. Para teores de talco igual a 40% do peso de resina, a tensão

máxima admissível das placas ficou abaixo dos 50 MPa.

Observa-se também que a deformação última registrou valores na casa de 10 mm

para as amostra R0, R20 e R30, o que demonstra, considerando que as tensões de ruptura

têm valores diferentes, que o teor de talco tem influência no módulo de elasticidade do

material. Nas réplicas em que a matriz foi modelada com 40% de teor de talco, a

deformação de ruptura foi menor que 8 mm, o que sugere que teores de talco acima de 40%

fragilizam a matriz.

Em uma análise do gráfico da Figura 107 pode-se observar que existe diferença

significativa entre as amostras, comprovando que o teor de talco exerce influência na

resistência à flexão das placas das amostras.

�

FIGURA 107 – Resistência à flexão – amostras sem reforço

Observa-se que a configuração do gráfico tensão x deformação das placas ensaiadas

à flexão é similar gráfico tensão x deformação das placas no decorrer do ensaio de tração.

Percebe-se que o valor da média das resistências à flexão da amostra R20 é estatisticamente

semelhante ao valor para a amostra R30.

As réplicas sem acréscimo de carga de talco à matriz, R0, resultaram em uma

resistência à flexão média de 96,74 MPa. Para adições de 20% e 30% de talco, o valor

médio da resistência à flexão das amostras foi reduzido em cerca de 30%. Para adições de

40% de talco, as placas perdem cerca de 50% da sua resistência à flexão em relação às

placas da amostra R0.

A Tabela 30 confirma que o teor de talco altera o valor da resistência à flexão das

placas, sendo notada a diferença estatística entre as placas fabricadas. Na leitura da Tabela

31 percebe-se que todas amostras são diferentes entre si, com as amostras com teores de

talco de 20% e 30% assumindo valores bem próximos de uma igualdade estatística.

TABELA 30 – Análise para o ensaio de flexão das amostras em função do teor de talco

�

�PAGE �116�TABELA 31 – Teste para o ensaio de flexão das amostras em função do teor de talco

�

8.2.2 Placas reforçadas com tecido de sisal

As amostras reforçadas com tecido de sisal apresentaram resistência máxima à

flexão definida pelo instante da ruptura da resina na face tracionada das placas. Como o

carregamento foi aplicado de forma concentrada na placa (Figura 108), após a ruptura

inicial as tensões na região tracionada passaram a ser suportadas pelo tecido (Figura 109).

Na face comprimida da placa observou-se o esmagamento da resina, caracterizada pela

aparência esbranquiçada do material, sem, no entanto, ser observado o surgimento de

trincas (Figura 110). Como o tecido usado em todas as amostras possui praticamente a

mesma espessura, a resistência à flexão após a ruptura da resina passou a ser semelhante

para todas as amostras, independentemente das variáveis envolvidas na fabricação das

placas.

�

FIGURA 108 – Ruptura da resina da amostra com tecido de sisal

�

FIGURA 109 – Detalhe da ruptura da resina da amostra com tecido de sisal

�

FIGURA 110 – Aspecto da face comprimida da amostra após ensaio de flexão

As Figuras 111, 112, 113 e 114 descrevem o comportamento das réplicas de cada

amostra durante o ensaio de flexão. Observa-se uma perda de resistência à flexão para uma

tensão próxima de 30MPa, instante de ruptura da resina. A partir deste ponto observa-se um

valor praticamente constante para a resistência à flexão, mantendo-se, no entanto, o

incremento da deformação da placa. O ensaio foi interrompido sem a ruptura do tecido de

sisal devido às grandes deformações observadas na placa (Figura 115).

�

FIGURA 111 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R0+T – Ensaio de Flexão

�

�PAGE �117�FIGURA 112 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R20+T – Ensaio de Flexão

�


�


�

FIGURA 115 – Deformação da amostra com tecido de sisal – ensaio de flexão

Os valores das médias da resistência à flexão das amostras reforçadas com tecido de

fibras de sisal estão apresentados no gráfico da Figura 116. Foram incluídos os valores

referentes às amostras sem reforço e as amostras reforçadas com tecido de sisal. Os valores

da abscissa estão agrupados em seqüência, de acordo com o teor de talco adicionado.

Assim, os dois primeiros valores mostrados referem-se às amostras sem carga de talco, com

e sem tecido de sisal. Os valores seguintes são referentes às amostras com 20%, 30% e 40%

de teor de talco.

A Tabela 32 indica que há diferença significativa entre as amostras agrupadas no

gráfico. Esta diferença se deve principalmente a inclusão de amostras com tecido de sisal e

sem tecido de sisal. Observa-se que para as amostras com tecido de sisal todas as médias

das resistências à flexão ficaram entre 30 MPa e 40 MPa.

�

FIGURA 116 – Resistência à flexão – amostras com tecido de sisal

TABELA 32 – Análise para o ensaio de flexão das amostras com tecido de sisal

�

O teste de Tukey da Tabela 33 apresenta um diagnóstico estatístico mais preciso,

mostrando numericamente quais amostras são estatisticamente iguais entre si.

TABELA 33 – Teste para o ensaio de flexão das amostras com tecido de sisal

�

�PAGE �118�

A igualdade entre diversas amostras com adição do tecido de sisal é justificada pelo

comportamento das amostras reforçadas com tecido de sisal. Assim sendo, a variação dos

valores de resistência à flexão, considerados no momento em que foi registrada a primeira

redução do valor da carga, dependem da quantidade de resina depositada abaixo do tecido

de reforço (análogo ao cobrimento de peças de concreto armado). Assim, como o

cobrimento do tecido de sisal não foi controlado, a variabilidade da espessura do tecido e a

espessura das placas são variáveis que contribuem para a geração de erros sistemáticos no

tratamento estatístico das amostras.

No entanto, é importante salientar que as placas reforçadas com tecido de sisal

conseguem recuperar parte da deformação do material mesmo após a ação de

carregamentos capazes de gerar grandes deformações na placa. Desta maneira, a perda de

resistência do compósito em relação ao material de controle é compensado pela

funcionalidade da placa.

8.2.3 Placas reforçadas com tecido de fibra de vidro

Foram fabricadas 06 réplicas de placas em plástico reforçado de fibra de vidro –

PRFV – para permitir a comparação com os valores obtidos para as placas com adição de

fibras de sisal. Os dois materiais foram ensaiados sobre as mesmas condições. As placas em

PRFV foram produzidas com adição de 30% de talco à matriz. Foi utilizado tecido de fibras

de vidro orientado nas duas direções principais.

O gráfico da Figura 117 compara a resistência à flexão entre as amostras com 30%

de talco reforçadas com tecido de fibra de sisal e tecido de fibra de vidro.

Observa-se que PRFV tem resistência à flexão maior do que o PRFS. No caso

particular, a redução no valor da resistência à flexão provocada pela modificação no tipo do

material de reforço foi de cerca de 70% (setenta por cento).

�

FIGURA 117 – Comparação Fibra de Sisal X Fibra de Vidro – Ensaio de Flexão

�PAGE �119�8.3 ENSAIO DE ABSORÇÃO

O gráfico da Figura 118 permite a visualização da variação do teor de umidade,

após 24h de imersão, em função dos tipos de amostras. Os teores de umidade obtidos para

as amostras estão apresentados na Tabela 34. São mostrados os valores para as placas de

controle (sem tecido) e os valores para as placas com tecido de sisal.

�

FIGURA 118 – Valores do ensaio de absorção

TABELA 34 – Teor de umidade médio

�

Observa-se que as amostras contendo tecido de sisal absorveram quantidades de

água bem maiores do que as amostras sem tecido. Tal situação se deve à absorção

produzida pelo tecido de sisal exposto nas faces laterais das placas, em virtude do corte das

placas após a fabricação. A Figura 119 mostra o aspecto de uma das placas reforçadas com

tecido após 24h de imersão. Nota-se claramente a presença de umidade nas bordas das

placas, caracterizada pela tonalidade mais escura do tecido.

�

FIGURA 119 – Aspecto da amostra com tecido de sisal após 24h de imersão

Assim sendo, o ensaio de absorção foi refeito, desta vez aplicando-se selador

acrílico nas faces laterais das placas. Tal procedimento permite a obtenção de resultados

que refletem de forma mais fidedigna o comportamento das placas.

Os resultados do segundo ensaio de teor de umidade não indicaram a absorção de

umidade. Os pesos obtidos para as placas após 24 horas de imersão tiveram valores

similares aos da placa no estado seco, conforme mostrados na Tabela 35.

TABELA 35 – Teor de umidade – amostras com selador

�

�PAGE �120�Com relação aos valores negativos registrados, entende-se que os mesmos podem

ter origem na leitura do peso das placas, sendo ocasionados pela sensibilidade da balança.

Desta maneira, pode-se considerar que as amostras de PRFS não absorvem água pelas suas

faces principais, considerado o período de exposição do teste.

8.4 CARACTERIZAÇÃO DA AMOSTRA R30+T

A escolha do teor de talco igual a 30% para proposta inicial de fabricação dos PRFS

foi feita em função dos resultados obtidos nos ensaios de tração, flexão e absorção. Como

se pretende baratear os custos de fabricação e reduzir o consumo de resina, entende-se que,

entre os teores de talco testados, 30% é a proporção que apresenta melhor custo benefício.

Em comparação às outras proporções, observa-se que as placas com 30% de adição

de talco apresentaram desempenho mecânico estatisticamente igual às placas com 20% de

teor de talco. Neste caso, a variável custo sugere a especificação do maior teor de talco para

proporcionar maior economia. Para adições de talco à resina na ordem de 40%, R40, a

resistência à tração da placa sofreu redução acima de 50% em relação às placas de controle.

Para esta situação o fator resistência sugere a especificação de teores de talco mais baixo,

priorizando resistências mais elevadas.

Assim, conforme mostrado no item 8.2.2, o material compósito utilizado na amostra

R30+T mostrou-se capaz de suportar tensões de flexão acima dos 30 MPa. Este valor é

superior às tensões solicitantes para diversas situações de carregamento, sendo variáveis

fundamentais para aceitação das placas em PRFS, a região do País em que a placa será

instalada, e as condições de fixação das placas.

Desta maneira, pretende-se adotar os valores apresentados na Tabela 36 como

referência das características do material plástico reforçado por fibras de sisal - PRFS.

TABELA 36 – Características da amostra R30+T

�

As características adicionais a serem determinadas estão apresentadas na Tabela 37,

sendo sugeridas a partir da NBR13275 - Sinalização vertical viária – Chapas planas de

poliéster reforçado com fibras de vidro, para confecção de placas de sinalização –

Requisitos e método de ensaio.

�PAGE �121�Também será verificado o desempenho das placas após o tratamento térmico do

tecido de sisal. Tal procedimento mostrou-se eficaz para fibras curtas de sisal quando da

realização dos ensaios de fundamentação desta pesquisa. O baixo custo do tratamento é

outro fator que justifica a tentativa de ganho de resistência a partir da secagem do tecido de

sisal em estufa.

�PAGE �122�TABELA 37 – Características a serem determinadas para a amostra R30+T

�

8.4.1 Tratamento térmico das fibras de sisal

Foram fabricadas amostras com 30% de talco adicionado à matriz de poliéster e

com tecido de sisal. Antes da moldagem das placas, o tecido de sisal foi colocado em

estufa, 140°C por 4h (quatro horas), para eliminação da umidade. Os valores das réplicas

foram tratados estatisticamente, conforme procedimento apresentado no item 7.1.

A Figura 120 apresenta o gráfico tensão x deformação do material R30+T(e) no

decorrer do ensaio de tração. Para facilitar a visualização, mostra-se apenas o trecho da

curva até a primeira ruptura da matriz. Consideram-se as réplicas aceitas após o tratamento

estatístico que validou os resultados do ensaio.

A Figura 121 mostra uma comparação entre os trechos dos gráficos de tensão x

deformação das amostras R30+T e R30+T(e), evidenciando o efeito do tratamento térmico

do tecido de sisal. As curvas mostradas são referentes apenas às réplicas aceitas após o

tratamento estatístico, o que valida os resultados do ensaio.

�

FIGURA 120 – Gráfico tensão x deformação para a amostra R30+T(e) – Ensaio de Tração

�

FIGURA 121 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Tração

Desprende-se do gráfico da Figura 121 que a secagem das fibras em estufa

aumentou a resistência à tração das placas de PRFS. Entende-se que o tratamento térmico

alterou as condições de aderência entre a resina poliéster e as fibras de sisal, sendo

fundamental para o incremento da capacidade de transferência de tensões entre matriz e

reforço.

Assim, observa-se um aumento na capacidade de deformação e, também na

capacidade de absorção de tensão da amostra R30+T(e) em relação a amostra R30+T.

�PAGE �123�O gráfico da Figura 122 compara os valores das resistências à tração dos tipos de

amostras que utilizaram 30% de teor de talco. Os valores referem-se às placas sem tecido

de sisal (R30), às placas com tecido de sisal sem tratamento térmico (R30+T) e às placas

com tecido de sisal seco em estufa (R30+T(e)).

A Tabela 38 indica que há diferença significativa entre as amostras agrupadas no

gráfico. O teste de Tukey da Tabela 39 revela um diagnóstico estatístico mais preciso,

mostrando quais amostras são diferentes e quais são iguais. Todas as probabilidades

menores que 0,05 indicam que todas as amostras são estatisticamente diferentes.

�

FIGURA 122 – Variação da resistência à tração para as amostras com 30% de teor de talco

TABELA 38 – Análise para o ensaio de tração em função do tratamento térmico do sisal

�

TABELA 39 – Teste de Tukey para as amostras em função do tratamento térmico do sisal

�

Infere-se da Figura 122 que o tratamento térmico melhorou a resistência à tração do

material em PRFS. A amostra com tecido seco em estufa apresentou resistência à tração

igual a 17,01 MPa contra 14,43 MPa da amostra com tecido in natura, o que representa um

aumento de cerca de 18%.

Observa-se ainda, que a amostra sem tecido de sisal obteve desempenho superior às

amostras com tecido de sisal. Neste caso é importante analisar o comportamento das

amostras a partir dos gráficos das Figuras 123, 124 e 125. Os valores das áreas abaixo das

curvas correspondem à energia de deformação de cada uma das amostras.

�

FIGURA 123 – Área correspondente a amostra R30

�

�PAGE �124�FIGURA 124 – Área correspondente a amostra R30+T

�

FIGURA 125 – Área correspondente a amostra R30+T(e)

A amostra R30 apresenta uma área abaixo da curva igual a 256,42 unidades de área,

valor correspondente a menos de 10% da área das amostras R30+T e R30+T(e).

Desta maneira, apesar da amostra R30 possuir maior resistência à tração para a

ruptura inicial da matriz, as amostras com tecido tem maior capacidade de deformação.

Ocorre que as placas sem tecido de sisal apresentam ruptura frágil da matriz. Já nas placas

fabricadas com tecido de sisal, no instante da primeira ruptura da matriz as tensões são

transferidas para outras seções transversais do material. Tal característica é especialmente

interessante para os elementos de sinalização, uma vez que permite que as placas em PRFS

mantenham sua funcionalidade por mais tempo.

Em outra análise, também foi realizado ensaio de flexão nas amostras de PRFS em

que o tecido foi seco em estufa. A Figura 126 compara os gráficos tensão x deformação

referentes ao ensaio de flexão das réplicas das amostras R30+T e R30+T(e).

Desprende-se da Figura 126 que o tratamento térmico das fibras de sisal permite que

as placas em PRFS suportem tensões de flexão maiores.

�

FIGURA 126 – Comparação amostras R30+T x R30+T(e) – Ensaio de Flexão

O gráfico da Figura 127 mostra o resultado do ensaio de flexão em três pontos para

as réplicas fabricadas. Os valores referem-se às placas sem tecido de sisal (R30), às placas

com tecido de sisal sem tratamento térmico (R30+T) e às placas com tecido de sisal seco

em estufa (R30+T(e)). Os valores das réplicas foram tratados estatisticamente, conforme

procedimento apresentado no item 7.1.

�

FIGURA 127 – Influência do tratamento térmico na resistência à flexão

�PAGE �125�

TABELA 40 – Análise para o ensaio de tração em função do tratamento térmico do sisal

�

TABELA 41 – Teste de Tukey para as amostras com 30% de teor de talco

�

Os resultados apresentados no gráfico da Figura 127 e nas Tabelas 40 e 41 indicam

que o tratamento do tecido em estufa aumenta o valor da resistência à flexão das placas de

PRFS, no caso particular, em torno de 8,5%.

Analogamente ao comportamento das placas ensaiadas à tração, os resultados do

ensaio à flexão indicam que a amostra sem tecido de sisal obteve maior resistência à flexão

para primeira ruptura da matriz quando comparada às amostras com tecido de sisal. Neste

caso também se faz necessário analisar o comportamento das amostras a partir dos gráficos

das Figuras 128, 129 e 130. Os valores das áreas abaixo das curvas correspondem à energia

de deformação de cada uma das amostras.

�

FIGURA 128 – Área correspondente a amostra R30

�

FIGURA 129 – Área correspondente a amostra R30+T

�

FIGURA 130 – Área correspondente a amostra R30+T(e)

Vale ressaltar que o ensaio de flexão foi interrompido no caso das placas que

utilizaram tecido de sisal incorporado à matriz. Neste caso, as áreas calculadas para as

amostras R30+T e R30+T(e) referem-se ao trecho do ensaio até a deformação de 19 mm,

instante em que o carregamento produzido pela máquina de ensaio universal foi liberado. A

área calculada para a amostra R30 representa o ensaio de flexão completo.

�PAGE �126�Assim, desprende-se das Figuras que as placas sem tecido de sisal apresentam

menor capacidade de deformação, sofrendo colapso por ruptura frágil da matriz. As placas

fabricadas com tecido de sisal, apesar de sofrerem ruptura com tensões menores que a

amostra R30, são capazes manter sua função por um maior período de tempo.

8.4.2 Exposição às intempéries – 300h

Réplicas sem tecido de sisal (R30), com tecido de sisal sem tratamento térmico

(R30+T) e com tecido de sisal seco em estufa (R30+T(e)) foram colocadas sobre a ação das

intempéries por um período de 300 horas.

As placas de cada amostra foram ensaiadas à tração para identificar possíveis

alterações nas propriedades mecânicas em função da exposição às intempéries.

As placas foram expostas na região da Praça Mauá, no município do Rio de Janeiro,

entre os dias 28 de Janeiro de 2008 a 10 de Fevereiro de 2008. Neste período, o índice de

precipitação pluviométrica acumulado foi de 127,2mm. Os dados foram obtidos no quadro

sinóptico do tempo fornecido pela Secretaria Municipal de Obras da Prefeitura da Cidade

do Rio de Janeiro, medido na estação do bairro da Saúde, a mais próxima do local de

exposição das placas.

Os dados referentes às temperaturas ambiente registrada no período de exposição

das placas em PRFS estão apresentados na Tabela 42.

TABELA 42 – Dados da temperatura ambiente no período de exposição das amostras

� Fonte: http://br.weather.com

O gráfico tensão x deformação mostrado na Figura 131 compara o comportamento

das réplicas das amostras com tecido de sisal sem tratamento térmico (R30+T). São

apresentadas as placas nos estado de entrega e após a exposição de 300 horas às

intempéries, identificadas pelo índice “_300”.

�


�PAGE �127�

A Figura 132 mostra o gráfico tensão x deformação para comparar o

comportamento das réplicas das amostras com tecido de sisal com tratamento térmico

(R30+T). São apresentadas as placas nos estado de entrega e após a exposição de 300 horas

às intempéries, identificadas pelo índice “_300”.

�


O gráfico da Figura 133 compara a média das tensões de tração que provocaram a

primeira ruptura da matriz para cada um dos tipos de amostras que utilizaram 30% de teor

de talco.

�

FIGURA 133 – Resistência à tração das amostras em função da exposição às intempéries

Os valores referem-se às placas com tecido de sisal sem tratamento térmico

(R30+T) e às placas com tecido de sisal seco em estufa (R30+T(e)). São comparados os

resultados para as placas nos estado de entrega e após a exposição de 300 horas às

intempéries, identificadas pelo índice “_300”.

Observa-se que a exposição das placas reduziu a resistência à tração das placas.

Para as placas sem tratamento térmico o valor da resistência sofreu redução de

aproximadamente 15%, de 14,43 MPa para 12,28 MPa. No caso das placas com tecido seco

em estufa a redução no valor da resistência à tração foi de 8%.

As Tabelas 43 e 44 mostram que as amostras são estatisticamente diferentes,

confirmando a influência da exposição às intempéries na resistência à tração do material

compósito.

TABELA 43 – análise para o ensaio de tração em função da exposição às intempéries

�

TABELA 44 – Teste para o ensaio de tração em função da exposição às intempéries

�PAGE �128��

As reduções nos valores das resistências das placas podem ser atribuídas aos ciclos

de molhagem e secagem aos quais os materiais foram submetidos. Estas condições podem

ocasionar o surgimento de micro-fissuras na superfície da matriz, o que produz pontos

frágeis capazes de induzir a ruptura da placa durante o ensaio de tração.

Outro fator que pode justificar as perdas de resistência é o surgimento de

deformações nas placas em função da exposição ao calor. Neste caso as alterações na

conformação superficial da placa podem ocasionar o surgimento de tensões adicionais no

material, reduzindo na diminuição da sua capacidade de carga.

8.4.3 Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade em tração do PRFS será determinado a partir dos gráficos

tensão x deformação. As réplicas adotadas são aquelas consideradas homogêneas após o

tratamento estatístico descrito no Capítulo 06.

As curvas referentes a cada uma das réplicas estão mostradas no Apêndice 7. Os

gráficos das Figuras 134 a 138 apresentam a dispersão entre o percentual de deformação e a

resistência à tração do material.

Para a análise e apreciação dos gráficos abaixo, sabe-se que em geral, não se deve

considerar em estabelecer retas de mínimos quadrados para coeficientes de correlação [R] <

0,7, correspondentes a coeficientes de determinação (R2) igual ou menores que 0,49. Neste

caso a reta de regressão não explicará nem a metade da variação total de Y, ficando mais da

metade da variação total, a residual, explicada por causas não assinaláveis ou por conta do

acaso. Entretanto, para [R] > 0,9 o traçado da reta de regressão terá bastante utilidade, pois

a reta explicará mais de 80% da variação total de Y. Este valor corresponde a um

coeficiente de determinação (R2) > 0,80.

Desta maneira, o valor do módulo de elasticidade das amostras será determinado

pela inclinação das retas de tendência, desde que atendida a condição R2 > 0,80.

Os gráficos foram plotados considerando os pontos das curvas de cada um dos

corpos de prova de cada amostra, até o valor da primeira ruptura da matriz registrada pela

máquina de ensaio universal. O valor do módulo de elasticidade foi obtido pela inclinação

da reta de regressão linear.

�PAGE �129��

FIGURA 134 – Gráfico de dispersão – Amostra R30

�

FIGURA 135 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T

�

FIGURA 136 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T(e)

�

FIGURA 137 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T_300

�

FIGURA 138 – Gráfico de dispersão – Amostra R30+T(e)_300

A Tabela 45 traz um resumo do valor dos módulos de elasticidade obtidos após a

plotagem dos gráficos de dispersão das amostras com 30% de teor de talco.

TABELA 45 – Valores dos módulos de elasticidades para as amostras R30

�

8.4.4 Alongamento na ruptura

O alongamento na ruptura à tração foi determinado pela média dos valores

observados para cada uma das réplicas de uma determinada amostra. Foram consideradas

apenas as amostra aceitas no tratamento estatístico descrito no Capítulo 07. Os gráficos

estão apresentados no Apêndice 7. A Tabela 46 mostra os valores das deformações medidas

no decorrer do ensaio de tração para cada amostra com 30% de teor de talco.

TABELA 46 – alongamento na ruptura para as amostras R30

�

�PAGE �130�8.4.5 Avaliação estrutural

Para que as placas em PRFS sejam utilizadas na fabricação de placas de sinalização

e barreiras acústicas, é necessário que as tensões atuantes, provocadas pela pressão dos

ventos, sejam inferiores às tensões admissíveis pelo material.

Desta maneira, faz necessário a comparação dos valores das tensões de flexão

obtidas nos ensaios, com as tensões produzidas pela ação do vento, para cada um dos

valores de vento básico admitidos.

Em uma análise preliminar, tem-se que as tensões provocadas pelas cargas de vento

assumem os valores máximos mostrados nas Tabelas 13 e 14.

A Tabela 47 mostra o valor das tensões de flexão que provocam a primeira ruptura

na matriz, para cada uma das amostras que utilizam 30% de teor de talco na fabricação das

placas de PRFS.

TABELA 47 – Resistência à flexão das amostras com 30% de teor de talco

�

Como se pretende utilizar as proporções da amostra R30+T(e) nas placas de PRFS,

pode-se adotar o valor de 39,41 MPa como tensão admissível do material.

Tomando como base os valores da Tabela 13 e 14, entende-se que as placas da

amostra R30+T(e) tem potencial para ser utilizada nas aplicações sugeridas. Neste caso, a

observação da velocidade básica do vento e o tipo de fixação das placas ao suporte são

fatores que devem ser analisados antes da especificação do uso do material em PRFS.

8.4.6 Requisitos para as placas em PRFS

Após análise dos valores apresentados nos itens anteriores, sugere-se que as placas

fabricadas em resina poliéster com 30% de teor de talco e reforçadas com tecido de sisal

seco em estufa devem satisfazer aos requisitos mostrados na Tabela 48.

TABELA 48 – Características das placas

�

�PAGE �131�

9. CONCLUSÕES

As conclusões apresentadas neste capítulo são válidas dentro das limitações deste

estudo. Os comentários são baseados na metodologia proposta, observados os materiais e as

proporções utilizadas nas amostras, bem como as condições de ensaio informadas.

9.1 TEOR DE TALCO

Entende-se que o acréscimo do teor de talco reduz a resistência à tração e flexão do

material em plástico reforçado por tecido de sisal. Entretanto, como um dos objetivos da

pesquisa é reduzir o consumo da resina, é interessante observar que para as amostras com

teores de talco igual a 20% e 30%, os valores das resistências à tração e flexão tiveram

valores estatisticamente semelhantes, sugerindo o uso de 30% de teor de talco para menor

custo de fabricação.

9.2 TRATAMENTO TÉRMICO DO TECIDO DE SISAL

A secagem do tecido em estufa (temperatura de 140°C por 04 horas) melhorou a

aderência entre a resina e a fibra. Tal afirmativa é fundamentada pelos resultados obtidos

nos ensaios de tração e flexão. Em ambos, obteve-se um acréscimo no valor das resistências

das amostras em que o tecido de sisal adicionado à matriz foi seco em estufa.

Neste sentido, entende-se que a retirada da umidade presente nas fibras de sisal

permitiu que o polímero fosse absorvido com maior intensidade, ocupando espaços na

estrutura das fibras anteriormente preenchidos pela água.

�PAGE �132�9.3 EXPOSIÇÃO ÀS INTEMPÉRIES

As placas de PRFS expostas por 300 horas às intempéries apresentaram

desempenho mecânico inferior às amostras no estado de entrega. Desta forma, entende-se

que a exposição às intempéries é uma variável que deve ser considerada para a

determinação das características do material compósito.

9.4 ABSORÇÃO

O ensaio de absorção mostrou que as placas em PRFS não absorvem umidade. Para

tanto, é importante que o material de reforço, no caso o tecido de sisal, esteja

completamente envolvido pela matriz. Tal configuração é fundamental no sentido de evitar

o contato da fibra com a água, o que, como mostrado, permite a penetração de água na

amostra por capilaridade.

9.5 APLICABILIDADE DO PRFS

Entende-se que as placas em PRFS têm potencial para serem utilizadas na produção

de placas de sinalização e barreiras viárias.

Do ponto de vista estrutural, entende-se que as placas em PRFS possuem

propriedades mecânicas capazes de resistir aos esforços solicitantes da magnitude proposta

nesta pesquisa. Neste sentido é necessário perceber que os elementos de suporte e fixação

exercem grande influência na quantificação desses esforços.

Desta maneira, entende-se que as placas exercem uma função informativa na

estrutura do conjunto de sinalização. A utilização de materiais eco-eficientes na fabricação

destes elementos de placa depende fundamentalmente do modelo estrutural que compõe os

elementos lineares da estrutura.

Assim sendo, um critério chave para aceitação final dos compósitos em PRFS será o

custo. Portanto, é essencial que seja observada não apenas a eficiência da fibra de sisal, mas

também os custos diretos e indiretos de sua fabricação.

�PAGE �133�

10. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Tendo em vista os resultados satisfatórios obtidos para o compósito de resina

poliéster com 30% de teor de talco e reforçado com tecido de fibra de sisal, sugere-se que

sejam analisados alguns estudos não abrangidos nesta pesquisa, como por exemplo:

• Influência do tipo de resina nas propriedades do PRFS. Entende-se que

priorizar o uso de resinas de origem vegetal contribui para a formação de um

produto cada vez mais ecologicamente correto. Estas resinas são compostas

principalmente de ácido sucínico e 1,4-butanodiol. O ácido sucínico pode ser

produzido a partir da fermentação do açúcar extraído da cana-de-açúcar ou

do milho. Resinas obtidas a partir do óleo da mamona também podem ser

testadas.

• Influência do processo de moldagem nas propriedades do PRFS, podendo

utilizar-se, por exemplo, a moldagem a quente para fabricação das placas.

Pode-se verificar ainda a influência da pressão e do tipo de prensagem

utilizados na fabricação das placas.

• Método de controle da espessura da camada de resina envolvendo o tecido

de sisal. Verificação da influência nas propriedades mecânicas do PRFS.

Recomendado em função da importância que o “cobrimento” exerce sobre o

material, principalmente nas faces tracionadas das placas fletidas.

• Estudo da análise da interface entre as fibras e a matriz, buscando melhor

avaliar a aderência entre os materiais e, também, observar a influência da

porosidade nas propriedades do compósito.

�PAGE �134�• Estudo das propriedades acústicas das placas de PRFS para embasar o uso

do material em barreiras acústicas.

• Estudo do comportamento de placas moldadas com a previsão de

enrijecedores em sua superfície.

Finalmente, de modo a proporcionar credibilidade do PRFS, sugere-se que normas

específicas sejam elaboradas e debatidas para regulamentação e aceitação de placas

reforçadas com fibras naturais. Neste sentido, baseado na norma para chapas com fibras de

vidro, os requisitos que podem ser aplicados a compósitos reforçados por fibras naturais

são:

• As chapas planas fabricadas devem ter na face principal uma camada

niveladora formada por gel coat ou similar, visando conferir uma superfície

de acabamento final liso e sem a retração e visualização das fibras;

• As chapas planas devem ser isentas de manchas, bolhas de ar, trincas, furos,

delaminações, fibras expostas, rachaduras e rasgos, e apresentar boa

distribuição das fibras, bem como homogeneidade em sua espessura e

planicidade nas suas faces;

• As chapas devem ser fornecidas com espessura mínima de 3,0mm, com

tolerância de +ou - 10%;

• As chapas devem ser fornecidas na cor preta;

• As chapas planas, quando ensaiadas, devem satisfazer a valores indicados

após ensaios de caracterização, conforme feito nesta pesquisa;

• As chapas planas que satisfazerem as condições prescritas devem ser aceitas.

Caso contrário, devem ser rejeitadas.

�PAGE �135�

11. REFERÊNCIAS

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66. PLÁSTICOS UNIVERSALES http://www.plastunivers.com

67. PLASTICS TECHNOLOGY LABORATORIES INC. http://www.ptli.com

68. POLIMEROS http://www.polymersolutionsinc.com

69. PORTAL DO PLÁSTICO REFORÇADO http://www.revistadoplasticoreforcado.com.br

70. RECICLÁVEIS http://www.reciclaveis.com.br

71. REVISTA IBEROAMERICANA DE POLIMEROS http://www.ehu.es/reviberpol

72. REVISTA PLÁSTICO MODERNO http://www.plastico.com.br

73. SCIELO BRASIL http://www.scielo.br

74. SOCIETY OF PLASTICS ENGINEERS http://www.4spe.org/pub

75. UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - INSTITUTO DE QUÍMICA http://www2.iq.usp.br

76. UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE – PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL http://www.civil.uff.br

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78. � HYPERLINK "http://www.obras.rj.gov.br/detalhe_noticia.asp?ident=401" �http://www.obras.rj.gov.br/detalhe_noticia.asp?ident=401�

79. � HYPERLINK "http://www.estradas.com.br/new/noticias/materia.asp?id=34907" �http://www.estradas.com.br/new/noticias/materia.asp?id=34907�

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82. http://www.der.sp.gov.br/documentos/normas/normas_projetoL03.aspx

�PAGE �142�

APÊNDICES

APÊNDICE 1 - SINALIZAÇÃO RODOVIÁRIA

A.1.1 SINALIZAÇÃO DE REGULAMENTAÇÃO. Tem por finalidade informar aos usuários das condições, proibições, obrigações ou

restrições no uso das vias. Suas mensagens são imperativas e seu desrespeito constitui

infração.

FORMA E CORES. A forma padrão do sinal de regulamentação é a circular, nas seguintes cores:

�PAGE �143�� EMBED CorelDRAW.Graphic.12 ��

Obrigação

� EMBED CorelDRAW.Graphic.12 �� Proibição Cores Fundo: Branco Tarja: Vermelha Orla: Vermelha Símbolo: Preto Letras: Pretas

�PAGE �144�Constituem exceção quanto a forma, os sinais "Parada Obrigatória" - R-1 e "Dê a

Preferência" - R-2, com as seguintes características:

�PAGE �145�� EMBED CorelDRAW.Graphic.12 ��

R-1 Cores: Fundo: Vermelho Letras: Brancas Orla Interna: Branca Orla Externa: Vermelha � EMBED CorelDRAW.Graphic.12 ��

R-2 Cores: Fundo: Vermelho Letras: Brancas

�PAGE �146�DIMENSÕES RECOMENDADAS. - SINAIS DE FORMA CIRCULAR: Vias com velocidade diretriz de ate 60 km/h:

Diâmetro - 0,750 m. Tarja - 0,075 m. Orla - 0,075 m.

Vias com velocidade diretriz entre 60 e 100 km/h:

Diâmetro - 1,000 m. Tarja - 0,100 m. Orla - 0,100 m.

- SINAL DE FORMA OCTOGONAL - R-1:

Lado - 0,350 m. Orla Interna Branca - 0,014 m. Orla Externa Vermelha - 0,028 m.

- SINAL DE FORMA TRIANGULAR - R-2:

Lado - 0,900 m. Orla - 0,150 m.

A.1.2. SINALIZAÇÃO DE ADVERTÊNCIA. Tem por finalidade alertar aos usuários da via para condições potencialmente

perigosas, indicando sua natureza. Suas mensagens possuem caráter de recomendação.

FORMA E CORES. A forma padrão do sinal de advertência é quadrada, devendo uma das diagonais

ficar na posição vertical, nas seguintes cores:

�PAGE �147��

Cores: Fundo: Amarelo. Orla Interna: Preta. Orla Externa: Amarela. Símbolo e/ou Legenda: Pretos.

DIMENSÕES MÍNIMAS. - SINAIS DE FORMA QUADRADA: Área Urbana:

Lado - 0,450 m. Orla Externa - 0,010 m. Orla Interna - 0,010 m.

Área Rural:

Lado - 0,600 m. Orla Externa - 0,020 m. Orla Interna - 0,020 m.

A.1.3. SINALIZAÇÃO DE INDICAÇÃO. Temos por finalidade identificar as vias, os destinos e os locais de interesse bem

como orientar condutores de veículos quanto aos percursos, os destinos as distâncias e os

serviços auxiliares, podendo também ter como função a educação do usuário. Suas

mensagens possuem um caráter meramente informativo ou educativo, não constituindo

imposição.

PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO DE RODOVIAS:

� Cores: Fundo - Branco. Orlas Internas - Pretas. Orla Externa - Branca. Legendas - Pretas.

Rodovia Panamericana

Dimensões Mínimas:

Altura - 0,450 m. Chanfro Inclinado - 0,140 m. Largura Superior - 0,440 m. Largura Inferior - 0,410 m. Orlas Internas Pretas - 0,020 m.

� Cores: Fundo - Branco. Orla Interna e Tarja - Pretas. Orla Externa - Branca. Legendas Pretas.

Rodovia Nacional


Largura - 0,400 m. Altura - 0,450 m. Orla Interna e Tarja - 0,020 m. Orla Externa - 0,010 m.

PLACAS DE IDENTIFICAÇÃO DE ZONAS DE INTERESSE DE TRÁFEGO:

�

: Cores: Fundo - Azul. Tarjas e Letras - Branco.


Largura - 1,000 m. Altura - 0,600 m. Altura da Letra - 0,100 m. Orla Interna e Tarja - 0,020 m. Orla Externa - 0,010 m.

PLACAS DE LIMITE DE MUNICÍPIO:

� C:

Cores: Fundo Azul. Tarjas e Letras - Brancas.

Formas e Dimensões Mínimas:

Largura - 2,150 m. Altura - 1,000 m. Altura da Letra - Limite do Município - 0,100 m. Demais Letras - 0,150 m. Orla Interna e Tarja - 0,020 m. Orla Externa - 0,010 m.

PLACAS DE ORIENTAÇÃO DE DESTINO. Indicam ao condutor a direção que o mesmo deverá seguir para atingir determinados

lugares, orientando seu percurso e distância.

PLACAS INDICATIVAS DE SENTIDO E DIREÇÃO:

� Cores: Fundo - Verde. Orla Interna - Branca Orla Externa - Verde. Legenda - Branca. Símbolos - De acordo com a rodovia


Largura - 1,000 m. Altura - 0,400 m. Altura da Letra para Área Urbana - 0,100 m. Altura da Letra para Rodovias - 0,150 m. Orla Interna e Tarja - 0,020 m. Orla Externa - 0,010 m.

PLACAS INDICATIVAS DE DISTÂNCIA:

� Cores: Fundo: Verde Orla Interna - Branca. Orla Externa - Verde. Legendas - Brancas


Largura - 1,000 m. Altura - 0,400 m. Altura da Letra - 0,150 m. Orla Interna e Tarja - 0,020 m. Orla Externa - 0,010 m.

APÊNDICE 2 – CARACTERÍSTICA DO VENTO SEGUNDO A NBR6123

A.2.1 – Gráfico de Isopletas da Velocidade Básica do Vento (m/s)

�

A.2.2 – Fator S1 – Fator Topográfico

O fator S1 é o fator topográfico que considera as variações de relevo de terreno no

entorno da edificação. É determinado da seguinte forma:

• Terreno plano ou fracamente acidentado: S1=1;

• Vales profundos protegidos de vento de qualquer direção: S1= 0,9;

• Taludes e morros alongados – Ver NBR-6123.

A.2.3 – Fator S2 – Fator Rugosidade do Terreno

O fator S2 considera o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação da

velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação ou parte

dela. No caso será considerada as características do terreno onde será instalada a placa,

sendo adotada a categoria I.

a) Rugosidade do Terreno: classificada em cinco categorias:

• Categoria I – Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de

5km de extensão, medidas na direção e sentido do vento incidente

(mar calmo, lagos e rios pântanos sem vegetação);

• Categoria II – Terreno aberto, em nível, com poucos obstáculos

isolados, tais como arvores e edificações baixas (zonas costeiras

planas, pradarias, campos de aviação, fazendas sem sebes ou muros),

sendo que a cota média do topo dos obstáculos é menor ou igual a 1

metro;

• Categoria III – Terrenos planos ou ondulados com obstruções, tais

como sebes e muros, poucos quebra-ventos de arvores, edificações

baixas e esparsas (granjas e casas de campo com exceção das partes

com matas, subúrbios a considerável distância do centro). A cota

média do topo dos obstáculos é considerada igual a 3 metros;

• Categoria IV – Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco

espaçados, em zonas florestal, industrial ou urbanizada (zonas de

parques e bosques com muitas arvores, cidades pequenas e seus

arredores, subúrbios densamente construídos de grandes cidades e

áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas. A cota media

do topo dos obstáculos é considerada igual a 10 metros);

• Categoria V – Terrenos coberto por obstáculos numerosos, grandes,

altos e pouco espaçados (florestas com árvores altas de copas

isoladas, centros de grandes cidades e complexos industriais bem

desenvolvidos), com cota média do topo dos obstáculos igual ou

superior a 25 metros.

b) Dimensões da Edificação

A NBR 6123:1988 classifica as partes de edificações e seus elementos em 3 classes

com intervalos de tempo para cálculo da velocidade média de 3, 5 e 10 segundos,

correspondendo as classes A, B, C:

• Classe A – Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação

e peças individuais de estruturas sem vedação. Toda a edificação na

qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 metros;

• Classe B – Toda edificação ou parte da edificação para o qual a

maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja

entre 20 e 50 metros;

• Classe C – Toda edificação ou parte da edificação para o qual a

maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50

metros.

No caso desta pesquisa será considerado que a largura da placa não excede 20

metros, o que corresponde a classe A.

c) Altura Sobre o Terreno

O fator S2 usado no cálculo da velocidade do vento em uma altura z acima do nível

geral do terreno é obtida pela seguinte expressão [23]:

�

[23]

onde:

• z - altura acima do nível geral do terreno, limitado a altura gradiente (zg) que

define o contorno superior da camada atmosférica;

• Fr - fator de rajada, correspondente à categoria II, classe A;

• b - parâmetro meteorológico;

• p - função da rugosidade do terreno e do intervalo de tempo.

Os parâmetros utilizados para calcular S2 para as cinco categorias citadas

anteriormente são apresentados na Tabela A.2-I, obtida da NBR 6123. Para outras

particularidades ver NBR 6123.

TABELA A.2-I – Parâmetros de definição do fator S2 �

A.2.4 – Fator S3 – Segurança e Risco

A Tabela A.2-II apresentada pela NBR 6123 apresenta os valores mínimos do fator

S3 em cinco Grupos.

TABELA A.2-II – Valores do fator S3 �

APÊNDICE 3 – RESULTADOS PARA EXCLUSÕES DE RÉPLICAS DISPERSAS -

ENSAIO DE TRAÇÃO – TESTE DE DIXON

A.3.1 – Amostra R0

� �

A.3.2 – Amostra R0 + T

�


�

�

�

�


� �


�


� �

A.3.7 – Amostra R30 + T(e)

� �

A.3.8 – Amostra R30 + T_300

� �

A.3.9 – Amostra R30 + T(e)_300

� � �


�

A.3.11 – Amostra R40 + T �

A.3.12 – Amostra R30 + F.V.

�

�

�

A.3.13 – Amostra R30 + REJ20

�


� �

A.3.15 – Amostra R30 + REJ(e)30

� �


�

APÊNDICE 4 – RESULTADOS PARA EXCLUSÃO DE RÉPLICAS DISPERSAS -

ENSAIO DE TRAÇÃO - CRITÉRIO DA NBR-7215 – CIMENTO PORTLAND –

DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

A.4.1 – Amostra R0 � �


� � � �


� � �

A.4.4 – Amostra R20 + T � �

� A.4.5 – Amostra R30 � A.4.6 – Amostra R30 + T � A.4.7 – Amostra R30 + T(e) � A.4.8 – Amostra R30 + T_300 � � � A.4.9 – Amostra R30 + T(e)_300 �

� � A.4.10 – Amostra R40 � A.4.11 – Amostra R40 + T � � A.2.12 – Amostra R30 + REJ20 � � � A.4.13 – Amostra R30 + REJ30

� � A.4.14 – Amostra R30 + REJ(e)30 � � � A.4.15 – Amostra R30 + REJ40 � A.4.16 – Amostra R30 + F.V. � �

APÊNDICE 5 – Resultados para exclusão de réplicas dispersas - Ensaio de Flexão – Teste de Dixon A.5.1 – Amostra R0 � A.5.2 – Amostra R0 + T � A.5.3 – Amostra R20 � � A.5.4 – Amostra R20 + T � A.5.5 – Amostra R30 � � � A.5.6 – Amostra R30 + T � � A.5.7 – Amostra R30 + T(e) � A.5.8 – Amostra R40

� A.5.9 – Amostra R40 + T � � A.5.10 – Amostra R30 + REJ30 � A.5.11 – Amostra R30 + REJ(e)30 � � A.5.12 – Amostra R30 + F.V. �

APÊNDICE 6 – Resultados para exclusão de réplicas dispersas - Ensaio de Flexão – Critério da NBR-7215 – Cimento Portland – Determinação da resistência à compressão A.6.1 – Amostra R0 � A.6.2 – Amostra R0 + T � A.6.3 – Amostra R20 � � A.6.4 – Amostra R20 + T � � � A.6.5 – Amostra R30 � � �


� �

A.6.7 – Amostra R30 + T(e)

� � �


� �

A.6.9 – Amostra R40 + T �


� �

�

A.6.11 – Amostra R30 + REJ(e)30

� �

A.6.12 – Amostra R30 + F.V. �

APÊNDICE 7 – GRÁFICO TENSÃO X DEFORMAÇÃO DAS AMOSTRAS – ENSAIO

DE TRAÇÃO - CURVAS DAS RÉPLICAS ACEITAS

A.7.1 – Ensaio de Tração - Amostra R30

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A.7.2 – Ensaio de Tração - Amostra R30 + T

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A.7.3 – Ensaio de Tração - Amostra R30 + T(e)

� A.7.4 – Ensaio de Tração - Amostra R30 + T_300

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A.7.5 – Ensaio de Tração - Amostra R30 + T(e)_300 �

APÊNDICE 8 – GRÁFICO TENSÃO X DEFORMAÇÃO DAS AMOSTRAS – ENSAIO

DE FLEXÃO - CURVAS DAS RÉPLICAS ACEITAS

A.8.1 – Ensaio de Flexão - Amostra R30 �

A.8.2 – Ensaio de Flexão - Amostra R30 + T �

A.8.3 – Ensaio de Flexão - Amostra R30 + T(e)

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